1《煉焦工藝》

授課教師：薛彩霞學(xué)習(xí)情境三任務(wù)一焦炭2

單元一焦炭的通性單元二高爐煉鐵單元三非高爐用焦的特性

3

一、焦炭的宏觀構(gòu)造焦炭有縱橫裂紋。沿粗大的縱橫裂紋掰開，仍含有微裂紋的是焦塊。將焦塊沿微裂紋分開，即得到焦炭多孔體，也稱焦體。焦體由氣孔和氣孔壁構(gòu)成，氣孔壁又稱焦質(zhì)，其主要成分是碳和礦物質(zhì)。單元一焦炭的通性4焦炭冶金焦炭5

1.裂紋度定義：裂紋度即焦炭單位面積上的裂紋長(zhǎng)度。分類：縱裂紋：規(guī)定裂紋面與焦?fàn)t炭化室爐墻面垂直的裂紋稱縱裂紋；

橫裂紋：裂紋面與焦?fàn)t炭化室爐墻面平行的裂紋稱橫裂紋。6

1．氣孔率焦炭的氣孔率是指氣孔體積與總體積比的百分率。氣孔率可以利用焦炭的真密度和視密度的測(cè)定值加以計(jì)算。

（1-1）73．氣孔平均直徑與孔徑分布一般稱直徑大于100微米的氣孔為大氣孔；20～100微米的為中氣孔；小于20微米的為微氣孔。焦炭的孔徑分布常用壓汞法測(cè)量。

（1-2）式中—外加壓力為（kgf/cm2）時(shí)，汞能進(jìn)入孔中的最小孔徑。84.比表面積指單位質(zhì)量焦炭?jī)?nèi)部的表面積（m2/g），一般用氣相吸附法或色譜測(cè)定。9二、焦炭的物理機(jī)械性能高爐生產(chǎn)對(duì)焦炭的基本要求是：粒度均勻、耐磨性和抗碎性強(qiáng)。焦炭的這些物理機(jī)械性能主要由篩分組成和轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)來評(píng)定。1．篩分組成一般用一套具有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格和規(guī)定孔徑的多級(jí)振動(dòng)篩將焦炭篩分，然后分別稱量各級(jí)篩上焦炭和最小篩孔的篩下焦炭質(zhì)量，算出各級(jí)焦炭的質(zhì)量百分率即焦炭的篩分組成，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)允許篩分試驗(yàn)用方孔篩（以邊長(zhǎng)L表示孔的大小）和圓孔篩（以直徑D表示孔徑的大?。?。D/L=1.135±0.04（1-4）10焦炭及其性質(zhì)（1）平均粒度

（1-5）或（1-6）11式中——各粒級(jí)的質(zhì)量百分率，%；——各粒級(jí)的平均粒度,由粒級(jí)上、下限的平均值計(jì)算；——算術(shù)平均直徑；——調(diào)和平均直徑（是以實(shí)際焦粒比表面與相當(dāng)球體比表面相同的原則確定的平均粒度）。12（2）粒度均勻性

（1-7）、、——分別表示焦炭中25～40mm、40～80mm和>80mm各粒級(jí)的百分含量。

132．耐磨強(qiáng)度和抗碎強(qiáng)度（1）轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)方法焦炭強(qiáng)度通常用抗碎強(qiáng)度和耐磨強(qiáng)度兩個(gè)指標(biāo)來表示。焦炭在常溫下進(jìn)行轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)可用來鑒別焦炭強(qiáng)度。焦炭抵抗破壞的能力稱耐磨性或耐磨強(qiáng)度，用M10值表示。

（1-8）14

當(dāng)焦炭承受沖擊力時(shí)，焦炭沿結(jié)構(gòu)的裂紋或缺陷處碎成小塊，焦炭抵抗此種破壞的能力稱焦炭的抗碎性或抗碎強(qiáng)度。用M25（M40）表示。

