煤炭極其性質(zhì)

焦炭及其性質(zhì)第一章第一頁，共九十一頁。焦炭定義

英文名稱：Coke

煙煤在隔絕空氣的條件下，加熱到950-1050℃，經(jīng)過干燥、熱解、熔融、粘結(jié)、固化、收縮等階段最終制成焦炭，這一過程叫高溫?zé)捊梗ǜ邷馗绅s）。由高溫?zé)捊沟玫降慕固坑糜诟郀t冶煉、鑄造和氣化。煉焦過程中產(chǎn)生的經(jīng)回收、凈化后的焦?fàn)t煤氣既是高熱值的燃料，又是重要的有機(jī)合成工業(yè)原料。第二頁，共九十一頁。焦炭分類、用途

冶金焦是高爐焦、鑄造焦、鐵合金焦和有色金屬冶煉用焦的統(tǒng)稱。由于90%以上的冶金焦均用于高爐煉鐵，因此往往把高爐焦稱為冶金焦。1、高爐焦—高爐煉鐵--燃料、還原劑。

2、鑄造焦--專用與化鐵爐熔鐵的焦炭。-燃料。3、鐵合金焦--鐵合金冶煉--燃料、還原劑。第三頁，共九十一頁。焦炭及其性質(zhì)第一節(jié)焦炭的一般性質(zhì)第二節(jié)高爐煉鐵第三節(jié)非高爐用焦的特性

第四頁，共九十一頁。焦炭及其性質(zhì)

第一節(jié)焦炭的一般性質(zhì)一、焦炭的宏觀構(gòu)造焦炭是一種質(zhì)地堅(jiān)硬，以碳為主要成分的含有裂紋和缺陷的不規(guī)則多孔體,呈銀灰色。其真密度為1.8～1.95g/cm3,視密度為0.88～1.08g/cm3,氣孔率為35%～55%,堆密度為400～500kg/m3。用肉眼觀察焦炭都可看到縱橫裂紋。沿粗大的縱橫裂紋掰開，仍含有微裂紋的是焦塊。將焦塊沿微裂紋分開，即得到焦炭多孔體，也稱焦體。焦體由氣孔和氣孔壁構(gòu)成，氣孔壁又稱焦質(zhì)，其主要成分是碳和礦物質(zhì)。焦炭的裂紋多少直接影響焦炭的粒度和抗碎強(qiáng)度。焦塊微裂紋的多少和焦體的孔孢結(jié)構(gòu)則與焦炭的耐磨強(qiáng)度和高溫反應(yīng)性能有密切關(guān)系?？祖呓Y(jié)構(gòu)通常用氣孔平均直徑、孔徑分布、氣孔壁厚度和比表面積等參數(shù)表示。第五頁，共九十一頁。焦炭及其性質(zhì)1.塊焦和焦塊性質(zhì)參數(shù)

包括粒度及其組成、機(jī)械強(qiáng)度、傳熱性質(zhì)等第六頁，共九十一頁。焦炭及其性質(zhì)1.塊焦和焦塊機(jī)械性能高爐生產(chǎn)對(duì)焦炭的基本要求是：粒度均勻、耐磨性和抗碎性強(qiáng)。焦炭的這些物理機(jī)械性能主要由篩分組成和轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)來評(píng)定。1．篩分組成焦炭是外形和尺寸不規(guī)則的物體，只能用統(tǒng)計(jì)的方法來表示其粒度，即用篩分試驗(yàn)獲得的篩分組成計(jì)算其平均粒度。一般用一套具有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格和規(guī)定孔徑的多級(jí)振動(dòng)篩將焦炭篩分，然后分別稱量各級(jí)篩上焦炭和最小篩孔的篩下焦炭質(zhì)量，算出各級(jí)焦炭的質(zhì)量百分率即焦炭的篩分組成，國際標(biāo)準(zhǔn)允許篩分試驗(yàn)用方孔篩（以邊長L表示孔的大?。┖蛨A孔篩（以直徑D表示孔徑的大小）。相同尺寸的兩種篩，其實(shí)際大小不同，試驗(yàn)得出兩者關(guān)系為：

D/L=1.135±0.04（1-4）第七頁，共九十一頁。焦炭及其性質(zhì)

即圓孔直徑為60mm時(shí),對(duì)應(yīng)的方孔篩L=60/1.135=52.86mm,通過焦炭的篩分組成計(jì)算焦炭的平均粒度及粒度的均勻性，還可估算焦炭的比表面、堆積密度并由此得到評(píng)定焦炭透氣性和強(qiáng)度的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。（1）平均粒度根據(jù)篩分組成及篩孔的平均直徑可由下式來計(jì)算焦炭的平均粒度：（1-5）或（1-6）第八頁，共九十一頁。焦炭及其性質(zhì)式中——各粒級(jí)的質(zhì)量百分率，%；——各粒級(jí)的平均粒度,由粒級(jí)上、下限的平均值計(jì)算；——算術(shù)平均直徑；——調(diào)和平均直徑（是以實(shí)際焦粒比表面與相當(dāng)球體比表面相同的原則確定的平均粒度）。第九頁，共九十一頁。焦炭及其性質(zhì)（2）粒度均勻性粒度均勻性可由下式計(jì)算：

（1-7）式中、、——分別表示焦炭中25～40mm、40～80mm和>80mm各粒級(jí)的百分含量。K值愈大，粒度愈均勻。也可按計(jì)算。

第十頁，共九十一頁。焦炭及其性質(zhì)

