武钢6号高炉中修炉内残留焦炭分析_王元生.doc

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1、第 51 卷 第 12 期 钢 铁 Vol.51， No.12， p20-24 2 0 1 6 年 12 月 Iron and Steel December 2016 DOI： 10.13228/j.boyuan.issn0449 749x.20160122 武钢 6 号高炉中修炉内残留焦炭分析 王元生 ， 薛改凤 ， 鲍俊芳 ， 任玉明 （ 1. 武汉钢铁（集团）公司研究院，湖北 武汉 430080； 2. 炼焦煤利用湖北省重点实验室，湖北 武汉 430080） 摘 要： 为了进一步 研究焦炭在 高炉内的劣 化行为，探索更加适 合高炉的的 焦炭评价指标 ，利 用武钢 6 号高炉 中 修挖炉缸

2、的 机会，从炉内自上而下 分层取出焦炭 试样，测定分析经高 温反应后的焦 炭试样的各项 理化性能。采 用 开元 5E-MAG6700 全自动工分仪测定其水分、灰分和挥发分，采用科翔 XQK-2000 型显气孔率测定仪测定 其显气孔 率和灰分。研究结果表明，炉内残留焦炭相 对于入炉焦灰分质量分数较高，固定碳质量分数下 降明显，焦炭孔 隙内 滞留大量炉渣 。高炉内初渣 中 SiO2、 Al2O3、 CaO 和 MgO 质量分 数并 不高， MnO 和 P2O5质量分数是 终渣中几倍甚 至 10 倍，有相当部分的 造渣是在炉缸下 部进行的。高炉 内碱金属在炉腹 下部至炉缸上部 富集量最大，锌在炉缸上

3、 部 富集量最大 。通过对高炉 中修残留焦炭的 研究分析，对焦炭在 高炉各部位的 劣化行为规律 认识更加深刻 ，并对 高 炉的特性把握更加准确，可用于指导高炉生产。 关键词： 焦炭；高炉；中修；灰分 文献标志码： A 文章编号： 0449-749X（ 2016） 12-0020-05 Analysis on residual coke during medium maintenance of No.6 WANG Yuan-sheng blast furnace of Wusteel ， XUE Gai-feng ， BAO Jun-fang ， REN Yu-ming （ 1. Researc

4、h and Development Center， Wuhan Iron and Steel (Group) Corporaition， Wuhan 430080， Hubei， China； 2. Hubei Key Laboratory of Coking Coal Utilization， Wuhan 430080， Hubei， China） Abstract： In order to further study the deterioration behavior of coke in the blast furnace， and to explore a more suit- ab

5、le evaluation index of coke， the coke was took out from the furnace top and down in a hierarchical way during the me- dium maintenance， the physical and chemical properties of coke after reaction at high temperature were determined and analysed. The moisture， ash， volatile components， of coke was de

6、termined by Kaiyuan 5E- MAG6700 full automatic workpoint instrument， the apparent porosity was determined by Kexiang XQK-2000 apparent porosity measuring instru- ment. The research results show that the coke ash content of residual coke in the furnace was higher than that at the fur- nace feeding， t

7、he fixed carbon content decreased obviously. The pores of coke retained a large number of slag. The con- tents of SiO2， Al2O3， CaO， MgO of primary slag were not high， while the contents of MnO and Fe2O3， P2O5 were sever- al times or even ten times than those in end slag， there was a considerable par

8、t of the slag in the lower part of the hearth. The maxim um enrichment amount of alkali metal K and Na lay between the lower part of bosh and the top part of hearth， the maximum enrichment amount of Zn located at the top part of hearth. Through the research and analysis of the residual coke in the b

9、last furnace， the understanding of the behavior of coke in the blast furnace is more profound， and the characteristics of the blast furnace is more easy to be understood， which can be used to guide the production in blast furnace. Key words： coke； blast furnace； medium maintenance； ash 高炉是 个“黑匣 子”，对