（1-9）

我國(guó)多采用德國(guó)米貢轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)方法。如表1-1所示。15表1-1焦炭轉(zhuǎn)鼓實(shí)驗(yàn)方法轉(zhuǎn)鼓特性焦炭試樣篩分強(qiáng)度指標(biāo)（直徑/長(zhǎng)度）/mm轉(zhuǎn)速/（轉(zhuǎn)/分）轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)質(zhì)量/Kg粒度/mm孔型篩孔/mm耐磨強(qiáng)度/%抗碎強(qiáng)度/%1000/10002510050?60圓形25，10?10/M10?25/M2516焦炭及其性質(zhì)

（2）焦炭在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的運(yùn)動(dòng)特征焦炭在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)要靠提料板才能提升，故轉(zhuǎn)鼓內(nèi)均設(shè)有不同規(guī)格的提料板。焦炭在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)隨鼓轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的運(yùn)動(dòng)情況可由圖1-1表示，17圖1-1焦炭在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的運(yùn)動(dòng)情況

三、焦炭的化學(xué)組成

1．工業(yè)分析焦炭的工業(yè)分析包括焦炭水分、灰分和揮發(fā)分的測(cè)定以及焦炭中固定碳的計(jì)算。（1）水分（Mt）焦炭的水分是焦炭試樣在一定溫度下干燥后的失重占干燥前焦樣的百分率。18

（2）灰分（Ad）

主要成份是高熔點(diǎn)的SiO2和Al2O3等酸性氧化物,在高爐冶煉中要用CaO等熔劑與它們生成低熔點(diǎn)化合物，才能以熔渣形式由高爐排出。此外，焦炭在高爐內(nèi)被加熱到高于煉焦溫度時(shí)，由于焦質(zhì)和灰分熱膨脹性不同，會(huì)沿灰分顆粒周圍產(chǎn)生并擴(kuò)大裂紋，加速焦炭破碎或粉化。19

幾個(gè)國(guó)家冶金用焦炭與精煤灰分國(guó)標(biāo)（Ad）如表1-2。

國(guó)別中國(guó)美國(guó)原蘇聯(lián)德國(guó)法國(guó)日本I級(jí)II級(jí)III級(jí)焦炭灰分/%?12.0?13.5?15.0<7.0<10.0<8.0<9.0<10.0精煤灰分/%<12.55.5～6.58.0～8.56.0～7.0<7.06.6～8.020

（3）揮發(fā)分（Vdaf）和固定碳（FC）揮發(fā)分是衡量焦炭成熟程度的標(biāo)志，焦炭的揮發(fā)分同原料煤的煤化度及煉焦最終溫度有關(guān)，如圖1-2、圖1-3。圖1-2焦炭揮發(fā)分與原料煤揮發(fā)分的關(guān)系圖1-3焦炭揮發(fā)分與煉焦溫度的關(guān)系21固定碳是煤干餾后殘留的固態(tài)可燃性物質(zhì)，由計(jì)算得：固定碳=100－水分－灰分－揮發(fā)分，%

2．元素分析焦炭元素分析是指焦炭按碳、氫、氧、氮、硫和磷等元素組成確定其化學(xué)成分時(shí)，稱為元素分析。22

（1）碳和氫碳是構(gòu)成焦炭氣孔壁的主要成分，氫則包含在焦炭的揮發(fā)分中。其成分為碳：92%～96%，氫：1%～1.5%。結(jié)焦過程中，不同煤化度的煤中C、H、N元素含量隨干餾溫度升高而變化的規(guī)律如圖1-4。23圖1-4各種煤的C、H、N含量隨干餾溫度升高而變化的規(guī)律24