2．耐磨強(qiáng)度和抗碎強(qiáng)度（1）轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)方法焦炭強(qiáng)度通常用抗碎強(qiáng)度和耐磨強(qiáng)度兩個(gè)指標(biāo)來表示。焦炭無論在運(yùn)輸途中還是使用過程中，都會(huì)受摩擦力作用而磨損，受沖擊力作用而碎裂。焦炭在常溫下進(jìn)行轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)可用來鑒別焦炭強(qiáng)度。因焦炭在一定轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)鼓內(nèi)運(yùn)行，可以模仿其在運(yùn)輸和使用過程中的受力情況。當(dāng)焦炭表面承受的切向摩擦力超過氣孔壁的強(qiáng)度時(shí)，會(huì)產(chǎn)生表面薄層分離現(xiàn)象形成碎屑或粉末，焦炭抵抗此種破壞的能力稱耐磨性或耐磨強(qiáng)度，用M10值表示。

（1-8）第十一頁，共九十一頁。焦炭及其性質(zhì)

當(dāng)焦炭承受沖擊力時(shí)，焦炭沿結(jié)構(gòu)的裂紋或缺陷處碎成小塊，焦炭抵抗此種破壞的能力稱焦炭的抗碎性或抗碎強(qiáng)度。用M25（M40）表示。

（1-9）

焦炭的孔孢結(jié)構(gòu)影響耐磨強(qiáng)度M10值，焦炭的裂紋度影響其抗碎強(qiáng)度M25值。M25和M10值的測定方法很多，我國多采用德國米貢轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)方法。如表1-1所示。第十二頁，共九十一頁。焦炭及其性質(zhì)表1-1焦炭轉(zhuǎn)鼓實(shí)驗(yàn)方法轉(zhuǎn)鼓特性焦炭試樣篩分強(qiáng)度指標(biāo)（直徑/長度）/mm轉(zhuǎn)速/（轉(zhuǎn)/分）轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)質(zhì)量/Kg粒度/mm孔型篩孔/mm耐磨強(qiáng)度/%抗碎強(qiáng)度/%1000/10002510050?60圓形25，10?10/M10?25/M25第十三頁，共九十一頁。焦炭及其性質(zhì)

（2）焦炭在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的運(yùn)動(dòng)特征焦炭在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)要靠提料板才能提升，故轉(zhuǎn)鼓內(nèi)均設(shè)有不同規(guī)格的提料板。焦炭在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)隨鼓轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的運(yùn)動(dòng)情況可由圖1-1表示，裝入轉(zhuǎn)鼓的焦炭在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)旋轉(zhuǎn)時(shí)，一部分被提料板提升，達(dá)到一定高度時(shí)被拋出下落（圖中位置A），使焦炭受到?jīng)_擊力的破碎作用，一部分超出提料板的焦炭在提料板從最低位置剛開始提升時(shí)，就滑落到鼓底（位置B），這部分焦炭僅能在轉(zhuǎn)鼓底部滾動(dòng)和滑動(dòng)（位置C），故破壞作用不大，當(dāng)靠到下一塊提料板時(shí)再部分被提起。此外轉(zhuǎn)鼓旋轉(zhuǎn)時(shí)焦炭層內(nèi)焦炭間彼此相對(duì)位移及焦炭與鼓壁間的摩擦，則是焦炭磨損的主要原因，鼓內(nèi)焦炭的填充量愈多，這種磨損作用就愈明顯。第十四頁，共九十一頁。焦炭及其性質(zhì)2.裂紋度

裂紋度即焦炭單位面積上的裂紋長度。裂紋分縱裂紋和橫裂紋兩種，規(guī)定裂紋面與焦?fàn)t炭化室爐墻面垂直的裂紋稱縱裂紋；裂紋面與焦?fàn)t炭化室爐墻面平行的裂紋稱橫裂紋。焦炭中的裂紋有長短、深淺和寬窄的區(qū)分，可用裂紋度指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。常用測量方法是將方格（1cm×1cm）框架平放在焦塊上，量出縱裂紋與橫裂紋的投影長度即得。所用試樣應(yīng)有代表性，一次試驗(yàn)要用25塊試樣，取統(tǒng)計(jì)平均值。第十五頁，共九十一頁。焦炭及其性質(zhì)

3．氣孔率

焦炭的氣孔率是指氣孔體積與總體積比的百分率。氣孔率可以利用焦炭的真密度和視密度的測定值加以計(jì)算。焦炭的氣孔數(shù)量還可以用比孔容積來表示，即單位質(zhì)量多孔體內(nèi)部氣孔的總?cè)莘e，可用四氯化碳吸附法測定。

（1-1）第十六頁，共九十一頁。焦炭及其性質(zhì)

3．氣孔平均直徑與孔徑分布

焦炭中存在的氣孔大小是不均一的，一般稱直徑大于100微米的氣孔為大氣孔，20～100微米的為中氣孔，小于20微米的為微氣孔。焦炭與CO2作用時(shí)，僅大的氣孔才能使CO2進(jìn)入。

第十七頁，共九十一頁。焦炭及其性質(zhì)4.比表面積

指單位質(zhì)量焦炭內(nèi)部的表面積（m2/g）第十八頁，共九十一頁。焦炭及其性質(zhì)5.氣孔壁

在光學(xué)顯微鏡下測量氣孔參數(shù)得到氣孔壁厚度參數(shù)第十九頁，共九十一頁。焦炭及其性質(zhì)

二、焦炭的化學(xué)組成焦炭的化學(xué)組成主要用焦炭工業(yè)分析和元素分析數(shù)據(jù)來加以體現(xiàn)。1．工業(yè)分析焦炭的工業(yè)分析包括焦炭水分、灰分和揮發(fā)分的測定以及焦炭中固定碳的計(jì)算。（1）水分（Mt）焦炭的水分是焦炭試樣在一定溫度下干燥后的失重占干燥前焦樣的百分率。生產(chǎn)上要求穩(wěn)定控制焦炭的水分，水分波動(dòng)會(huì)使焦炭計(jì)量不準(zhǔn)，從而引起爐況波動(dòng)。

