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焦炭质量对高炉冶炼的影响分析论文

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  关键词:焦炭质量;高炉冶炼;炉况;炉温;炉底

  高炉冶炼是一种重要的炼铁方法,其历史可以追溯到古代。随着时间的推移,高炉冶炼技术不断发展,逐渐成为现代钢铁工业中的主流生产方式,而目前中国的高炉冶炼技术已经达到国际先进水平。部分大型钢铁企业已经开始采用高效、环保的现代化高炉技术,如大型化、智能化、低碳化等。这些技术的应用不仅提高了冶炼效率,还降低了能耗和污染物排放,为钢铁行业的可持续发展做出了贡献。焦炭是高炉冶炼过程中的重要燃料,其质量直接影响到高炉的炉况、炉温、使用寿命以及生产指标,提高焦炭质量对于高炉冶炼至关重要。

焦炭质量对高炉冶炼的影响分析论文

  1高炉冶炼的过程

  高炉冶炼是一个复杂而精细的过程,涉及多个物理和化学反应的相互作用。

  首先,需要对原料矿石进行破碎、筛分和混合等预处理操作,以便于后续的冶炼过程。高炉冶炼的主要燃料是焦炭。焦炭在炉顶被投入高炉,并在炉内与氧气反应燃烧,产生大量的热量和还原气体。矿石中的铁元素在高温下与还原气体(如一氧化碳)发生还原反应,生成铁和二氧化碳。这个过程需要控制适当的温度和还原气体浓度,以确保矿石充分还原。随着矿石的还原,铁水逐渐形成并熔化。同时,炉渣也在高温下形成,它由矿石中的脉石和焦炭或其他燃料燃烧后剩余的灰分组成[1]。熔化和造渣过程需要控制适当的温度和成分,以确保铁水和炉渣的稳定性。在高温下,一氧化碳气体与铁矿中的氧元素发生还原反应,生成更多的铁。这个过程是高炉冶炼中铁元素的主要来源。高炉冶炼过程中,热量通过入炉燃料燃烧、矿石还原、铁水形成和气体还原等过程产生。同时,热量也需要通过炉衬传导出去,以维持炉内温度的稳定。热量传递与平衡是高炉操作的关键环节,需要精确控制。经过上述过程后,铁水被收集并进一步处理,如脱硫、脱磷等,以满足不同产品规格的要求。高炉冶炼是一个复杂的物理化学过程,涉及多个步骤和因素的相互作用。为了实现高效、稳定的冶炼过程,需要精确控制原料质量、操作参数和设备性能等关键因素。

  2焦炭质量对高炉冶炼的影响

  2.1焦炭质量对炉况的影响

  焦炭质量对高炉冶炼炉况的影响非常重要。首先,焦炭的冷态机械强度和热态性能直接影响其在高炉内的表现。如果焦炭的冷态机械强度较差,会产生很多碎焦和细粉。这不仅会影响炉料的透气性,使炉况不顺,还会导致产量降低、焦比增加。焦炭的热强度是反映焦炭在高炉中抵抗化学侵蚀和保护炉料骨架作用能力的主要指标,它对高炉的稳定运行和效率有重要影响。如果焦炭热强度较差,会在熔融带反应性过大,使煤气利用程度变差,焦比升高。此外,产生的碎焦和细粉会使炉柱透气性变差,进一步影响高炉的运行[2]。

  其次,焦炭的粒度、含粉率和水分等参数对高炉的炉温稳定性和风量控制起着重要作用。在炼铁过程中,焦炭起到提供热量和还原剂的作用。焦炭粒度的大小直接影响其在高炉内的反应速度和热量传递效率。粒度过大时,焦炭燃烧不充分,热量传递效率降低,导致炉温波动。而粒度过小则会导致料层透气性变差,煤气流动受阻,同样影响炉温的稳定。含粉率过高会导致煤气通道变窄,降低煤气利用率。同时,含粉率过高还会增加焦炭的体积,使料层透气性变差,进一步影响风量控制。在炼铁过程中,风量控制对于炉温的稳定和产量的提高至关重要。焦炭中的水分过高会导致料层透气性变差,影响高炉的送风量。同时,水分过高还会导致炉温下降,影响高炉的产量和效率。在炼铁过程中,水分过高会导致焦炭燃烧速度减慢,热量传递效率降低,进一步影响炉温的稳定。