10、高 炉研究往 往通过 原 燃料质量检测、高炉操作技术参数、渣铁物化性能 检测等手 段对高 炉炉况间 接分析。 然而，高炉 内 实际发生 一系列 复杂的物 理化学反 应，这对研 究 高炉内焦炭劣化机理造成较大的难度。 2014 年 11 月，武钢 6 号高 炉停炉中修，取出高炉内残留 焦炭 进行分析研究。本次取样研究的 目的是了解高炉 内的冶炼现象，了解焦炭在高炉内的劣化行为，为 今后提出更加适合高炉冶炼需要的焦炭质量指标 积累经验；了解并掌握高炉内部焦炭状况，对于深 化高 炉冶炼理 论，提高高 炉经济 技术指标 有着重 要的意义 。 作者简介： 王元生（ 1983 ），男，大学本科，工程师；

11、E-mail： ； 收稿日期： 2016-03-29 1， 2 1， 2 1， 2 1，2 1， 2 1， 2 1， 2 1， 2 1-2 第 12 期 王元生，等：武钢 6 号高炉中修炉内残留焦炭分析 21 1 武钢 6 号高炉停炉中修 2004 年 7 月 16 日，武钢 6 号高炉建成投产，高炉 3 阶段为 6 号开炉之前，焦炭挖至风口平面以下 4.7 m，取 样详细部位见表 1。 表 1 武钢 6 号高炉中修焦炭取样位置 有效容积为 3 200 m ，炉钢直径为 9.0 m， 32 个风口， 环形出铁场，采用烧结矿分级入炉技术，无钟并罐 Table 1 Position of coke

12、 sampling during medium 上料。武钢 6 号高炉的冶炼特点是渣中 Al2O3 质量 分数高、高 强度冶 炼。长期 的高炉强 化冶炼导 致 6 9 段 铜冷 却壁 损坏 较多 ，高炉 长寿 受到 影响 。 2014 年 11 月 3 日至 12 月 18 日，武钢 6 号高炉停炉中 修，历时 45 天，本次中修采用空料线停炉，停炉前上 锰矿，提高炉温，采用炉顶雾化打水等技术，最后一次 休风出铁后，焦炭降至风口平面上方约 0.5 m，中心焦 顶部位于风口平面上方 2.5 m，实现安全停炉。 2 停炉取样 本次中修停炉前上料以焦炭为主，操作模式与 正常生产时也有很大不同，停炉后

13、料面下降幅度很 大，停炉最后阶段焦炭在高炉内的冶炼及劣化行为 与高炉正常运行时有很大差异，因此，本次取样测 定的一些焦 炭数据与高炉的实际状况存在一定差 异。 武钢 6 号高炉休风停炉后，炉内残留物打水冷 却后开始进行烧二套及冷却壁等施工作业，并按照 预定的方案开始停炉检修。 2014 年 11 月 8 14 日， 从炉内自焦堆顶部至风口平面以下 4.7 m 各个高度 层面取出焦炭试样，取样部位如图 1 所示。 炉身； 炉腰； 炉腹； 炉缸； 高炉内残留焦炭顶部。 图 1 武钢 6 号中修焦炭取样示意图 Fig. 1 Schematic diagram of coke sampling dur

14、ing medium maintenance of No.6 blast furnace of Wuhan Steel 图 1 中，编号 1 11 试样取样时间为 2014 年 11 月 9 13 日，该阶段焦炭挖至风口平面以下约 0.85 m， 12 17 号试样取样时间为 2014 年 12 月 9 11 日，该 maintenance of No.6 blast furnace of Wuhan Steel 编号 取样位置 1 2.5 m，中心焦堆顶部 2 1.0 m，中心焦堆中部 3 0.5 m，中心焦堆底部，距炉墙 2.5 m 4 0 m，风口平面，距炉墙 1.6 m 5 0 m，风

15、口平面，距炉墙 2.7 m 6 0 m，风口平面，距炉墙 3.0 m 7 0 m，风口平面，距炉墙 3.0 m 8 0.85 m，距炉墙 1.65 m 9 0.85 m，距炉墙 4.0 m 10 0.85 m，距炉墙 2.5 m 11 0.85 m，距炉墙 4.0 m 12 2.0 m，距炉墙 0.5 m 13 2.0 m，距炉墙 4.0 m 14 3.5 m，距炉墙 3.5 m 15 3.5 m，距炉墙 0.5 m 16 4.7 m，距炉墙 4.5 m 17 4.7 m，距炉墙 0.5 m 注 ：取样位置 以风口平 面基准平面 ，表示为“ 0 m”， ”表示 风 口平面以上，”表示风口平面以

