天铁焦炭钝化的试验探讨

梁彩凤（天津天铁冶金集团有限公司技术中心，河北涉县 056404）

天铁焦炭钝化的试验探讨

梁彩凤（天津天铁冶金集团有限公司技术中心，河北涉县 056404）

为了提高焦炭质量，改善焦炭的热反应性和反应后强度，在不同的喷洒时间将不同浓度的钝化剂溶液分别作用在两种强度的焦炭表面上，进行焦炭热性质的试验和探讨。试验结果表明钝化剂浓度和焦炭本身的质量对焦炭的热性能影响很大，而钝化剂的喷洒时间对焦炭热性能没有影响。

焦炭 钝化剂 喷洒 时间 反应性 强度

1 前言

随着高炉大型化和强化冶炼的发展，对焦炭质量尤其是热态性能要求越来越高。提高焦炭质量，特别是改善焦炭的热反应性（CRI）和反应后强度（CSR）指标是当前高炉强化冶炼、提高喷煤量、改善技术经济指标、降低成本的重要措施[1]。为了探索天铁现有技术装备条件下改善焦炭质量的途径，改善高炉炉况，向高炉提供优质焦炭，天铁中心化验室配合高炉生产在实验室进行焦炭钝化试验，探究焦炭钝化剂对天铁高炉生产所需焦炭的热反应性（CRI）和热反应后强度（CSR）的钝化效果。

2 试验过程

2.1 反应性（CRI）和反应后强度（CSR）

焦炭的热态性能通常用热态反应性（CRI）和热态反应后强度（CSR）来表示。具体定义为：称取一定质量的焦炭试样，置于反应器中，在（1 100±5）℃时与二氧化碳反应2 h后，以焦炭质量损失的百分数表示焦炭的反应性（CRI），CRI=（m-m1）/m×100%。

式中：m——焦炭试样的质量，g；

m1——反应后残余焦炭的质量，g。

上述反应后的焦炭经过Ⅰ型转鼓以20 r/min的转速转600转后，＞10 mm粒级的焦炭占反应后焦炭的质量百分数表示焦炭的反应后强度（CSR），CSR= m2/m1×100%。

式中：m2——转鼓后大于10 mm粒级焦炭质量，g。

钢铁厂大型高炉生产现已将反应性（CRI）和反应后强度（CSR）作为一项常规测定。研究焦炭的热态性质的目的是尽可能使焦炭虽然受到CO2反应，但仍保持一定强度，以保证高炉内良好的透气性。

2.2 试验材料

2.2.1 试验焦炭采用天铁高炉冶炼所用的两种强度不同的焦炭，分别为自产焦炭和金牛焦炭。从现场取焦碳试样，弃去泡焦和炉头焦，经过反复破碎、筛分，取直径大于23 mm而小于25 mm的焦块，去掉片状焦和条状焦后混匀，采用四分法将试样缩分，每份不少于220 g，备用[2]。

2.2.2 该试验采用的钝化剂为白色粉末状，水分约为0.2%，常温下物质特征稳定且不发生化学反应。以钝化剂为溶质，将其均匀地溶解在70℃左右的热水中，配制成浓度比例分别为2.0%、3.5%和5.0%的溶液，备用。

2.3 测定设备及方法

2.3.1 实验室及设备均采用天铁中心化验室的测试装置，KF-200型焦炭反应性及反应后强度测定装置一套，包括高温反应电炉系统、Ⅰ型转鼓、计数控制系统、干燥箱、天平、氮气和二氧化碳供气系统、系列圆孔筛分等。

2.3.2引用标准：（GB/T4000—1996）焦炭反应性及反应后强度试验方法。

2.4 钝化剂的喷洒时间

实验过程将钝化剂溶液均匀地喷洒在焦炭表面，该方法属于液态附着法，操作简单，但是钝化剂的喷洒时间不同，具体操作如下。

喷洒时间Ⅰ：将缩分后的试样先放入干燥箱内，在（175±5）℃温度下烘干2 h，取出冷却至室温，再喷洒钝化剂溶液，静置5 min。

喷洒时间Ⅱ：先将钝化剂溶液均匀地喷洒在焦炭表面，静置5 min后放入干燥箱，在（175±5）℃温度下烘干2 h，冷却到室温。

3 试验数据及结果分析

3.1 试验数据

3.1.1 实验室配制钝化剂的浓度比例分别为2.0%、3.5%和5.0%，采取两种喷洒时间分别作用在自产焦炭和金牛焦炭上，按照试验需要将制备好的试样称取（200±0.5）g，标记原始焦炭名称、质量和该试样所用钝化剂的浓度及喷洒时间，按照实验操作流程，将试样参照GB/T4000—1996焦炭反应性及反应后强度试验方法的标准和要求进行试验，然后与其空白作对比，探究钝化剂对天铁高炉生产所需焦炭的钝化效果。

3.1.2 实验室模拟高炉环境共进行了10组试验，当反应温度为400℃时，试样在N2的保护下逐渐升温，流量为0.05 m3/h，温度达到1 100℃时反应气体为高纯CO2（纯度达99.999%），流量为0.36 m3/h，通气时间为2 h，反应后试样离开高温炉，在N2的保护下冷却到100℃以下，流量为0.12 m3/h。每组反应后试样筛分、称量并记录，计算焦炭反应性（CRI）和反应后强度（CSR），具体数据结果见表1。

