D0I:10.13374/j.issn1001-053x.2013.03.011 第35卷第3期 北京科技大学学报 Vol.35 No.3 2013年3月 Journal of University of Science and Technology Beijing Mar.2013 焦炭反应性对高炉块状带含铁炉料还原的影响 吴胜利)四，庹必阳，2)，张丽华，郭亮)，武建龙)，周宇) 1)北京科技大学冶金与生态T程学院，北京1000832)贵州人学0业学院，贵阳550003 区通信作者，E-mail:wushengli@ustb.edu.cn 摘要研究了五种具有不同反成性的焦炭对高炉块状带含铁炉料还原的影响规律，并对料层的压差、CO体积分数以 及含铁炉料的还原程度进行了分析.当护内通入的原始气体中CO体积分数（仅考虑C0和CO2)为72.22%时，随若焦 炭反应性的增强，焦炭气化速率加快，含铁炉料颍粒周围的CO体积分数升高，含铁炉料的还原度依次增高，还惊度从 使用低活性焦炭时的33.18%增大到使用高活性焦炭时的53.83%：而当原始气体成分中C0体积分数为66.67%时（低于 900℃还原FO的平衡气相体积分数)，使用高反应性焦炭也可还原出金属铁，由此可见，适当增加入炉焦炭的反成性， 可促进焦炭与含铁炉料间的耦合反成，提升料层CO体积分数，提商含铁炉料进入软熔带区域的金属化率， 关键词高炉：焦炭：反应性：炉料：铁矿还原 分类号TF533.1 Influence of coke reactivity on the ferric burden reduction of the lumpy zone in a blast furnace WU Sheng-li),TUO Bi-yang2),ZHANG Li-hua),GUO Liang),WU Jian-long),ZHOU Yul) 1)School of Metallurgical and Ecological Engineering.University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Mining College,Guizhou University,Guiyang 550003,China Corresponding author,E-mail:wushengli@ustb.edu.cn ABSTRACT The influence of coke reactivity on the ferric burden reduction of the lumpy zone in a blast furnace was studied by using five kinds of coke with different reactivities.The pressure drop and CO volume fraction of the burden layer as well as the burden reduction degree were also analyzed.It is found that the coke gasification rate,CO volume fraction of the burden surface,and burden reduction degree increase with the increase of coke reactivity.When the CO volume fraction (only considering CO and CO2)of the original gas is 72.22%the burden reduction degree increases from 33.18%for low-reactivity coke to 53.83%for high-reactivity coke.When the CO volume fraction of the original gas is 66.67%,which is slightly lower than the CO theoretical equilibrium volume fraction of FeO reduction at 900 C, metallic iron can be obtained by means of high-reactivity coke.Therefore,appropriately increasing the coke reactivity in a blast furnace can promote the coupling reaction between coke and ferric burden,improve the CO volume fraction of the burden layer,and increase the burden metallization rate before going into the cohesive zone. KEY WORDS blast furnaces;coke;reactivity;burden;iron ore reduction 钢铁工业是我国国民经济的重要基础产业，也内此，高炉炼铁系统承担着钢铁业“节能减排”的 是能源和资源消耗承大、污染物排放量多的行业之重任.此外，在铁水产量逐年增高、高炉冶炼规模不 一，在全球低碳经济的大背景下，钢铁企业如何实断扩大的情况下，高炉生产对优质焦炭、矿石的需 现节能减排是制约其进一步发展的重要因素之一· 求与日益紧缺的资源之间的矛盾也越米越明显，如 钢铁行业中，高炉炼铁系统的能耗和主要污染物排 何拓展高炉的可用资源范围也成为钢铁行业呕待解 放量均占钢铁行业总能耗和总排放录的70%左右.决的战略问题 收稿日期：20120226 基金项目：国家白然科学基金资助项H(⑤0974143)：中央高校基本科研业务费专项(FRF-TP-12-021A)