  另外,焦炭的强度对高炉内部的气流分布和透气性也有影响。焦炭的强度决定了其在高炉内的支撑作用。如果焦炭的强度不足,会导致炉料层出现塌陷或裂缝,破坏气流分布的均匀性。这会导致煤气在料层中的流动受阻,进而影响炉温的稳定和热量的有效传递。焦炭的强度还影响高炉的透气性。如果焦炭的强度下降,其内部的孔隙结构会发生变化,导致气孔变小或气孔率降低。这会使得煤气在料层中的流动阻力增大,进一步影响透气性。透气性的恶化会导致炉内压力波动增大,进而影响高炉的稳定运行。总的来说,焦炭质量的稳定与否直接关系到高炉的正常运行和冶炼效率。

  2.2焦炭质量对炉温的影响

  首先,固定碳是焦炭的主要成分,它决定了焦炭的热值和燃烧性能。固定碳含量越高,焦炭的热值就越高,燃烧时释放的热量也越多。这有助于提高炉温,使高炉内的化学反应更加剧烈,从而提高生铁的产量和质量。然而,灰分是焦炭中的杂质,它不参与燃烧,但在高温下会与焦炭中的固定碳发生反应,消耗热量。因此,灰分含量越高,焦炭的热值就越低,燃烧时释放的热量也越少。这会导致炉温下降,影响高炉的稳定运行。灰分还会影响焦炭的强度和热态性能。灰分含量越高,焦炭的强度就越低,热态性能也越差。这会导致焦炭在料层中的支撑作用减弱,进一步影响炉温的稳定性。为了保持炉温的稳定性,需要控制焦炭的固定碳和灰分含量[3]。

  此外,焦炭的水分波动确实会对炉温产生影响。当焦炭的水分过高时,会导致焦块中含有的水分增加,从而影响焦炭的燃烧性能。这会导致炉温下降,因为水分在燃烧过程中会吸收热量,降低焦炭的燃烧效率。同时,过高的水分还会导致焦块变得松散,容易破碎成小块或粉末。这些小块和粉末会随着气流进入高炉,进一步影响炉内的气流分布和透气性。这会导致炉温波动,因为小块和粉末在炉内燃烧不充分,热量传递效率降低,从而影响炉温的稳定。过高的水分还会增加除尘系统的负荷。因为焦炭中的水分会在燃烧过程中产生水蒸气,这些水蒸气会与灰尘一起进入除尘系统。水蒸气的存在会增加除尘系统的负担,因为需要更多的能量来去除水蒸气和灰尘。这可能会导致除尘系统效率下降,进而影响高炉的稳定运行。

  另外,焦炭含硫量的变化也会影响炉温,焦炭中的硫占高炉炉料硫含量的60%~80%,大部分呈硫碳复合物形态与焦质紧密结合,其余部分在灰分中以硫化物和硫酸盐形态存在。高温下,焦炭中的硫会与铁矿石中的铁氧化物发生反应,生成铁的硫化物(如FeS)和二氧化硫(SO2)。当焦炭含硫量增加时,更多的硫化物与铁矿石中的铁氧化物反应,生成更多的二氧化硫。二氧化硫是一种酸性气体,会与炉衬中的碱性物质反应,生成硫酸盐。硫酸盐的形成会消耗热量,导致炉温下降。此外,硫酸盐还会附着在炉衬上,形成一层厚厚的结壳,影响炉料的透气性,进一步影响炉温的稳定。