第二十頁，共九十一頁。焦炭及其性質(zhì)

此外，焦炭水分提高會(huì)使M25偏高，M10偏低，給轉(zhuǎn)鼓指標(biāo)帶來誤差。但水分也不宜過低，否則不利于降低高爐爐頂溫度，且會(huì)增加裝卸即使用中的粉塵污染。焦炭水分因熄焦方式而異，并與焦炭粒度、焦粉含量、采樣地點(diǎn)、取樣方法等因素有關(guān)。濕熄焦時(shí)，焦炭水分約4%～6%，因噴水、瀝水條件和焦炭粒度不同而波動(dòng)；干熄焦時(shí)，焦炭在貯運(yùn)過程中也會(huì)吸附空氣中水汽，使焦炭水分達(dá)0.5%～1%。我國規(guī)定冶金焦水分為：>40mm粒級(jí)為3～5%；>25mm粒級(jí)為3～7%，含有適量水分，有利于降低高爐爐頂溫度。水分的測定方法見國標(biāo)GB2002—80。第二十一頁，共九十一頁。焦炭及其性質(zhì)（2）灰分（Ad）灰分是焦炭中的有害雜質(zhì)，主要成份是高熔點(diǎn)的SiO2和Al2O3等酸性氧化物,在高爐冶煉中要用CaO等熔劑與它們生成低熔點(diǎn)化合物，才能以熔渣形式由高爐排出。如是灰分高，就要適當(dāng)提高高爐爐渣堿度，不利于高爐生產(chǎn)。此外，焦炭在高爐內(nèi)被加熱到高于煉焦溫度時(shí)，由于焦質(zhì)和灰分熱膨脹性不同，會(huì)沿灰分顆粒周圍產(chǎn)生并擴(kuò)大裂紋，加速焦炭破碎或粉化?；曳种械膲A金屬還會(huì)加速焦炭同CO2的反應(yīng)，也使焦炭的破壞加劇。第二十二頁，共九十一頁。焦炭及其性質(zhì)

因此，一般焦炭灰分每增加1%，高爐焦比（每噸生鐵消耗焦炭量）約提高2%，爐渣量約增加3%,高爐熔劑用量約增加4%,高爐生鐵產(chǎn)量約下降2.2～3.0%。幾個(gè)國家冶金用焦炭與精煤灰分國標(biāo)（Ad）如表1-2?？梢?，我國高爐焦的灰分指標(biāo)與其它一些國家相比偏高，它是焦炭質(zhì)量差的主要原因，焦炭灰分高的原因是煉焦精煤的灰分高所致。若能將焦炭灰分由14.5%降至10.5%，以年產(chǎn)7000萬噸生鐵的高爐計(jì)算，可以節(jié)約熔劑227萬噸、焦炭385萬噸，同時(shí)可以增加生鐵1015萬噸，還可大大降低鐵路運(yùn)輸量。第二十三頁，共九十一頁。焦炭及其性質(zhì)

精煤合理灰分要從煤炭資源特點(diǎn)，如煤的可選性、各級(jí)選煤的回收率，并結(jié)合選煤技術(shù)、中煤和矸石的合理利用等方面，進(jìn)行綜合經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析加以確定，煉焦精煤的灰分以7%左右為宜?；曳值臏y定方法見國標(biāo)GB2002-80。表1-2冶金用焦炭與精煤灰分國標(biāo)國別中國美國原蘇聯(lián)德國法國日本I級(jí)II級(jí)III級(jí)焦炭灰分/%?12.0?13.5?15.0<7.0<10.0<8.0<9.0<10.0精煤灰分/%<12.55.5～6.58.0～8.56.0～7.0<7.06.6～8.0第二十四頁，共九十一頁。焦炭及其性質(zhì)

（3）揮發(fā)分（Vdaf）和固定碳（FC）揮發(fā)分是衡量焦炭成熟程度的標(biāo)志，通常規(guī)定高爐焦的揮發(fā)分應(yīng)為1.2%左右，若揮發(fā)分大于1.9%則表示生焦，其不耐磨，強(qiáng)度差；若揮發(fā)分小于0.7%，則表示過火，過火焦裂紋多且易碎。焦炭的揮發(fā)分同原料煤的煤化度及煉焦最終溫度有關(guān)，如圖1-2、圖1-3。圖1-2焦炭揮發(fā)分與原料煤揮發(fā)分的關(guān)系 圖1-3焦炭揮發(fā)分與煉焦溫度的關(guān)系第二十五頁，共九十一頁。焦炭及其性質(zhì)

焦炭揮發(fā)分也是焦化廠污染控制的指標(biāo)之一，揮發(fā)分升高，推焦時(shí)粉塵放散量顯著增加，煙氣量及煙氣中的多環(huán)芳烴含量也增加。固定碳是煤干餾后殘留的固態(tài)可燃性物質(zhì)，由計(jì)算得：固定碳=100－水分－灰分－揮發(fā)分，%焦炭揮發(fā)分的測定方法見國標(biāo)2002—80。2．元素分析焦炭元素分析是指焦炭按碳、氫、氧、氮、硫和磷等元素組成確定其化學(xué)成分時(shí)，稱為元素分析。第二十六頁，共九十一頁。焦炭及其性質(zhì)

