D0I:10.13374/j.issnl00I53.2006.06.012 第28卷第6期 北京科技大学学报 Vol.28 No.6 2006年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jun.2006 高炉炉尘中含碳物质来源 张飞)吴铿)朱锦明 熊国兰) 张吉刚)张星洪) 1)北京科技大学治金与生态工程学院，北京1000832)宝山钢铁股份公司，上海201900 摘要宝钢1高炉二次灰粒径主要以小于149m为主，约为80%，粒度分布是2个正态分布 曲线的组合.重力灰粒径主要以74~297m为主，约为65%，粒度分布是3个正态分布曲线的组 合·通过岩相显微分析确定了高炉炉尘中未消耗煤粉和焦炭存在的不同结构形态·根据炉尘中煤 粉和焦炭中碳的消耗程度，由显微分析结果进行计算，给出了在常村煤工业试验炉尘中未消耗煤 粉碳所占比例的公式 关键词高炉炼铁：喷煤：炉尘：含碳物质 分类号TF053 在炼铁过程中减少焦炭使用量，增加煤粉喷 中未消耗煤粉与焦炭颗粒比例的方法，为确定最 吹量是高炉生产可持续发展的重要方向-].21 佳常村煤的配比提供了必要的依据， 世纪初，美国、英国等欧洲发达国家和地区都对钢 铁工业的发展进行了预测和规划，提出了扩大高 1炉尘灰的粒度分布和组成 炉喷煤量、降低焦比、保证高炉稳定顺行和高产、 表1中宝钢1#高炉喷吹常村煤工业试验过 缓解焦炭不足和减轻环境压力的战略性规 程中部分重力灰的粒度组成主要以74~297m 划4.高炉喷煤量增加到一定程度后，炉尘中碳 为主，平均比例在65%左右.大于297m的在 含量也会随之增加，有时增加很快，并含有一定数 9%~15%范围内，小于74m的绝大部分在 量未消耗煤粉，但相关的研究报道甚少，本文研 20%以上.而由表2宝钢1高炉喷吹常村煤工 究了宝钢高炉进行常村煤工业试验，对高炉炉尘 业试验前后的部分二次灰粒度组成可见，二次灰 的粒度组成和分布进行了较为详细的分析，采用 主要是以小于149m的为主，大部分的比例在 岩相显微分析方法观察了炉尘中未消耗煤粉和焦 80%以上，大于297m的大部分在10%以下. 炭细颗粒的微观变化，提出了定量确定高炉炉尘 表11高炉喷吹常村煤工业试验过程重力灰的粒度组成 Table I Size distribution of part dust during industrial experiments of injected Changcun coal at 1BF % 筛分粒度分布 主要分布 日期 >2974m 149~2974m 74~149Hm <74m 74~297m 200004 11.43 49.98 23.14 15.45 73.12 20005-21 10.93 31.62 30.55 26.91 62.17 200-06-21 9.37 29.83 38.00 22.80 67.83 20007-25 14.02 27.20 32.34 26.44 59.54 200-08-02 12.30 30.77 36.28 20.65 62.72 采用日本株式会社清新企业LMS-30激光 常村煤工业试验中200107-22二次灰和重力灰 衍射、散射式粒度分布测定仪，分散剂为水，测定 的粒度分布，炉尘灰的粒度分布是呈多个正态分 了炉尘的粒度分布，图1和图2分别为宝钢喷吹 布曲线的组合， 收稿日期：2005-05-08修回日期：2006-04-24 二次灰是由2个正态分布曲线组合而成的 基金项目：国家钢铁联合基金资助项目(N。-50174006) (见图1)，而重力灰是3个正态分布曲线的组合 作者简介：张飞(1980一)，男，硕士研究生 (见图2)，表明重力灰中不同比例位置更多一些
高炉炉尘中含碳物质来源 张 飞1） 吴 铿1） 朱锦明2） 熊国兰1） 张吉刚1） 张星洪1） 1） 北京科技大学冶金与生态工程学院北京100083 2） 宝山钢铁股份公司上海201900 摘 要 宝钢1＃高炉二次灰粒径主要以小于149μm 为主约为80％粒度分布是2个正态分布 曲线的组合．重力灰粒径主要以74～297μm 为主约为65％粒度分布是3个正态分布曲线的组 合．通过岩相显微分析确定了高炉炉尘中未消耗煤粉和焦炭存在的不同结构形态．根据炉尘中煤 粉和焦炭中碳的消耗程度由显微分析结果进行计算给出了在常村煤工业试验炉尘中未消耗煤 粉碳所占比例的公式． 关键词 高炉炼铁；喷煤；炉尘；含碳物质 分类号 TF053 收稿日期：20050508 修回日期：20060424 基金项目：国家钢铁联合基金资助项目（No．50174006） 作者简介：张飞（1980—）男硕士研究生 在炼铁过程中减少焦炭使用量增加煤粉喷 吹量是高炉生产可持续发展的重要方向［13］．21 世纪初美国、英国等欧洲发达国家和地区都对钢 铁工业的发展进行了预测和规划提出了扩大高 炉喷煤量、降低焦比、保证高炉稳定顺行和高产、 缓解 焦 炭 不 足 和 减 轻 环 境 压 力 的 战 略 性 规 划［46］．高炉喷煤量增加到一定程度后炉尘中碳 含量也会随之增加有时增加很快并含有一定数 量未消耗煤粉但相关的研究报道甚少．本文研 究了宝钢高炉进行常村煤工业试验对高炉炉尘 的粒度组成和分布进行了较为详细的分析采用 岩相显微分析方法观察了炉尘中未消耗煤粉和焦 炭细颗粒的微观变化提出了定量确定高炉炉尘 中未消耗煤粉与焦炭颗粒比例的方法为确定最 佳常村煤的配比提供了必要的依据． 1 炉尘灰的粒度分布和组成 表1中宝钢1＃高炉喷吹常村煤工业试验过 程中部分重力灰的粒度组成主要以74～297μm 为主平均比例在65％左右．大于297μm 的在 9％～15％范围内小于 74μm 的绝大部分在 20％以上．而由表2宝钢1＃ 高炉喷吹常村煤工 业试验前后的部分二次灰粒度组成可见二次灰 主要是以小于149μm 的为主大部分的比例在 80％以上大于297μm 的大部分在10％以下． 表1 1＃高炉喷吹常村煤工业试验过程重力灰的粒度组成 Table1 Size distribution of part dust during industrial experiments of injected Changcun coal at1＃ BF ％ 日期 筛分粒度分布 ＞297μm 149～297μm 74～149μm ＜74μm 主要分布 74～297μm 2001—04—04 11∙43 49∙98 23∙14 15∙45 73∙12 2001—05—21 10∙93 31∙62 30∙55 26∙91 62∙17 2001—06—21 9∙37 29∙83 38∙00 22∙80 67∙83 2001—07—25 14∙02 27∙20 32∙34 26∙44 59∙54 2001—08—02 12∙30 30∙77 36∙28 20∙65 62∙72 采用日本株式会社清新企业 LMS—30激光 衍射、散射式粒度分布测定仪分散剂为水测定 了炉尘的粒度分布．图1和图2分别为宝钢喷吹 常村煤工业试验中2001—07—22二次灰和重力灰 的粒度分布炉尘灰的粒度分布是呈多个正态分 布曲线的组合． 二次灰是由2个正态分布曲线组合而成的 （见图1）而重力灰是3个正态分布曲线的组合 （见图2）表明重力灰中不同比例位置更多一些． 第28卷 第6期 2006年 6月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．28No．6 Jun．2006 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2006．06．012