表1 实验室焦炭钝化试验数据

3.2 结果分析

3.2.1 钝化剂浓度对焦炭热性能的影响

（1）以钝化剂浓度为横坐标，焦炭热性质为纵坐标，对两种强度焦炭的钝化效果分别作图，见图1、图2。

图1 钝化剂浓度对自产焦炭热性能的影响

图2 钝化剂浓度对金牛焦炭热性能的影响

（2）由图可知，钝化剂溶液浓度的增加可有效地降低焦炭反应性和提高反应后强度。对于天铁自产焦炭，其反应性（CRI）降幅很大，达到了5.5%；热强度（CSR）最大上升了9.3%。因为随着钝化剂溶液浓度的增加，渗透到焦炭孔隙的钝化剂颗粒增多，同时钝化剂随着焦炭进入炉内，在高温条件下脱水结晶，形成屏蔽保护膜吸附在焦炭表面，阻止了焦炭与二氧化碳反应的进行，从而改善了焦炭的热性能。

（3）但是对于自产焦炭（如图1所示），钝化剂的浓度由3.5%提高到5.0%时，曲线变化相对平缓，说明钝化效果减弱。因为在浓度为3.5%时，钝化剂颗粒已填满了大部分的焦炭孔隙并已形成了致密的保护膜，所以再增加钝化剂浓度，钝化效果明显降低。对于金牛焦炭（如图2所示），其曲线的转折点为钝化剂浓度为2.0%左右，此时钝化剂处于饱和状态，同理说明该浓度达到最佳钝化效果。

（4）虽然浓度在5.0%时，焦炭强度有所提高，但是随着钝化剂浓度的增大，焦炭的灰分会随着增加，高炉炼铁的焦比相应就会升高。所以从高炉冶炼整体经济效益来考虑，结合实验数据，自产焦炭最佳的钝化剂浓度为3.5%左右，金牛焦炭最佳钝化剂浓度为2.0%左右。

3.2.2焦炭强度对焦炭热性能的影响

由表1和以上结果可知，焦炭本身的强度对钝化效果也有明显地影响，见图3。

图3 焦炭强度对焦炭热性能的影响

（1）以喷洒Ⅰ的方式将钝化剂浓度为3.5%的溶液作用在焦炭上，自产焦炭的钝化效果最为明显，反应性降低了5.1%，强度升高了7.8%；其次为金牛焦炭，反应性降低2.7%，反应后强度提高了5.7%，说明焦炭钝化技术对改善劣质焦炭的热性能效果比较明显。

（2）这是因为焦炭属于碳质多孔体，强度不同的焦炭，其内部结构组成也不同。当喷洒钝化剂后，强度差的焦炭结构疏松，气孔多，需要填充较多的钝化剂才能有效地阻断和减缓焦炭和二氧化碳的反应及二氧化碳向焦炭内部的扩散；对于优质焦炭，其结构致密，孔隙低，只需较少的钝化剂浓度就能达到溶解饱和，所以钝化效果相对较差，同理所需钝化剂的浓度较低。

3.2.3 钝化剂喷洒时间对焦炭热性能的影响

实验室模拟高炉环境，探究钝化剂的最佳喷洒时间，以求达到最佳钝化效果。由表1和图4可以看出，在钝化剂溶液浓度为3.5%的作用下，改变钝化剂的喷洒时间对两种焦炭分别钝化后，表示反应性（CRI）的柱状图差别很小，而表示反应后强度（CSR）的两条线基本吻合，说明钝化剂的喷洒时间对焦炭钝化效果没有影响。

而在生产现场只能在进入高炉料仓前的带式输送机上对焦炭喷洒钝化剂，然后随着送料系统直接进入高炉生产，所以生产现场采用喷洒Ⅰ的方式更合适。

图4 钝化剂喷洒方式对焦炭热性能的影响

4 结论

对焦炭喷洒钝化剂溶液，根据实验室试验探究，分析试验结果，得知钝化剂溶液对焦炭热态性能有明显的改善作用，可使焦炭反应性（CRI）显著降低，反应后强度（CSR）明显增加，通过实验室试验得出以下结果。

4.1 钝化剂溶液的浓度对焦炭热性能的影响很明显。在一定浓度范围内，浓度越大，其作用效果越显著。从经济效益和试验结果可知，自产焦炭的最佳钝化剂浓度为3.5%，金牛焦炭的最佳钝化剂浓度为2.0%左右。

4.2 钝化剂对不同强度焦炭热性能的改善程度是不同的。由于焦炭本身的结构不同，对劣质焦炭的热性能改善作用明显。

4.3 钝化剂的喷洒时间对焦炭热性能没有影响。由于喷洒Ⅰ的方式更贴近现场生产条件，结合高炉环境，生产中宜采用喷洒Ⅰ的方式。

[1]胡新亮.钝化焦炭在济钢高炉的应用[J].炼铁，2004（3）：50-51.

[2]GB/T 4000—1996，焦炭反应性及反应后强度试验方法[S].

Discussion on Trail of Tiantie Coke Passivation

Liang Caifeng

In order to raise coke quality and improve coke thermal reactivity and strength after reaction,passivator solutions with different concentration were sprayed on the surface of cokes with two different strengths in different time.Trails and discussion on coke thermal qualities were made.Trail results showed passivator concentration and coke quality influenced greatly on coke thermal property while passivator spraying time did not.

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（收稿 2011－10－10责编崔建华）

梁彩凤，2007年毕业于内蒙古科技大学冶金工程专业，现在天铁集团技术中心从事化学分析工作。