（1）碳和氫碳是構(gòu)成焦炭氣孔壁的主要成分，氫則包含在焦炭的揮發(fā)分中，將焦炭試樣在氧氣中燃燒，生成的H2O和CO2分別用吸收劑吸收,由吸收劑的用量確定焦樣中的碳和氫。其成分為碳：92%～96%，氫：1%～1.5%。結(jié)焦過程中，不同煤化度的煤中C、H、N元素含量隨干餾溫度升高而變化的規(guī)律如圖1-4。從圖可以看出，由不同煤化度的煤制取的焦炭其含碳量基本相同。氫氣量隨煉焦溫度的變化比揮發(fā)分隨煉焦溫度的變化明顯，且測量誤差也小，因此以焦炭的氫含量可以更可靠地判斷焦炭的成熟程度。第二十七頁，共九十一頁。焦炭及其性質(zhì)

（2）氮焦炭中的氮是焦炭燃燒時(shí)生成NOx的來源，結(jié)焦過程中氮含量變化不大，僅在干餾溫度達(dá)800oC以上時(shí)才稍有降低。焦樣在催化劑（K2SO4+CuSO4）存在的條件下，能和沸騰濃硫酸反應(yīng)使其中的氮轉(zhuǎn)化為NH4HSO4，再用過量NaOH反應(yīng)使NH3分出。經(jīng)硼酸溶液吸收，最后用硫酸標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定，以確定焦樣中的含氮量。其成分為0.5%～0.7%。圖1-4各種煤的C、H、N含量隨干餾溫度升高而變化的規(guī)律第二十八頁，共九十一頁。焦炭及其性質(zhì)（3）氧焦炭中氧含量很少，常用減差法計(jì)算得到，其成分為0.4%～0.7%。（4）硫焦炭中的硫包括：煤和礦物質(zhì)轉(zhuǎn)變而來的無機(jī)硫化物（FeS、CaS等），熄焦過程中部分硫化物被氧化生成的硫酸鹽（FeSO4CaSO4），煉焦過程中生成的氣態(tài)硫化物在析出途中與高溫焦炭作用而進(jìn)入焦炭的有機(jī)硫，這些硫的總和稱全硫。工業(yè)上通常用重量法測定。其成分為0.7%～1.0%。高爐焦的硫約占整個(gè)高爐爐料中硫的80%～90%，爐料中的硫僅有5%～20%隨高爐煤氣逸出，其余的硫靠爐渣排出。一般焦炭含硫每增加0.1%，高爐焦比約增加1.2%～2.0%，高爐熔劑用量約增加2%，生鐵產(chǎn)量約減少2.0%～2.5%。一些國家對(duì)高爐焦含硫指標(biāo)規(guī)定如表1-3所示。第二十九頁，共九十一頁。焦炭及其性質(zhì)表1-3幾個(gè)國家的高爐焦硫分指標(biāo)國別中國美國德國法國英國日本I級(jí)II級(jí)III級(jí)指標(biāo)值/%<0.6<0.8<1.00.60.90.80.60.6

（5）磷焦炭中的磷主要以無機(jī)鹽類形式存在。將焦樣灰化后，從灰分中浸出磷酸鹽，再用適當(dāng)?shù)姆椒y定磷酸鹽溶液中的磷酸根含量，即可得出焦樣含磷。通常焦炭含磷約0.02%。高爐爐料中的磷全部轉(zhuǎn)入生鐵，轉(zhuǎn)爐煉鋼不易除磷，要求生鐵含磷低于0.01%～0.015%。煤中含磷幾乎全部殘留在焦炭中，高爐焦一般對(duì)含磷不作特定要求。第三十頁，共九十一頁。焦炭及其性質(zhì)

四、焦炭的高溫反應(yīng)性1．反應(yīng)機(jī)理焦炭的高溫反應(yīng)性是焦炭與二氧化碳、氧和水蒸氣等進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的性質(zhì)，簡稱焦炭反應(yīng)性，反應(yīng)如下：C+O2→CO2+394kJ/mol（1）C+H2O→H2+CO-131110kJ/mol（2）C+CO2→2CO-173kJ/mol（3）反應(yīng)（1）也稱焦炭的燃燒性，高爐內(nèi)主要發(fā)生在風(fēng)口區(qū)1600℃以上的部位。反應(yīng)（2）也稱水煤氣反應(yīng)。反應(yīng)（3）也稱碳素溶解反應(yīng)（高爐內(nèi)主要發(fā)生在900～1300℃的軟融帶和滴落帶）。第三十一頁，共九十一頁。焦炭及其性質(zhì)

焦炭在高爐煉鐵、鑄造化鐵和固定床氣化過程中，都要發(fā)生以上三種反應(yīng)。由于焦炭與氧和水蒸汽的反應(yīng)有與二氧化碳的反應(yīng)類似的規(guī)律，因此大多數(shù)國家都用焦炭與二氧化碳間的反應(yīng)特性評(píng)定焦炭反應(yīng)性。焦炭是一種碳質(zhì)多孔體，它與CO2間的反應(yīng)屬氣固相反應(yīng)，其反應(yīng)是通過到達(dá)氣孔表面上的CO2和C反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)，所以反應(yīng)速度不僅取決于化學(xué)反應(yīng)速度，還受CO2擴(kuò)散影響。當(dāng)溫度低于1100℃時(shí)，化學(xué)反應(yīng)速度較慢，焦炭氣孔內(nèi)表面產(chǎn)生的CO分子不多，CO2分子比較容易擴(kuò)散到內(nèi)表面上與C發(fā)生反應(yīng)，因此整個(gè)反應(yīng)速度由化學(xué)反應(yīng)速度控制。第三十二頁，共九十一頁。焦炭及其性質(zhì)