.560 北京科技大学学报 2006年第6期 炉尘灰的粒度分布呈多个正态分布曲线组合的原 力灰的要小一些.将炉尘用149m筛分后进行 因是炉尘中含碳物质和氧化物的密度不同所致， 化学分析，发现大于149m颗粒的碳含量比小于 在重力灰中出现3个正态分布可能是有一些颗粒 149m的普遍要高出近4%，这与实际中含碳物 较大的物质，二次灰中两个峰值之间的距离较重 质的密度较小的情况是吻合的， 表21高炉喷吹常村煤工业试验过程二次灰的粒度组成 Table 2 Size distribution of sludge during industrial experiments of injected Changcun coal at1BF % 筛分粒度分布 主要粒度分布 日期 >297m 149~2971m 74~1494m <744m <1494m 200-0404 12.60 15.00 27.76 44.64 72.40 200-05-21 9.88 7.74 24.90 57.49 82.38 20007-25 5.75 8.92 29.69 55.64 85.33 200-08-02 5.05 11.64 24.32 58.98 83.31 100 。10 区别，但对高炉炉尘的岩相显微分析目前尚无统 一的标准，本研究借用煤岩学的分析方法确定不 80 同矿物比例78】.按测定煤相的统一标准，将试样 60 6 划分为24×24=496格，在相交点（包括边线上的 点)测定500个以上，对测定点数据进行统计，可 40 得到不同矿相面积的比例， 采用煤相测定时要求颗粒尽量均匀，炉尘中 含碳物质主要来自未消耗煤粉和在下降过程中焦 炭磨损而形成的小颗粒，从表2可见，二次灰中 10 100 1000 颗粒直径m 的颗粒分布主要集中在小于149m,大约80%左 右，而小于74m的大都在50%左右，二次灰的 图1宝钢1：高炉二次灰的粒度分布图 粒度较细也较为均匀，可以直接进行岩相分析 Fig-1 Distribution of particles in sludge at 1BF in BaoSteel 考虑重力灰的分布主要集中在74~297hm之间， 大于297m的比例都超过10%.二次灰中大于 00 297m的颗粒是有一定的上限，而且相差不大， 而重力灰则不同，大于297m的颗粒有可能较 大，而且颗粒相互之间相差也可能较大，为了尽 量使颗粒均匀些，对重力灰中的大颗粒稍微研磨 后进行岩相分析，主要原因是细磨处理后的重力 40 灰试样中出现了许多非常细的颗粒，有的已经接 近准纳米级，在显微镜下已经无法分辩出其颗粒 的面目. 10 100 1000 岩相显微分析得到的是颗粒比，二次灰和研 顺粒直径m 磨后重力灰中含碳物质的颗粒近似看作大小相等 图2宝钢1高炉重力灰的粒度分布图 球状颗粒，其颗粒比可近似为体积比，这在岩相 Fig-2 Distribution of particles in dust at1 BF in BaoSteel 显微分析中是常用的方法，炉尘中含碳物质的密 度相差不大，认为未消耗的煤粉和焦炭的密度相 2 岩相分析试验设备和方法 等.根据体积比可以确定质量比，再由化学分析 得到炉尘中的碳含量后，进而能够定量给出炉尘 实验采用德国徕兹(Leica)DAS显微镜，型 中未消耗的煤粉 号为DMRP RXP,该设备为透射光偏光显微镜， 高炉炉尘中的焦炭和未消耗煤粉在形态和结构上 3岩相分析及未消耗煤粉比例 不仅与其他的氧化物有区别，而且它们之间也有 在对炉尘的岩相显微分析中，未消耗的煤粉
炉尘灰的粒度分布呈多个正态分布曲线组合的原 因是炉尘中含碳物质和氧化物的密度不同所致． 在重力灰中出现3个正态分布可能是有一些颗粒 较大的物质．二次灰中两个峰值之间的距离较重 力灰的要小一些．将炉尘用149μm 筛分后进行 化学分析发现大于149μm 颗粒的碳含量比小于 149μm 的普遍要高出近4％这与实际中含碳物 质的密度较小的情况是吻合的． 表2 1＃高炉喷吹常村煤工业试验过程二次灰的粒度组成 Table2 Size distribution of sludge during industrial experiments of injected Changcun coal at1＃ BF ％ 日期 筛分粒度分布 ＞297μm 149～297μm 74～149μm ＜74μm 主要粒度分布 ＜149μm 2001—04—04 12∙60 15∙00 27∙76 44∙64 72∙40 2001—05—21 9∙88 7∙74 24∙90 57∙49 82∙38 2001—07—25 5∙75 8∙92 29∙69 55∙64 85∙33 2001—08—02 5∙05 11∙64 24∙32 58∙98 83∙31 图1 宝钢1＃高炉二次灰的粒度分布图 Fig．1 Distribution of particles in sludge at1＃ BF in BaoSteel 图2 宝钢1高炉重力灰的粒度分布图 Fig．2 Distribution of particles in dust at1＃ BF in BaoSteel 2 岩相分析试验设备和方法 实验采用德国徕兹（Leica） DAS 显微镜型 号为 DMRP RXP该设备为透射光偏光显微镜． 高炉炉尘中的焦炭和未消耗煤粉在形态和结构上 不仅与其他的氧化物有区别而且它们之间也有 区别但对高炉炉尘的岩相显微分析目前尚无统 一的标准．本研究借用煤岩学的分析方法确定不 同矿物比例［78］．按测定煤相的统一标准将试样 划分为24×24＝496格在相交点（包括边线上的 点）测定500个以上对测定点数据进行统计可 得到不同矿相面积的比例． 采用煤相测定时要求颗粒尽量均匀．炉尘中 含碳物质主要来自未消耗煤粉和在下降过程中焦 炭磨损而形成的小颗粒．从表2可见二次灰中 的颗粒分布主要集中在小于149μm大约80％左 右而小于74μm 的大都在50％左右．二次灰的 粒度较细也较为均匀可以直接进行岩相分析． 考虑重力灰的分布主要集中在74～297μm 之间 大于297μm 的比例都超过10％．二次灰中大于 297μm 的颗粒是有一定的上限而且相差不大． 而重力灰则不同大于297μm 的颗粒有可能较 大而且颗粒相互之间相差也可能较大．为了尽 量使颗粒均匀些对重力灰中的大颗粒稍微研磨 后进行岩相分析．主要原因是细磨处理后的重力 灰试样中出现了许多非常细的颗粒有的已经接 近准纳米级在显微镜下已经无法分辩出其颗粒 的面目． 岩相显微分析得到的是颗粒比二次灰和研 磨后重力灰中含碳物质的颗粒近似看作大小相等 球状颗粒其颗粒比可近似为体积比．这在岩相 显微分析中是常用的方法．炉尘中含碳物质的密 度相差不大认为未消耗的煤粉和焦炭的密度相 等．根据体积比可以确定质量比再由化学分析 得到炉尘中的碳含量后进而能够定量给出炉尘 中未消耗的煤粉． 3 岩相分析及未消耗煤粉比例 在对炉尘的岩相显微分析中未消耗的煤粉 ·560· 北 京 科 技 大 学 学 报 2006年第6期
