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第01章焦炭及其性质


焦炭及其性质

第一章

焦炭及其性质

第一节 第二节 第三节

焦炭的通性 高炉炼铁 非高炉用焦的特性

焦炭及其性质
第一节
一、焦炭的宏观构造
焦炭是一种质地坚硬,以碳为主要成分的含有裂纹和缺 陷的不规则多孔体,呈银灰色。其真密度为1.8~1.95g/cm3, 视密度为0.08~1.08g/cm3,气孔率为35%~55%,堆密度为 400~500kg/m3。用肉眼观察焦炭都可看到纵横裂纹。沿粗大 的纵横裂纹掰开,仍含有微裂纹的是焦块。将焦块沿微裂纹 分开,即得到焦炭多孔体,也称焦体。焦体由气孔和气孔壁 构成,气孔壁又称焦质,其主要成分是碳和矿物质。焦炭的 裂纹多少直接影响焦炭的粒度和抗碎强度。焦块微裂纹的多 少和焦体的孔孢结构则与焦炭的耐磨强度和高温反应性能有 密切关系。孔孢结构通常用气孔平均直径、孔径分布、气孔 壁厚度和比表面积等参数表示。

焦炭的通性

焦炭及其性质
1. 裂纹度 裂纹度即焦炭单位面积上的裂纹长度。裂纹分纵裂 纹和横裂纹两种,规定裂纹面与焦炉炭化室炉墙面垂直

的裂纹称纵裂纹;裂纹面与焦炉炭化室炉墙面平行的裂
纹称横裂纹。焦炭中的裂纹有长短、深浅和宽窄的区分, 可用裂纹度指标进行评价。常用测量方法是将方格

(1cm×1cm)框架平放在焦块上,量出纵裂纹与横裂纹
的投影长度即得。所用试样应有代表性,一次试验要用 25块试样,取统计平均值。

焦炭及其性质
1.气孔率

焦炭的气孔率是指气孔体积与总体积比的百分率。气孔 率可以利用焦炭的真密度和视密度的测定值加以计算。焦炭 的气孔数量还可以用比孔容积来表示,即单位质量多孔体内 部气孔的总容积,可用四氯化碳吸附法测定。

? 视密度 ? 气孔率 ? ?1 ? ? ?100% ? 真密度 ?

(1-1)

焦炭及其性质
3.气孔平均直径与孔径分布 焦炭中存在的气孔大小是不均一的,一般称直径大于 100微米的气孔为大气孔,20~100微米的为中气孔,小于20 微米的为微气孔。焦炭与CO2 作用时,仅大的气孔才能使CO2 r 进入,因此焦炭的孔径分布常用压汞法测量。 (1-2) 式中 r — 外加压力为 p (kgf/cm2)时,汞能进入孔中的最 小孔径。
75000 r? p

焦炭及其性质
设半径在 r 到 r ? dr 范围内的孔体积为 dV ,孔径大小的分布 函数为,则
dV ? D(r ) ? dr
dp p2

对(1-2)式微分得

dr ? ?75000

代入上式得 (1-3) p 和dV dP可由实验测出,由此可按式(1-2),(1-3)分别 得出 r 和 D(r ) ,按 D(r )对r 绘图,即得孔径分布曲线,进而算 出气孔平均直径。 4.比表面积 指单位质量焦炭内部的表面积(m2/g),一般用气相吸 附法或色谱测定。

dV p 2 dV D( r ) ? ?? ? dr 75000 dp

焦炭及其性质
二、焦炭的物理机械性能
高炉生产对焦炭的基本要求是:粒度均匀、耐磨性和 抗碎性强。焦炭的这些物理机械性能主要由筛分组成和转 鼓试验来评定。 1.筛分组成 焦炭是外形和尺寸不规则的物体,只能用统计的方法 来表示其粒度,即用筛分试验获得的筛分组成计算其平均 粒度。一般用一套具有标准规格和规定孔径的多级振动筛 将焦炭筛分,然后分别称量各级筛上焦炭和最小筛孔的筛 下焦炭质量,算出各级焦炭的质量百分率即焦炭的筛分组 成,国际标准允许筛分试验用方孔筛(以边长L表示孔的大 小)和圆孔筛(以直径D表示孔径的大小)。相同尺寸的两 种筛,其实际大小不同,试验得出两者关系为: D/L=1.135±0.04 (1-4)

焦炭及其性质
即圆孔直径为60mm时,对应的方孔筛L = 60/1.135 = 52.86mm,通过焦炭的筛分组成计算焦炭的平均粒度及粒度 的均匀性,还可估算焦炭的比表面、堆积密度并由此得到 评定焦炭透气性和强度的基础数据。 (1)平均粒度 根据筛分组成及筛孔的平均直径可由 下式来计算焦炭的平均粒度: a ds ? ? i di 或
db ? (? ai di )?1

(1-5)
(1-6)

焦炭及其性质

式中 ai —— 各粒级的质量百分率,%; d i —— 各粒级的平均粒度,由粒级上、下限的平均值

计算;

d s ——算术平均直径;
db ——调和平均直径(是以实际焦粒比表面与相当球

体比表面相同的原则确定的平均粒度)。

焦炭及其性质
(2)粒度均匀性 粒度均匀性可由下式计算:

a40~80 k? ?100% a?80 ? a25~40

(1-7)

式中 a 25~ 40 、a 40 ~80、a ?80—— 分别表示焦炭中25~40mm、 40~80mm和>80mm各粒级的百分含量。
a25~40 K值愈大,粒度愈均匀。也可按 k ? a ? a ?100% 计算。 ? 40 10~25

焦炭及其性质
2.耐磨强度和抗碎强度 (1)转鼓试验方法 焦炭强度通常用抗碎强度和耐磨强度两个指标来表示。 焦炭无论在运输途中还是使用过程中,都会受摩擦力作用 而磨损,受冲击力作用而碎裂。焦炭在常温下进行转鼓试 验可用来鉴别焦炭强度。因焦炭在一定转速的转鼓内运行, 可以模仿其在运输和使用过程中的受力情况。当焦炭表面 承受的切向摩擦力超过气孔壁的强度时,会产生表面薄层 分离现象形成碎屑或粉末,焦炭抵抗此种破坏的能力称耐 磨性或耐磨强度,用M10值表示。
M10 ? 出鼓焦炭中小于10mm的质量 ?100% 入鼓焦炭质量

(1-8)

焦炭及其性质
当焦炭承受冲击力时,焦炭沿结构的裂纹或缺陷处碎 成小块,焦炭抵抗此种破坏的能力称焦炭的抗碎性或抗碎 强度。用M25(M40)表示。
M 25 ? 出鼓焦炭中大于25mm的质量 ?100% 入鼓焦炭质量

(1-9)

焦炭的孔孢结构影响耐磨强度M10值,焦炭的裂纹度影
响其抗碎强度 M25 值。 M25 和 M10 值的测定方法很多,我国多 采用德国米贡转鼓试验方法。如表 1-1 所示。

焦炭及其性质
表1-1 焦炭转鼓实验方法

转鼓特性

焦炭试样

筛分

强度指标

(直径/长 度)/mm

转速/ (转/分)