當(dāng)溫度為1100～1300℃時(shí)，化學(xué)反應(yīng)速度加快，生成的CO使氣孔受堵，阻礙CO2的擴(kuò)散，因此，整個(gè)反應(yīng)速度由氣孔擴(kuò)散速度控制。當(dāng)溫度大于1300℃時(shí)，化學(xué)反應(yīng)速度急劇增加，CO2分子與焦炭一接觸，來不及向內(nèi)擴(kuò)散就在表面迅速反應(yīng)形成CO氣膜，反應(yīng)速度受氣膜擴(kuò)散速度控制。當(dāng)焦炭的粒度加大時(shí)，氣孔的影響增強(qiáng)，則氣孔擴(kuò)散速度控制區(qū)將增大，相應(yīng)減小氣膜擴(kuò)散速度控制區(qū)。第三十三頁，共九十一頁。焦炭及其性質(zhì)

總之，焦炭與CO2的反應(yīng)速度與焦炭的化學(xué)性質(zhì)及氣孔比表面有關(guān)。只有采用粒徑為幾十到幾百微米的細(xì)粒焦進(jìn)行反應(yīng)性實(shí)驗(yàn)時(shí)，才能排除氣體擴(kuò)散的影響，獲得焦炭和CO2的化學(xué)動(dòng)力學(xué)性質(zhì)。通常從工藝角度評(píng)價(jià)焦炭的反應(yīng)性，均采用塊狀焦炭，要使所得結(jié)果有可比性，焦炭反應(yīng)性的測定應(yīng)規(guī)定焦樣粒度、反應(yīng)溫度、CO2濃度、反應(yīng)氣流量、壓力等。第三十四頁，共九十一頁。焦炭及其性質(zhì)2．影響反應(yīng)性因素（1）原料煤性質(zhì)焦炭反應(yīng)性隨原料煤煤化度變化而變化，如圖1-5。低煤化度的煤煉制的焦炭反應(yīng)性較高；相同煤化度的煤，當(dāng)流動(dòng)度和膨脹度高時(shí)制得的焦炭，一般反應(yīng)性較低；不同煤化度的煤所制得的焦炭，其光學(xué)顯微組織不同，反應(yīng)性不同。金屬氧化物對(duì)焦炭反應(yīng)性有催化作用，原料煤灰分中的金屬氧化物（K2O，Na2O，F(xiàn)e2O3，CaO，MgO等）含量增加時(shí)，焦炭反應(yīng)性增高，其中鉀、鈉的作用更大。一般情況下，鉀、鈉在焦炭中每增加0.3%～0.5%，焦炭與CO2的反應(yīng)速度約提高10%～15%。第三十五頁，共九十一頁。焦炭及其性質(zhì)圖1-5原料煤的煤化度與所得焦炭反應(yīng)性的關(guān)系

第三十六頁，共九十一頁。焦炭及其性質(zhì)（2）煉焦工藝提高煉焦最終溫度，結(jié)焦終了時(shí)采取燜爐等措施，可以使焦炭結(jié)構(gòu)致密，減少氣孔表面，從而降低焦炭反應(yīng)性。采用干熄焦可以避免水汽對(duì)焦炭氣孔表面的活化反應(yīng)，也有助于降低焦炭反應(yīng)性。（3）反應(yīng)速率參數(shù)焦炭與CO2的反應(yīng)是氣固相反應(yīng)，其反應(yīng)速率決定于化學(xué)反應(yīng)速度和氣體的擴(kuò)散速度。從實(shí)驗(yàn)中得到如下關(guān)系式：

，mol/s（1-10）

第三十七頁，共九十一頁。焦炭及其性質(zhì)式中，——以單位時(shí)間消耗的CO2或C量表示的反應(yīng)速率；——焦炭的直徑，cm； ——單位容積焦炭的氣孔表面，m2/cm3

——反應(yīng)速度常數(shù)；——焦炭氣孔率，%；——擴(kuò)散速度常數(shù)。由式1-10可見，反應(yīng)速率參數(shù)對(duì)焦炭反應(yīng)性有一定影響。第三十八頁，共九十一頁。焦炭及其性質(zhì)

五、塊焦反應(yīng)率及反應(yīng)后強(qiáng)度焦炭與CO2反應(yīng)過程中，反應(yīng)速度受多種因素的影響，如其它條件不變，在規(guī)范化的裝置內(nèi)按統(tǒng)一規(guī)定的條件，通過反應(yīng)前后焦炭試樣重量的變化率或氣體中CO2濃度的變化率，可以表示焦炭的反應(yīng)速度。目前一些國家均采用塊焦反應(yīng)率這一指標(biāo)。它是按取樣規(guī)范采集一定量的，具有代表性的焦炭，破碎后篩分，取其中符合規(guī)定的粒級(jí)，從中隨機(jī)取一定量作為試樣。將一定量的焦炭試樣在規(guī)定的條件下與純CO2氣體反應(yīng)一定時(shí)間，然后充氮?dú)饫鋮s、稱重，反應(yīng)前后焦炭試樣重量差與焦炭試樣重量之比的百分率稱為塊焦反應(yīng)率（CRI）。第三十九頁，共九十一頁。焦炭及其性質(zhì)

（1-11）式中

G0——參加反應(yīng)的焦炭試樣質(zhì)量，kg；G1——反應(yīng)后殘存焦炭質(zhì)量，kg。也可用化學(xué)反應(yīng)后氣體中CO濃度（相當(dāng)于反應(yīng)掉的碳）和（CO+CO2）濃度之比的百分率表示塊焦反應(yīng)率，即