Vol.28 No.6 张飞等：高炉炉尘中含碳物质来源 .561. 颗粒可分成微变形颗粒、未变形颗粒、变形颗粒和 残碳颗粒，参见图3和图4. 20μm 204m ()中问微变原煤颗粒（表面有些裂痕） (b)中上部表面有裂痕未变形煤颗粒 20μm 20m (⊙中上部表面有孔和裂隙的未变形煤颗粒 ()表面有较多气孔而没有变形煤颗粒 20m 04m ()边缘变形中间气孔较多的煤粉颗粒 ()巾中下部表面，内部烧损较多而外形变化 较大的煤粉颗粒 图3炉尘中未消耗煤粉颗粒的微观形态 Fig-3 Microstructures of unused coal particles in dust and sludge 图3中(a)的中间部位为微变原煤颗粒（表面 中的透明矿物和灰渣， 有些裂痕)，碳被消耗的较少，白色物是透明矿物 3.1高炉尘的岩相分析结果 质；(b)中间上部为表面有裂隙未变形煤颗粒，裂 对1高炉常村煤工业试验前和工业试验中 隙的条纹非常清楚；(c)中间上部也是表面有裂隙 的炉尘样进行了岩相分析，常村煤工业试验中喷 未变形煤颗粒，但已经生成了一些气孔：()为表 吹煤粉的不同配比如表3所示 面有较多气孔，但还没有变形的煤颗粒：()为中 表3喷吹常村煤的配煤比例 间有许多的气孔，边缘变形的未消耗煤粉；()中 Table 3 Mixture ratio of pulverized coal in industrial experiments 下部颗粒表面和内部烧损较多，外形发生了较大 of injected Changcun coal % 变化， 1云高炉喷煤配比 在岩相显微分析中，炉尘中焦炭颗粒分成块 日期 试验期 神府太西永城宝桥阳泉常村 状结构、类丝碳、流动结构、片状结构和粒状嵌镶 20007-07 试验前期2515一 35250 结构，如图4所示，图4(a)中间为类丝碳，没有加 20007-20 试验期1 251540- -20 石膏碱板，所以，看不出各向异性，(b)是粒状镶 200-07-24 试验期2251530- 30 嵌结构焦炭颗粒.（©）是流动结构的焦炭，即在焦 20007-29 试验期32515- 20-40 炭颗粒表面有流线的结构，(d)为块状结构的焦 炭，没有加石膏碱板，焦炭的表面也被烧损，但与 表4和表5分别给出了工业试验前1÷高炉 煤粉相比程度要轻得多.图5(a),(b)分别为炉尘 二次灰和重力灰的岩相分析结果，本研究主要确
颗粒可分成微变形颗粒、未变形颗粒、变形颗粒和 残碳颗粒参见图3和图4． 图3 炉尘中未消耗煤粉颗粒的微观形态 Fig．3 Microstructures of unused coal particles in dust and sludge 图3中（a）的中间部位为微变原煤颗粒（表面 有些裂痕）碳被消耗的较少白色物是透明矿物 质；（b）中间上部为表面有裂隙未变形煤颗粒裂 隙的条纹非常清楚；（c）中间上部也是表面有裂隙 未变形煤颗粒但已经生成了一些气孔；（d）为表 面有较多气孔但还没有变形的煤颗粒；（e）为中 间有许多的气孔边缘变形的未消耗煤粉；（f）中 下部颗粒表面和内部烧损较多外形发生了较大 变化． 在岩相显微分析中炉尘中焦炭颗粒分成块 状结构、类丝碳、流动结构、片状结构和粒状嵌镶 结构如图4所示．图4（a）中间为类丝碳没有加 石膏碱板所以看不出各向异性．（b）是粒状镶 嵌结构焦炭颗粒．（c）是流动结构的焦炭即在焦 炭颗粒表面有流线的结构．（d）为块状结构的焦 炭没有加石膏碱板．焦炭的表面也被烧损但与 煤粉相比程度要轻得多．图5（a）（b）分别为炉尘 中的透明矿物和灰渣． 3∙1 高炉尘的岩相分析结果 对1＃高炉常村煤工业试验前和工业试验中 的炉尘样进行了岩相分析常村煤工业试验中喷 吹煤粉的不同配比如表3所示． 表3 喷吹常村煤的配煤比例 Table3 Mixture ratio of pulverized coal in industrial experiments of injected Changcun coal ％ 日期 试验期 1＃高炉喷煤配比 神府 太西 永城 宝桥 阳泉 常村 2001—07—07 试验前期 25 15 — 35 25 0 2001—07—20 试验期1 25 15 40 — — 20 2001—07—24 试验期2 25 15 30 — — 30 2001—07—29 试验期3 25 15 — 20 — 40 表4和表5分别给出了工业试验前1＃高炉 二次灰和重力灰的岩相分析结果．本研究主要确 Vol．28No．6 张飞等： 高炉炉尘中含碳物质来源 ·561·
.562 北京科技大学学报 2006年第6期 20m 20 um (仙)中间为类丝碳（无石音碱板） (b)粒状潮胺结构焦炭颗粒 20 um (2n。” 20 um (©)流动结构的焦炭 (@块状结构集炭（无石膏碱板） 图4炉尘中未消耗焦炭颗粒的微观形态 Fig-4 Microstructures of unused coke particles in dust and sludge ■ 20μm (a)中同的为炉尘中的透明矿物 (b)中间为护尘中的灰液 图5炉尘中的透明矿物和灰渣的微观形态 Fig-5 Microstructures of transparent mineral and slag in dust and sludge 表4工业试验前二次灰岩相分析矿物表面积百分比 Table 4 Surface area percent of sludge with microscopic analysis before industrial experiment % 焦炭 未消耗煤粉 矿物及杂质 试样日期 块状类丝 流动片状 粒状镶 微变原 未变形 变形 残碳 灰色透明 铁质 结构碳 结构结构嵌结构 灰渣 煤颗粒 颗粒 颗粒颗粒 硅质矿物 2000-04 1.90 0.66 0.66 0.33 3.29 0.66 3.03 19.429.87 47.7011.18 1.32 200-004' 1.07 0.35 0.28 4.78 0.99 5.99 15.3515.79 42.916.59 3.88 2.03 2000503 