陳 鵬， 楊海霞
（陜鋼集團(tuán)漢鋼公司， 陜西 勉縣 724200）
摘 要：焦炭的反應(yīng)性及反應(yīng)后強(qiáng)度是反映焦炭質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，然而檢測(cè)條件難以準(zhǔn)確掌控，測(cè)試誤差大，為此從加熱元件、加熱速率及樣品所得溫度區(qū)域加以討論，并提出了減少試驗(yàn)誤差的方法。
關(guān)鍵詞：焦炭；溫度；位置；反應(yīng)性；反應(yīng)后強(qiáng)度
焦炭在高爐生產(chǎn)過(guò)程中有著重要的作用，對(duì)于高爐各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)也起到?jīng)Q定性的作用。所以目前高爐對(duì)焦炭的指標(biāo)要求也相當(dāng)高。焦炭的熱反應(yīng)性，直接影響焦炭的發(fā)熱值。發(fā)熱值不夠的焦炭會(huì)提高煉鐵的燃料比與焦比，影響冶煉的熱制度，從而提高成本。強(qiáng)度不夠的焦炭易碎，在爐內(nèi)產(chǎn)生粉末，影響高爐內(nèi)的透氣性，從而影響高爐的順行。對(duì)于爐體，焦炭對(duì)它是沒(méi)有影響的。對(duì)于鐵的質(zhì)量焦炭是有影響的，好的焦炭把鐵從氧化物中還原的更充分，可以提供充足的熱量。影響焦炭反應(yīng)性及反應(yīng)后強(qiáng)度的因素諸多，從溫度、加熱時(shí)間、加熱元件及樣品分析所在位置進(jìn)行探討。
1 設(shè)備及試劑
1）試驗(yàn)設(shè)備。
電子天平：MP2100 型；標(biāo)準(zhǔn)篩：23mm， 25 mm，10 mm；I 型轉(zhuǎn)鼓機(jī)：轉(zhuǎn)速（20±1）r／min；反應(yīng)器：高溫合金鋼制成；s 分度熱電偶：規(guī)格700 mm； 高鋁球：高鋁球直徑為10 mm。
反應(yīng)設(shè)備：MJF-Ш 焦炭反應(yīng)性測(cè)定儀，煤炭科學(xué)研究總院檢測(cè)儀器與設(shè)備研究所。
2）試劑。
瓶裝氮?dú)猓旱獨(dú)夂繛?99.999 9％；瓶裝二氧化碳?xì)怏w：二氧化碳含量大于99.99％。
2 實(shí)驗(yàn)方法
1）方法依據(jù)。
國(guó)標(biāo)GB/T 4000—2017《焦炭反應(yīng) 性及反應(yīng)后強(qiáng)度試驗(yàn)方法》實(shí)驗(yàn)[1]。
2）方法簡(jiǎn)介。
稱取制備好焦炭樣（23~25 mm 之間）200 g置于反應(yīng)器中，在1 100℃用 CO2 氣體反應(yīng)2 h，以焦炭質(zhì)量損失的百分?jǐn)?shù)表示焦炭反應(yīng)性（ICR/ %）；反應(yīng)后的焦炭再以20 r／min 的轉(zhuǎn)速在 I 型轉(zhuǎn)鼓機(jī)轉(zhuǎn) 30 min 后，大于 10 mm 粒級(jí)焦炭占反應(yīng)后焦炭的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)表示反應(yīng)后強(qiáng)度（RCS/%）。
3）焦炭反應(yīng)性是指焦炭與二氧化碳、氧和水蒸 汽等進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的能力。
焦炭反應(yīng)后強(qiáng)度是指反應(yīng)后的焦炭在機(jī)械力和熱應(yīng)力作用下抵抗碎裂和磨損的能力。焦炭在高爐煉鐵、鑄造化鐵和固定床氣化過(guò)程中，都要與二氧化碳、氧和水蒸氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。
由于焦與氧和水蒸氣的反應(yīng)有與二氧化碳間的反應(yīng)相類似的規(guī)律，因此用焦炭與二氧化碳的反應(yīng)特性評(píng)定焦炭反應(yīng)性（CRI）[2]。
3 實(shí)驗(yàn)影響因素及結(jié)果分析
3.1 熱電偶老化
焦炭熱反應(yīng)測(cè)定是1 100 ℃下焦炭和二氧化碳的反應(yīng)，分析要求溫度的變化不能超過(guò)±3 ℃。為此要求熱電偶測(cè)溫準(zhǔn)確、靈敏。但是熱電偶在使用過(guò)程中隨著溫度的變化和使用次數(shù)的增多，熱電偶材料發(fā)生老化。熱電偶其內(nèi)部晶粒逐漸長(zhǎng)大，同時(shí)合金中含有的少量雜質(zhì)的位置或形狀發(fā)生變化，與周圍環(huán)境中污染物發(fā)生反應(yīng)，致使熱端材料熔點(diǎn)降低并變脆弱的現(xiàn)象。
老化變質(zhì)將改變熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)也將極其敏感的發(fā)生變化，甚至發(fā)展到脆化斷裂的程度，使測(cè)溫工作無(wú)法進(jìn)行[3]。使測(cè)得溫度與實(shí)際溫度不 相符，造成結(jié)果不穩(wěn)定，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1。