（1-12）式中CO、CO2——反應(yīng)后氣體中CO、CO2氣體的濃度，%。第四十頁，共九十一頁。焦炭及其性質(zhì)

經(jīng)過CO2反應(yīng)的焦炭，充氮冷卻后，全部裝入轉(zhuǎn)鼓，轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)后，粒度大于某規(guī)定值的焦炭重量（g2）占裝入轉(zhuǎn)鼓的反應(yīng)后焦炭重量（g1）的百分率，稱為反應(yīng)后強(qiáng)度CSR。

（1-13）塊焦反應(yīng)率和反應(yīng)后強(qiáng)度試驗(yàn)有多種形式，我國鞍山熱能研究所所推薦的小型裝置如圖1-6所示。塊狀焦炭在一定尺寸的反應(yīng)器中，在模擬生產(chǎn)的條件下進(jìn)行的反應(yīng)性實(shí)驗(yàn)屬塊焦反應(yīng)性實(shí)驗(yàn)。根據(jù)研究目的不同，在試樣粒度大小、試樣數(shù)量、反應(yīng)溫度、反應(yīng)氣組成和指標(biāo)表示方式等方面各有不同。第四十一頁，共九十一頁。焦炭及其性質(zhì)

此種測定法與日本新日鐵相同，都是使實(shí)驗(yàn)條件更接近高爐情況。即在1500℃溫度下用純CO2與直徑20mm焦塊反應(yīng)，反應(yīng)時(shí)間為12min，試樣重200g，反應(yīng)后失重百分?jǐn)?shù)作為反應(yīng)性指數(shù)?？紤]到焦炭受碳溶反應(yīng)的破壞是不可逆的，故反應(yīng)后強(qiáng)度的測定在常溫下進(jìn)行，從而大大簡化了試驗(yàn)設(shè)備和操作。圖1-6堆焦反應(yīng)性和反應(yīng)后強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)裝置示意圖a—反應(yīng)器；b—轉(zhuǎn)鼓

第四十二頁，共九十一頁。焦炭及其性質(zhì)附表表1-4冶金焦炭的技術(shù)指標(biāo)(GB/T1996—94)

指標(biāo)

級(jí)別

粒度/mm>40>2525～10灰分Ad/%ⅠⅡⅢ不大于12.0012.01～13.5013.51～15.00硫分St，d/%ⅠⅡⅢ不大于0.600.61～0.800.81～1.00機(jī)械強(qiáng)度抗碎強(qiáng)度M25/%（舊國標(biāo)M40）ⅠⅡⅢ大于92.0（>80）92.0～88.1(>76～80)88.0～83.0(>72～76)耐磨強(qiáng)度M10/%ⅠⅡⅢ不大于7.08.510.0揮發(fā)分Vdaf/%不大于1.9水分含量Mt/%4.0±1.05.0±2.0不大于12.0焦末含量/%不大于4.05.012.0注：水分只作為生產(chǎn)操作中控制指標(biāo)，不作質(zhì)量考核依據(jù)。

第四十三頁，共九十一頁。焦炭及其性質(zhì)第二節(jié)高爐煉鐵焦炭主要用于高爐冶煉，其次還用于鑄造、氣化、和生產(chǎn)電石等，它們對(duì)焦炭有不同的要求。但高爐煉鐵用焦炭（冶金焦）的質(zhì)量要求為最高，用量也最大。一、高爐冶煉過程1.高爐內(nèi)總體狀況如圖1-7所示，高爐系中空豎爐，從上到下分爐喉、爐身、爐腰、爐腹、爐缸五段。高爐本體是由以下各部分組成：鋼筋混凝土制成的爐基，鋼板卷成的爐外殼，耐火磚砌成的爐襯，冷卻設(shè)備以及框架和支柱等。從煉鐵的工藝過程來看，它包括上料、鼓風(fēng)、出鐵排渣、和煤氣等系統(tǒng)。耐火爐襯圍成的空間稱為高爐爐型，是進(jìn)行煉鐵過程的所在。第四十四頁，共九十一頁。焦炭及其性質(zhì)

根據(jù)煉鐵過程的特點(diǎn)，爐型各段結(jié)構(gòu)不同。高爐爐料中的鐵礦石（天然礦、燒結(jié)礦、球團(tuán)礦）、焦炭和助熔劑（石灰石或白云石）從爐頂依次分批裝入爐內(nèi)，送風(fēng)系統(tǒng)將800℃以上的高溫空氣（或富氧空氣）由位于爐缸上部的風(fēng)口鼓入爐內(nèi)，使焦炭在風(fēng)口前的回旋區(qū)內(nèi)激烈燃燒而放熱,并使高爐下部形成自由空間，上部的爐料借重力穩(wěn)定地下降，從而構(gòu)成連續(xù)的高爐冶煉過程。第四十五頁，共九十一頁。焦炭及其性質(zhì)圖1-7高爐爐型及各部位溫度與煤氣組成a—爐型；b—高爐內(nèi)溫度沿高爐的變化；c—煤氣中CO沿高度的變化；Ⅰ—800℃以下區(qū)域；Ⅱ—800～1100℃區(qū)域；Ⅲ—1100℃以上區(qū)域；Hu—有效高度；—爐腹角；—爐身角第四十六頁，共九十一頁。焦炭及其性質(zhì)

燃燒放出的熱量是高爐冶煉過程的主要熱源，占冶煉所需熱量的75%～80%，反應(yīng)后生成的CO作為高爐冶煉過程的主要還原劑，使鐵礦石中的鐵氧化物還原，因此，自下而上煤氣溫度逐漸降低（圖1-7b）。從風(fēng)口開始，由于煤氣中CO2與焦炭反應(yīng)及鐵氧化物被高溫焦炭直接還原產(chǎn)生大量CO，所以煤氣中CO含量逐漸增加，到爐腹以上部位則由于CO與鐵氧化物間接還原生成CO2而逐漸降低(圖1-7c)。