1.19 一 0.97 0.97 8.07 0.42 14.843.23 37.7429.352.26 0.97 200-0506 0.61 0.32 1.92 7.99 0.03 14.703.5151.4416.93 1.92 0.64 200-05-06" 0.98 0.22 0.66 2.92 7.90 0.33 1.98 15.742.5949.6710.634.33 2.03 200-05-21 1.200.33 0.99 3.63 0.12 20.465.2852.8113.861.32 20005-21 3.100.97 4.31 3.70 15.1814.6348.887.89 1.29 20006-21 2.07 0.26 0.32 0.32 11.17 8.67 8.120.9747.4017.533.11 0.08 20007-02 4.56 0.33 2.66 3.52 0.99 2.2311.5550.2920.532.091.22 注：”为平行试验
图4 炉尘中未消耗焦炭颗粒的微观形态 Fig．4 Microstructures of unused coke particles in dust and sludge 图5 炉尘中的透明矿物和灰渣的微观形态 Fig．5 Microstructures of transparent mineral and slag in dust and sludge 表4 工业试验前二次灰岩相分析矿物表面积百分比 Table4 Surface area percent of sludge with microscopic analysis before industrial experiment ％ 试样日期 焦炭 未消耗煤粉 矿物及杂质 块状 结构 类丝 碳 流动 结构 片状 结构 粒状镶 嵌结构 微变原 煤颗粒 未变形 颗粒 变形 颗粒 残碳 颗粒 灰渣 铁质 灰色 硅质 透明 矿物 2001—04—04 1∙90 0∙66 0∙66 0∙33 3∙29 0∙66 3∙03 19∙42 9∙87 47∙70 11∙18 — 1∙32 2001—04—04∗ 1∙07 0∙35 0∙28 — 4∙78 0∙99 5∙99 15∙35 15∙79 42∙91 6∙59 3∙88 2∙03 2001—05—03 1∙19 — 0∙97 0∙97 8∙07 — 0∙42 14∙84 3∙23 37∙74 29∙35 2∙26 0∙97 2001—05—06 0∙61 0∙32 — 1∙92 7∙99 — 0∙03 14∙70 3∙51 51∙44 16∙93 1∙92 0∙64 2001—05—06∗ 0∙98 0∙22 0∙66 2∙92 7∙90 0∙33 1∙98 15∙74 2∙59 49∙67 10∙63 4∙33 2∙03 2001—05—21 1∙20 0∙33 — 0∙99 3∙63 — 0∙12 20∙46 5∙28 52∙81 13∙86 1∙32 — 2001—05—21∗ 3∙10 0∙97 — — 4∙31 — 3∙70 15∙18 14∙63 48∙88 7∙89 — 1∙29 2001—06—21 2∙07 0∙26 0∙32 0∙32 11∙17 — 8∙67 8∙12 0∙97 47∙40 17∙53 3∙11 0∙08 2001—07—02 4∙56 — 0∙33 2∙66 3∙52 — 0∙99 2∙23 11∙55 50∙29 20∙53 2∙09 1∙22 注：∗为平行试验． ·562· 北 京 科 技 大 学 学 报 2006年第6期
Vol.28 No.6 张飞等：高炉炉尘中含碳物质来源 563 表5常村煤工业试验前重力灰岩相分析矿物表面积百分比 Table 5 Surface area percent of dust with microscopic analysis before industrial experiment % 焦炭 未消耗煤粉 矿物及杂质 试样日期 块状类丝 流动片状 粒状镶 微变原 未变形 变形残碳 灰色透明 灰渣 铁质 结构 碳 结构结构 嵌结构 煤颗粒 颗粒 颗粒 颗粒 硅质 矿物 200-004 1.640.870.662.31 10.62 9.84 6.2315.7413.7026.5611.450.35 20004-04· 1.110.220.300.99 11.54 6.66 7.06 4.3339.6720.207.300.65 200-0503 2.68 1.98 12.39 7.98 0.952.9532.0730.167.611.21 2000506 1.35 一 1.32 15.18 2.92 5.2010.7120.7829.8710.632.03 2000506' 1.10 0.65 2.91 17.36 6.78 6.472.5923.6233.333.881.29 20005-21 0.98 0.320.87 2.29 11.05 6.11 2.5916.1324.8426.777.510.56 200-05-21" 0.150.65 1.97 7.90 2.48 5.922.3056.9118.092.940.66 20006-21 3.281.110.632.59 13.66 18.10 4.137.6222.5421.274.300.78 20007-02 1.110.220.660.99 10.54 3.66 3.664.3146.6720.207.300.65 注：*为平行试验 定炉尘中含碳物质的来源，虽然炉尘中含有不同 显微分析可以发现，焦炭中碳被消耗的平均 的物质，试验中将其分成焦炭、未消耗煤粉和矿物 程度要比煤粉低许多，这与煤粉是从风口喷入，在 及杂质三大类. 炉内行程较长有关，炉尘中煤粉颗粒被消耗程度 3.2未消耗煤粉和焦炭的表面百分比 相差较大，微变原煤颗粒几乎没有被消耗，未变形 从图1和图2可知，在炉尘中未消耗煤粉和 和变形颗粒被消耗较多，而残碳颗粒中的碳含量 焦炭颗粒在炉内上升的过程中有些碳被消耗，但 就很少.通过大量的显微分析结果，式(1)中a取 消耗的程度不相同，对显微分析中的焦炭和未消 0.9,式(2)中的3和Y分别取0.5和0.1. 耗煤粉的面积比，要按经验进行修正，下式为显 炉尘中颗粒都较小，可以近似看成球状颗粒， 微分析测定焦炭(R1)和未消耗煤粉面积(R2)的 面积比可以近似为体积比，细颗粒煤粉和焦炭的 修正公式： 密度相差不大，在上述条件下，可将体积比近似质 R1=a(R11十R12十R13十R14+R15)(1) 量比.炉尘中的含碳物来自于未消耗煤粉和焦 R2=R21+B(R22+R23)+YR24 (2) 炭6].