（2）氮焦炭中的氮是焦炭燃燒時(shí)生成NOx的來源，結(jié)焦過程中氮含量變化不大，僅在干餾溫度達(dá)800oC以上時(shí)才稍有降低。

（3）氧焦炭中氧含量很少，常用減差法計(jì)算得到，其成分為0.4%～0.7%。25（4）硫煤和礦物質(zhì)轉(zhuǎn)變而來的無機(jī)硫化物（FeS、CaS等）熄焦過程中部分硫化物被氧化生成的硫酸鹽（FeSO4CaSO4）煉焦過程中生成的氣態(tài)硫化物在析出途中與高溫焦炭作用而進(jìn)入焦炭的有機(jī)硫全硫一些國(guó)家對(duì)高爐焦含硫指標(biāo)規(guī)定如表1-3所示。26表1-3幾個(gè)國(guó)家的高爐焦硫分指標(biāo)國(guó)別中國(guó)美國(guó)德國(guó)法國(guó)英國(guó)日本I級(jí)II級(jí)III級(jí)指標(biāo)值/%<0.6<0.8<1.00.60.90.80.60.6（5）磷焦炭中的磷主要以無機(jī)鹽類形式存在。高爐焦一般對(duì)含磷不作特定要求。27四、焦炭的高溫反應(yīng)性1．反應(yīng)機(jī)理焦炭的高溫反應(yīng)性是焦炭與二氧化碳、氧和水蒸氣等進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的性質(zhì)，簡(jiǎn)稱焦炭反應(yīng)性，C+O2→CO2+394kJ/mol焦炭的燃燒性（1）C+H2O→H2+CO-131110kJ/mol水煤氣反應(yīng)（2）C+CO2→2CO-173kJ/mol碳素溶解反應(yīng)（3）

282．影響反應(yīng)性因素（1）原料煤性質(zhì)焦炭反應(yīng)性隨原料煤煤化度變化而變化，如圖1-5。圖1-5原料煤的煤化度與所得焦炭反應(yīng)性的關(guān)系29

（2）煉焦工藝提高煉焦最終溫度，結(jié)焦終了時(shí)采取燜爐等措施，可以使焦炭結(jié)構(gòu)致密，減少氣孔表面，從而降低焦炭反應(yīng)性。（3）反應(yīng)速率參數(shù)

，mol/s（1-10）

30式中，——以單位時(shí)間消耗的CO2或C量表示的反應(yīng)速率；

——焦炭的直徑，cm；

——單位容積焦炭的氣孔表面，m2/cm3

——反應(yīng)速度常數(shù)；

——焦炭氣孔率，%；

——擴(kuò)散速度常數(shù)。

31五、塊焦反應(yīng)率及反應(yīng)后強(qiáng)度按取樣規(guī)范采集一定量的，具有代表性的焦炭，破碎后篩分，取其中符合規(guī)定的粒級(jí)，從中隨機(jī)取一定量作為試樣。將一定量的焦炭試樣在規(guī)定的條件下與純CO2氣體反應(yīng)一定時(shí)間，然后充氮?dú)饫鋮s、稱重，反應(yīng)前后焦炭試樣重量差與焦炭試樣重量之比的百分率稱為塊焦反應(yīng)率（CRI）。32

（1-11）式中

G0——參加反應(yīng)的焦炭試樣質(zhì)量，kg；G1——反應(yīng)后殘存焦炭質(zhì)量，kg。也可用化學(xué)反應(yīng)后氣體中CO濃度（相當(dāng)于反應(yīng)掉的碳）和（CO+CO2）濃度之比的百分率表示塊焦反應(yīng)率，即

（1-12）式中CO、CO2——反應(yīng)后氣體中CO、CO2氣體的濃度，%。33經(jīng)過CO2反應(yīng)的焦炭，充氮冷卻后，全部裝入轉(zhuǎn)鼓，轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)后，粒度大于某規(guī)定值的焦炭重量（g2）占裝入轉(zhuǎn)鼓的反應(yīng)后焦炭重量（g1）的百分率，稱為反應(yīng)后強(qiáng)度CSR。

（1-13）塊焦反應(yīng)率和反應(yīng)后強(qiáng)度試驗(yàn)有多種形式，我國(guó)鞍山熱能研究所所推薦的小型裝置如圖1-6所示。34圖1-6堆焦反應(yīng)性和反應(yīng)后強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)裝置示意圖a—反應(yīng)器；b—轉(zhuǎn)鼓