转速 /转

质量 /Kg

粒度 /mm

孔 型

筛孔 /mm

耐磨强 度 /%

抗碎强 度/%

1000/1000

25

100

50

?60

圆 形

25, 10

?10/M10

?25/M25

焦炭及其性质
(2)焦炭在转鼓内的运动特征 焦炭在转鼓内要靠提料板才能提升,故转鼓内均设有 不同规格的提料板。焦炭在转鼓内随鼓转动时的运动情况 可由图1-1表示,装入转鼓的焦炭在转鼓内旋转时,一部 分被提料板提升,达到一定高度时被抛出下落(图中位置 A),使焦炭受到冲击力的破碎作用,一部分超出提料板 的焦炭在提料板从最低位置刚开始提升时,就滑落到鼓底 (位置 B),这部分焦炭仅能在转鼓底部滚动和滑动(位 置C),故破坏作用不大,当靠到下一块提料板时再部分 被提起。此外转鼓旋转时焦炭层内焦炭间彼此相对位移及 焦炭与鼓壁间的摩擦,则是焦炭磨损的主要原因,鼓内焦 炭的填充量愈多,这种磨损作用就愈明显。

焦炭及其性质
三、焦炭的化学组成
焦炭的化学组成主要用焦炭工业 分析和元素分析数据来加以体现。 1.工业分析

焦炭的工业分析包括焦炭水分、 灰分和挥发分的测定以及焦炭中固定 碳的计算。
图1-1 焦炭在转鼓内的运动情况

(1)水分(Mt) 焦炭的水分是焦 炭试样在一定温度下干燥后的失重占 干燥前焦样的百分率。生产上要求稳 定控制焦炭的水分,水分波动会使焦 炭计量不准,从而引起炉况波动。

焦炭及其性质
此外,焦炭水分提高会使M25偏高,M10偏低,给转鼓指 标带来误差。但水分也不宜过低,否则不利于降低高炉炉 顶温度,且会增加装卸即使用中的粉尘污染。焦炭水分因

熄焦方式而异,并与焦炭粒度、焦粉含量、采样地点、取
样方法等因素有关。湿熄焦时, 焦炭水分约4%~6%,因 喷水、沥水条件和焦炭粒度不同而波动;干熄焦时,焦炭

在贮运过程中也会吸附空气中水汽,使焦炭水分达0.5%~
1%。我国规定冶金焦水分为:>40mm粒级为3~5%;>25mm 粒级为3~7%,含有适量水分,有利于降低高炉炉顶温度。

水分的测定方法见国标GB2002—80。

焦炭及其性质
(2)灰分( Ad) 灰分是焦炭中的有害杂质,主要成
份是高熔点的SiO2 和Al2O3 等酸性氧化物,在高炉冶炼中要 用CaO等熔剂与它们生成低熔点化合物,才能以熔渣形式 由高炉排出。如是灰分高,就要适当提高高炉炉渣碱度, 不利于高炉生产。此外,焦炭在高炉内被加热到高于炼焦 温度时,由于焦质和灰分热膨胀性不同,会沿灰分颗粒周 围产生并扩大裂纹,加速焦炭破碎或粉化。灰分中的碱金 属还会加速焦炭同CO2的反应,也使焦炭的破坏加剧。

焦炭及其性质
因此,一般焦炭灰分每增加1%,高炉焦比(每吨生铁 消耗焦炭量)约提高2%,炉渣量约增加3%,高炉熔剂用量 约增加4%,高炉生铁产量约下降2.2~3.0%。 几个国家冶金用焦炭与精煤灰分国标(Ad)如表1-2。 可见,我国高炉焦的灰分指标与其它一些国家相比偏 高,它是焦炭质量差的主要原因,焦炭灰分高的原因是炼

焦精煤的灰分高所致。若能将焦炭灰分由14.5%降至10.5%,
以年产7000万吨生铁的高炉计算,可以节约熔剂227万吨、 焦炭385万吨,同时可以增加生铁1015万吨,还可大大降

低铁路运输量。

焦炭及其性质
精煤合理灰分要从煤炭资源特点,如煤的可选性、各级选煤的回 收率,并结合选煤技术、中煤和矸石的合理利用等方面,进行综合经 济技术分析加以确定,炼焦精煤的灰分以7%左右为宜。 灰分的测定方法见国标GB2002-80。
表1-2 冶金用焦炭与精煤灰分国标
中国

国别 I级 II级 III级

美国

原苏联

德国

法国

日本

焦炭灰分/%

?12.0

?13.5

?15.0

<7.0

<10.0

<8.0

<9.0

<10.0

精煤灰分/%

<12.5

5.5~6.5

8.0~8.5

6.0~7.0

<7.0

6.6~8.0

焦炭及其性质
(3)挥发分(Vdaf)和固定碳(FC) 挥发分是衡量焦炭成熟程度

的标志,通常规定高炉焦的挥发分应为1.2%左右,若挥发分大于1.9%
则表示生焦,其不耐磨,强度差;若挥发分小于0.7%, 则表示过火, 过火焦裂纹多且易碎。焦炭的挥发分同原料煤的煤化度及炼焦最终温 度有关,如图1-2、图1-3。

图1-2 焦炭挥发分与原料煤挥发分的关系

图1-3

焦炭挥发分与炼焦温度的关系

焦炭及其性质
焦炭挥发分也是焦化厂污染控制的指标之一,挥发分

升高,推焦时粉尘放散量显著增加,烟气量及烟气中的多
环芳烃含量也增加。 固定碳是煤干馏后残留的固态可燃性物质,由计算得: 固定碳 = 100-水分-灰分-挥发分,% 焦炭挥发分的测定方法见国标2002—80。

2.元素分析
焦炭元素分析是指焦炭按碳、氢、氧、氮、硫和磷等 元素组成确定其化学成分时,称为元素分析。

焦炭及其性质
(1)碳和氢 碳是构成焦炭气孔壁的主要成分,氢则 包含在焦炭的挥发分中,将焦炭试样在氧气中燃烧,生成 的H2O和CO2分别用吸收剂吸收,由吸收剂的用量确定焦样中 的碳和氢。其成分为碳:92%~96%,氢:1%~1.5%。结焦 过程中,不同煤化度的煤中C、H、N元素含量随干馏温度 升高而变化的规律如图1-4。 从图可以看出,由不同煤化度的煤制取的焦炭其含碳 量基本相同。氢气量随炼焦温度的变化比挥发分随炼焦温 度的变化明显,且测量误差也小,因此以焦炭的氢含量可 以更可靠地判断焦炭的成熟程度。

焦炭及其性质
(2)氮 焦炭中的氮是焦炭燃烧时生成NOx的来源,结焦过程中 氮含量变化不大,仅在干馏温度达800oC以上时才稍有降低。 焦样在催化剂(K2SO4+CuSO4)存在的条件下,能和沸腾浓硫酸反 应使其中的氮转化为NH4HSO4,再用过量NaOH反应使NH3 分出。经硼酸 溶液吸收,最后用硫酸标准溶液滴定,以确定焦样中的含氮量。其成 分为0.5%~0.7%。
含图 量 随 化干 各 的馏 种 规温 煤 律度 的 升 高、 而、 变 1-4 C H N