由式(1)和(2)可以给出未消耗煤粉中的碳 式中，R11,R12,R13,R14和R15分别为块状结 占炉尘中总碳的百分比Ⅱ，计算方法如下式所 构、类丝炭、流动结构、片状结构、粒状镶嵌结构的 示： 面积比；B21,R22,R23和R24分别为微变原煤颗 Ⅱ=R2/(R1+R2) (3) 粒、未变形颗粒、变形颗粒、残碳颗粒的面积比 表6~9为由岩相分析得到常村煤工业试验 表6工业试验前炉尘中未消耗煤粉、焦炭的面积比和未消耗煤粉所占的百分比 Table 6 Surface area ratios of coke and unused coal and the unused coal percent in dust and sludge before industrial experiment 二次灰试样日期未消耗煤粉/%焦炭/% 重力灰试样日期 未消耗煤粉/% 焦炭/% 200-0-04 12.87 6.15 0.677 200-004 9.61 14.50 0.399 2001-0404* 13.24 5.83 0.694 200一0404 7.29 12.75 0.364 2001-0503 7.96 10.07 0.441 200-0503 4.76 15.35 0.237 200-05-06 7.72 9.75 0.442 200-0506 5.13 16.08 0.242 200-0506 9.45 11.41 0.453 20005-06· 6.89 19.82 0.258 200-05-21 10.82 5.54 0.661 200-05-21 5.96 13.97 0.299 2001-05-21* 10.91 7.53 0.591 200-05-21 4.43 9.60 0.316 200-06-21 8.49 12.74 0.400 20006-21 11.88 19.15 0.383 20007-02 2.77 9.97 0.217 20007-02 4.09 12.17 0.251 注：*为平行试验
表5 常村煤工业试验前重力灰岩相分析矿物表面积百分比 Table5 Surface area percent of dust with microscopic analysis before industrial experiment ％ 试样日期 焦炭 未消耗煤粉 矿物及杂质 块状 结构 类丝 碳 流动 结构 片状 结构 粒状镶 嵌结构 微变原 煤颗粒 未变形 颗粒 变形 颗粒 残碳 颗粒 灰渣 铁质 灰色 硅质 透明 矿物 2001—04—04 1∙64 0∙87 0∙66 2∙31 10∙62 — 9∙84 6∙23 15∙74 13∙70 26∙56 11∙45 0∙35 2001—04—04∗ 1∙11 0∙22 0∙30 0∙99 11∙54 — 6∙66 7∙06 4∙33 39∙67 20∙20 7∙30 0∙65 2001—05—03 2∙68 — — 1∙98 12∙39 — 7∙98 0∙95 2∙95 32∙07 30∙16 7∙61 1∙21 2001—05—06 1∙35 — — 1∙32 15∙18 — 2∙92 5∙20 10∙71 20∙78 29∙87 10∙63 2∙03 2001—05—06∗ 1∙10 0∙65 — 2∙91 17∙36 — 6∙78 6∙47 2∙59 23∙62 33∙33 3∙88 1∙29 2001—05—21 0∙98 0∙32 0∙87 2∙29 11∙05 — 6∙11 2∙59 16∙13 24∙84 26∙77 7∙51 0∙56 2001—05—21∗ 0∙15 0∙65 — 1∙97 7∙90 — 2∙48 5∙92 2∙30 56∙91 18∙09 2∙94 0∙66 2001—06—21 3∙28 1∙11 0∙63 2∙59 13∙66 — 18∙10 4∙13 7∙62 22∙54 21∙27 4∙30 0∙78 2001—07—02 1∙11 0∙22 0∙66 0∙99 10∙54 — 3∙66 3∙66 4∙31 46∙67 20∙20 7∙30 0∙65 注：∗为平行试验． 定炉尘中含碳物质的来源虽然炉尘中含有不同 的物质试验中将其分成焦炭、未消耗煤粉和矿物 及杂质三大类． 3∙2 未消耗煤粉和焦炭的表面百分比 从图1和图2可知在炉尘中未消耗煤粉和 焦炭颗粒在炉内上升的过程中有些碳被消耗但 消耗的程度不相同．对显微分析中的焦炭和未消 耗煤粉的面积比要按经验进行修正．下式为显 微分析测定焦炭（ R1）和未消耗煤粉面积（ R2）的 修正公式： R1＝α（ R11＋ R12＋ R13＋ R14＋ R15） （1） R2＝ R21＋β（ R22＋ R23）＋γR24 （2） 式中R11R12R13R14和 R15分别为块状结 构、类丝炭、流动结构、片状结构、粒状镶嵌结构的 面积比；R21R22R23和 R24分别为微变原煤颗 粒、未变形颗粒、变形颗粒、残碳颗粒的面积比． 显微分析可以发现焦炭中碳被消耗的平均 程度要比煤粉低许多这与煤粉是从风口喷入在 炉内行程较长有关．炉尘中煤粉颗粒被消耗程度 相差较大微变原煤颗粒几乎没有被消耗未变形 和变形颗粒被消耗较多而残碳颗粒中的碳含量 就很少．通过大量的显微分析结果式（1）中 α取 0∙9式（2）中的 β和γ分别取0∙5和0∙1． 炉尘中颗粒都较小可以近似看成球状颗粒 面积比可以近似为体积比．细颗粒煤粉和焦炭的 密度相差不大在上述条件下可将体积比近似质 量比．炉尘中的含碳物来自于未消耗煤粉和焦 炭［6］．由式（1）和（2）可以给出未消耗煤粉中的碳 占炉尘中总碳的百分比 Π计算方法如下式所 示： Π＝ R2／（ R1＋ R2） （3） 表6～9为由岩相分析得到常村煤工业试验 表6 工业试验前炉尘中未消耗煤粉、焦炭的面积比和未消耗煤粉所占的百分比 Table6 Surface area ratios of coke and unused coal and the unused coal percent in dust and sludge before industrial experiment 二次灰试样日期 未消耗煤粉／％ 焦炭／％ Π 重力灰试样日期 未消耗煤粉／％ 焦炭／％ Π 2001—04—04 12∙87 6∙15 0∙677 2001—04—04∗ 13∙24 5∙83 0∙694 2001—05—03 7∙96 10∙07 0∙441 2001—05—06 7∙72 9∙75 0∙442 2001—05—06∗ 9∙45 11∙41 0∙453 2001—05—21 10∙82 5∙54 0∙661 2001—05—21∗ 10∙91 7∙53 0∙591 2001—06—21 8∙49 12∙74 0∙400 2001—07—02 2∙77 9∙97 0∙217 2001—04—04 9∙61 14∙50 0∙399 2001—04—04∗ 7∙29 12∙75 0∙364 2001—05—03 4∙76 15∙35 0∙237 2001—05—06 5∙13 16∙08 0∙242 2001—05—06∗ 6∙89 19∙82 0∙258 2001—05—21 5∙96 13∙97 0∙299 2001—05—21∗ 4∙43 9∙60 0∙316 2001—06—21 11∙88 19∙15 0∙383 2001—07—02 4∙09 12∙17 0∙251 注：∗为平行试验． Vol．28No．6 张飞等： 高炉炉尘中含碳物质来源 ·563·
