董茂林1，金榮鎮2，崔松梅1，沈海波1，鄭朋超1
（1 首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司； 2 韓國浦項制鐵株式會社）
摘要：結合生產實踐，研究了焦炭在爐內的行為及其對爐缸溫度變化的影響，分析認為爐缸鐵水的流動和死焦堆的變化影響爐缸的活躍度，進而影響爐底溫度的變化。 在高爐下部透氣性方面，下部（爐腹—爐腰—爐身下部）邊緣的焦炭粉末積聚會導致高爐透氣性變差，進而導致爐況不穩定。
關鍵詞：焦炭；死焦堆；爐底溫度
0 前言
焦炭在高爐冶煉中起四個作用：發熱劑、還原劑、滲碳劑和支撐爐料的骨架。 采用煤粉噴吹技術后，高爐焦比大大降低。 煤粉可替代焦炭在高爐中提供熱量、還原和滲碳等作用。 但焦炭料柱作用是煤粉所無法替代的［1］。
焦炭的冷態強度指標（M40 和 M10） 并不能完全代表其在爐內的性能，冷強度相近的焦炭，高溫性能可能存在很大的差異。 焦炭高溫性能差（ CSR低），會造成高爐塊狀帶透氣性變差，軟熔帶位置下移，具體表現為中心煤氣流變弱，邊沿煤氣流增強，爐缸中心死料柱變大，風口及回旋區的小粒度焦炭量增加，爐缸透液性變差，鐵口深度減小等，最終導致爐缸內鐵水環流加劇，爐缸側壁碳磚侵蝕加劇及爐缸側壁溫度升高，煤氣利用率降低、焦比升高［2］。因此，焦炭在高爐內行為對高爐的順行有重要影響。
1 焦炭在爐內的性狀變化
根據生產經驗，焦炭自爐頂加入高爐后，隨著爐料的下降，自爐身上部開始，焦炭粒度變小，強度變差，反應性升高，這與爐內氣流分布和溫度分布密切相關。 一般認為：焦炭從料線到風口，平均粒度減小20％ ～40％［3］。
在塊狀帶，由于溫度較低，未達到溶損反應發生的溫度，焦炭僅受到爐料摩擦和擠壓的作用，粒度緩慢降低。 進入軟熔帶和滴落帶，發生劇烈溶損反應，造成焦炭粒度急劇下降。 在風口回旋區，焦炭隨熱風劇烈的旋轉運動并與氧反應；當鼓風動能達到一 定數值時，將推動風口前焦炭，形成一個疏松而近于球形的區域，焦炭塊在其中做高速循環運動，速度可達 10 m ／ s 以上。 在這個循環區外圍是一層厚 100～200 mm 的中間區，該區域既受內部循環的焦炭及高溫氣流的作用，又受外圍焦炭的摩擦阻力，雖然焦炭已失去了循環運動的力量，但仍較疏松，且因摩擦作用堆積了小于 1.5 mm 的碎焦，高爐解剖中風口區的研究報告證實了這一結構特征的存在［4］。 焦炭在高爐內的變化過程如圖1所示，國內外的高爐解剖工作也證實了焦炭在高爐內的性狀變化。
近幾年，國內外學者對堿金屬對焦炭的影響進行了大量的研究。 鄭朋超等通過實驗研究認為［5］ ，焦炭同時吸附鉀鈉蒸氣時，隨著吸附總量的增加，焦炭反應性（CRI）增加、反應后強度（CSR） 降低。 當吸附總量相同時，鉀鈉質量比為3 ／ 7時焦炭反應性最大， 反應后強度最小。 呂青青等通過研究認為［6］，在塊狀帶，堿金屬會與焦炭中的灰分形成催化復合物，導致焦炭與CO2 反應的起始溫度降低，破壞焦炭的微晶結構，失碳率增加，粉化加劇。 趙宏 博等通過實驗研究認為［7］，1300 ℃ 不存在 CO2時吸附鉀蒸汽的焦炭嚴重粉化，而吸附鈉的基本不粉化，通過掃描電鏡能譜結合 X 射線衍射分析得知這是由于鉀和焦炭中灰分結合形成鉀霞石造成體積膨脹使裂紋發展、吸附量增加，并最終導致焦炭粉化， 而鈉只是少量吸附在焦炭表面。 鉀在焦炭灰分中大量富集解釋了高爐堿金屬富集區域焦炭中鉀含量總大于鈉含量的現象。 堿金屬在爐內對焦炭強度變化的影響如圖 2 所示。