16、下。 由于条件所限，本次取样数量有限，在取样过 程中尽量选取有代表性的取样点。从现场取样的 情况来看，停炉后炉内自中心焦堆顶部至风口平面 以下 4.7 m 的残留物主要是焦炭，仅有少量的渣铁 混合物。这是由于停炉前最后上料以焦炭为主，同 时也看出本次中修停炉过程中残铁放的比较彻底， 大部分渣铁穿过焦炭层从炉内排出。将所取试样 与 6 号 高炉入 炉焦 相比发 现，所 取焦 炭的粒 度较 小， 2 m 处炉内焦炭粉尘较多。高炉内不同部位 焦炭密度差异较大，这是由于炉内不同部位的焦炭 孔隙中滞留渣铁数量不一样。 3 焦炭分析 3. 1 焦炭工业分析 武钢 6 号高炉焦炭工业分析见表 2。灰分是焦

17、炭的重要指标，灰分对高炉炉况有重要的影响，一 般情况下焦炭灰分增加 1%，高炉焦比增加 2% 。 图 2 中各高度平面的数据是表 1 中该平面各取 样点的平均值。由图 2 中可见，高炉内焦炭自上而 下灰分 Ad呈升高趋势，尤其是 0.85 m 以下区域 Ad 22 明显升高，固定碳 F Cad 钢 呈下降趋势， 0.85 m 以下区 铁 3. 2 焦炭硫分 S td 及气孔率测定 第 51 卷 5 域 FCad 明显下降。 焦炭中 S td 占高炉配料中硫来源的 80%以上 ， 表 2 武钢 6 号高炉焦炭工业分析 硫是铁水中有害杂质，硫过高，将会消耗石灰石和 热量，影响高炉炉况及技术经济指标

18、。测定焦炭 Std Table 2 编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 Analysis of coke in No.6 blast furnace of Wuhan Steel Ad Vdaf FCad 20.09 4.47 75.32 17.21 4.60 77.46 18.25 0.62 80.14 11.91 5.17 82.70 31.57 2.38 65.53 18.98 1.70 78.94 14.71 1.65 83.27 17.06 0.06 82.53 60.21 1.67 38.02 14.70 10.08 75.09

19、 40.49 2.51 56.21 18.01 1.93 79.78 36.66 1.62 61.94 53.56 3.05 44.87 65.33 7.13 31.78 48.68 2.68 49.72 52.66 3.03 45.70 % 采用库伦滴定法，焦炭试样在催化剂的作用下，于空 气流中燃烧分解，焦炭中硫生成二氧化硫并被碘化 钾溶液吸收，以电解碘化钾溶液所产生的碘进行滴 定，根据电解所消耗的电量计算焦炭中 Std。 显气孔率是焦炭的重要指标， CO2气体通过气 孔向焦炭内部深层扩散，液态渣铁也通过气孔深度 侵 蚀焦 炭。 焦炭 显气 孔率 测定 采用 GB/4511.1 2008，测

20、定方法是先抽出焦炭孔隙内的 气体，在大 气作用下使水填充到焦炭孔隙中，测定焦炭空隙中 水的质量和同一试样沉没于水中损失的质量，然后 计算显气孔率。 由图 3 可见， 2 m 以下区域焦炭 Std逐渐升高， 并趋近于炉渣中流的质量分数，这说明炉缸下部炉 渣逐渐渗入焦炭孔隙中 。 注： FCad 100 Mad Ad Vdaf； FCad 为固定碳 质量分 数； Mad 为水 分 ； Ad 为灰分； Vdaf为挥发分。 图 3 焦炭显气孔率及 Std Fig. 3 Apparent porosity and Std of coke 图 2 武钢 6 号高炉焦炭工业分析 0.85 m 以上 区 域