第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 入 焦炭反应性对高炉块状带含铁炉料还原的影响 吴胜利`困, 度必阳喇, 张丽华 , 郭 亮`, 武建龙 , 周 宇 北京科技大学冶金 与生态下程学院, 北 京 贵州人学矿业学院, 贵阳 困 通信作者, 一 沧 摘 要 研究 了五种具有不同反应性的焦炭对高炉块状带含铁炉料还原的影响规律, 并对料层的扭差 、 体积分数以 及含铁炉料的还原程度进行 了分析 当炉内通入的原始气体中 体积分数 仅考虑 和 为 时, 随着焦 炭反应性的增 强, 焦炭气化速率加快, 含铁炉料顺粒周 的 体积分数升高, 含铁炉料的还原度依次增 佰, 还原度从 使用低活性焦炭时的 增大到使用高活性焦炭时的 而当原始气体成分中 体积分数为 时 低于 ℃还原 的 平衡气相体积分数 , 使用高反 匆胜焦炭也可还原出金属铁 由此 可见, 适当增加入炉焦炭的反应性, 可 促进焦 炭 与含铁 炉 料间 的祸合 反应 , 提 升料 层 体积 分数 , 提 高含铁炉 料进 入软熔 带 区域 的金属 化率, 关键 词 高炉 焦炭 反应性 炉料 铁矿 石还原 分类号 评 ` 战 啊 一乞 网 , 犷` 刀`一万 夕, , 互魂万` 石卜人二 , ` 口。 五` 夕 , 口 五 一 夕 , 册 。 百 儿 , , , , , , 困 , 一 ￡ , , 一 一 , , 一 , , , 钢铁 上业是我 国国民经济的重要基础产业, 也 防此, 高炉炼铁系统承担着钢铁 业 “节能减排 ”的 是能源和资源消耗量大 、污染物排放量多的行业之 重任 此外, 在铁水产量逐年增高 、高炉冶炼规模不 一 在全球低碳经济的大背景下, 钢铁企业如何实 断扩大的情况下, 高炉生产对优质焦炭 、矿石的需 现 节能减排是制约其进一步发展的重要因素之一 求 , 日益紧缺 的资源之间的矛盾也越来越明显, 如 钢铁行业中, 高炉炼铁系统的能耗和主要污染物排 何拓展高炉的 可用资源范围也成为钢铁行业业待解 放量均 己`钢铁行业总能耗和总排放量的 左右 决的战略 问题 收稿 日期 一 一 基金项 目 国家自然科学基金资幼项 目 中央高校基本科研业务费专项 一 一 一。 DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2013.03.011
第3期 吴胜利等：焦炭反应性对高炉块状带含铁炉料还原的影响 ·283· 为了降低高炉炼铁丁工艺的燃料消耗和拓展高炉 为12.5cm,内高为95cm.实验过程中试样的温度、 的可用资源范围，世界各国的炼铁工作者做了多方 料层压差、气体成分、试样失重等均由电脑实时监 面的研究.欧盟研究了基于煤气循环和全氧的高炉 测记录.其体实验步骤是：将250g焦炭在110℃ 炼铁革新工艺，日本探讨了基于矿煤团块新型炉料 下烘干12h,然后装入静态荷重还原设备的反应管 的高炉炼铁革新上艺-到：特别是近年来德国、日中，将反应管封装上盖，置于加热炉内，打开炉子 本和韩国的一些学者对高炉使用小块焦进行了研电源，以5℃min-1升温至900℃（通5Lmin-1 究，研究发现高炉矿石层混加小块焦，提高铁矿 的N2保护)，在900℃恒温120min,期间通入流量 行的还原效率[4-8).另外，通过国内外钢铁企业 为15Lmin-1的C0、C02和N2混合气体，各成 的生产实践发现高炉使用小块焦不仅燃料比没有升 分的体积分数为C032.5%、C0212.5%和N255%, 高，相反还出现了燃料比略有下降的趋势9-1o).由 恒温段结束后断电降温至室温（通5Lmin~1的N2 于小块焦粒度小，比表面积大，更易发生碳素溶损 保护).表征焦炭反应性高低的量化指标是焦炭试样 反应，所以使用小块焦的实质是提高了高炉块状带 的失重率，失重率较高的焦炭，表明其反应性较高， 焦炭的反应性，从而促进该区域的铁矿不还原.由 反之亦然 此可见，高炉块状带焦炭的反应性对含铁炉料的还 原有很大影响，有必要深入研究焦炭反应性对含铁 电子秤 炉料还原过程的影响规律 国内外在焦炭反应性对含铁炉料还原过程影 负荷加载元件 响方面的研究鲜有报道，已有的研究文献主要集中 出气口 在小块焦对矿石还原度的影响1-14，尚未深入探 用气体分析仪 进气口 双壁反应管 配置混合气体 究焦炭反应性对高炉含铁炉料还原的影响机理及规 料层中热电偶 含铁炉料 律.因此，本文主要研究具有不同反应性的焦炭对 000 Φ10-12.5mm 布料 高炉块状带今铁炉料还原的影响机理及规律，通过 热电偶 焦炭 Φ6.3-10mm 五种不同反应性的焦炭实验研究和探讨焦炭反应性 对料层气体还原势、料层透气性以及炉料还原程度 加热元件 等的影响规律，期望通过本文研究结果探索一种能 多气孔圆盘 够拓展高炉可用焦炭资源范围、降低燃料比的高炉 图1静态荷重还原设备及试样的布料方式示意图 革新「艺方法 Fig.1 Schematic diagram of the static-load-reductive appa 1实验方法及原理 ratus and the sample arrangement mode 1,1焦炭反应性 1.2含铁炉料还原 焦炭的反应性表征的是其在高温下与CO2气 含铁炉料的还原实验所用设备及布料示意图 体发生碳素溶损反应(C+C02一2C0)的难易程度. 如图1所示，含铁炉料为来自宝钢的烧结矿，粒 由于配煤结构的不同，焦炭的反应性具有明显差异， 级取为10.0~12.5mm.将1000g烧结矿和364g焦 为了研究焦炭反应性对高炉块状带含铁炉料 炭分别在110℃下烘干12h后，按五层矿、焦相间 还原的影响规律，使用了五种不同反应性的焦炭试 的分层布料方式装入还原炉反应管，炉料在管中的 样，焦炭粒级均为6.3~l0mm.焦炭A是宝钢高炉 料层总厚度为100mm,其中焦炭层的总厚度为50 生产常用的低反应性焦炭：焦炭B、C、D和E分别 mm.实验过程的升温制度与焦炭反应性实验相同， 是以焦炭A为基，通过催化剂调制而成的具有较高 实验还原通气制度如表1所示. 反应性的焦炭，调制焦的具体制作过程是：将质量 根据实验结束后测得的烧结矿失重数据，计算 分数分别为2%、5%、8%和11%的催化剂与90℃的 含铁炉料的还原度和金属化率 温水混y制成溶液，焦炭A置于溶液中，在140℃ 含铁炉料的还原度是指含铁炉料试样在还原 下干燥，分别得到焦炭B、C、D和E. 过程中的失氧质量占铁氧化物中总氧质量的百分 为了尽可能真实地模拟实际高炉块状带中焦 数，采用如下公式进行计算： 炭的碳素溶损反应条件，本文采用与通常测试标准 R=- mo-mt 不同的实验方法.焦炭反应性的实验测定所用设备 ×100%.(1) 为静态荷重还原设备，如图1所示，反应管的内径 mo -w(TFe)- w(FeO)