564 北京科技大学学报 2006年第6期 表7工业试验1期炉尘中未消耗煤粉、焦炭的面积比和未消耗煤粉所占的百分比 Table 7 Surface area ratios of coke and unused coal and the unused coal percent in dust and sludge in the industrial experiment 1 二次灰试样日期 未消耗煤粉/% 焦炭/% 重力灰试样日期 未消耗煤粉/% 焦炭/% 20007-19 20007-19 3.94 25.23 0.135 2001-07-20 3.30 8.63 0.277 200-07-20 2.89 23.07 0.111 200-07-20* 5.71 16.08 0.262 20007-20· 3.31 21.47 0.134 200-07-21 5.06 9.67 0.344 20007-21 4.86 14.17 0.255 200107-22 3.12 10.60 0.228 20007-22 3.33 20.02 0.143 20007-23 5.76 18.50 0.237 200-07-23 3.45 24.16 0.125 注：”为平行试验 表8工业试验2期炉尘中未消耗煤粉、焦炭的面积比和未消耗煤粉所占的百分比 Table 8 Surface area ratios of coke and unused coal and the unused coal percent in dust and sludge in the industrial experiment 2 二次灰试样日期 未消耗煤粉/% 焦炭/% 重力灰试样日期 未消耗煤粉/% 焦炭/% 2001-07-24 3.02 13.33 0.185 200-07-24 1.55 10.97 0.124 2001-07-25 2.04 13.01 0.136 200-07-25 0.82 24.78 0.032 20007-26 2.03 18.36 0.100 200-07-26 4.15 18.24 0.185 200-07-27 2.06 14.36 0.126 200-07-27 2.35 22.73 0.094 200107-28 1.40 10.55 0.117 200-07-28 2.26 24.67 0.084 表9工业试验3期炉尘中未消耗煤粉、焦炭的面积比和未消耗煤粉所占的百分比 Table 9 Surface area ratios of coke andunused coal and the unused coal percent in dust and sludge in the industrial experiment 3 二次灰试样日期 未消耗煤粉/% 焦炭/% 重力灰试样日期 未消耗煤粉/% 焦炭/% 2001-07-29 3.08 16.25 0.159 200-07-29 3.87 20.08 0.162 20007-30 1.14 17.32 0.062 — 20007-31 0.84 6.38 0.116 200-0801 3.97 13.51 0.227 200-08-01 1.79 19.75 0.083 2001-08-02 2.36 12.80 0.156 2000802 0.10 29.98 0.003 2001-08-02* 1.63 12.84 0.113 20008-02 1.26 26.97 0.045 注：*为平行试验 前和试验过程中高炉炉尘中焦炭、未消耗煤粉的 般在10%左右门.而仅当Ⅱ值在0.1的数量 面积比和未消耗煤粉中碳所占的百分比 级相对误差为10%和16%，Ⅱ值越小炉尘中未消 表10给出了炉尘未消耗煤粉中碳所占的百 耗煤粉的量越少，虽然这时相对误差略高一些，但 分比Ⅱ平行试验的误差分析，其中大部分的相对 对总量的影响不大，该实验得到结果的精度可以 误差小于6%，采用显微定量分析煤组织的误差 满足确定高炉炉尘中未消耗煤粉量的要求 表10炉尘中未消耗煤粉中碳所占的百分比Ⅱ的误差分析 Table 10 Error analysis on the percent of carbon in unused pulverized coal (I)in dust and sludge 二次灰试样日期 相对误差/% 重力灰试样日期 1 2 相对误差/% 200004 0.677 0.694 1.24 200-04-04 0.399 0.364 4.59 2000506 0.442 0.453 1.23 2000506 0.242 0.258 3.20 200105-21 0.661 0.591 5.59 20005-21 0.299 0.316 2.76 20007-20 0.277 0.262 2.78 200-07-20 0.277 0.262 2.78 200-0802 0.156 0.113 15.99 2000802 0.111 0.134 9.39
表7 工业试验1期炉尘中未消耗煤粉、焦炭的面积比和未消耗煤粉所占的百分比 Table7 Surface area ratios of coke and unused coal and the unused coal percent in dust and sludge in the industrial experiment1 二次灰试样日期 未消耗煤粉／％ 焦炭／％ Π 重力灰试样日期 未消耗煤粉／％ 焦炭／％ Π 2001—07—19 — — — 2001—07—20 3∙30 8∙63 0∙277 2001—07—20∗ 5∙71 16∙08 0∙262 2001—07—21 5∙06 9∙67 0∙344 2001—07—22 3∙12 10∙60 0∙228 2001—07—23 5∙76 18∙50 0∙237 2001—07—19 3∙94 25∙23 0∙135 2001—07—20 2∙89 23∙07 0∙111 2001—07—20∗ 3∙31 21∙47 0∙134 2001—07—21 4∙86 14∙17 0∙255 2001—07—22 3∙33 20∙02 0∙143 2001—07—23 3∙45 24∙16 0∙125 注：∗为平行试验． 