焦炭反应性及反应后强度的试验研究

摘要：本文介绍了测定焦炭反应性及反应后强度的试验方法，并进行了反应性和反应后强度以及冷态强度和热

态强度的对比。结果表明：焦炭的反应性和反应后强度有良好的负相关性，反应后强度和抗碎强度有一定的正相

关性，反应后强度和耐磨强度有一定的负相关性。

关键词：试验；反应性；反应后强度；关系；对比

1 焦炭在高炉中的作用和行为

炼铁高炉是一个中空的竖炉，自上而下分为炉喉、炉身、炉腰、炉腹和炉缸五部分。铁矿石、焦炭和造渣熔剂等块状炉料从炉顶依次分批装入炉内。焦炭在炉缸上部的风口区与由风口鼓人的高温空气相遇，燃烧放热，燃烧产生的CO₂与风口边缘的焦炭反应生成的还原性气体CO将矿石还原成生铁。

焦炭在高炉冶炼过程中有供热、还原、料柱骨架和供碳四种作用。

在炼铁过程中，焦炭在高炉内自上而下经过块状带(炉腰以上温度低于1000℃的部位)、软融带(炉腰以下到炉腹中部1000～1300℃的部位)、滴落带(软融带之下温度高于1350℃的区域)和风口区等不同温度区域。因各区域的条件差别很大，而呈现不同的状态。

焦炭在块状带温度高于800℃时，开始与CO₂反应生成CO，反应大量吸热且消耗C，使焦炭气孔壁变薄，开始发生碳溶反应；到了软融带，碳溶反应剧烈，焦炭的碳损失可达30％～40％，强度、块度下降并产生大量碎焦，不利于料柱透气，影响炉况顺行；在滴落带，焦炭除经受滴落的铁水和熔渣的冲刷，并向铁水渗碳外，还受到高温炉气的冲击。

因此，焦炭的热强度和热稳定性是至关重要的质量指标。

冶金焦是为高炉冶炼提供热量和还原剂的重要炉料。根据冶炼要求，冶金焦必须具有适当的化学性质和物理性质，包括高温下的热态性质和冷态性质。日常生产中冷态下的性质是重要的生产依据，但冶金焦高温下物理和化学性质都发生了相应的变化，因而有必要对焦炭的热态性质(反应性及反应后强度)做深入的了解。

2 焦炭反应性及反应后强度试验方法

焦炭反应性及反应后强度试验方法按照GB／T4000一1996标准执行。

焦炭反应性是焦炭与CO₂进行化学反应的能力，是评价焦炭质量的重要指标。

试验原理是：在金属或耐火材料容器内放人焦炭试样，试验前先通N₂逐出空气，借助于容器外的加热元件加热焦炭试样到1100℃，开始通CO₂进行反应，反应一段时间后焦炭的损失量以百分数表示为反应性CRI，反应后的试样入转鼓测定反应后强度CSR。

两炉的重复性为：CRI≤2．4％，CSR≤3．2％。

试验流程如下：

l一二氧化碳钢瓶；2一针形阀；3一缓冲瓶；4一浓硫酸洗气瓶；5、13一干燥塔；6一玻璃三通活塞；7一精密温度控制装置；8一热电偶；9一气体分析仪；10一氮气钢瓶；11、19一转子流量计；12一焦性没食子酸洗气瓶；14一托架；15一试样；16一反应器；17一电炉；18一红外灯

3 试验结果与分析

2002～2005．6三年半中，小焦炉对焦化厂生产的焦炭(1^＃～4^＃炉)进行了反应性及反应后强度指标的测定。生产焦炉的焦炭做了将近348炉的试验。同时，小焦炉还对生产焦炉的焦炭进行了抗碎强度和耐磨强度的测定。

3．1焦炭的反应性和反应后强度的关系

焦炭与CO₂反应属气固相反应，其反应速率取决于化学反应速度，还受扩散因素的影响。焦炭是一种多孔体，在1100℃的高温下与CO₂反应时，气孔表面很快被反应生成的CO覆盖，使CO₂分子向气孔扩散的阻力增加，整个焦块从表面到内层产生较大的CO₂浓度梯度，CO₂分子一接触焦炭表面迅速反应，来不及向内部扩散，这时反应完全受焦炭外表面的传质作用控制。通过对试验数据做数理分析，发现焦炭的反应性和反应后强度有很好的相关性，如图所示。