第 期 吴胜利等 焦炭反应性对高炉块状带含铁炉料还原的影响 · 为了降低高炉炼铁工艺的燃料消耗和拓展高炉 的可用资源范围, 世界各 国的炼铁 作者做了多方 面 的研究 欧盟研究 了基于煤气循环和全氧的高炉 炼铁革新土艺, 日本探讨 了基一于矿煤团块新型炉料 的高炉炼铁革新 艺 `一 特别是近年来德国 、 日 本和韩 国的一些学者对高炉使 用小块焦进行 了研 究 , 研究 发现高炉矿石层混加小块焦, 可提高铁矿 石 的还 原效率 一 另外 , 通过 国内外钢铁企业 的生产实践发现高炉使用小块焦不仅燃料比没有升 高, 相反还出现 了燃料 比略有下降的趋势 ”一 由 于小块焦粒度小, 比表面积大, 更易发生碳素溶损 反应 , 所 以使用小块焦的实质是提高了高炉块状带 焦炭的反应性, 从而促进该区域 的铁矿石还原 由 此 可见 , 高炉块状带焦炭的反应性对含铁炉料 的还 原有很大影响, 有必要深入研究焦炭反应性对含铁 炉料还原过程的影响规律 国内外在 焦炭反应性对含铁炉料还原过程影 响方面的研究鲜有报道 , 已有的研究文献主要集 中 在小块焦对矿石还原度 的影响 卜 , 尚未深入探 究焦炭反应性对高炉含铁炉料还原的影响机理及规 律 因此 , 木文主要研究具有不同反应性 的焦炭对 高炉块状带含铁炉料还原的影响机理及规律, 通过 五种不同反应性的焦炭实验研究和探讨焦炭反应性 对料层气体还原势 、料层透气性 以及炉料还原程度 等的影响规律, 期望通过本文研究结果探索一种能 够拓展高炉 可用焦炭资源范围 、降低燃料比的高炉 革新 工艺方法 实验方法及原理 焦炭反应性 焦炭的反应性表征 的是其在高温下与 气 体发生碳素溶损反应 一 的难易程度 由于配煤结构的不 同, 焦炭的反应性具有明显差异 为 了研究焦 炭反应性对高炉块状带含铁炉料 还原的影响规律 , 使用了五种不同反应性 的焦炭试 样, 焦炭粒级均为 、 焦炭 是宝钢高炉 生产常用的低反应性焦炭 焦炭 、 、 和 分别 是以焦炭 为基, 通过催化剂调制而成的具有较高 反应性的焦炭 调制焦 的具体制作过程是 将质量 分数分别为 、 、 和 的催化剂与 ℃的 温水混匀制成溶液 , 焦炭 置于溶液中, 在 ℃ 下十燥, 分别得到焦炭 、 、 和 为 了尽可能真 实地模拟 实际高炉块状 带中焦 炭的碳素溶损反应条件 , 本文采用与通常测试标准 不同的实验方法 焦炭反应性的实验测定所用设备 为静态荷重还原设备, 如图 所示 , 反应管的内径 为 , 内高为 实验过程中试样的温度 、 料层压差 、气体成分 、试样 失重等均由电脑实时监 测记录 具体实验步骤是 将 焦炭在 ℃ 下烘干 , 然后装入静态荷重还原设备的反应管 中, 将反应管封装上盖 , 置 几加热炉内, 打开炉子 电源 , 以 · 一`升温至 通 · 一` 的 保护 , 在 ℃恒温 , 期间通入流量 为 · 一` 的 、 和 混合气体 , 各成 分的体积分数为 、 和 , 恒温段结束后断电降温至室温 通 一' 的 保护 表征焦炭反应性高低的量化指标是焦炭试样 的失重率, 失重率较高的焦炭, 表明其反应性较高, 反之亦然 负荷加载元件 用气体分 配置混合 料层中热 热电偶 加热元 布料 图 静态荷重还原设备及试样的布料方式不意图 缸 一 含铁炉料还原 含铁炉料 的还原实验所用设备及布料 示意图 如 图 所示 含铁炉料为来 自宝钢的烧 结矿 , 粒 级取为 将 烧结矿和 焦 炭分别在 ℃下烘干 后, 按五层矿 、焦相间 的分层布料方式装入还原炉反应管, 炉料在管 中的 料层总厚度 为 , 其 中焦炭层的总厚度为 实验过程的升温制度与焦炭反应性实验相同 实验还原通气制度如表 所示 根据实验结束后测得的烧结矿失重数据, 计算 含铁炉料的还原度和金属化率 含铁炉料 的还 原度是指含铁炉料试样在还原 过程中的失氧质量 占铁氧化物 中总氧质量 的百分 数, 采用如下公式进行计算 刀 之 一 刀 之艺 矶。 ,一切
284 北京科技大学学报 第35卷 表1含铁炉料还原的通气制度 Table 1 Ventilating system of ferric oxide reduction 升温段 恒温段 降温段 编号 N2/% 流量/(L~min-1) C0/%C02/%N2/%流单/Lmin1) N2/%流/(Lmin-) I 100 5 0 0 100 15 100 5 力 100 5 30.0 15.0 15 100 III 100 5 32.5 12.5 55 15 100 注：CO、CO2和N2均为体积分数 式中：mo为烧结矿经十燥后的初始质量，g:m:为 气化速率越快，焦炭的失重率就越大 还原开始t(min)时的烧结矿质量，g:w(TFe)为烧 焦炭A属于反应性很低的焦炭，与气相中的 结矿述原前的全铁质量分数：(FeO)为烧结矿还 CO2反应程度很低，故其自身的失重很小，当反 原前的FO的质量分数. 应时间达到120min时，其火重率仅为0.56%：经 含铁炉料的金属化率是指含铁炉料试样在还 过调制的焦炭B、C、D和E,与气相中CO2的 原过程中产生的金属铁质试样中铁元素质的 反应程度有了明显提升，且表征反应性的累计火重 百分数，采用如下公式进行计算： 率有明显差异，因此可以作为本文模拟不问反应性 M=(mo-me -m1)Mpe x 100%. 