粒狀焦炭結(jié)構(gòu)電阻的初步研究

1、粒狀焦炭結(jié)構(gòu)電阻的初步研究2005年第1期總第180期鐵合金FERRO-ALLOYS2oo5lTot.180粒狀焦炭結(jié)構(gòu)電阻的初步研究半儲少軍翟丹楊巍程云霞(北京科技大學北京中國100083)摘要用于礦熱爐冶煉的粒狀碳質(zhì)還原劑的導電性質(zhì)是由其結(jié)構(gòu)電阻決定的.結(jié)構(gòu)電阻包括焦炭本身的”本征電阻”和焦粒之間的”接觸電阻”.”本征電阻”是焦炭的固有電阻,隨溫度變化而變化.”接觸電阻”則與焦炭顆粒的大小,形狀,顆粒分布以及所處的壓力狀態(tài)等因素有關(guān).關(guān)鍵詞礦熱爐還原劑電阻中圖分類號TF656.2文獻標識碼A文章編號10011943(2005)01000104RESEARCHoNCoNSTRUCTIoNRE

2、SISTANCEoFGRANULARCoKEChuShaojunZhaiDanYangWeiChengYunxia(UniversityofScience&TechnologyBeijing,Bering,China100083)AbstractFortheferroalloyprocess,theconductioncurrentbehaviourofcarbonreductiveagentsplaysallimportantroleinthesubmergedarefumace.Experimentalresulshowthattheconstructionresistan

3、ceofgranarcokeconsistsof”intrinsicresistanceand”contactresistance”.Intrinsicresistanceofcarbonreductiveagentistherealresistanceofmaterialsandmainlyvarieswithtemperaturecondition.Forgranularcoke,thecontactresistanceshaverelationstothegranularsizeorparticlediametentheparticleshape,theparticlesizedistr

4、ibutionandthepressureconditionborneonit.Keywordssubmergedarefumace,reductiveagents,resistance鐵合金生產(chǎn)對碳質(zhì)還原劑理化性質(zhì)的基本要求是:反應活性好,比電阻高,粒度適宜,在高溫條件下.不易石墨化,且具有一定的抗壓強度.二十世紀八十/年代,我國鐵合金界對碳質(zhì)還原劑質(zhì)量和使用方法曾做過許多工作,許多生產(chǎn)企業(yè)采用”蘭炭”或直接用氣煤代替冶金焦生產(chǎn)硅系合金,取得了良好的生產(chǎn)技術(shù)指標.但是,關(guān)于粒狀碳質(zhì)還原劑的導電行為,尤其是還原劑(包括”蘭炭”,冶金焦)的粒度搭配對其電阻的影響規(guī)律,未見有系統(tǒng)研究的文獻報導朔.

5、本文根據(jù)粒狀冶金焦常溫導電性質(zhì)的測量結(jié)果,提出了碳質(zhì)還原劑”結(jié)構(gòu)電阻”的概念,對硅系合金生產(chǎn)中焦炭粒度和配比選擇可能有參考價值.1實驗裝置和測量方法測量粒狀焦炭的容器是一個內(nèi)徑為86.6cm,刻有高度標尺的有機玻璃圓筒,見圖1.筒底部與上部P歐姆表圖l粒狀焦炭電阻測量裝置Fig.1Themeasuringapparatuspietureofgranularcokeresistance設(shè)置由軟銅”,硬質(zhì)橡膠和有機玻璃板構(gòu)成的測量導國家自然科學基金資助項目(批準號50274013)作者簡介儲少軍男,1946年出生.1989年北京科技大學博士生畢業(yè).教授收稿日期20031215鐵合金2005年電電極

6、板.上電極依據(jù)筒內(nèi)所裝焦粒的多少,上,下可調(diào).與上電極板相聯(lián)的鋼棒可以根據(jù)實驗條件要求加載.整個測量回路的總電阻,由精度為0.01mO,測量為020oQ的DT9203A數(shù)字萬用表測出.1r根據(jù)歐姆定律:R=p.)測量回路的總電阻可表示為:R=R科+尺0(1)式中,尺.一回路內(nèi)阻,測量導線電阻和銅網(wǎng)與焦炭間接觸表面電阻的總和;尺科一筒內(nèi)被測粒狀焦炭的電阻.因為R科=p科告,改變不同的料柱高度(L值改.)變),即可測得相應的總電阻為:R=Ro+p科L(2)用二項線性回歸方程處理測量數(shù)據(jù),所得斜率即為粒狀焦炭的電阻率p料,而截距是測量裝置的電阻.,考慮到裝料方式引起的測量誤差,每項實驗均重復五次以上