反应性是反映焦炭在炼铁过程中CO₂对焦炭的破坏情况，因此反应性越强对焦炭的破坏程度就越严重，焦炭在高炉中的作用就越差。在相同条件下，随着焦炭与CO₂反应程度的加深，反应后强度也随之下降。焦炭的反应性反应的是焦炭在高温下的化学性质，而反应后强度是反应这种化学变化对焦炭在物理性质上所引起的变化。对反应性的影响即表示了焦炭反应后强度的变化。

3．2焦炭冷态强度与热态强度的关系

焦炭的冷态强度包括焦炭的抗碎强度M₄₀和耐磨强度M₁₀；热态强度即反应后强度CSR。

3．2．1 焦炭的抗碎强度M₄₀和反应后强度CSR的关系(见图)

从上图可看出：焦炭的抗碎强度M₄₀和反应后强度CSR之间基本上是线性关系，有一定的相关性。经过回归的方程式为：

y=0．2077x 66.949

其中：y表示抗碎强度M₄₀；x表示反应后强度CSR

回归方程的置信度平方R²=0．2584

焦炭的反应后强度CSR在58％～68％这个范围内时，M₄₀集中在77％～8l％之间。

3．2．2焦炭的耐磨强度M₁₀和反应后强度CSR的关系(见图)

从上图可看出：焦炭的耐磨强度M₁₀和反应后强度CSR之间是线性关系，有一定的负相关性。经过回归的方程式为：

y=一0．135x 16．178

其中：y表示耐磨强度M₁₀；x表示反应后强度CSR

回归方程的置信度平方R²=0．3328

焦炭的反应后强度CSR在58％～68％这个范围内时，M₁₀大部分在8．5％以下。

3．3 包钢焦化厂生产焦炭的反应性能综述

经过对焦炭反应性及反应后强度的测定，包钢焦化厂生产的焦炭反应性平均为26．4％；反应后强度平均为60．4％。根据资料显示，包钢焦化厂的焦炭反应性及反应后强度仅次于宝钢、首钢的焦炭。

4 原因分析

4．1 试验误差

4．1．1 温度

试验虽然采用的是自动控温装置。但是当焦炭与CO₂刚开始反应时，温度变化最大。此时反应特别剧烈，吸放热反应快，造成温度升降比较大。反应进行一段时间后，温度才趋于平稳，而调温时间有长有短，使反应差别大，影响试验结果。

4．1．2气体流量

虽然气体流量很稳定，但是由于两个人做试验，观察视角的不同，人眼的差别，会造成气体流量有差别，影响试验结果。

4．1．3气体含量

试验要求与焦炭反应的CO₂含量为98％。但实际测出的CO₂含量却只有90％一92％，含量达不到要求，影响试验结果，大约在l％一2％之间。

4．2焦炭结构

4．2．1 焦炭光学组织与反应性直接相关

焦炭的光学组织根据在光学显微镜下的不同特征分为各向同性组织、粒状镶嵌组织、纤维状组织和片状组织，是煤中活性组分形成的焦炭；丝质状组织和破片状组织是惰性组分形成的焦炭。

焦炭与CO₂反应过程中，各光学组织有不同的反应程度。各光学组织的反应性依下列顺序依次减弱：各向同性组织、丝质状组织、破片状组织、细粒镶嵌组织、粗粒镶嵌组织、纤维状组织。

4．2．2焦炭气孔结构

焦炭是一种多孔体，与CO₂的反应主要在其大气孔周围的孔壁表面进行，反应后气孔扩大，气孔率增加，气孔壁减薄。配合煤中高挥发分煤用量多时，得到的焦炭反应性高，气孔壁较薄，在与CO₂反应中，易于穿透而形成更大的串通孔，这是焦炭反应后强度低的主要原因。

5 结论

(1)焦炭的反应性和反应后强度有良好的负相关性。

(2)焦炭的反应后强度和抗碎强度之间有一定的正相关性。

(3)焦炭的反应后强度和耐磨强度之间有一定的负相关性。