焦炭对高炉块状带含铁炉料还原影响规律的研究用 MomFe (2) 试样. 式中：m1为Fe2O3完全还原成FeO时的失氧质 22焦炭反应性对料层气体还原势的影响 邱，g:mFe为试样中铁元素的质量，g:Mo为氧的 高炉使用反应性较高的焦炭，是着眼于它在块 摩尔质，gmol-l:Me为铁的摩尔质甲，gmol1. 状带通过与气相中的CO2反应米生成C0和减少 CO2,即提高煤气的还原势，以提升高炉炉身铁 2 实验结果与分析 石的还原效率.本节解析所使用的五种不反应性 2.1焦炭反应性 焦炭对料层中气体还原势的影响，考察使用它们对 图2给出了五种焦炭在900℃条件下的反应过 铁矿不还原的促进作用 程累计失重率曲线.由图可知：随着反应时间的延 根据前述焦炭反应性的实验结果，可以通过焦 长，焦炭A的累计失重率变化幅度很小：在实验过 炭的实时失重量计算料层中CO、CO2的体积分数 程中，调制反应性后的焦炭B、C、D和E的累计失 变化，其计算见下式： 重率随着反应时间的延长而明显增大，120min时 最大累计失重率依次达到5.49%、8.78%、12.07%和 p(C0)= Veo o+o,+2' (3) 17.00%. Vcoz 16 E p(C02)= o+o,+,’ (4) c 12 D Voo Vdo+12 ×22.4×2, (5) C. 8,=8.-管x24 (6) 呢2=2 (7) 0上上上A,1 式中：p(C0)和p(CO2)为料层中C0和CO2的体 020 406080100120 恒温时间/min 积分数：Vo、V8o2和82分别表示通入还原炉的 图2五种焦炭900℃下的累计失重率 C0、C02和N2气体的流量，Lmin-1:oVo2 Fig.2 Cumulative weight loss percentage of five kinds of 和，分别表示焦炭发生碳素溶损反应后料层中 coke at900℃ C0、C02和N2的气体流量，Lmin-1:mc表示料 在实验过程中，焦炭失重是由于焦炭中的C 层中焦炭的实时失重速率，gmin-l. 元素与CO2气体发生碳素溶损反应产生C0, 通过计算解析，可以获得料层中CO和CO2体 即：C02+C一2C0,导致焦炭自身质量减轻.在相 积分数随反应时间的变化规律，如图3所示.由图 同反应时间和气体成分下，焦炭的反应性越强，其 可见：使用焦炭A条件下，料层中C0和CO2体
2 8 4 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 卷 表 丁 含铁炉料还原的通气制度 编 号 升温段 流量 · 一 恒温段 流最 · 一` 降温段 流 鼠 · 一 一, ﹄口卜 为︵日︸ 乐 上二月 曰 尸匕︸ 注 、 和 均为休积分数 式中 。 。为烧结矿经十燥后的初始质 量, 二 为 还原开始 《 时的烧结矿质量, 二 为烧 结矿还原前 的全铁质量分数 二 为烧结矿 还 原前的 的质 量分数 含铁 炉料 的金属化率是指含铁炉料试样在 还 原过程中产生的金属铁质量 「`试样中铁儿素质量的 百分数, 采用如下 公式进行计算 垫二丛八化二竺卫丛 式 中 二 为 完全还原成 时的失氧质 量 , 爪 为试样中铁元素的质量 , 入与 为氧的 摩尔质 呈, ' 一` 几介 为铁的摩尔质量, ' 一' 实验结果与分析 焦炭反应性 图 给 出了五种焦炭 在 ℃条件下的反应过 程 累计失重率 曲线 由图 可知 随着反应时间的延 长, 焦炭 的累计失重率变化幅度很小 在实验过 程中, 调制反应性后的焦炭 、 、 和 的累计 失 重率随着反应时间的延长而明显增大, 时 最大累计失重率依次达到 、 、 和 气化速率越快, 焦炭的失重率就越大 焦炭 属于反应性很低 的焦炭 , , 、气相中的 反应程度很低 , 故其 自身的失重 很小, 当反 应时间达到 时一, 其失重率 仅为 经 过调制的焦炭 、 、 和 , , 气相 中 的 反应程度有了明显提升, 且表征反应性的累计失重 率有明显差异 , 因此 可以作为木文模拟 不同反应性 焦炭对高炉块状带含铁炉料还原影响规律的研究用 试样 焦炭反应性对料层气体还原势 的影响 高炉使用反应性较高的焦炭 , 是着眼 几它在块 状带通过一与气相中的 反应来生成 和减少 , 即提高煤气的还 原势 , 以提升高炉炉身铁矿 石 的还原效率 `本 节解析所使 用的五种不 同反应性 焦炭对料层 中气体还原势 的影响, 考察使用它们对 铁矿石还原的促进作用 根据前述焦炭反应性的实验结果, 可以通过焦 炭的实时失重量计算料层中 、 的体积分数 变化, 其计算见下式 沪 、 一 以井匕一, , , 但归佰阵侣 呢 。十 呢 嗡 沪 蜡 昭。 招 喝 ' 昭。十器 嗡 嵘 一 刀边 一 咄 卞谓开畴撰水侧 图 恒温时间 五种焦炭 ℃下的累计失重率 ℃ 在实验过程 中, 焦炭失重是 由一于焦 炭中的 元素 与 气 体发生 碳素溶 损反应 产生 , 即 一 , 导致焦炭 自身质量减轻 在相 同反应时间和气体成分下, 焦炭的反应性越强, 其 式 中 沪 和 钾 为料层中 和 的体 积分数 下沼。、从夕。 和 嚼 分别表示通入还原炉的 、 和 气体的流量, · 一` 招。、招 和 喝 分别表示焦炭发生碳素溶损反应后料层中 、 和 的气体流量 , · 一 爪 表 示料 层中焦炭的实时失重速率 , 一` 通过计算解析, 可 以获得料层中 和 体 积分数随反应时间的变化规律 , 如图 所示 由图 可见 使用焦炭 条件下, 料层 中 和 体