21、焦 炭 显 气 孔 率 在 44% 左 右，而入炉焦焦炭显气孔率一般在 38%左右，这是 由于焦炭 在高 温与 CO2 发生碳溶反应 导致气孔增 多 。 0.85 m 以下区域焦炭显气孔率逐渐减小， Fig. 2 Analysis of coke in No.6 blast furnace of Wuhan Steel 结合焦炭灰成分测定结果，判断出这是由于炉渣滞 留焦炭孔隙。至炉缸下部，高炉内渣量增大，焦炭 这说明焦炭自炉腹下部至风口附近区 域焦炭 与 高炉煤气中的 CO2 发生着剧烈的碳溶反应 ，导致 焦炭中 FCad由入炉焦的 87%下降了 11% 25% 。自 风口平面以下进入炉缸上部

22、，炉渣逐渐增多，炉料 中的铁、硅、铝等元素被还原，渗入焦炭孔隙中，导 致焦炭中的 Ad逐渐增多， FCad 逐渐减少。 同时，由表 2 中可见， 0、 1、 2 m 层面上各取 样点 FCad均是边缘大于中心，尤其以 1 m 层面这种 现象最为明显。这是该区域中心渣铁还原更加充 分，导致焦炭 Ad 高、 FCad低。 受到渣铁侵蚀严重。 3. 3 焦炭灰分测定 焦炭灰分对焦炭反应性有直接的影响，焦炭灰 分中的 K2O、 Na2O、 CaO、 MgO 提高焦炭的反应性 ， 对焦炭反应性的催化作用以碱金属最强 。从本次 取样情况分析得知，炉内残留焦炭灰分远高于入炉 焦，因此，有必要进一步研究焦炭灰

23、分，进而研究焦 炭在高炉内的劣化行为。 由图 4 可见，高炉内残留焦炭自上而下灰分中 各种元素质量分数变化较大，能明显看出 2 m 以 6 7 4 第 12 期 王元生，等：武钢 6 号高炉中修炉内残留焦炭 分析 23 下炉缸区域灰分中 SiO2、 Al2O3、 CaO、 MgO 质量分数 较高，与正常生产时从铁口排出的炉渣成分较为接 近，灰分碱度与正常生产时排出的炉渣碱度较为吻 合，而与入炉焦灰成分相差较大。因此，可以判断 出高炉内残留焦炭灰分主要是炉渣滞留在焦炭孔 隙中。 （ a） SiO2、 Al2O3、 CaO； （ b） MgO、 K2O、 MnO；（ c） Na2O、 C、 S；（

24、 d） Zn、 P2O5。 图 4 残留焦炭灰分成分 Fig. 4 Compositions of coke ash in end slag 炉腹下部最初出现的炉渣中 SiO2、 Al2O3、 CaO、 MgO 质量分数并不高，初渣中 MnO、 P2O5质量分数 是终 渣 中 几倍 甚 至 10 倍。 进 入 炉缸 区 域，渣 中 SiO2、 CaO 质量 分数逐渐升高，渣中二元碱度由 0.24 上升 至 1.08。 炉缸 上 部渣 中 MgO 质量 分数 高 达 12.05%， Al2O3质量分数高达 36.63%，均大幅高于其 在终渣中的质量分数；炉缸下部 MgO、 Al2O3质量分 数下

25、降，这是由于该区域渣中 SiO2、 CaO 的大量生成 导致其质量分数下降，说明有相当部分的造渣是在 炉缸下部进行的。从高炉残留焦炭滞留炉渣的分析 来看，与高炉解剖试验所得出部分观点较为吻合 。 碱金属钾、钠及锌在高炉内富集现象较为严重 ， 炉腹下部至炉缸上部区域，渣中 K2O 质量分数最高 达 13.9%， Na2O 质量分数最高达 1.38%， Zn 质量分数 为 0.40%，是高炉原料的几倍甚至几十倍。而进入 炉缸下部，渣中钾、钠元素质量分数下降幅度较大， 这与碱金属的富集原理是一致的，在炉缸下部高温 区部分碱金属元素以硅酸盐形式析出氧化物，另一 部分则通过炉渣排出炉内，因而在炉缸上部区