7、,剔除最大和最小測量值,取其平均值.在實驗中使用石家莊鋼廠提供的強度較高的冶金焦炭,減少多次重復測量中造成的焦粒破損.焦炭顆粒屬多孔結(jié)構(gòu),極易吸水,故焦粒篩分后,用干粉法測量其當量直徑,即取I1個焦炭顆粒,放入已知體積的干粉中(<200目),量得總體積的變化量,根據(jù)球體體積公式V=n?竹r,換算出單粒焦炭的平均當量直徑.2實驗結(jié)果與討論2.1粒狀焦炭的結(jié)構(gòu)電阻當量直徑分別為0.39em,0.66em和1.48em的三種焦粒的電阻率p,焦炭的粒度越小,其電阻(或電阻率)越大,其原因是小焦粒間的接觸電阻增大引起堆層電阻的增大.因此,從這一角度考慮,許多文獻資料提供的不同種類的還原劑實

8、質(zhì)上是堆層粒狀焦炭的結(jié)構(gòu)電阻.為了量化焦炭比電阻與焦炭粒度之間的關(guān)系,曾有文獻提出如下經(jīng)驗公式網(wǎng):pa(3)式中,p一粒狀還原劑比電阻,Q?m;卜焦粒的平均粒徑,em;a,b一隨不同品種焦炭而異的常數(shù).用式(3)定量描述焦粒大小與其電阻率的關(guān)系,當焦粒平均粒徑趨于無窮大時,其電阻率將變?yōu)榱?這顯然是不正確.因此,筆者建議將粒狀焦炭結(jié)構(gòu)電阻視為焦炭的本征電阻,即自身電阻和焦炭顆粒間的接觸電阻之和.也就是粒狀焦炭名義上的結(jié)構(gòu)電阻率p結(jié),本征電阻率P奉和接觸電阻率p接三者的相互關(guān)系可近似用如下經(jīng)驗式表示:p結(jié)=p奉+p接(4)或-p南(5)式中,卜焦粒的當量直徑,em;p一層堆粒狀焦炭承受的負荷,M

9、Pa;a,b,c一與焦粒幾何形狀有關(guān)的經(jīng)驗常數(shù).這樣,影響層堆粒狀焦炭電阻的諸多因素可分別由本征電阻和接觸電阻體現(xiàn)出來.溫度變化只引起焦炭本征電阻的變化.而粒徑大小,幾何形狀,粒度分布和壓力變化則會改變堆層粒狀焦炭的接觸電阻.2.2當量粒徑,壓強對常溫粒狀焦炭結(jié)構(gòu)電阻的影響目前,測量碳質(zhì)還原劑的電阻率尚無統(tǒng)一標準.有文獻提出用粉末電阻率儀測量榪,將0.3加4lllln的焦粉放入一定形狀的容器內(nèi),在0.4MPa壓力下用電橋測量其電阻值,通過計算得到電阻率數(shù)據(jù).也有文獻7】根據(jù)鐵合金生產(chǎn)實際,采用測量粒度為3mnl,負荷為1.96x104pa(相當于還原電爐中爐料所受的平均壓力)的堆層電阻,計算出

10、相應的電阻率.因此,有關(guān)粒狀焦炭電阻率的文獻報導數(shù)據(jù)差異極大,很難用于生產(chǎn)實際.本文嘗試利用經(jīng)驗公式(5),通過實驗,確定粒狀焦炭的結(jié)構(gòu)電阻率p結(jié)和本征電阻率p本.三種粒徑焦炭在不同壓力條件下的常溫電阻率見圖3.,第1期儲少軍等粒狀焦炭結(jié)構(gòu)電阻的初步研究從圖3中電阻率的變化規(guī)律可以看出,初始壓0.070.060.05004蠱0.030.020.0l0r一I十往妊l-氣h.一lr-ii:-UU.UuZU.O04U.U【,bU.LU.UlU.UlZU.Ul4壓強加)a圖3粒徑,壓強對焦炭結(jié)構(gòu)電阻的影響Fig.3Theeffectofparticlediameterandpressureintens