焦炭進入爐身中部以后，首先發生的是溶損反應：C＋CO2 ＝ 2CO，反應從焦炭表面開始發生，反應的結果是焦炭表面的氣孔逐步變大，孔壁變薄，焦炭強度逐步降低；隨著焦炭的逐步下降，在爐腰部位，焦炭產生了絲狀組織；在風口區域，焦炭反應加速，灰分中的SiO2 開始還原揮發，焦炭中的氣孔進一步增加，同時渣鐵侵入到焦炭氣孔中。 遠離回旋區的焦炭反應速度變慢，形成了死焦堆，滯留在爐缸中。 焦炭在高爐內組織變化的過程如圖3 所示。
2 風口區焦炭行為的推定
風口區域是焦炭在高爐內部環境最惡劣區域， 也是各種化學反應快速進行的區域。 從風口鼓入的熱風和氧氣與焦炭和煤粉接觸進行快速燃燒反應， 產生CO 和 CO2 ，同時焦炭之間摩擦以及堿金屬蒸汽和渣鐵的滲入都會促使焦炭的劣化。 相關研究結果表明［8］ ，焦炭中的揮發分在高溫作用下會由氣孔壁析出，CO2 分子與渣鐵經焦炭表面的氣孔滲入焦炭，對焦炭的表層進行侵蝕；外層焦炭經過渣鐵沖刷、滲碳、燃燒等一系列作用后，粉化并逐層剝離，反應逐漸向焦炭核心進行，焦炭粒度逐步變小，直至消失。
回旋區內部焦炭在熱風的推動下，快速旋轉。在旋轉的同時，相對塊度較大的焦炭堆積在風口的下方、靠近爐墻的位置，焦炭的粉末則堆積在回旋區的正下方，即越靠近爐墻，焦炭粒度越大。 竺維春通過對首鋼京唐大型高爐在停風時風口取樣焦，分析認為：風口焦炭平均粒度在爐缸徑向的分布總體體現為由外及里逐漸降低至平穩，拐點一般出現在距風口 2～3 m 之間［9］。 風口回旋區附近焦炭的行為和分布如圖 4 所示。
焦炭進入風口區后，在快速燃燒的同時快速旋轉，在旋轉的過程中，部分焦炭由于磨損而粉碎，進而提高了燃燒效率。 燃燒剩余的焦炭一部分貯存在風口區外部的低流速區域，另一部分貯存在下部的焦炭之間，然后緩慢的向爐床移動。 滴落帶里面鐵水滴落對焦炭的粒度影響較小；回旋區的外部焦炭會沉積在一起，粒度變化也很小。 風口回旋區焦炭的去向路線如圖5 所示。
焦炭冷強度和熱強度（CSR）降低，會使入爐焦炭的粒度變小，會使回旋區內產生粉化，在回旋區下部，焦粉層的增加會導致渣鐵流動性的降低，進而導致爐況惡化。
在風口的下方，靠近爐墻的地方還有部分塊狀的焦炭，這些焦炭的來源有兩個：一是從兩個風口之間的側面進入；二是通過回旋區下方的局部流達到；這些焦炭通過溶損反應和滲碳反應，消耗較慢，粒度降解的也慢。
3 爐缸內焦炭行為推定
在爐缸內，焦炭越靠近爐底粒度越小，由于高爐中上部中心煤氣流中 CO2 含量較低，該區域內的焦炭受溶損反應（CO2＋C→CO）的影響較小，在高爐下部中心區域焦炭受燃燒及回旋區影響較小，所以在爐缸中心區域的焦炭粒度也較大。 這部分焦炭會緩慢的下降到爐底，但同時受到鐵水浮力的作用，部分焦炭會緩慢上浮到鐵口附近。 在上浮的過程中，由于鐵水滲碳作業，部分焦炭會逐步消失。 這個過程進行的很慢，整個死焦堆如果全部置換完的話，大約需要 7 ～ 15 天。 根據前人的實驗證明，死焦堆邊緣是焦炭消耗的區域，死焦堆里面的焦炭會向邊緣移動。 焦炭熱強度變差后，粉末增多，透液性變差，因此其在爐芯和爐底部的移動速度會變慢。