第3期 吴胜利等：焦炭反应性对高炉块状带含铁炉料还原的影响 285· 积分数的变化很小，通入炉内的气相组成差异很 催化剂获得的调制焦炭，其催化剂在焦炭颗粒中的 小，这主要是由于焦炭A的反应性很低的缘故：对 附着质量浓度呈现从颗粒表层到颗粒内层逐渐降低 于经过调制反应性的焦炭B、C、D和E而言，气 的态势，故随着反应时间的延长，焦炭颗粒与CO2 相中C0体积分数有明显的升高，而CO2体积分 的反应速率是从表层到内层逐渐减小.图4所示的 数则有明显降低，且反应性越高的焦炭对额外制造 实验过程调制焦炭的实时失重变化可以佐证这一推 CO的贞献越大，相应地消耗CO2的能力也越强， 断.焦炭失重量的逐渐减少，致使气相中CO体积 可更大幅度地提升煤气的还原势，从而有助于加速 分数不断降低，CO2体积分数逐渐升高. 铁矿石在高炉炉身块状带的还原 应当指出：鉴于焦炭在高炉中的“骨架”作用， 另外，除了低反应性的焦炭A之外，使用其他 我们并不希望焦炭在炉身块状带“从外到里”全颗 四种调制焦炭的条件下，随着反应时间的延长，CO 粒范围反应，因为这样会引起焦炭强度的下降.本 体积分数逐渐降低，CO2体积分数不断升高.分析 研究调制的高反应性焦炭星现了我们希望的反应 这一现象可知：以反应性低的焦炭A为基通过浸泡 模式 46(a) 18 (b) 16 D 入炉前混合气体中CO体积分数 40 12 38 10 ◆ 34 ~人炉前混合气体中CO体积分数 实 00 20 406080 100 120 20 40 6080 100 120 恒温时间/min 恒温时间/min 图3焦炭反应性对料层CO(a)和CO2(b)实时体积分数的影响 Fig.3 Effect of coke reactivity on the CO(a)and CO2(b)volume fractions of the material layer ☑恒温10min时刻 在炉料和气体成分一定的条件下，料层乐差主 0.5 ☐恒温40min时刻 Ⅲ恒温120min时刻 要与料层空隙度和料层气体流量有关.由欧根方程 0.4 可知：料层空隙度越大，压差越小：料层中气体流 0.3 量越大，压差越大 0.2 400 350 0.1 300 0.0 B D 250 焦炭种类 200 图4五种焦炭900℃下的实时失重 Fig.4 Real-time weight loss of five kinds of coke at 900 'C 100 23焦炭反应性对料层透气性的影响 D 焦炭种类 在高炉块状带的铁矿石还原过程中，料层透气 性对其还原效率起着重要的作用，料层透气性好， 图5焦炭反应性对料层压差的影响 则有利于还原气体均匀通过料层，从而可有效还原 Fig.5 Effect of coke reactivity on the pressure difference of the material layer 铁矿不.使用反应性高的焦炭，是否会因为焦炭受 碳素溶损反应的影响而强度下降，最终影响料层透 由图5可知：尽管A、B、C、D和E五种焦炭的 气性，对此木文实验考察了使用不同反应性焦炭的 反应性有较大差别，但料层的压差却变化很小：随 料层气体压力损尖（压差）变化.图5给出了五种焦 着焦炭的反应性增强，料层压差略有增大趋势，但 炭条件下料层的：差比较. 是本实验中使用最高反应性的焦炭E时，与最低反
第 期 吴胜利等 焦炭反应性对高炉块状带含铁炉料还原的影响 · · 积分数的变化很小, 与通入炉内的气相组成差异很 小, 这主要是 由 几焦炭 的反应性很低的缘故 对 于经过调制反应性的焦炭 、 、 和 而言 , 气 相中 体积分数有 明显的升高, 而 体积分 数则有明显 降低 , 且反应性越高的焦炭对额外制造 的贡献越大 , 相应地消耗 的能力也越 强, 可更大幅度地提升煤气的还原势 , 从而有助于加速 铁矿石在高炉炉身块状带的还原 另外, 除了低反应性的焦炭 之外, 使用其他 四种调制焦炭的条件下, 随着反应时间的延长 , 体积分数逐渐 降低 , 体积分数不断升高 分析 这一现象可知 以反应性低的焦炭 为基通过浸泡 催化剂获得 的调制焦炭, 其催化剂在焦炭颗粒 中的 附着质量浓度呈现从颗粒表层到颗粒 内层逐渐 降低 的态势, 故随着反应时间的延长, 焦炭颗粒与 的反应速率是从表层到内层逐渐减小 图 所示的 实验过程调制焦炭的实时失重变化可以佐证这一推 断 焦炭失重量的逐渐减少 , 致使气相中 体积 分数不断降低, 体积分数逐渐升高 应当指 出 鉴于焦炭在高炉中的 “骨 架” 作用, 我们并不希望焦炭在炉身块状带 “从外到里 ” 全颗 粒范围反应, 因为这样会引起焦炭强度的下降 本 研究调制的高反应性焦炭呈现 了我们 希望的反应 模式 一 州一峪 习` 一人炉前混合气体中 。体积分数工一碧 一乒参萝 ,八︸﹄ 一 长袜象众岔于噢宾彩享`。 人炉前混合气体中 体积分数 性连任通口八六﹄仕刃月`力八乙` 纂求址钵彩岔于宾迪掌。 占 恒温时间 图 焦炭反应性对料层 和 恒温时间 实时体积分数的影响 ` 盯 恒温 时刻 恒温 时刻 恒温 时刻 翻口皿 于 。 在炉料和气体成分一定的条件下, 料层压差主 要一与料层空隙度和料层气体流量有关 由欧根方程 可知 料层空隙度越大 , 压差越小 料层 中气体流 量越大, 压差越大 连山 葬绷田迪` ︷勺`口 褂恻侧水巴三日· 焦炭种类 图 五种焦炭 ℃下的实时失重 一 焦炭反应性对料层透气性的影响 在高炉块状带 的铁矿石还原过程中, 料层透气 性对其还原效率起着 重要的作用 , 料层透气性 好, 则有利于还原气体均匀通过料层, 从而可有效还原 铁矿石 使用反应性高的焦炭 , 是否会因为焦炭受 碳素溶损反应的影响而强度下降, 最终影响料层透 气性, 对此木文实验考察了使用不同反应性焦炭的 料层气体压力损失 玉差 变化 图 给 出了五种焦 炭条件下料层的压差比较 一焦炭种类 图 焦炭反应性对料层压差的影响 由图 可知 尽管 、 、 、 和 五种焦炭的 反应性有较大差别, 但料层的压差却变化很小 随 着焦炭的反应性增强, 料层压差略有增大趋势 , 但 是本实验中使用最高反应性的焦炭 时, 与最低反