焦炭及其性质
(3)氧 焦炭中氧含量很少,常用减差法计算得到,其 成分为0.4%~0.7%。 (4)硫 焦炭中的硫包括:煤和矿物质转变而来的无机 硫化物(FeS 、CaS等),熄焦过程中部分硫化物被氧化生成 的硫酸盐(FeSO4 CaSO4),炼焦过程中生成的气态硫化物在 析出途中与高温焦炭作用而进入焦炭的有机硫,这些硫的总 和称全硫。工业上通常用重量法测定。其成分为0.7%~1.0%。 高炉焦的硫约占整个高炉炉料中硫的80%~90%,炉料中的硫 仅有5%~20%随高炉煤气逸出,其余的硫靠炉渣排出。 一般焦炭含硫每增加0.1%,高炉焦比约增加1.2%~2.0%, 高炉熔剂用量约增加2%,生铁产量约减少2.0%~2.5%。一些 国家对高炉焦含硫指标规定如表1-3所示。

焦炭及其性质
表1-3 几个国家的高炉焦硫分指标
中 国 别 I 级 <0 .6 II 级 <0. 8 国 III 级 <1. 0 美 国 德 国 法 国 英 国 日 本

指标值/%

0.6

0.9

0.8

0.6

0.6

(5)磷 焦炭中的磷主要以无机盐类形式存在。将焦样灰化后, 从灰分中浸出磷酸盐,再用适当的方法测定磷酸盐溶液中的磷酸根含 量,即可得出焦样含磷。通常焦炭含磷约0.02%。高炉炉料中的磷全 部转入生铁,转炉炼钢不易除磷,要求生铁含磷低于0.01%~0.015%。 煤中含磷几乎全部残留在焦炭中,高炉焦一般对含磷不作特定要求。

焦炭及其性质
四、焦炭的高温反应性
1.反应机理 焦炭的高温反应性是焦炭与二氧化碳、氧和水蒸气等 进行化学反应的性质,简称焦炭反应性,反应如下: C+O2 →CO2+394kJ/mol (1) C+H2O→H2 +CO-131110kJ/mol (2) C+CO2→2CO-173 kJ/mol (3) 反应(1)也称焦炭的燃烧性,高炉内主要发生在风 口区1600℃以上的部位。 反应(2)也称水煤气反应。 反应(3)也称碳素溶解反应(高炉内主要发生在 900~1300℃的软融带和滴落带)。

焦炭及其性质
焦炭在高炉炼铁、铸造化铁和固定床气化过程中,都 要发生以上三种反应。由于焦炭与氧和水蒸汽的反应有与 二氧化碳的反应类似的规律,因此大多数国家都用焦炭与 二氧化碳间的反应特性评定焦炭反应性。 焦炭是一种碳质多孔体,它与CO2间的反应属气固相反 应,其反应是通过到达气孔表面上的CO2和C反应来实现, 所以反应速度不仅取决于化学反应速度,还受CO2扩散影响。 当温度低于1100℃时,化学反应速度较慢,焦炭气孔内表 面产生的CO分子不多,CO2分子比较容易扩散到内表面上与 C 发生反应,因此整个反应速度由化学反应速度控制。

焦炭及其性质

当温度为1100~1300℃时,化学反应速度加快,生 成的CO使气孔受堵,阻碍CO2 的扩散,因此,整个反应 速度由气孔扩散速度控制。当温度大于1300℃时,化学 反应速度急剧增加,CO2 分子与焦炭一接触,来不及向 内扩散就在表面迅速反应形成CO气膜,反应速度受气膜 扩散速度控制。当焦炭的粒度加大时,气孔的影响增强, 则气孔扩散速度控制区将增大,相应减小气膜扩散速度 控制区。

焦炭及其性质

总之,焦炭与CO2的反应速度与焦炭的化学性质及气 孔比表面有关。只有采用粒径为几十到几百微米的细粒

焦进行反应性实验时,才能排除气体扩散的影响,获得
焦炭和CO2的化学动力学性质。通常从工艺角度评价焦炭 的反应性,均采用块状焦炭,要使所得结果有可比性,

焦炭反应性的测定应规定焦样粒度、反应温度、CO2浓度、
反应气流量、压力等。

焦炭及其性质
2.影响反应性因素 (1)原料煤性质 焦炭反应性随原料煤煤化度变化而 变化,如图1-5。低煤化度的煤炼制的焦炭反应性较高; 相同煤化度的煤,当流动度和膨胀度高时制得的焦炭,一 般反应性较低;不同煤化度的煤所制得的焦炭,其光学显 微组织不同,反应性不同。金属氧化物对焦炭反应性有催 化作用,原料煤灰分中的金属氧化物(K2O,Na2O,Fe2O3, CaO,MgO等)含量增加时,焦炭反应性增高,其中钾、钠 的作用更大。一般情况下,钾、钠在焦炭中每增加0.3%~ 0.5%,焦炭与CO2的反应速度约提高10%~15%。

焦炭及其性质

图1-5

原料煤的煤化度与所得焦炭反应性的关系

焦炭及其性质
(2)炼焦工艺 提高炼焦最终温度,结焦终了时采取 焖炉等措施,可以使焦炭结构致密,减少气孔表面,从而 降低焦炭反应性。采用干熄焦可以避免水汽对焦炭气孔表 面的活化反应,也有助于降低焦炭反应性。 (3)反应速率参数 焦炭与CO2的反应是气固相反应, 其反应速率决定于化学反应速度和气体的扩散速度。从实 验中得到如下关系式:
2 VCO2 ? VC ? 4? DP k ? ? D? ? PCO2 ,mol/s

(1-10)

k ? ? ?k

D ? ? ?D

焦炭及其性质
式中VCO ,C ——以单位时间消耗的CO2或C量表示的反应速 V
2

率;
D P ——焦炭的直径,cm;

? ——单位容积焦炭的气孔表面,m2/cm3
k ——反应速度常数;
? ——焦炭气孔率,%;
D ——扩散速度常数。

由式1-10可见,反应速率参数对焦炭反应性有一定影响。

焦炭及其性质
五、块焦反应率及反应后强度
焦炭与CO2反应过程中,反应速度受多种因素的影响, 如其它条件不变,在规范化的装置内按统一规定的条件, 通过反应前后焦炭试样重量的变化率或气体中CO2浓度的变 化率,可以表示焦炭的反应速度。目前一些国家均采用块 焦反应率这一指标。它是按取样规范采集一定量的,具有 代表性的焦炭,破碎后筛分,取其中符合规定的粒级,从 中随机取一定量作为试样。将一定量的焦炭试样在规定的 条件下与纯CO2气体反应一定时间,然后充氮气冷却、称重, 反应前后焦炭试样重量差与焦炭试样重量之比的百分率称 为块焦反应率(CRI)。

焦炭及其性质
CRI ? G0 ? G1 ?100% G0

(1-11)

式中 G0——参加反应的焦炭试样质量,kg;

G1——反应后残存焦炭质量,kg。
也可用化学反应后气体中CO浓度(相当于反应掉的碳)
和(CO+CO2)浓度之比的百分率表示块焦反应率,即
CRI ? CO ?100% CO ? CO2

(1-12)