3.2 恒溫區(qū)不穩(wěn)定
反應(yīng)器90%在爐膛加熱區(qū)域內(nèi)。每一個(gè)加熱元件的電阻材料的均勻程度不同，每一個(gè)點(diǎn)的溫度會(huì)有不同。爐膛內(nèi)每一個(gè)點(diǎn)溫度會(huì)受加熱元件的影響， 出現(xiàn)溫度不均勻。樣品在反應(yīng)器內(nèi)疊放起來(lái)，每一粒焦炭所處高度不同，在加熱時(shí)受熱也不同。溫差過(guò)大是焦炭在反應(yīng)過(guò)程中受熱不均勻，焦炭反應(yīng)不充分或者反應(yīng)過(guò)激烈，結(jié)果偏離較大。通過(guò)一個(gè)熱電偶固定位置控溫，另一個(gè)熱電偶測(cè)量爐膛不同位置溫度，得出恒溫區(qū)域大小，對(duì)焦炭分析的影響，分析結(jié)果如表 2、表 3、表 4[4]。
因此要控制好每一個(gè)樣品所在位置，都在恒溫區(qū)范圍內(nèi)防止樣品所在位置溫度過(guò)高或者溫度過(guò)低，試樣反應(yīng)劇烈或者反應(yīng)不夠充分。分析結(jié)果偏差較大，不能真實(shí)反應(yīng)樣品質(zhì)量。要求爐膛內(nèi)有一定的恒溫區(qū)，保證每一粒焦炭所受溫度相同或所受溫度在規(guī)定范圍內(nèi)。
3.3 加熱元件老化
導(dǎo)體材料的電阻率決定與材料自身的性質(zhì)，各種材料的電阻率都隨溫度而變化，在通常溫度范圍內(nèi)，金屬材料的電阻率隨溫度作線性變化。MJF-Ш 焦炭反應(yīng)性測(cè)定儀以電爐絲為加熱源，電爐絲在使用過(guò)程中隨著使用次數(shù)的增加，加熱材料的密度變化，爐絲變長(zhǎng)是整個(gè)電阻變大加熱功率變小。隨著爐絲的物理性質(zhì)變化，加熱時(shí)間也隨著發(fā)生變化，升溫過(guò)程中，溫度波動(dòng)較大。分析過(guò)程中，恒溫過(guò)程持續(xù)時(shí)間短。焦炭處于高溫或者低溫狀態(tài)，使結(jié)果不穩(wěn)定，實(shí)驗(yàn)如表5[5]。
根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在爐絲的使用過(guò)程中要經(jīng)常觀察儀器升溫時(shí)間，和恒溫時(shí)的溫度極差調(diào)整加熱功率，保證升溫速率達(dá)到分析要求。
3.4 爐膛溫度差
MJF-Ш 焦炭反應(yīng)性測(cè)定儀是采用上開口，下封閉的形式。下端采用保溫材料隔熱防止熱量的傳導(dǎo)較少熱量損失，溫度相對(duì)恒定。上端開口方便反應(yīng)器的放入，采用少量保溫隔熱棉隔熱。上端熱氣與流動(dòng)的冷空氣接觸，熱量交換，上端溫度降低，溫度與測(cè) 試溫度相差較大。防止樣品處于高溫區(qū)域或者處于低于分析溫度區(qū)域，在反應(yīng)器內(nèi)填充與焦炭不發(fā)生反應(yīng)的高鋁球抬試樣所處溫度符合分析要求。
樣品在反應(yīng)器內(nèi)有8~10 cm 的高度，同時(shí)要保證上端的樣品分析溫度達(dá)到要求，就要求爐膛的保溫效果，減少冷熱空氣的大量接觸對(duì)流，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表6、下頁(yè)表 7。
根據(jù)表6，表 7 測(cè)試結(jié)果可以看出，隨著測(cè)量位置向上移動(dòng)，溫度也隨之降低。樣品上端所處的溫度，決定這分析結(jié)果的穩(wěn)定性。在分析過(guò)程要嚴(yán)格控制好樣品在反應(yīng)器內(nèi)的高度，不使樣品的高度超出恒溫區(qū)。
4 結(jié)語(yǔ)
通過(guò)實(shí)驗(yàn)可知焦炭的反應(yīng)性及反應(yīng)后強(qiáng)度結(jié)果的穩(wěn)定性受溫度影響，控制好每一個(gè)環(huán)節(jié)減少溫度的變化，是樣品處在合理位置就會(huì)減少結(jié)果偏差。對(duì)設(shè)備經(jīng)常檢測(cè)保養(yǎng)，保證滿足分析要求。
參考文獻(xiàn)
[1] 中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.《焦炭反應(yīng)性及反應(yīng)后強(qiáng)度試驗(yàn)方法》GB/T 4000—2017[S].北京：國(guó)家出版總局， 2017.
[2] 劉克哲，張承琚，編.物理學(xué)上卷（第三版第十一章）[M].北京：高等教育出版社，2010.
[3] 李麗.提高熱電偶使用壽命研究[J].電子測(cè)試，2016（6）：64.
[4] 劉紅霞.焦炭反應(yīng)性及反應(yīng)后強(qiáng)度檢測(cè)方法研究[J].華北國(guó)土資源，2014（6）：89.
[5] 黃合生,陳煥杰,姚雷,等.焦炭反應(yīng)性及反應(yīng)后強(qiáng)度檢測(cè)方法研究[J].南方金屬，2008（1）：35- 38.