·286 北京科技大学学报 第35卷 应性的焦炭A相比，料层平均压差的增幅仅为4%. 成分为a时，仅在N2的保护下仍能促进含铁炉料 继续深入分析使用高反应性焦炭的压差增大原 的还原，使其还原度达到20.36%：当通入气体成分 因可知：一方面，随着焦炭反应性增强，焦炭与C02 为b时，由于气体成分中C0体积分数为66.70%， 发生碳素溶损反应量增大，使料层中气体流量增大， 低于FO间接还原出Fe的平衡气相体积分数，理 因而压差增大.以使用低反应性的焦炭A为比较基 论上不能还原出金属铁，然而由于焦炭E的反应性 准，由实验数据通过欧根方程计算表明，当使用高 较高，焦炭的碳素溶损反应提升了气体成分中CO 反应性的焦炭E时，由气体流量增大所引起的料层的体积分数，使料层气体成分中C0体积分数提高 压差相对增大了6.38Pa,约占整个压差增高幅度的 到71.85%，高于C0还原出Fe的平衡气相体积分 50%.另一方面，在炉料自身荷重条件下，焦炭的碳 数，从而使含铁炉料的金属化率达到了14.31%：当 素溶损反应和铁矿石的低温还原均有可能使炉料产 通入气体成分为c时，使用焦炭E可使含铁炉料的 生粉末，致使料层空隙度降低，从而影响料层透气 金属化率达到33.48%. 性.假设本实验中压差变化仅由气体流量和炉料空 100r 隙度两因素引起，通过计算可得，与使用焦炭A的 Fe 情况相比，使用焦炭E时由炉料破损引起的压差增 80 实际气体组分 大为6.24Pa,料层的空隙度降低0.013.需要强调的 年 e 平衡气体组分 是：在这不大的炉料破损引起的压差升高之中，还 60 b 实际气体成分 包含着铁矿石的还原粉化. 由此可见，适当使用反应性较高的焦炭，不会 FeO 8 40 带米焦炭强度的明显下降，从而对高炉料层透气性 的影响很小 20 24焦炭的反应性对含铁炉料还原的影响 FegO 实际气体成分 图6为C0还原铁氧化物的平衡气相组成与温 度的关系.由铁氧化物的还原热力学可知5,900℃ 600 700 800900100011001200 温度/℃ 下C0还原Fe0的平衡气相体积分数为67.27%，即 图中e点.当还原气体中C0体积分数高于平衡 图6C0还原铁氧化物的平衡气相组成与温度的关系 气相体积分数，从热力学角度分析可以还原出金属 Fig.6 Relationship between gas compositions and tempera 铁：若C0体积分数低于平衡气相体积分数，则无 ture of ferric oxide reduction with CO 法还原出金属铁.在本实验中，为了更好地考察不 同反应性的焦炭因碳素溶损反应而带来的料层CO 图焦炭A对应炉料还原度 60 ☐焦炭E对应炉料还原度 体积分数的提升效果，实验研究了C0体积分数，即 50 p(C0)/p(C0+C02),为0、66.67%和72.22%三种气 40 体成分下还原温度为900℃时分别使用低反应性焦 30 炭A和高反应性焦炭E的含铁炉料还原情况.图 20 6中a、b和c点的C0体积分数为0、66.67%和 72.22%,实验时所对应的通气制度分别如表1中 I、II和II所示. 图7揭示焦炭A和E在不同气体成分下对含 不同组分的混合气体 铁炉料还原的影响.由图7可知，随着气氛中C0 图7焦炭A、E在不同气体成分下对含铁炉料还原的影响 体积分数的升高，两种焦炭条件下含铁炉料的还原 Fig.7 Effect of coke A and coke E on ferric burden reduction 度均增大，并且使用高反应性焦炭E时含铁炉料的 in different gas compositions 还原度提高显著.对于低反应性的焦炭A,当通入 图8为分别使用五种不同反应性的焦炭条件 气体成分依次为a、b和c时，含铁炉料的还原度 下，当气体成分为图6中c点，含铁炉料还原120 依次为0.66%、29.72%和33.18%，其中仅在气体成 min后的还原度变化.随着焦炭反应性的提高，含铁 分c下还原出金属铁，此时含铁炉料的金属化率为 炉料的还原度逐渐上升，从33.18%升高至53.83%， 3.5%.对于使用高反应性焦炭E的情况而言，其对 含铁炉料的金属化率从3.50%提高至33.48%.其主 含铁炉料还原的促进作用均非常明显，当通入气体 要原因是高反应性焦炭的碳素溶损反应提升了料层
· · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 卷 应性的焦炭 相比, 料层平均压差的增幅仅为 继续深入分析使用高反应性焦炭的压差增大原 因可知 一方面, 随着焦炭反应性增强, 焦炭与 发生碳素溶损反应量增大, 使料层中气体流量增大, 因而压差增大 以使用低反应性的焦炭 为 比较基 准 , 由实验数据通过 欧根方程计算表明, 当使用高 反应性的焦炭 时, 由气体流量增大所引起 的料层 压差相对增大 了 , 约占一整个压差增高幅度的 另一方面, 在炉料 自身荷重条件下 , 焦炭的碳 素溶损反应和铁矿石的低温还原均有 可能使炉料产 生粉末, 致使料层空隙度降低 , 从而影响料层透气 性 假设木实验 中压差变化仅由气体流量和炉料空 隙度两因素引起, 通过计算可得, 与使用焦炭 的 情况相 比, 使用焦炭 时 由炉料破损引起的压差增 大为 , 料层的空隙度降低 需要强调的 是 在这不大的炉料破损 引起的压差升高之中, 还 包含着铁矿石的还原粉化 由此可见 , 适当使用反应性较 高的焦炭 , 不会 带来焦炭强度的明显下降, 从而对高炉料层透气性 的影响很小 焦炭的反应性对含铁炉料还原的影响 图 为 还原铁氧化物的平衡气相组成与温 度的关系 由铁氧化物的还原热 力学可知, 〕, ℃ 下 还原 的平衡气相体积分数为 , 即 图中 。点 当还原气体 中 体积分数高于平衡 气相体积分数 , 从热力学角度分析可以还原出金属 铁 若 体积分数低于平衡气相体积分数 , 则无 法还原 出金属铁 在本实验 中, 为 了更好地考察不 同反应性 的焦炭 因碳素溶损反应而带来的料层 体积分数的提升效果, 实验研究了 体积分数 , 即 沪 沪 , 为 。