26、域碱金 属富集量达到最大值，在炉缸下部渣中碱金属质量分 数降低。同时，结合取样过程中该区域焦炭粉尘量较 大，可知碱金属对焦炭高温反应的催化作用明显 。 与碱金属循环富集有所 不同的是，锌的富集在炉缸 上部达到最大值，比碱金属富集最大值位置下移， 这是由于锌的沸点高于钾、钠，在炉缸下部渣中心 Zn 质量分数小于 0.01%，这也印证了锌主要从炉顶 排出以蒸汽形式高炉，而不是由炉渣排出 。 4 结论 （ 1）焦炭自炉腹下部至风口附近区域与 CO2发 生着剧烈的碳溶反应，使焦炭 Fcad 下降 11% 25%。 自风口平面以下至炉缸上部，炉渣逐渐增多并渗入 焦炭孔隙中，导致焦炭 Ad逐渐增多；该区域

27、边缘焦 炭 FCad 大于中心，可见高炉中心部位渣铁还原更加 充分。 （ 2）由焦炭 滞留的炉渣可推断出，炉腹下部初 渣 中 SiO2、 Al2O3、 CaO、 MgO 质 量 分 数 不 高 ，而 MnO、 Fe2O3、 P2O5 质 量 分数 较 高 。炉 缸 下 部渣 中 SiO2、 CaO 大量生成， Mg 、 Al2O3质量分数下降，炉渣 二元碱度也逐渐上升至终渣水平。这与首钢等高 炉解剖所得出的结论较为吻合，这说明大量的造渣 行为是在炉缸下部进行的。 （ 3）碱金属钾、钠及锌在高炉内富集现象明显， 碱金属富集最大值在炉腹下部至炉缸上部；锌富集 10 11 12 13 24 钢 铁

28、第 51 卷 Analysis of the desulphurization capacity of blast funace slag 最大值在炉缸上 部，炉缸下 部碱金属 及锌大幅 下 降。这说明碱金属及锌的催化作用导致焦炭在炉 缸上部区域粉尘较多，也印证了碱金属主要由炉渣 排出，而锌则主要从炉顶排出高炉的观点。 参考文献： 1 左海滨，王聪 ，张建良，等 . 高炉炉缸耐 火材料应用 现状及重 要技 术指标 J. 钢铁 ， 2015， 50(2)： 1. (ZUO Hai- bin， WANG Cong， ZHANG Jian- liang， et al. Application sta

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37、metals Technologies）为唐 山钢铁集 团有 限 责任 公司 新 建的 冷 轧厂 现已 获 得轧 线 最终 验 收证 书。冷轧厂 建于河北省唐 山市，设计年产能为 160 万 t，将面 向汽车工业生产优质高强度汽车钢，也将进一步增强唐钢在 该领域扩 大市场占 有率的信心 。第一卷 酸洗和冷轧 带钢已 于 2015 年 1 月生 产成功 ，且产量 在 2015 年间迅 速增加 。合 同额超过 1 亿欧元。 普锐特冶金技术设计并提供了冷轧厂的机械、电气和工 艺控制设备。 PLTCM、退火线和镀锌线共用一套集成自动化 系统，包括基础（ 1 级）和过程（ 2 级）自动化以及专为冷轧生产

38、 而开发的工艺模型。因此，所有设备都能精准地协调运行，从 而在保持产品高质量的同时确保实现高作业率和高产量。 串列式轧 机由 5 个 6 辊 机架组成 ，能以 极其严格 的公差 标准轧制高强度 钢 种。 Smart Crown 辊和特殊的执行机 构及 闭环 控制系统 可确保最终 产品达到 平直度要求 。原料带 钢 的厚度 为 1.5 6.0 mm，最终 轧制厚度为 0.2 2.5 mm。带 钢 轧制宽度为 700 1 600 mm。 所有 系统与部 件均出自 普锐特冶 金技术冷 轧自动化 方 案。 普锐特冶 金技术还承 担了冷轧 厂设备的安 装指导和 调 试工作。 唐山 钢铁公司 隶属于中 国最大 的钢铁企 业 河北 钢 铁 集团 ，年产 量约 为 4 770 万 t 2015 年数 据），已 建 成 70 多 年。 近年来 ，普锐特 冶金技术 先后为 唐钢提 供了一 座 AOD 转炉 、一 套真空脱碳 设备和一条 连续镀锌 线，还 完成了串 列 式冷轧机和现有酸洗线的联机改造。 (本刊讯 ) ，