式中 CO、CO2——反应后气体中CO、CO2气体的浓度,%。

焦炭及其性质
经过CO2 反应的焦炭,充氮冷却后,全部装入转鼓, 转鼓试验后,粒度大于某规定值的焦炭重量(g2)占装入 转鼓的反应后焦炭重量(g1)的百分率,称为反应后强度 CSR。 (1-13) 块焦反应率和反应后强度试验有多种形式,我国鞍山 热能研究所所推荐的小型装置如图1-6 所示。块状焦炭在 一定尺寸的反应器中,在模拟生产的条件下进行的反应性 实验属块焦反应性实验。根据研究目的不同,在试样粒度 大小、试样数量、反应温度、反应气组成和指标表示方式 等方面各有不同。
g2 CSR ? ?100% g1

焦炭及其性质
此种测定法与日本新日铁相同,都是使实验条件更接近高炉情况。 即在1500℃温度下用纯CO2与直径20mm焦块反应,反应时间为12min, 试样重200g,反应后失重百分数作为反应性指数。考虑到焦炭受碳溶 反应的破坏是不可逆的,故反应后强度的测定在常温下进行,从而大 大简化了试验设备和操作。

图1-6

堆焦反应性和反应后强度实验装置示意图 a—反应器 ; b—转鼓

焦炭及其性质
附表
指 标 级

表1-4 冶金焦炭的技术指标(GB/T1996—94)
别 粒 度/mm

>40
灰分 Ad/% 硫分 St,d/% 抗碎强度 M25/% (旧国标M40) 耐磨强度 M10/% Ⅰ Ⅱ Ⅲ

>25
不大于12.00 12.01~13.50 13.51~15.00

25~10

Ⅰ Ⅱ Ⅲ
Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅰ Ⅱ Ⅲ

不大于0.60 0.61~0.80 0.81~1.00
大于92.0(>80) 92.0~88.1(>76~80) 88.0~83.0(>72~76) 不大于7.0 8.5 10.0 1.9 4.0±1.0 4.0 5.0±2.0 5.0 不大于12.0 12.0

机械强度

挥发分Vdaf/% 不大于
水分含量Mt/% 焦末含量/% 不大于 注:水分只作为生产操作中控制指标,不作质量考核依据。

焦炭及其性质
第二节 高炉炼铁
焦炭主要用于高炉冶炼,其次还用于铸造、气化、和生产 电石等,它们对焦炭有不同的要求。但高炉炼铁用焦炭(冶金 焦)的质量要求为最高,用量也最大。

一、高炉冶炼过程
1.高炉内总体状况 如图1-7所示,高炉系中空竖炉,从上到下分炉喉、炉身、 炉腰、炉腹、炉缸五段。高炉本体是由以下各部分组成:钢筋 混凝土制成的炉基,钢板卷成的炉外壳,耐火砖砌成的炉衬, 冷却设备以及框架和支柱等。从炼铁的工艺过程来看,它包括 上料、鼓风、出铁排渣、和煤气等系统。耐火炉衬围成的空间 称为高炉炉型,是进行炼铁过程的所在。

焦炭及其性质

根据炼铁过程的特点,炉型各段结构不同。高炉炉料 中的铁矿石(天然矿、烧结矿、球团矿)、焦炭和助熔剂

(石灰石或白云石)从炉顶依次分批装入炉内,送风系统
将800℃以上的高温空气(或富氧空气)由位于炉缸上部 的风口鼓入炉内,使焦炭在风口前的回旋区内激烈燃烧而

放热,并使高炉下部形成自由空间,上部的炉料借重力稳
定地下降,从而构成连续的高炉冶炼过程。

焦炭及其性质

图1-7 高炉炉型及各部位温度与煤气组成 a—炉型;b—高炉内温度沿高炉的变化; c—煤气中CO沿高度的变化; Ⅰ—800℃以下区域; Ⅱ—800~1100℃区域;Ⅲ—1100℃以上区域; Hu—有效高度; ? —炉腹角; —炉身角 ?

焦炭及其性质
燃烧放出的热量是高炉冶炼过程的主要热源,占冶
炼所需热量的75%~80%,反应后生成的CO作为高炉冶炼 过程的主要还原剂,使铁矿石中的铁氧化物还原,因此,

自下而上煤气温度逐渐降低(图1-7b)。从风口开始,
由于煤气中CO2与焦炭反应及铁氧化物被高温焦炭直接还 原产生大量CO,所以煤气中CO含量逐渐增加,到炉腹以 上部位则由于CO与铁氧化物间接还原生成CO2而逐渐降低 (图1-7c)。

焦炭及其性质
炉料在下降过程中,经预热、脱水、间接还原、直接 还原而转化为金属铁,温度逐渐升高。铁矿石中的脉石 (主要成分为SiO2、Al2O3的高熔点化合物)同熔剂作用形 成低熔点化合物——炉渣。铁水和炉渣在向下流动过程中 相互作用,进行脱硫等反应,到炉缸下部,二者借互不溶 性和密度差异而分离,并分别从渣口和铁口定期放出炉外。 产生的高炉煤气从炉顶导出,经冷却除尘制成净煤气。炉 料在高炉内的下降时间称冶炼周期,约5~8小时。高炉内 煤气从燃烧生成到流出炉外共约4~6小时。 综上,高炉的基本功能是将铁矿石预热、还原、造渣、 脱硫、熔化、渗碳,从而得到合格的铁水。

焦炭及其性质
2.高炉炼铁的化学反应

在风口区,焦炭燃烧生成CO2并放出大量热,温度可达 1500~1800℃,使铁、渣完全熔化而分离。 C+O2=CO2+399.440MJ 温度在1100℃以上的炉腹及炉腰地带即Ⅲ区内,煤气 中的CO2与焦炭作用生成CO并吸收热量。 CO2+C=2CO-165.6MJ 此处焦炭的消耗约为35%,同时未被还原的FeO与SiO2 作用生成炉渣并开始熔化,还原后生成的海绵铁则与焦炭 作用,渗碳熔化,炉料体积变小,为此炉腹按炉腹角向下 逐渐收缩,以利炉料稳定下降。

焦炭及其性质
炉身下部温度为800~1100℃的Ⅱ区内,同时存在铁 的氧化物与碳之间的直接还原反应,到1100℃以上因CO2几 乎100%与焦炭作用生成CO,从全过程看是直接还原反应:

FeO+CO=Fe+CO2+13.59MJ
+ CO2+C=2CO165.6MJ ————————————— FeO+C=Fe+CO-152.01MJ 直接还原的铁量占铁氧化物还原的总铁量之比称直接 还原度 rd ,一般高炉的 rd = 0.35~0.50。

焦炭及其性质
炉料边下降边升温膨胀,为此炉身以炉身角β 向下逐 渐扩大,以利顺行。炉身上部,温度低于800℃的Ⅰ区内, 主要是铁的氧化物与CO之间的间接还原反应。 3Fe2O3+CO=2Fe3O4 +CO2+37.09MJ

Fe3O4+CO=3FeO+CO2-20.87MJ FeO+CO=Fe+CO2+13.59MJ 间接还原反应的特点是得到的气体产物为CO2,总的热 效应是放热。 从以上反应可以看出,直接还原大量吸热,不利于高 炉内的热能利用,又因碳溶反应使焦炭气孔壁削弱,所以 应发展间接还原。