、 和 三种气 体成分下还原温度为 ℃时分别使用低反应性焦 炭 和高反应性焦炭 的含铁炉料还原情况 图 中 、 和 。点 的 体积分数为 、 和 , 实验 时所对应的通 气制度分别如表 中 、 和 所示 图 揭示焦炭 和 在不 同气体成分下对含 铁炉料还原的影响 由图 可知, 随着气氛 中 体积分数的升高, 两种焦炭条件下含铁炉料的还原 度均增大, 并且使用高反应性焦炭 时含铁炉料的 还原度提高显著 对于低反应性 的焦炭 , 当通入 气体成分依次为 、 乙和 。时, 含铁炉料的还 原度 依次为 、 和 , 其中仅在气体成 分 下还原 出金属铁, 此时含铁炉料的金属化率为 对 于使用高反应性焦炭 的情况而言 , 其对 含铁炉料还原的促进作用均非常明显, 当通入气体 成分为 时, 仅在 的保护下仍能促进含铁炉料 的还原, 使其还原度达到 当通入气体成分 为 时, 由于气体成分中 体积 分数为 , 低于 间接还原出 的平衡气相体积分数, 理 论上不能还原出金属铁, 然而由于焦炭 的反应性 较高 , 焦炭 的碳素溶损反应提升 了气体成分中 的体积分数, 使料层气体成分 中 体积分数提高 到 , 高于 还原出 的平衡气相体积分 数, 从而使含铁炉料的金属化率达到了 当 通入气体成分为 时, 使用焦炭 可使含铁炉料的 金属化率达到 闷一 一 实际气体组分 一 一 一 一 一 一 一 平衡气体组分 实际气体成分 耸燕李彩 一 一 一 一二吞 了 , 实际气体成 温度 ℃ 图 还原铁氧化物的平衡气相组成 与温度的关系 焦炭 对应炉料还原度 盯画焦炭 对应炉料还原度 举如赵鹭葵象喇享 不同组分的混合气体 图 焦炭 、 在不同气体成分下对含铁炉料还原的影响 图 为分别使用五种不同反应性 的焦炭条件 下, 当气体成分为 图 中 点, 含铁炉料还原 后的还原度变化 随着焦炭反应性的提高, 含铁 炉料的还原度逐渐上升 , 从 升高至 , 含铁炉料的金属化率从 提高至 其主 要原因是高反应性焦炭的碳素溶损反应提升了料层
第3期 吴胜利等：焦炭反应性对高炉块状带含铁炉料还原的影响 287· 内C0体积分数，使C0实际体积分数与还原平衡 for reducing CO2 emissions in the integrated steel works 气相体积分数之间差值增大，提升含铁炉料还原的 ISIJ1nt,2006,46(12:1736 驱动力，促进了含铁炉料的还原 [2]Tseitlin M A,Lazutkin S E,Styopin G M.Flow-chart for 50 iron making on process oxygen and hot reducing the basis 55 ◇还原度 50 ▲金属化率 of 100%usage of gases injection.ISIJ Int,1994,34(7) 0 570 45 30蓝 [3]Ishizaki K,Nagata K,Hayashi T.Production of pig iron 0 from magnetite ore-coal composite pellets by microwave 35 20 heating.ISIJ Int,2006,46(10):1403 名 10张 如25 [4]Kim J,Choi T H,Chung J K.A study on proper usage 品 of nut coke in blast furnace//Proceedings of 2011 Metec 0 Insteel Conference.Dusseldorf,2011:1 焦炭种类 [5]Mousa E A,Babich A,Senk D.Effect of nut coke-sinter 图8焦炭反应性对含铁炉料还原的影响 mixture on the blast furnace performance.ISIJ Int,2011 Fig.8 Effect of coke reactivity on ferric burden reduction 51(3):350 本文的上述研究结果表明，对高炉的块状带而 [6 Mousa E,Senk D,Babich A.Reduction of pellets-nut coke 言，使用反应性高的焦炭能提升煤气的还原势，促 mixture under simulating blast furnace conditions.Steel 进含铁炉料的还原，而料层的透气性却没有显著变 Res Int,2010,81(9):707 差，因此使用高反应性焦炭有益于高炉块状带含铁 [7]Babich A,Senk D,Gudenau H W.Effect of coke reactiv- ity and nut coke on blast furnace operation.fronmaking 炉料的还原.此外，焦炭反应性的提高有利于增大 Steelmaking,2009,36(3):222 含铁炉料进入软熔带和滴落带时的金属化率，减少 [8]Misra S N,Gupta R C.Development of firing schedule 进入软熔带和滴落带炉料中FO的含量，故基于理 to prepare composite pre-reduced pellets.ISIJ Int,1994, 论上分析可以预测焦炭反应性的提高将有利于改善 34(6):468 高炉内含铁炉料的软熔漓落性能.相关的实验研究 9 Podkorytov A L,Kuznetsov A M,Dymchenko E N,et al. 