第四十七頁，共九十一頁。焦炭及其性質(zhì)

爐料在下降過程中，經(jīng)預(yù)熱、脫水、間接還原、直接還原而轉(zhuǎn)化為金屬鐵，溫度逐漸升高。鐵礦石中的脈石（主要成分為SiO2、Al2O3的高熔點(diǎn)化合物）同熔劑作用形成低熔點(diǎn)化合物——爐渣。鐵水和爐渣在向下流動(dòng)過程中相互作用，進(jìn)行脫硫等反應(yīng)，到爐缸下部，二者借互不溶性和密度差異而分離，并分別從渣口和鐵口定期放出爐外。產(chǎn)生的高爐煤氣從爐頂導(dǎo)出，經(jīng)冷卻除塵制成凈煤氣。爐料在高爐內(nèi)的下降時(shí)間稱冶煉周期，約5～8小時(shí)。高爐內(nèi)煤氣從燃燒生成到流出爐外共約4～6小時(shí)。綜上，高爐的基本功能是將鐵礦石預(yù)熱、還原、造渣、脫硫、熔化、滲碳，從而得到合格的鐵水。第四十八頁，共九十一頁。焦炭及其性質(zhì)

2.高爐煉鐵的化學(xué)反應(yīng)在風(fēng)口區(qū)，焦炭燃燒生成CO2并放出大量熱，溫度可達(dá)1500～1800℃，使鐵、渣完全熔化而分離。C+O2=CO2+399.440MJ

溫度在1100℃以上的爐腹及爐腰地帶即Ⅲ區(qū)內(nèi)，煤氣中的CO2與焦炭作用生成CO并吸收熱量。CO2+C=2CO-165.6MJ此處焦炭的消耗約為35%，同時(shí)未被還原的FeO與SiO2作用生成爐渣并開始熔化，還原后生成的海綿鐵則與焦炭作用，滲碳熔化，爐料體積變小，為此爐腹按爐腹角向下逐漸收縮，以利爐料穩(wěn)定下降。

第四十九頁，共九十一頁。焦炭及其性質(zhì)

爐身下部溫度為800～1100℃的Ⅱ區(qū)內(nèi)，同時(shí)存在鐵的氧化物與碳之間的直接還原反應(yīng)，到1100℃以上因CO2幾乎100%與焦炭作用生成CO，從全過程看是直接還原反應(yīng)：FeO+CO=Fe+CO2+13.59MJ+CO2+C=2CO-165.6MJ—————————————FeO+C=Fe+CO-152.01MJ直接還原的鐵量占鐵氧化物還原的總鐵量之比稱直接還原度，一般高爐的=0.35～0.50。第五十頁，共九十一頁。焦炭及其性質(zhì)

爐料邊下降邊升溫膨脹，為此爐身以爐身角β向下逐漸擴(kuò)大，以利順行。爐身上部，溫度低于800℃的Ⅰ區(qū)內(nèi)，主要是鐵的氧化物與CO之間的間接還原反應(yīng)。3Fe2O3+CO=2Fe3O4+CO2+37.09MJFe3O4+CO=3FeO+CO2-20.87MJFeO+CO=Fe+CO2+13.59MJ間接還原反應(yīng)的特點(diǎn)是得到的氣體產(chǎn)物為CO2，總的熱效應(yīng)是放熱。從以上反應(yīng)可以看出，直接還原大量吸熱，不利于高爐內(nèi)的熱能利用，又因碳溶反應(yīng)使焦炭氣孔壁削弱，所以應(yīng)發(fā)展間接還原。第五十一頁，共九十一頁。焦炭及其性質(zhì)

整個(gè)高爐爐體，從料鐘落位高度到鐵口中心線的距離稱為有效高度H，其間的容積稱為高爐的有效容積（V），我國定型設(shè)計(jì)的中小型高爐有55m3，255m3和620m3

等，大型高爐有1053m3、1513m3、2500m3及近期從國外引進(jìn)的4000m3的大高爐。有效高度是決定CO和熱能利用效率的主要因素，高爐產(chǎn)量則決定于有效容積及它的利用率。衡量高爐操作水平的主要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)有高爐有效容積利用系數(shù)（η）：η=,t鐵/（m3·24h）(1)第五十二頁，共九十一頁。焦炭及其性質(zhì)焦比（c）：c=，t焦/（t鐵）（2）冶煉強(qiáng)度：,t焦/(m3·24h)（3）

將式（1）和（2）合并得：（4）第五十三頁，共九十一頁。焦炭及其性質(zhì)

式（4）表明：擴(kuò)大高爐生產(chǎn)能力的途徑是增大爐容（V），降低焦比和提高冶煉強(qiáng)度。當(dāng)高爐容積增大到原爐容積的2倍時(shí)，風(fēng)口個(gè)數(shù)最多增加到原風(fēng)口個(gè)數(shù)的倍，所以在增大爐容的同時(shí)，提高冶煉強(qiáng)度的可能性不大，因此應(yīng)該設(shè)法提高焦炭質(zhì)量，以降低焦比。3．造渣脫硫造渣的主要目的：一是使鐵礦石中的脈石和焦炭中的灰分（其中大部分為高熔點(diǎn)的酸性氧化物，如SiO2熔點(diǎn)為1713℃、AI2O3為2025℃）與溶劑（如CaO、MgO）作用，生成熔點(diǎn)較低，流動(dòng)性好的液態(tài)爐渣，從而與鐵水分開，由爐中放出，以除去爐料帶入的雜質(zhì)；二是利用造渣脫硫和控制硅、錳等元素的還原，以獲得合格的生鐵。第五十四頁，共九十一頁。焦炭及其性質(zhì)