焦炭在爐缸內行為的推定如圖 6 所示。
由于料柱重量和鐵水浮力的影響，死焦堆一般位于風口水平線和爐底之間，正常生產時，死焦堆會浮起 1～2 m，液態渣鐵填充于死焦堆中。 因此，正常生產時鐵水流動狀態和死焦堆的變化會影響爐缸的活躍度，進而引起爐底溫度的變化。
4 緩解爐內焦炭劣化的措施
在現代高爐冶煉條件下，隨著焦炭負荷和冶煉強度的提高，焦炭在高爐內的滯留時間延長，溶損率增加，焦炭劣化嚴重。 因此，采取必要的工藝手段，緩解焦炭的劣化顯得尤其重要，這些手段包括：強化高爐冶煉操作，優化含鐵爐料和工藝參數，在一定程度可緩解焦炭在高爐內的劣化，具體措施有［10］：采用高還原性礦石與高熱流比操作，使大量的氣體產物 CO2 在中溫區釋放出，避免與高溫焦炭接觸，以降低焦炭的溶損反應；使用合理的風速和鼓風動能 以避免風口區粉焦上升；采用中心加焦和礦石混裝焦丁等疏松中心的裝料制度，使料柱的透氣性得到改善；采用低堿、低硫、高品位礦石及有效的排堿、排硫措施，高品位礦石還可以減少渣量，緩解焦炭的劣化，低堿金屬、低硫及排堿措施可有效降低焦炭劣化。 采用適宜的理論燃燒溫度，過高理論燃燒溫度使得回旋區的焦炭中的 SiO2 還原并大量揮發，甚至焦炭中的 CaO、MgO及 Al2O3 部分被還原，導致焦炭結構變得更為疏松易碎。
5 結論
通過以上分析，得到以下結論：
（1）焦炭自爐頂加入高爐后，隨著爐料的下降，自爐身上部開始，焦炭粒度變小，強度變差，反應性升高，這與爐內氣流分布和溫度分布密切相關。
（2）風口區域是高爐內部環境最惡劣的地區，也是各種化學反應快速進行的地區。 從風口吹進來的熱風、氧氣與焦炭、煤粉發生接觸進行快速燃燒反應，產生 CO。 同時，焦炭之間摩擦以及堿金屬蒸汽和渣鐵的滲入都會促使焦炭的劣化。
（3）由于料柱重量和鐵水浮力的影響，死焦堆一般位于風口水平線和爐底之間，正常生產時，死焦堆會浮起 1～2 m，金屬鐵會填充在死焦堆中。
6 參考文獻
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［2］ 王再義，王相力，張偉，等． 焦炭質量對高爐冶煉的影響［J］． 鞍 鋼技術，2011（1）：16．
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［4］ 王筱留． 鋼鐵冶金學［M］．4 版．北京：冶金工業出版社，2013： 156．
［5］ 鄭朋超，張建良，劉征建，等． 堿金屬對焦炭熱性能的影響［J］．中國冶金，2017，27（5）：19．
［6］ 呂青青，杜屏，周俊蘭，等． 高爐塊狀帶焦炭劣化機理［J］． 鋼 鐵，2016，51（1）：13．
［7］ 趙宏博． 高爐堿金屬富集區域鉀鈉加劇焦炭劣化新認識及其 量化控制模型［J］．北京科技大學學報，2012，34（3）：333．
［8］ 呂青青．高爐風口焦炭劣化過程研究［J］．上海金屬，2017，39 （5）：57．
［9］ 竺維春，張衛東，王冬青，等． 超大型高爐風口焦炭取樣分析研 究［J］． 鋼鐵研究，2014，42（2）：9．
［10］ 周傳典． 高爐煉鐵生產技術手冊［M］．北京：冶金工業出版 社，2002：87．