及其结果将在另文中深入阐述. Technology for preparing coke for blast-furnace smelting and its efficiency.Metallurgist,2009,53(7):460 3结论 [10 Ono-Nakazato H,Tsubone Y,Usui T.Gaseous reduction (1)受高炉内碳素溶损反应的作用，高反应性 behavior of powdered iron ore sinter and analysis on the 的焦炭可在900℃下气化产生C0,且随着焦炭反 basis of rist model for fixed bed.ISIJ Int,2002,42(5): 应性的提高，焦炭的气化速率及CO生成量均增大， 482 [11]Mio H,Komatsuki S,Akashi M,et al.Analysis of trav- 从而使高炉炉身CO还原含铁炉料的还原势增大. eling behavior of nut coke particles in bell-type charging (2)高炉块状带含铁炉料的压差变化主要取决 process of blast furnace by using discrete element method. 于料层中煤气量变化和炉料破损引起的空隙度变 ISIJ Int,.2010,50(7):1000 化，随着焦炭反应性的提高，料层中煤气量增大， [12]Mousa E A,Senk D,Babich A,et al.Influence of nut 炉料的空隙度减小，料层压差略有升高，但增大幅 coke on iron ore sinter reducibility under simulated blast 度很小，对高炉块状带的透气性影响较小 furnace conditions.Fronmaking Steelmaking,2010,37(3) (③)适当提高焦炭的反应性，能够明显改善高 219 炉块状带含铁炉料的还原条件，在C0的原始体积 (13]Watakabe S,Takeda K,Nishimura H,et al.Development 分数略低于还原FO的平衡气相体积分数时，使用 of high ratio coke mixed charging technique to the blast 高反应性焦炭条件下的含铁炉料仍可被还原出部分 furnace.ISIJ Int,2006,46(4):513 金属铁，当通入气体的C0体积分数高于还原FeO (14]Xu W R,Zhang LL,Zhang Y Z,et al.Influence of oper- ation at high coke nut ratio to permeability and gas flow 的平衡气相体积分数时，高反应性焦炭对含铁炉料 distribution.Jronmaking,2005,24(5):25 的还原促进效果更为显著， (徐万仁，张龙来，张永忠，等.高小块焦比操作对高炉透气 性和煤气流分布的影响.炼铁，2005,24(25：25) 参考文献 [15]Kamijo C,Matsumura M,Kawaguchi T.Production of carbon included sinter and evaluation of its reactivity in [1]Ariyama T,Sato M.Optimization of ironmaking process a blast furnace environment.ISIJ Int,2009,49(10):1498
第 期 吴胜利等 焦炭反应性对高炉块状带含铁炉料还原的影响 · · 内 体积分数 , 使 实际体积分数与还原平衡 气相体积分数之 间差值增大, 提升含铁炉料还原的 驱动力, 促进 了含铁炉料 的还原 一 如哥识幕举噢州名象享 八曰立曰 令△ 令△ 令△ 还原度 金属化率 令△ `且卜 ﹄勺口氏﹃勺 令△ 住`氏﹄勺︸曰 侧鹭名其彭和旧吸享 ` ` 二 焦炭种类 图 焦炭反应性对含铁炉料还原的影响 · 木文的上述研究结果表明, 对高炉的块状带而 言, 使用反应性高的焦炭能提升煤气的还原势, 促 进含铁炉料 的还原, 而料层的透气性却没有显著变 差, 因此使用高反应性焦炭有益于高炉块状带含铁 炉料的还原 此外 , 焦炭反应性的提高有利于增大 含铁炉料进入软熔带和滴落带时的金属化率, 减少 进入软熔带和滴落带炉料中 的含量 , 故基于理 论上分析 可以预测焦炭反应性的提高将有利于改善 高炉 内含铁炉料的软熔滴落性能 相关的实验研究 及其结果将在另文中深入阐述 结论 受高炉内碳素溶损反应的作用, 高反应性 的焦炭可在 ℃下气化产生 , 且随着焦炭反 应性的提高, 焦炭的气化速率及 生成量均增大 , 从而使高炉炉身 还原含铁炉料的还原势增大 高炉块状带含铁炉料的压差变化主要取决 于料层中煤气量变化和炉料破损 引起 的空隙度变 化, 随着焦炭反应性 的提高, 料层中煤气量增大 , 炉料的空隙度减 小, 料层压差略有升高, 但增大幅 度很小, 对高炉块状带的透气性影响较小 适当提 高焦炭的反应性, 能够 明显改善高 炉块状带含铁炉料的还原条件 , 在 的原始体积 分数略低于还原 的平衡气相体积分数时, 使用 高反应性焦炭条件下的含铁炉料仍可被还原出部分 金属铁, 当通入气体的 体积分数高于还原 的平衡气相体积分数时, 高反应性焦炭对含铁炉料 的还原促进效果更为显著 参 考 文 献 【』 , 了了 玩云, , 【 , , 扣 一 铭 了刀 亡, , 」 , 鳃 , ·了五了爪亡, , , , 鳍 妙 鳍 。成叼 玩 承 二。 , 【』 , , 了 刀 几 , , 【」 , , 一 亡 扭 , , 【 , , 了而几 坛几夕 亡 乞夕, , 」 , 了 刀 , , 【 , , , 一 犷 。勺 , , , , ·沼刀 玩 , , 【 , , , 一 了 了玩 , , 【 , , , 。。 乞。夕 版叩, , 【 , , , ` · 爪亡, , 【 」 , , , 饥 `。弘 , 徐万仁, 张龙来, 张永忠, 等 高小块焦比操作对高炉透气 性和煤气流分布的影响 炼铁, , 【 」 , , ·绍刀 玩云,