  2.3焦炭质量对高炉使用寿命的影响

  高炉冶炼是一种将铁矿石还原成生铁的化学过程。高炉中加入的铁矿石和焦炭在高温下发生还原反应,生成生铁和一氧化碳等。这个过程需要大量的热量和还原剂,而焦炭就是提供热量和还原剂的主要物质。如果焦炭质量不良,它的热态性较差,这意味着它的反应性和燃烧性能不佳。这会导致高炉内的温度分布不均匀,影响气流和压力的稳定性。这种情况会减弱高炉中心气流,增强边缘气流,导致透液性和透气性变差。透液性和透气性变差会导致高炉内的热交换和化学反应不均匀,使得高炉内的温度波动大,影响生铁的产量和质量。同时,这种情况还会加剧炉衬的侵蚀,破坏炉衬的稳定性和完整性。

  另外,如果焦炭质量差,还会导致炉内的高温区域上下移动,引发炉墙黏结问题。炉墙黏结会进一步影响高炉内的热交换和化学反应,使得高炉的运行更加不稳定。长时间的炉况失常会导致炉缸中心的堆积问题,进一步影响高炉的正常运行。这种堆积会导致高炉内的气流不均匀,影响生铁的产量和质量。另外如果焦炭质量差,其燃烧不完全会产生大量的炭黑和有害气体,这些物质会附着在炉底砌体表面,加速砌体的化学侵蚀。同时,高温、机械和化学侵蚀也会破坏炉底砌体,缩短高炉的寿命。如果不能改善焦炭的质量,这些问题就会持续存在,严重影响高炉的使用寿命。

  2.4焦炭质量对高炉冶炼效率的影响

  焦炭是高炉冶炼中的主要燃料,其冷强度、活性以及反应性等性质直接关系到高炉内的化学反应和能量利用[4]。

  焦炭的冷强度是支持高炉冶炼的骨架。焦炭的冷强度通常用M40和M10来表示。M40表示焦炭的抗碎强度是指焦炭能抵抗受外来冲击力而不沿结构的裂纹或缺陷处破碎的能力,M10是指焦炭的耐磨强度是指焦炭能抵抗外来摩擦力而不产生表面玻璃形成碎屑或粉末的能力。国内大都以米库姆转鼓法检验焦炭冷强度,以出鼓后大于40mm和小于10mm的焦炭占入鼓总量比值表征M40和M10。M40数值越高,M10数值越低。焦炭的强度越好,越能起到骨架作用,支撑高炉内的炉料。

  由于焦炭在风口区附近的燃烧过程中,焦炭中的碳与氧气发生化学反应,生成二氧化碳并放出大量热量。所以这个过程中焦炭的活性是很重要的。活性高的焦炭能够更好地与氧气反应,释放更多的热量,从而提高高炉内的温度。同时,活性高的焦炭更容易形成液态渣,有利于高炉内的渣铁分离。

  此外,焦炭的反应性也是影响高炉冶炼的重要因素。反应性是指焦炭在高温下与二氧化碳发生反应的能力。反应性强的焦炭可以在高炉内更有效地利用二氧化碳,减少能源浪费。当然焦炭的反应性也不是越高越好,因为当前焦炭在高炉冶炼过程中充当骨架的作用无法取代,焦炭反应后机械强度降低,支撑性能变差,所以要以适当地降低焦炭反应性延长焦炭在高炉中停留的时间。

  3提高焦炭质量的对策

  3.1优化原料选择

  选择低硫、低灰的优质煤作为炼焦原料是降低焦炭硫分和灰分的关键步骤。低硫的煤意味着其中含有较少的硫分,这有助于减少焦炭中的硫含量。低灰的煤则意味着其灰分较低,即燃烧后残留的矿物质较少,从而减少焦炭中的灰分。