焦炭及其性质
整个高炉炉体,从料钟落位高度到铁口中心线的距离 称为有效高度H,其间的容积称为高炉的有效容积(V), 我国定型设计的中小型高炉有55m3,255 m3和620 m3 等, 大型高炉有1053 m3、1513 m3、2500 m3及近期从国外引进 的4000 m3的大高炉。有效高度是决定CO和热能利用效率的 主要因素,高炉产量则决定于有效容积及它的利用率。衡 量高炉操作水平的主要经济技术指标有高炉有效容积利用 系数(η ): η =
高炉产铁量P[ t/(24h )] 高炉的有效容积 (m 3 ) V

,t铁/(m3·24h)

(1)

焦炭及其性质
焦比(c):

c

高炉24小时耗焦量G[ t/( 24h)] = ,t焦/(t铁) (2) P[ t /(24h )]

冶炼强度 l :
l? G[t /(24h)] , t焦/(m3·24h) V (m3 )

(3)
l P? V c

将式(1)和(2)合并得:

(4)

焦炭及其性质
式(4)表明:扩大高炉生产能力的途径是增大炉容 ( V),降低焦比和提高冶炼强度。当高炉容积增大到原 炉容积的2倍时,风口个数最多增加到原风口个数的倍, 所以在增大炉容的同时,提高冶炼强度的可能性不大,因 此应该设法提高焦炭质量,以降低焦比。 3.造渣脱硫 造渣的主要目的:一是使铁矿石中的脉石和焦炭中的 灰分(其中大部分为高熔点的酸性氧化物,如SiO2熔点为 1713℃、AI2O3为2025℃)与溶剂(如CaO、MgO)作用,生 成熔点较低,流动性好的液态炉渣,从而与铁水分开,由 炉中放出,以除去炉料带入的杂质;二是利用造渣脱硫和 控制硅、锰等元素的还原,以获得合格的生铁。

焦炭及其性质
(1)高炉冶炼过程中硫的动态 高炉中的硫主要由焦

炭带入,一般为炉料中总硫量的80%以上。焦炭中的硫, 大多以硫碳复合体形态与焦炭物质结合在一起,也有一些

以硫化铁和硫酸盐存在于灰分中。铁矿石和熔剂中的硫,
主要呈(FeS2)形态,也有少量的CaSO4等硫化物。在高炉 中焦炭带入的硫约有10%~20%以SO2和H2S的形态随煤气流

出炉外,约有50%~70%在风口燃烧生成SO2,但在随煤气流
经高炉下部高温区时,被焦炭还原成硫蒸气: SO2+2C=2CO+S↑

焦炭及其性质
铁矿石和熔剂中的FeS2被高温煤气加热分解: FeS2
565 ????C?FeS+S↑ ?

这些硫蒸气在随煤气上升过程中又被CaO、海棉铁和

铁氧化物吸附而随炉料下降。生铁中的硫以FeS的形态溶
于铁水中,只有在铁水滴穿渣层时被部分脱除。 (2)影响生铁含硫的因素 铁水和熔渣互不相溶,脱 硫反应只能在铁水和炉渣的接触面上进行: [FeS]+(CaO)→(CaS)+[FeO] [FeO]+[C]→Fe+CO

焦炭及其性质
在高炉操作条件下,由于渣、铁接触面少,接触时间 短,扩散慢,故上述可逆反应远不能达到平衡,铁水中的 硫就不能全部转入炉渣中。生铁中的含硫量可下式计算:
S 料 ? S煤 Q铁 100% ?S ? ? nls ? 1

(1-14)

n?

Q硫 Q铁

ls ?

(S ) [S ]

焦炭及其性质
式中 [S]——生铁含硫量,%;

S料、S煤——炉料带入和煤气带走的硫分,kg; Q铁——生铁量,kg; n——渣铁比,%; ls——硫的分配系数;
( )——表示渣中;
[ ]——表示铁水中。

焦炭及其性质
由式1-14可知:① 当其它条件一定时,炉料带入的硫 分越多,则生铁含硫量越高,为了制得低硫生铁,首先应 降低硫负荷(炼一吨生铁所需炉料带入的硫分,kg硫/(t 生铁))。因此铁矿石宜用经过焙烧的人造富矿,焦炭要 控制硫分,故降低焦比是降低硫负荷的重要途径。② 随煤 气流走的硫越多,生铁含硫量就越低,采用自熔性烧结矿, 大大减少炉料中游离的CaO是增加煤气中硫含量的有效途 径。③ 渣铁比高,则脱硫效率高,但焦比增加。④ 硫的 分配系数越大,则脱硫效率越高,生铁含硫量就越低。 s l 值主要取决于炉渣的流动性,即取决于其组成和温度。

焦炭及其性质
(3)炉渣脱硫的实质 硫化物的稳定性排列次序是CaS、 MnS、FeS。炉渣脱硫的目的是将熔于铁水中的FeS转化为 不熔于铁水中的硫化物,并转入炉渣。首先铁水中的FeS 向炉渣内扩散,即[FeS] →(FeS),已扩散到炉渣中的 FeS 与炉渣中的氧化物作用,生成更稳定的硫化物。例如: ( FeS)+(CaO)==(CaS)+(FeO), 由 于 炉 渣 中 的 FeO 又与焦炭或铁水中的碳作用,FeO+C==Fe+CO,从而 促使反应向脱硫方向进行。因此反应的全过程是 FeS+CaO+ C== CaS+Fe+CO–141230kJ。

焦炭及其性质
其中提高硫化铁从铁水中向炉渣扩散的速率,是整个 过程的关键。提高炉缸和炉渣的温度,一方面有利于吸热 的脱硫反应向右进行;另一方面降低炉渣黏度,有利于铁

水中的FeS通过界面向炉渣扩散。
炉渣组成主要由总碱度
? CaO ? MgO ? ? ? SiO ? AI O ?或碱度 ? 2 2 3 ? ?

? CaO ? ? SiO 2 ?

? ? ? ?

表示。

一般低硫焦炼铁,总碱度约为1.1~1.25,碱度为1.2~

1.4。适当提高碱度和总碱度有利于脱硫,但碱度过高会
使炉渣黏度增加,影响料柱的透气性,引起结瘤,烧坏风 口、渣口,焦比过高等不正常炉况,脱硫效率反而降低。

焦炭及其性质
用白云石(MgO3·CaCO3)代替部分石灰石来增加炉渣 中MgO的含量,可以提高炉渣的稳定性,使之具有良好的 流动性,有利于造渣脱硫。

炉渣中的CaS含量高于6.5%时,炉渣黏度和熔化温度
明显提高,故一般规定炉渣中CaS的许可浓度为5.5%~ 6.5%。但实际生产条件下,CaS的浓度远低于该值。此外

由于渣铁界面上脱硫条件很差,一般硫的分配系数 l s ,炼
钢用生铁约为10%~30%,而铸造用生铁约为30%~70%。

焦炭及其性质
二、料柱构造及对焦炭的要求
1. 料柱构造 高炉内自上而下的温度总趋势是逐渐升高,但高炉内的等温线并 非沿横截面呈水平状,而是因高炉炉型、原料品位和操作参数等因素, 等温线可呈“w”形或倒“v”形(图1-8)。
示图 意 高 炉 内 不 同 温 度 区 域 1-8