表8 工业试验2期炉尘中未消耗煤粉、焦炭的面积比和未消耗煤粉所占的百分比 Table8 Surface area ratios of coke and unused coal and the unused coal percent in dust and sludge in the industrial experiment2 二次灰试样日期 未消耗煤粉／％ 焦炭／％ Π 重力灰试样日期 未消耗煤粉／％ 焦炭／％ Π 2001—07—24 3∙02 13∙33 0∙185 2001—07—25 2∙04 13∙01 0∙136 2001—07—26 2∙03 18∙36 0∙100 2001—07—27 2∙06 14∙36 0∙126 2001—07—28 1∙40 10∙55 0∙117 2001—07—24 1∙55 10∙97 0∙124 2001—07—25 0∙82 24∙78 0∙032 2001—07—26 4∙15 18∙24 0∙185 2001—07—27 2∙35 22∙73 0∙094 2001—07—28 2∙26 24∙67 0∙084 表9 工业试验3期炉尘中未消耗煤粉、焦炭的面积比和未消耗煤粉所占的百分比 Table9 Surface area ratios of coke andunused coal and the unused coal percent in dust and sludge in the industrial experiment3 二次灰试样日期 未消耗煤粉／％ 焦炭／％ Π 重力灰试样日期 未消耗煤粉／％ 焦炭／％ Π 2001—07—29 3∙08 16∙25 0∙159 — — — — — — — — 2001—08—01 3∙97 13∙51 0∙227 2001—08—02 2∙36 12∙80 0∙156 2001—08—02∗ 1∙63 12∙84 0∙113 2001—07—29 3∙87 20∙08 0∙162 2001—07—30 1∙14 17∙32 0∙062 2001—07—31 0∙84 6∙38 0∙116 2001—08—01 1∙79 19∙75 0∙083 2001—08—02 0∙10 29∙98 0∙003 2001—08—02∗ 1∙26 26∙97 0∙045 注：∗为平行试验． 前和试验过程中高炉炉尘中焦炭、未消耗煤粉的 面积比和未消耗煤粉中碳所占的百分比． 表10给出了炉尘未消耗煤粉中碳所占的百 分比 Π平行试验的误差分析其中大部分的相对 误差小于6％采用显微定量分析煤组织的误差 一般在10％左右［7］．而仅当 Π值在0∙1的数量 级相对误差为10％和16％Π值越小炉尘中未消 耗煤粉的量越少虽然这时相对误差略高一些但 对总量的影响不大该实验得到结果的精度可以 满足确定高炉炉尘中未消耗煤粉量的要求． 表10 炉尘中未消耗煤粉中碳所占的百分比 Π的误差分析 Table10 Error analysis on the percent of carbon in unused pulverized coal （Π） in dust and sludge 二次灰试样日期 Π1 Π2 相对误差／％ 重力灰试样日期 Π1 Π2 相对误差／％ 2001—04—04 0∙677 0∙694 1∙24 2001—05—06 0∙442 0∙453 1∙23 2001—05—21 0∙661 0∙591 5∙59 2001—07—20 0∙277 0∙262 2∙78 2001—08—02 0∙156 0∙113 15∙99 2001—04—04 0∙399 0∙364 4∙59 2001—05—06 0∙242 0∙258 3∙20 2001—05—21 0∙299 0∙316 2∙76 2001—07—20 0∙277 0∙262 2∙78 2001—08—02 0∙111 0∙134 9∙39 ·564· 北 京 科 技 大 学 学 报 2006年第6期
Vol.28 No.6 张飞等：高炉炉尘中含碳物质来源 .565. 比的公式 4 结论 (1)高炉炉尘中重力灰的粒度主要以74~ 参考文献 297m为主，约占65%，二次灰的粒度主要是以 Antoine G S.Edwin E S.Toxopeus H,et al.High injection 小于149m为主，约占80%.二次灰的粒度满足 rates of coal into the blast furnace.MPT.1994(3):58 [2]杨天钧，刘应书，杨珉.高炉富氧喷煤.北京：科学出版社， 煤相分析对粒度的要求，而重力灰需要将大于 1998 297m的颗粒进行处理后进行岩相分析. [3]马政蜂，吴铿，实庆和，等.煤粉粒度对高炉风口前燃烧性 (2)通过对高炉炉尘的岩相显微和化学成分 能的影响.钢铁，2003,38(7)：35 分析，可以定量给出炉尘中未消耗煤粉的含量，实 [4]吴铿，魏新，张向国，等。高炉喷煤交叉式喷煤双枪的基础 验结果的误差能够满足应用要求 研究.北京科技大学学报，2004,25(6)：515 [5]Ichida M.Orimoto T.Tanaka T,et al.Behavior of pulver- (3)炉尘中的未消耗煤粉颗粒可分成微变原 ized coal ash and physical property of dripping slag under high 煤颗粒、未变形颗粒、变形颗粒和残碳颗粒4种类 pulverized coal injection operation.ISIJ Int,2001,41(2): 型，焦炭颗粒可分成块状结构、类丝碳、流动结构、 325 片状结构和粒状嵌镶结构 [6]Negro P,Petit C.Urvoy A.et al.Characterization of the (4)炉尘中未消耗煤粉表面烧损的比例要比 permeability of the blast furnace lower part//Ironmaking Con- ference Proceedings.Washington.2001:337 焦炭高，不同类型颗粒表面的烧损情况也不相同， [7]斯塔赫E应用煤岩学.杨起，译.北京：冶金工业出版社， 在进行比例计算时要依据烧损的情况进行修正， 1990 依据显微分析的经验，给出了由显微分析结果计 [8]陈鹏.中国煤炭性质、分类和利用.北京：化学工业出版社， 算宝钢高炉喷煤时炉尘中未消耗煤粉碳所占百分 2001 Source of material containing carbon in dust and sludge at BF ZHANG Fei),WU Keng,ZHU Jinming2),XIONG Guolan,ZHANG Jigang), ZHA NG Xinghong 1)Metallurgy and Ecological Engineering School.University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083.China 2)Shanghai Baosteel Co.