  然后,优化配合煤的配比也是一项重要任务。配合煤是指由不同种类的煤按一定比例混合而成的。通过合理的配比,可以获得理想的化学成分和物理性能。在这里,提高40~60mm粒级的含量有助于使焦炭粒度与矿石粒度接近,保持均匀。这意味着焦炭和矿石在大小上更加匹配,有助于提高高炉的操作效率。

  钢铁企业在采购煤炭时,应优先选择低硫、低灰的优质煤。可以通过与供应商建立长期合作关系,确保煤炭的质量稳定。在将不同种类的煤进行混合时,应根据具体的生产需求和煤炭的化学成分、物理性能等因素进行优化配比。这可以通过实验和数据分析来确定最佳的配比比例。在炼焦过程中,应严格控制温度、压力等参数,确保煤炭充分燃烧,减少灰分的残留。同时,也要注意焦炉的操作和维护,确保炉内结瘤、挂炉等情况的发生率降低。在出炉的焦炭进行质量检测时,应采用先进的质量检测设备和方法,确保各项指标符合国家标准。对于不合格的焦炭,应及时进行返炉处理或调整生产工艺。

  3.2强化质量检测与控制

  国家标准是衡量焦炭质量的重要依据,因此,建立完善的质量检测体系,对出炉的焦炭进行严格的质量检测,确保各项指标符合国家标准。

  钢铁集团根据国家标准和生产要求,制定详细的质量检测计划,明确各项指标的检测方法和频次。并且配备专业的质量检测人员,具备相应的专业知识和技能,能够准确、快速地进行质量检测。同时引入先进的质量检测设备,采用先进的质量检测设备,确保检测结果的准确性和可靠性。对质量检测数据进行深入地分析和应用,及时发现和解决问题,确保产品质量稳定。对于不合格的焦炭,钢铁集团应采取返炉处理或调整生产工艺等措施,确保产品质量稳定。同时,也要加强与供应商的合作和沟通,共同解决质量问题,提高产品质量水平。

  3.3推进技术创新

  引进先进的炼焦技术和设备,以及与科研院所合作研发新的炼焦技术和工艺,是提高生产效率和质量、提升焦炭性能指标的重要途径。首先,钢铁集团需要深入了解当前国内外先进的炼焦技术和设备,包括其技术特点、生产效率、质量水平等方面的信息。这可以通过参加行业展会、研讨会,或者与专业机构、供应商等进行交流来实现。根据调研结果,钢铁集团需要结合自身生产需求和实际情况,选择适合的炼焦技术和设备。引进新设备后,钢铁集团需要对操作人员进行专业培训,确保他们熟练掌握新设备的操作和维护技能。

  钢铁集团还需要明确与科研院所的合作目标,例如,研发新的炼焦技术、改进现有工艺、提高产品质量等。双方需要建立稳定的合作关系,明确各自的责任和义务,制定合作计划和时间表。科研院所拥有丰富的技术资源和人才优势,可与钢铁集团共同开展技术研发工作。在此过程中,双方可充分利用各自的优势,共同攻克技术难题,提高焦炭的各项性能指标。研发成功后,钢铁集团需要及时将研发成果转化为实际生产能力。

  4结论

  焦炭质量对高炉冶炼具有重要影响。提高焦炭质量对于保持高炉稳定运行、控制高炉温度、延长高炉使用寿命以及提高生产指标等方面都具有重要意义。因此,钢铁企业在生产过程中应注重提高焦炭质量,以提升高炉冶炼效果,实现经济效益和社会效益的双赢。

  参考文献

  [1]杜凤磊.焦炭质量对高炉冶炼的影响分析[J].百科论坛电子杂志,2020(20):4564.

  [2]张军,严铁军,席玮城.焦炭质量提升对高炉冶炼的影响分析[J].冶金能源,2022,41(4):4.

  [3]纪增辉.论焦炭质量对高炉冶炼的影响[J].中国金属通报,2019(8):207-208.

  [4]程志杰,梁利生,沙华玮,等.焦炭质量变化对高炉冶炼的影响[J].炼铁,2019,38(4):1-6.

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