焦炭及其性质
料柱上部低于1100℃的区域,炉料保持入炉前的固体
块状,焦炭与煤气流分配层作用,该区域称块状带。 料柱中部温度在1100~1350℃的部位,焦炭和矿石仍

保持层层相间,但矿石从外表到内部逐渐软化熔融,靠焦
炭层支撑才不至于聚堆,该区域称软融带。由于高炉内中 心气流与边缘气流速度以及温度的差异,使软融带的形状 同等温线相对应,也呈倒“v”形或“w”形。在软融带 内融着层几乎不透气,上升煤气几乎全部从焦炭缝隙流过。

焦炭及其性质
料柱中下部温度高于1350℃的部位,此处仅焦炭呈固 块状,熔化的铁水和炉渣则沿焦炭层缝隙向下流动并滴落, 高温煤气则沿粘附有铁水和熔渣的焦炭层缝隙向上流动。 该区域称滴落带。在滴落带下方的中心部位,有一个缓慢 移动的呆滞焦炭层(也称死料层),这主要是当焦炭移动 时由软融带上层滑落下来,经受剧烈碳溶反应的焦炭组成。 进入滴落带以下风口前的焦炭在高速热气流的吹动下 剧烈回旋并猛烈燃烧形成回旋的风口区,风口区的周边是 焦块、焦屑、铁水和风口区边界层形成动平衡。风口区焦 炭空气燃烧生成的CO2,在流经边界层时与灼热焦炭反应, 几乎全部转化为CO,提供铁氧化物还原所需的还原剂。

焦炭及其性质
2.焦炭的作用 焦炭燃烧产生的热能是高炉冶炼过程的主要热源,燃 烧反应生成的CO作为高炉冶炼过程的主要还原剂。

由于焦炭位于风口区以上地区,始终处于固体状态,
在高炉中其体积占高炉体积的35%~50%。所以对上部炉料 起支承作用,并成为煤气上升和铁水、熔渣下降所必不可

少的高温疏松骨架。
焦炭在风口区内不断燃掉,使高炉下部形成自由空间, 上部炉料稳定下降,从而形成连续的高炉冶炼过程。

焦炭及其性质
综上,焦炭在高炉中则起着热能源、还原剂和疏松骨 架三个作用。 近年来,为降低焦炭消耗,增加高炉产量,改善生铁 质量,采用了在风口喷吹煤粉、重油、富氧鼓风等强化技 术。焦炭的热能源、还原剂作用可在一定程度上被部分取 代。但作为高炉料柱的疏松骨架不能被取代,而且随高炉 大型化和强化冶炼,该作用更显重要。 3.高炉焦的质量要求 各国对高炉焦的质量均提出了一定的要求,且已形成 了相应的标准。表1-5列出了一些国家(或企业)的高炉 焦质量标准(或达到水平)。 综上,高炉焦要求灰低、硫低、强度高、粒度适当且 均匀、气孔均匀、致密、反应性适度、反应后强度高。

焦炭及其性质
表1-5各国高炉焦质量标准
指标
水分(Mt)/% 挥发分(Vad)/% 灰分(Aad)/% 硫分(St,ad)/% 粒度/mm

中国
4.0~12.0 1.9 12.00~15.00 0.60~1.00

俄罗斯
<5 1.4~1.8 10~12 1.79~2.00 40~80 25~80

日本
3~4

美国

德国
<5

英国
<3

法国

波兰
<6

0.7~1.1 10~12 <0.6 6.6~10.8 0.54~1.11 >20 20~51 51~62 9.8~10.2 0.9~1.2 <8 <0.6 6.7~10.1 0.7~1.0 40~80 40~ 60 11.5~12.5

>25,>40

15~75

40~80

20~63

>40

稳定度

硬度
转 鼓 强 度 指 数 /%

62~73

M25

Ⅰ>92.0 Ⅱ92.0~88.1 Ⅲ88.0~83.0 Ⅰ≯7.0 Ⅱ≯8.5 Ⅲ≯10.5

Ⅰ73~80 Ⅱ68~75 Ⅲ62~70 Ⅰ8~9 Ⅱ9~10 Ⅲ10~14

75~80

>84

>75

>80

Ⅰ63~69 Ⅱ52~63 Ⅲ45~52 Ⅰ8~10 Ⅱ<12 Ⅲ<13

M10

<6

<7

<8

I10 >92
30 DI15

<20

焦炭及其性质
三、焦炭在高炉内的性质变化

图1-9高炉中焦炭性质的变化 ●——高炉中心试样;△——炉墙与炉中心之间试样;╳——靠近炉墙 试样;○——平均试样

焦炭及其性质
图1-9为高炉中焦炭沿高向的机械强度、粒度、气孔 率、反应性和钾、钠元素等的变化情况。在高炉上部块状 带变化不大,只有在高炉中部超过1000℃的区域才开始急

剧变化。
1.焦炭在高炉内粒度和强度的变化 焦炭在高炉的块状带内虽受静压挤压,相互碰撞和磨

损等作用,但由于散料层所受静压远低于焦炭的抗压强度,
撞击和磨损力也较小,故块状带内焦炭强度的降低、粒度 的减小以及料柱透气性的变化均不明显。

焦炭及其性质
焦炭进入软融带后,由于受高温热力、尤其是碳溶反 应的作用,使焦炭气孔壁变薄、气孔率增大、强度降低, 并在下降过程中受挤压、磨擦作用,使焦炭粒度减小和粉 化,料柱透气性变差。 焦炭在滴落带内碳溶反应不太剧烈,但因铁水和熔渣 的冲刷,并受温度1700℃左右的高温炉气冲击,焦炭中部

分挥发分蒸发,使焦炭气孔率进一步增大,强度继续降低。
焦炭进入风口回旋区边界层,在强烈高速气流冲击和 剪切作用下很快磨损,进入回旋区后剧烈燃烧,使焦炭强

度急剧降低,粒度急剧减小。

焦炭及其性质
2.高炉内碱金属和焦炭反应性的变化 矿石和焦炭带入高炉内的碱金属多数是硅酸盐和碳酸 盐,在高炉内碳酸盐分解成氧化物,硅酸盐则被还原成碱 金属、碱土金属、铁、锰、镍等,对碳溶反应能起催化作 用,其中钾、钠的催化作用最为显著。焦炭中钾、钠含量 很低,一般小于0.5%,对焦炭还不足以产生有害影响,但 在高炉内,矿石和焦炭带入的碱金属盐类会分解,并进一 步被碳还原和气化成钾、钠蒸汽。这些气态的钾、钠随煤 气上升至炉顶,因温度降低和CO2分压升高又生成碳酸盐析 出,这些碱金属碳酸盐,一部分粘附在炉壁上侵蚀耐火材 料,但大部分被焦炭表面吸附或粘附在矿石表面上,又随 炉料下降至温度高于碳酸钾、碳酸钠分解温度的区域,又 发生分解,还原和气化。只有少部分随煤气带出,如此形 成钾、钠等碱金属在高炉内的循环和富集,如图1-10。

焦炭及其性质
研究结果表明,循环碱量可达入炉焦炭和矿石碱量的 6倍,高炉内焦炭的钾、钠含量可高达3%以上,这就足以 对焦炭的碳溶反应起催化作用。因此,通常焦炭经高温处