(Group).Shanghai 201900.China ABSTRACT About 80%of particles in sludge were smaller than 149m in diameter at 1BF in Baosteel of China and the particle distribution was composed of two normal distribution curves.While approximately 65%of particles in dust were about 74297m in diameter and the particle dist ribution was composed of three normal distribution curves.Different microstructures of unused pulverized coal and coke in dust were found through petrographic microscopic analysis.According to the utilized carbon degree of unused pulver- ized coal and coke,an equation of the ratio of unused pulverized coal to coke in Changcun industrial experi- ment dust was proposed by means of the microscopic analysis results. KEY WORDS iron making in BF;pulverized coal injection (PCI);dust;carbonaceous matter
4 结论 （1）高炉炉尘中重力灰的粒度主要以74～ 297μm 为主约占65％二次灰的粒度主要是以 小于149μm 为主约占80％．二次灰的粒度满足 煤相分析对粒度的要求而重力灰需要将大于 297μm 的颗粒进行处理后进行岩相分析． （2）通过对高炉炉尘的岩相显微和化学成分 分析可以定量给出炉尘中未消耗煤粉的含量实 验结果的误差能够满足应用要求． （3）炉尘中的未消耗煤粉颗粒可分成微变原 煤颗粒、未变形颗粒、变形颗粒和残碳颗粒4种类 型焦炭颗粒可分成块状结构、类丝碳、流动结构、 片状结构和粒状嵌镶结构． （4）炉尘中未消耗煤粉表面烧损的比例要比 焦炭高不同类型颗粒表面的烧损情况也不相同 在进行比例计算时要依据烧损的情况进行修正． 依据显微分析的经验给出了由显微分析结果计 算宝钢高炉喷煤时炉尘中未消耗煤粉碳所占百分 比的公式． 参 考 文 献 ［1］ Antoine G SEdwin E SToxopeus Het al．High injection rates of coal into the blast furnace．MPT1994（3）：58 ［2］ 杨天钧刘应书杨珉．高炉富氧喷煤．北京：科学出版社 1998 ［3］ 马政峰吴铿窦庆和等．煤粉粒度对高炉风口前燃烧性 能的影响．钢铁200338（7）：35 ［4］ 吴铿魏新张向国等．高炉喷煤交叉式喷煤双枪的基础 研究．北京科技大学学报200425（6）：515 ［5］ Ichida MOrimoto TTanaka Tet al．Behavior of pulverized coal ash and physical property of dripping slag under high pulverized coal injection operation．ISIJ Int200141（2）： 325 ［6］ Negro PPetit CUrvoy Aet al．Characterization of the permeability of the blast furnace lower part∥Ironmaking Conference Proceedings．Washington2001：337 ［7］ 斯塔赫 E．应用煤岩学．杨起译．北京：冶金工业出版社 1990 ［8］ 陈鹏．中国煤炭性质、分类和利用．北京：化学工业出版社 2001 Source of material containing carbon in dust and sludge at BF ZHA NG Fei 1）W U Keng 1）ZHU Jinming 2）XIONG Guolan 1）ZHA NG Jigang 1） ZHA NG Xinghong 1） 1） Metallurgy and Ecological Engineering SchoolUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China 2） Shanghai Baosteel Co．（Group）Shanghai201900China ABSTRACT About 80％ of particles in sludge were smaller than149μm in diameter at1＃ BF in Baosteel of China and the particle distribution was composed of two normal distribution curves．While approximately 65％ of particles in dust were about 74～297μm in diameter and the particle distribution was composed of three normal distribution curves．Different microstructures of unused pulverized coal and coke in dust were found through petrographic microscopic analysis．According to the utilized carbon degree of unused pulverized coal and cokean equation of the ratio of unused pulverized coal to coke in Changcun industrial experiment dust was proposed by means of the microscopic analysis results． KEY WORDS iron-making in BF；pulverized coal injection （PCI）；dust；carbonaceous matter Vol．28No．6 张飞等： 高炉炉尘中含碳物质来源 ·565·