35表1-4冶金焦炭的技術(shù)指標(biāo)(GB/T1996—94)

指標(biāo)

級(jí)別

粒度/mm>40>2525～10灰分Ad/%ⅠⅡⅢ不大于12.0012.01～13.5013.51～15.00硫分St，d/%ⅠⅡⅢ不大于0.600.61～0.800.81～1.00機(jī)械強(qiáng)度抗碎強(qiáng)度M25/%（舊國(guó)標(biāo)M40）ⅠⅡⅢ大于92.0（>80）92.0～88.1(>76～80)88.0～83.0(>72～76)耐磨強(qiáng)度M10/%ⅠⅡⅢ不大于7.08.510.0揮發(fā)分Vdaf/%不大于1.9水分含量Mt/%4.0±1.05.0±2.0不大于12.0焦末含量/%不大于4.05.012.0注：水分只作為生產(chǎn)操作中控制指標(biāo)，不作質(zhì)量考核依據(jù)。

36單元二高爐煉鐵一、高爐冶煉過程1.高爐內(nèi)總體狀況

圖1-7高爐爐型及各部位溫度與煤氣組成37

高爐系中空豎爐，從上到下分爐喉、爐身、爐腰、爐腹、爐缸五段。高爐爐料中的鐵礦石（天然礦、燒結(jié)礦、球團(tuán)礦）、焦炭和助熔劑（石灰石或白云石）從爐頂依次分批裝入爐內(nèi)，送風(fēng)系統(tǒng)將800℃以上的高溫空氣（或富氧空氣）由位于爐缸上部的風(fēng)口鼓入爐內(nèi)，使焦炭在風(fēng)口前的回旋區(qū)內(nèi)激烈燃燒而放熱,并使高爐下部形成自由空間，上部的爐料借重力穩(wěn)定地下降，從而構(gòu)成連續(xù)的高爐冶煉過程。38高爐冶煉過程的主要熱源:燃燒放出的熱量。高爐冶煉過程的主要還原劑：CO自下而上煤氣溫度逐漸降低（圖1-7b）。從風(fēng)口開始，由于煤氣中CO2與焦炭反應(yīng)及鐵氧化物被高溫焦炭直接還原產(chǎn)生大量CO，所以煤氣中CO含量逐漸增加，到爐腹以上部位則由于CO與鐵氧化物間接還原生成CO2而逐漸降低(圖1-7c)。

39高爐的基本功能是將鐵礦石預(yù)熱、還原、造渣、脫硫、熔化、滲碳，從而得到合格的鐵水。402.高爐煉鐵的化學(xué)反應(yīng)在風(fēng)口區(qū)，C+O2=CO2+399.440MJ

Ⅲ區(qū)內(nèi)，CO2+C=2CO-165.6MJ

FeO+CO=Fe+CO2+13.59MJ+CO2+C=2CO165.6MJ—————————————FeO+C=Fe+CO-152.01MJ

41衡量高爐操作水平的主要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)有高爐有效容積利用系數(shù)（η）：

η=,t鐵/（m3·24h）(1)42焦比（c）：

c=，t焦/（t鐵）（2）冶煉強(qiáng)度：,t焦/(m3·24h)（3）

將式（1）和（2）合并得：（4）43

3．造渣脫硫造渣的主要目的：一是使鐵礦石中的脈石和焦炭中的灰分（其中大部分為高熔點(diǎn)的酸性氧化物，二是利用造渣脫硫和控制硅、錳等元素的還原，以獲得合格的生鐵。44

（1）高爐冶煉過程中硫的動(dòng)態(tài)SO2+2C=2CO+S↑

鐵礦石和熔劑中的FeS2被高溫煤氣加熱分解：FeS2FeS+S↑（2）影響生鐵含硫的因素[FeS]+（CaO）→（CaS）+[FeO][FeO]+[C]→Fe+CO45生鐵中的含硫量可下式計(jì)算：