理后,产生石墨化,气孔壁被加固,反应性理应降低,但
经高炉解体取焦样分析表明,焦炭反应性在炉身下部明显 增强,其原因就是由碱金属在软融带的富集所引起。

由此得出结论,要降低碱金属对高炉生产的影响,一
方面应提高随炉渣的排出碱量,另一方面应减少炉料的带 入碱量。

焦炭及其性质

图1-10 高炉内碱金属循环示意图

焦炭及其性质
3.焦炭的灰分和硫分的变化
焦炭中的灰分主要成分是SiO2和AI2O3,它们的熔点分 别为1713℃和2050℃,为了脱除这些灰分,必须加入CaO、

MgO等碱性氧化物或相应的碳酸盐,使之和SiO2、Al2O3 反
应生成低熔点化合物,从而在高炉内形成流动性的熔融炉 渣,借密度的不同和相互不熔性而与铁水分离。因此当焦 炭带入炉内的灰分增多时,加入的熔剂也必须增加,即增 加炉内的碱量,促进焦炭的降解。

焦炭及其性质
高炉内的硫主要来自焦炭,降低生铁含硫量的途径是

减少炉料带入硫量、提高炉渣的脱硫能力,炉渣的脱硫能
力与炉渣温度和碱度有关。当炉料带入硫量较高时,必须 提高炉缸温度和炉渣碱度。因为当炉渣碱度高时,CaO相对

过剩,SiO2 处于较完全的束缚状态,使得SiO2 与K2O反应的
几率下降。 K2O+ SiO2→K2+SiO4

所以这样做又将致使炉渣带出的碱量减少,增加了炉
内的碱循环,加剧了碳溶反应,促进了焦炭的降解。由此 可见,降低焦炭的灰分、硫分,对高炉生产具有重要意 义。

焦炭及其性质
第三节
一、铸造焦
1.冲天炉熔炼过程 铸造焦是冲天炉熔铁的主要燃料,用于熔化炉料,并使铁 水过热,还起支撑料柱保证良好透气性和供碳等作用。每吨生 铁消耗焦炭量称为焦铁比(K)通常K=0.1。冲天炉内炉料分布、 炉气组成和温度变化如图1-11 ,焦炭在冲天炉内分底焦和层 焦,底焦在风口区与鼓入的空气剧烈燃烧,因此在风口以上的 氧化带内,炉气中O2含量迅速降低,CO2含量很快升高并达到最 大值,炉气温度也相应升至最高值,熔化铁水的温度在氧化带 的底部达最高值。在氧化带上端开始的还原带内,由于过量CO2 的存在,与焦炭发生碳溶反应而产生CO,随炉气上升CO含量逐 渐增加;由于反应强烈吸热,故炉气温度在还原带内随炉气上 升则急剧降低。

非高炉用焦的特性

焦炭及其性质
还原带以上焦炭与金属料层层相间,装入冲天炉的炉料被炉气干 燥、预热,在该区间炉气中含氧量很低(或为零),CO2和CO的含量基 本保持不变,在装料口炉气中一般CO2为10%~15%,CO为8%~16%,温 度为500~600℃。

图1-11 冲天炉内炉料分布、炉气组成及温度变化

焦炭及其性质
冲天炉的氧化带和还原带内除焦炭燃烧和CO2被还原成

CO外,还发生一系列复杂的反应,在氧化带内炉气中的CO2
及鼓风空气中带入的水汽会按以下反应使铁水部分氧化。 Fe+CO2→FeO+CO

Fe+H2O→FeO+H2
铁水中的部分硅和锰在氧化带内能被炉气中的氧烧损, 形成SiO2和MnO,铁水中的碳也能与氧反应而降低。因此在 炉缸以上的氧化带,铁水中的C、Si、Mn、Fe均有所损失, 但铁水失碳时铁水表面形成的一层脱碳膜可以制约Si、Mn、 Fe的氧化,且温度愈高,Si、Mn、Fe的氧化烧损愈少,这 就要求有较高的铁水温度。

焦炭及其性质
铁水流过焦炭层还会发生吸收碳的所谓渗碳作用,由
于渗碳是吸热反应,温度愈高愈有利于渗碳。铁的初始含 碳量愈低,渗碳愈多,增加焦比也使渗碳增加,渗碳有利

于炉料中废钢的熔化。
炉气中的水汽与铁水或焦炭反应产生的H2易溶解在铁 水中,当铁水凝固时,氢的溶解度突然降低,H2从铁水中 逸出,使铸件表皮下形成内壁光滑的球形小气孔,增加铸 件的缺陷。因此应降低鼓风空气的湿度,这还有利于提高 炉温。

焦炭及其性质
在渗碳的同时也发生渗硫作用,硫主要来源于金属炉料 和焦炭,废铁料的含硫可高达0.1%~0.6%,焦炭带入的硫约 占焦炭总量的30%~60%,渗硫随温度的增加而增加,铁水中 的硫通过造渣可以部分除去,但只有在碱性炉渣时才能起脱 硫作用。 冲天炉中也要加入一定数量的熔剂,以降低炉渣黏度并 利于排渣,黏性炉渣附着在焦炭上会防碍其燃烧及铁水渗碳, 并容易造成悬料事故,故一般冲天炉中炉渣量仅为铁水量的 5%~6%,这表明冲天炉内通过炉渣脱硫是有限的。炉渣中除 发生类同高炉炉渣与铁水间硫的转移而进行铁水脱硫反应外, 炉渣的存在还有利于铁水中氧化物的还原。炉缸中温度约为 1500℃,这时铁水中的FeO、MnO 、SiO2能被浸渍在铁水和炉 渣中的焦炭还原,从而减轻Si、Mn的烧损,这种还原反应随 炉渣厚度增高而增强。

焦炭及其性质
2.铸造焦的质量要求

(1)粒度

一般要求粒度大于60mm。冲天炉内的主要反

应有:氧化带C+O2→CO2,还原带C+CO2→2CO。为提高冲天炉 过热区的温度,使熔融金属的过热温度足够高,流动性好,

应保持适宜的氧化带高度(h),该高度可用下式表示:
h? A

式中

A——系数,为6.7510-5; W——送风强度,m3/(m2· min);
d k——铸造焦平均直径,m;

W ? dk v

,m

v——铸造焦在氧化带内燃烧的线速度,m/min。

焦炭及其性质
由上式可知:铸造焦平均直径(d k)小而焦炭反应性

(v)高,则氧化带高度(h)小。由于冲天炉内底焦的高
度是一定的,氧化带高度减小,必然使还原带高度增加, 炉气的最高温度降低,进而使过热区的温度降低。但铸造 焦粒度过大,使燃烧区不集中,也会降低炉气温度。 (2)硫 硫是铸铁中的有害元素,通常应控制在0.1% 以下,冲天炉内焦炭燃烧时,焦炭中的硫一部分生成SO2, 随炉气上升,在预热区和熔化区内与固态金属炉料作用发 生如下反应:

3Fe(固)+SO2→FeS+2FeO+363000kJ/kg(分子)