11、ityoncokeconstructionresistance力的變化對粒狀焦炭的電阻率影響很大,說明接觸電阻大小主要取決于壓力,但當壓力達到一定值后,接觸電阻趨近于定值.相同壓力下,不同粒徑焦炭的電阻率變化是由焦炭顆粒間接觸點的多少引起的.在電阻率一壓強變化曲線上,出現(xiàn)了近乎2-3個平臺.分析認為,這是測量裝置中使用硬橡膠板和軟銅網(wǎng)后,造成軟銅網(wǎng)與粒狀焦炭表面的接觸電阻因壓力變化而引起的變化.根據(jù)式(5),當粒狀焦炭受力足夠大時,項可P近似為零,則式(5)可近似用下式表示:p結(jié):p本+爭(6)由圖3中所測實驗數(shù)據(jù),利用非線性回歸方程,得到符合本實驗范圍的粒狀焦炭的結(jié)構(gòu)電阻率與本征電阻率和焦炭

12、當量直徑之間的經(jīng)驗關(guān)系式為:p=0-023+(7)確定了焦炭的本征電阻率P本和參數(shù)a.b的近似值后,再根據(jù)不同粒度,不同壓力條件的電阻率測量值,經(jīng)非線性回歸處理,得到式(5)中與壓力有關(guān)的參數(shù)C.最終得到的式(5)的具體表達式為:023+rp(8)由于本實驗僅測量三種粒徑焦炭電阻率,以及非線性回歸方程處理方法仍有改進的必要,式(7)僅為初步研究結(jié)果,但足以定性描述影響堆層粒狀焦炭結(jié)構(gòu)電阻的主要因素.2.3混合粒度焦炭的電阻率礦熱爐冶煉工藝中,通常根據(jù)碳熱還原反應所需要的配碳量和電爐操作電阻的要求,選擇不同品種和不同粒度搭配的碳質(zhì)還原劑.此類混合粒度焦炭的導電行為比較復雜,至今未見有相關(guān)文獻報導

13、.當量直徑為0.39CIll,0.66am和1.48CIll的三種焦粒,按不同體積搭配混合后的結(jié)構(gòu)電阻率測量結(jié)果見表1.表1不同粒狀焦炭體積搭配混合物的電阻率TahlCokeresistiviyofdifferentgranularvolumeratiomixture注:焦粒體積包含了焦粒間的空隙,三種焦炭的空隙率分別為:1.48cm/54%,0.66cm/62%,0.39cm/81%;算術(shù)平均值指按不同焦粒體積量計算的電阻率.顯然,不能采用簡單加和,平均的方法估計混合焦炭的電阻率.由于不同粒徑焦炭顆粒堆層后,均產(chǎn)生不同的空隙率和空隙大小,因此,混合焦炭的電導行為是與不等徑焦粒的密堆程度相關(guān).

14、比較表1中第5號實驗結(jié)果,可以初步證明這一現(xiàn)象.該實驗中三種焦粒的體積搭配已參照了三種焦炭的空隙率.為進一步了解不同粒徑焦炭按體積搭配引起的電阻率變化的規(guī)律,實驗采用1.48cm和0.39cm兩種粒徑的焦炭,按不同體積比例混合,測量其電阻率,結(jié)果見圖4.ga辟瞳粒徑為O.39cm的焦炭體積占全部體儆的百分比%圖4體積混合比例對混合焦炭電阻率變化的影響Fig.4TheeffectofvolumemixedratioOnthevariationofmixedcokeresistivity從圖4所示的電阻率變化曲線可以看到,混合?4?鐵合金2005年焦炭的電阻率出現(xiàn)2個最低點和一個不明顯的最高點.其