（1-14）46式中[S]——生鐵含硫量，%；

S料、S煤——爐料帶入和煤氣帶走的硫分，kg；Q鐵——生鐵量，kg；n——渣鐵比，%；ls——硫的分配系數(shù)；（）——表示渣中；[]——表示鐵水中。47

（3）爐渣脫硫的實(shí)質(zhì)

爐渣脫硫的目的是將熔于鐵水中的FeS轉(zhuǎn)化為不熔于鐵水中的硫化物，并轉(zhuǎn)入爐渣。首先[FeS]→（FeS）

(FeS）+（CaO）==（CaS）+（FeO）

FeO+C==Fe+CO

全過程是FeS+CaO+C==CaS+Fe+CO–141230kJ。48提高硫化鐵從鐵水中向爐渣擴(kuò)散的速率，是整個(gè)過程的關(guān)鍵。提高爐缸和爐渣的溫度，爐渣組成主要由總堿度或堿度表示。

白云石（MgO3·CaCO3）49

二、料柱構(gòu)造及對(duì)焦炭的要求

1.料柱構(gòu)造高爐內(nèi)溫度示意如（圖1-8）。圖1-8高爐內(nèi)不同溫度區(qū)域示意

50塊狀帶：料柱上部低于1100℃的區(qū)域，爐料保持入爐前的固體塊狀，軟融帶：料柱中部溫度在1100～1350℃的部位，礦石從外表到內(nèi)部逐漸軟化熔融。滴落帶：料柱中下部溫度高于1350℃的部位，此處僅焦炭呈固塊狀，熔化的鐵水和爐渣則沿焦炭層縫隙向下流動(dòng)并滴落，51焦炭在煉鐵中的作用：1）骨架作用2）提供熱源3）還原劑4）滲碳劑

3.12

焦炭作用2.焦炭的作用52表1-5各國(guó)高爐焦質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

指

標(biāo)中

國(guó)俄羅斯日

本美

國(guó)德

國(guó)英

國(guó)法

國(guó)波

蘭水分（Mt）/%4.0～12.0<53～４

<5<3

<6揮發(fā)分（Vad）/%1.91.4～１.8

0.7～1.1

灰分（Aad）/%12.00～15.0010～1210～126.6～10.89.8～10.2<86.7～10.111.5～12.5硫分（St,ad）/%0.60～1.001.79～2.00<0.60.54～1.110.9～1.2<0.60.7～1.0

粒度/mm>25,>4040～8025～8015～75>20

20～5140～8020～6340～8040～60>40轉(zhuǎn)

鼓

強(qiáng)

度

指

數(shù)

/%穩(wěn)定度

51～62

硬

度

62～73

M25Ⅰ>92.0Ⅱ92.0～88.1

Ⅲ88.0～83.0Ⅰ73～80Ⅱ68～75Ⅲ62～7075～80

>84>75>80Ⅰ63～69Ⅱ52～63Ⅲ45～52M10Ⅰ≯7.0Ⅱ≯8.5

Ⅲ≯10.5Ⅰ8～9Ⅱ9～10Ⅲ10～14

<6<7<8Ⅰ8～10Ⅱ<12

Ⅲ<13I10

<20

>92

3．高爐焦的質(zhì)量要求53三、焦炭在高爐內(nèi)的性質(zhì)變化圖1-9高爐中焦炭性質(zhì)的變化●——高爐中心試樣；△——爐墻與爐中心之間試樣；╳——靠近爐墻試樣；○——平均試樣541.焦炭在高爐內(nèi)粒度和強(qiáng)度的變化2.高爐內(nèi)堿金屬和焦炭反應(yīng)性的變化3.焦炭的灰分和硫分的變化

55圖1-10高爐內(nèi)堿金屬循環(huán)示意圖56一、鑄造焦1．沖天爐熔煉過程鑄造焦是沖天爐熔鐵的主要燃料，用于熔化爐料，并使鐵水過熱，還起支撐料柱保證良好透氣性和供碳等作用。沖天爐內(nèi)爐料分布、爐氣組成和溫度變化如圖1-11，單元三非高爐用焦的特性57圖1-11沖