焦炭及其性质
因此含硫低于0.1%的原料铁,经气相增硫后,铁料的含

硫量可达0.45%。铁料熔化成铁水后,在流经底焦炭层时硫
还要进一步增加。 焦炭硫分高,粒度小,气孔率大,则铁水增硫量大。一

般在冲天炉内,铁水增硫约为焦炭含硫量的30%,而当炉渣
碱度达1.5%~2%,造渣脱硫效率不过50%。所以铸造焦的硫 分应严格控制。

(3)强度

铸造焦除了在入炉前运输过程中受到破碎损

耗外,主要在冲天炉内承受金属炉料的冲击破坏,因此要求 有足够高的转鼓强度(主要是抗碎指标),以保证炉内焦炭 的块度和均匀性。

焦炭及其性质
(4)灰分和挥发分 铸造焦的灰分尽可能低,因为灰分 不仅降低了焦炭的固定碳和发热值,从而不利于铁水温度的 提高,而且还增加了造渣量和热损失。此外焦炭中的灰分在 炉缸内高温下会形成熔渣粘附在焦炭表面,阻碍铁水的渗铁。 一般铸造焦灰分减少1%,焦炭消耗约降低4%,铁水温度约提 高10℃。铸造焦的挥发分含量应低,因为挥发分含量高的焦 炭,固定碳含量低,熔化金属的焦比高,一般焦炭强度也低。

(5)气孔率与反应性 铸造焦要求气孔率小、反应性低, 这样可以制约冲天炉的氧化、还原反应,使底焦高度不会很 快降低,减少CO的生成,提高焦炭的燃烧效率、炉气温度和 铁水温度,并有利于降低焦比。

焦炭及其性质
目前我国铸造焦的质量标准见表1-4。
表1-4 铸造焦质量标准
指标 特级 级 一级 >80 粒度/mm 80~60 >60 水分/% 灰分/% 不大于 ≤8.00 5.0 8.01~10.00 10.01~12.00 别 二级

挥发分/%
硫分/% 转鼓强度/% 落下强度/% 显气孔率/%

不大于
不大于 不小于 不小于 不大于 0.60 85.0 92.0 40

1.50
0.80 81.0 88.0 45 0.80 77.0 84.0 45

焦炭及其性质
二、气化焦
气化焦是用于生产发生炉煤气或水煤气的焦炭,以作为 合成氨的原料或民用煤气。气化的基本反应是: 2C + O2 → 2CO C + H2O → CO + H2 由上述反应可知,为提高气化效率,气化焦应尽量减少 杂质以提高有效成分含量,力求粒度均匀,改善料层的透气 性。气化用焦的炼焦煤可以多配气煤,甚至可以以单独气煤 炼焦,气化用焦的挥发分也可以高些,甚至半焦也可选用。 以焦炭为原料的煤气发生炉为固定床形式,气化后残渣以固 体排出,所以焦炭灰分应有较高的灰熔点,一般应在1300℃ 以上,以免造成煤气发生炉内形成液态炉渣而使气流难以均 匀分布,灰分组成应该以SiO2和Al2O3为主。此外,煤气中硫 含量正比于焦炭硫分,所以气化焦的硫含量不宜过高。

焦炭及其性质
根据以上气化用焦的质量标准要求原料煤的质量指标应 该是:灰分(Aad)<11.3%,硫分(St)<1.8%。

三、电石焦
电石焦是生产电石(CaC2)的原料。每生产1吨电石约需 0.5吨焦炭。电石生产过程是在电炉内将生石灰熔融,并使 其与碳素材料发生如下反应: ?C ? ~2200? CaO+3C ?1800?? ? CaC2+CO 对电石焦的要求如下: (1)生石灰粒度3mm~40mm,生石灰的导热系数约为焦 炭的2倍,因此电石焦的粒度以3mm~20mm为宜。

焦炭及其性质
(2)电石焦作为碳素材料,含碳量要高,灰分要低,通 常规定:碳>80%;灰分<8%~10%。焦炭和生石灰中的灰分 在电炉内会变成黏结性熔渣,引起出料困难;灰分中的氧化 物部分会被焦炭还原,进入电石中,降低电石纯度,且多消 耗电能和焦炭。 (3)为避免生石灰消化,电石焦水分应控制在6%以下。 (4)电石焦要求硫分<1.5%,磷分<0.04%。焦炭中的 硫和磷在电炉中与生石灰作用会生成硫化钙和磷化钙混入电 石中,当用电石生产乙炔时,这些杂质会转化为硫化氢和磷 化氢。当遇空气磷化氢会自燃,有引起爆炸的可能;在乙炔 燃烧时,硫化氢会转化为SO2而腐蚀金属设备并污染环境。

焦炭及其性质

电石焦的质量要求不太严格,所以炼焦用煤的要求 也就不太严格,只要按照上述焦炭要求进行简单计算就

可求出对煤的要求。现在有的电石厂所用焦炭往往用半
焦代替,这样生产成本将会大大降低。 除上述用途外,焦炭还用于制造碳素材料、有色金 属冶炼、生产钙镁磷肥、民用等方面,所以用途极广。


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焦炭的主要物 理性质如下: 真密度为 1.8-1.95g/cm3; 视密度为 0.88-1....焦煤分两类,第一类焦煤的干燥无灰基挥发分 Vdaf>10%~28%,黏结指数 G> 65...
焦炭的知识
焦炭的知识_物理_自然科学_专业资料。焦第一节 炭焦炭的一般性质 烟煤、无烟煤、沥青或其他液体碳氢化合物为原料,在隔绝空气的条件下, 加热到 950-1050℃,经过...
焦炭小常识
焦炭小常识焦碳分类到目前为止并没有个统一的规定,不同的国家和地区都有不同...焦炭物理性质主要有焦炭筛分组 成、焦炭散密度、焦炭真相对密度、焦炭视相对密度...
焦炭分类
熔融、粘结、固化、收缩等阶段最终制成焦炭,这过程叫高温炼焦(高 温干馏)。...焦炭的物理性质与其常温机械强度和热强度及化学性质密切相关。 焦 炭的主要物理...
焦炭业务资料
第二章第一焦炭的基本特性焦炭物理性质:包括焦炭筛分组成、焦炭散密度、焦炭真相对密度、焦炭视相对密 度、焦炭气孔率、焦炭比热容、焦炭热导率、焦炭热应力、...
焦炭的化学性质
焦炭的化学性质_化学_自然科学_专业资料。焦碳:种固体燃料,质硬,多孔,发热量高.用煤高温干馏而成,多用于炼铁 焦炭的种类: 焦炭通常按用途分为冶金焦(包括高炉...
焦炭的主要质量指标
焦炭的质量主要取决与炼焦用煤,如焦炭的灰、硫、磷等几乎全部来源于煤;焦炭的机械性能、粒度、热性质主要取决于 炼焦用煤的性质,此外还和备煤工艺、炼焦条件以及...
焦炭热态性质
2 试验结果与讨论 2.1 灰分对热性质的影响 (1) 灰分对焦炭的影响可分为两方面,一方面是灰分中的 SiO2、脉石等颗粒状岩石的影 响;另一方面是灰分中的碱金属...
炼焦工艺学作业
第一章 焦炭及其性质 1、 简述高温炼焦的概念。P1 2、 简述焦炭的概念及与焦块、焦体的关系。P3 3、 焦体的孔孢结构通常用哪几种参数表示?分别是什么?(4 ...
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