15、原因如下:當大焦粒中加少量的小焦粒,相當于大焦粒之間的空隙被小焦粒填充,使得堆層焦炭的導電能力增強,因而電阻率下降.當這種填充效果達到一定程度后(大焦粒間的空隙不再可以容納小焦粒)此時繼續(xù)增加小焦粒的體積比,相當于用小焦粒替換大焦粒,使混合物的電阻率升高.同樣道理,若在小焦粒中加少量大焦粒后,由于上述”填充”和“替換”條件同時發(fā)生,造成電阻率急劇下降,當大焦粒比例達到一定值后,因用于填充空隙的小焦粒數(shù)量不足,使得混合焦炭的電阻率略有升高,繼續(xù)增加大焦粒比例,則因替換作用,造成混合焦炭的電阻率呈下降趨勢.因此,可以推測,對于多種粒徑混合的焦炭,其電阻率的變化是取決于粒徑分布造成的密堆程度或”填充

16、”,”替換”所引起的主導地位.根據(jù)混合焦炭的粒徑分布,預測其電阻率的變化,是本工作下一個研究目標,其研究結(jié)果對生產(chǎn)碳質(zhì)還原劑中破碎和篩分方法可能有一定指導意義.3結(jié)論3.1粒狀碳質(zhì)還原劑的導電性質(zhì)是由其結(jié)構(gòu)電阻決定的.結(jié)構(gòu)電阻是由”本征電阻”和”接觸電到最大值.參考文獻1黃蔚平.碳質(zhì)還原劑物理性能的測定.鐵合金,1982(1):38422徐忠厚,莊湘生.生產(chǎn)硅鐵所用的碳質(zhì)還原劑合適的煤種.鐵合金,1984(2):25283林儀媛,莊厚生,徐忠厚.提高碳質(zhì)還原劑質(zhì)量的途徑.鐵合金,1983(1):17244福建三明化工廠.電石生產(chǎn)爐料電阻測定初步總結(jié).化工技術(shù)資料?煤化學專業(yè)分冊,1965(1)

17、:12165硅鐵生產(chǎn)一百問.北京:冶金工業(yè)出版社,1977,36戴維,舒莉.鐵合金冶金工程.北京:冶金工業(yè)出版社,1999:807趙乃成,張啟軒.鐵合金生產(chǎn)實用技術(shù)手冊.北京:冶金工業(yè)出版社,1998:432?.址.址.址.址.址春節(jié)已經(jīng)過去,鉬品價格又呈現(xiàn)出上漲的態(tài)勢.2月22日.葫蘆島地區(qū)鉬精礦價格為205000212000元/t(不含稅),含稅價格為515O5250元/噸度,欒JIJ,青田,洛南及吉林大黑山地區(qū)價格為51505250元/噸度,成交量在不斷上升.由于葫蘆島地區(qū)春節(jié)期間停產(chǎn),到目前還沒有正式開采,其他鉬礦產(chǎn)區(qū)春節(jié)期間生產(chǎn)量減少,鉬精礦供應短缺,需求增加,是價格上漲的一個主要因

18、素.盡管歐洲鉬鐵價格降到60美元/kg鉬.但由于中國鉬鐵出口企業(yè)堅持70美元/kg鉬以上的報價,使得目前出口價格又回到7274美元/kg鉬的水平,并且隨著需求的增加,還有進一步上漲的勢頭,歐洲貿(mào)易商試圖打壓中國市場的目的沒有得到實現(xiàn).國內(nèi)鉬鐵需求量較大,節(jié)后鋼廠庫存消耗殆盡,需要補充原料,雖然接受目前的36,537萬元/t的價格有一定的難度,但為了生產(chǎn)需要,也只能認可此價位.據(jù)了解,目前國內(nèi)鋼廠有約500t的需求.預計未來市場價格會呈現(xiàn)穩(wěn)中有升的態(tài)勢,但是漲幅不會太大.鉻鐵市場近期以來,高鉻市場基本保持穩(wěn)定,東北區(qū)7000-7200元/基噸,西南區(qū)6900-7100元/基噸,華東區(qū)69012I-7100元/基噸.金屬鉻價格保持穩(wěn)定,目前東北廠家為5100053000元/t(出廠含稅,下同),湖南廠家價格為5O00052000元/t.國