（1）高爐冶煉過程中硫的動(dòng)態(tài)高爐中的硫主要由焦炭帶入，一般為爐料中總硫量的80%以上。焦炭中的硫，大多以硫碳復(fù)合體形態(tài)與焦炭物質(zhì)結(jié)合在一起，也有一些以硫化鐵和硫酸鹽存在于灰分中。鐵礦石和熔劑中的硫，主要呈（FeS2）形態(tài)，也有少量的CaSO4等硫化物。在高爐中焦炭帶入的硫約有10%～20%以SO2和H2S的形態(tài)隨煤氣流出爐外，約有50%～70%在風(fēng)口燃燒生成SO2，但在隨煤氣流經(jīng)高爐下部高溫區(qū)時(shí)，被焦炭還原成硫蒸氣：SO2+2C=2CO+S↑第五十五頁，共九十一頁。焦炭及其性質(zhì)

鐵礦石和熔劑中的FeS2被高溫煤氣加熱分解：FeS2FeS+S↑這些硫蒸氣在隨煤氣上升過程中又被CaO、海棉鐵和鐵氧化物吸附而隨爐料下降。生鐵中的硫以FeS的形態(tài)溶于鐵水中，只有在鐵水滴穿渣層時(shí)被部分脫除。（2）影響生鐵含硫的因素

鐵水和熔渣互不相溶，脫硫反應(yīng)只能在鐵水和爐渣的接觸面上進(jìn)行：[FeS]+（CaO）→（CaS）+[FeO][FeO]+[C]→Fe+CO第五十六頁，共九十一頁。焦炭及其性質(zhì)

在高爐操作條件下，由于渣、鐵接觸面少，接觸時(shí)間短，擴(kuò)散慢，故上述可逆反應(yīng)遠(yuǎn)不能達(dá)到平衡，鐵水中的硫就不能全部轉(zhuǎn)入爐渣中。生鐵中的含硫量可下式計(jì)算：

（1-14）第五十七頁，共九十一頁。焦炭及其性質(zhì)式中[S]——生鐵含硫量，%；

S料、S煤——爐料帶入和煤氣帶走的硫分，kg；Q鐵——生鐵量，kg；n——渣鐵比，%；ls——硫的分配系數(shù)；（）——表示渣中；[]——表示鐵水中。第五十八頁，共九十一頁。焦炭及其性質(zhì)

由式1-14可知：①

當(dāng)其它條件一定時(shí)，爐料帶入的硫分越多，則生鐵含硫量越高，為了制得低硫生鐵，首先應(yīng)降低硫負(fù)荷（煉一噸生鐵所需爐料帶入的硫分，kg硫/（t生鐵））。因此鐵礦石宜用經(jīng)過焙燒的人造富礦，焦炭要控制硫分，故降低焦比是降低硫負(fù)荷的重要途徑。②

隨煤氣流走的硫越多，生鐵含硫量就越低，采用自熔性燒結(jié)礦，大大減少爐料中游離的CaO是增加煤氣中硫含量的有效途徑。③

渣鐵比高，則脫硫效率高，但焦比增加。④

硫的分配系數(shù)越大，則脫硫效率越高，生鐵含硫量就越低。值主要取決于爐渣的流動(dòng)性，即取決于其組成和溫度。第五十九頁，共九十一頁。焦炭及其性質(zhì)

（3）爐渣脫硫的實(shí)質(zhì)

硫化物的穩(wěn)定性排列次序是CaS、MnS、FeS。爐渣脫硫的目的是將熔于鐵水中的FeS轉(zhuǎn)化為不熔于鐵水中的硫化物，并轉(zhuǎn)入爐渣。首先鐵水中的FeS向爐渣內(nèi)擴(kuò)散，即[FeS]→（FeS），已擴(kuò)散到爐渣中的FeS與爐渣中的氧化物作用，生成更穩(wěn)定的硫化物。例如：（FeS）+（CaO）==（CaS）+（FeO），由于爐渣中的FeO又與焦炭或鐵水中的碳作用，F(xiàn)eO+C==Fe+CO，從而促使反應(yīng)向脫硫方向進(jìn)行。因此反應(yīng)的全過程是FeS+CaO+C==CaS+Fe+CO–141230kJ。第六十頁，共九十一頁。焦炭及其性質(zhì)

其中提高硫化鐵從鐵水中向爐渣擴(kuò)散的速率，是整個(gè)過程的關(guān)鍵。提高爐缸和爐渣的溫度，一方面有利于吸熱的脫硫反應(yīng)向右進(jìn)行；另一方面降低爐渣黏度，有利于鐵水中的FeS通過界面向爐渣擴(kuò)散。爐渣組成主要由總堿度或堿度表示。一般低硫焦煉鐵，總堿度約為1.1～1.25，堿度為1.2～1.4。適當(dāng)提高堿度和總堿度有利于脫硫，但堿度過高會(huì)使?fàn)t渣黏度增加，影響料柱的透氣性，引起結(jié)瘤，燒壞風(fēng)口、渣口，焦比過高等不正常爐況，脫硫效率反而降低。第六十一頁，共九十一頁。焦炭及其性質(zhì)

用白云石（MgO3·CaCO3）代替部分石灰石來增加爐渣中MgO的含量，可以提高爐渣的穩(wěn)定性，使之具有良好的流動(dòng)性，有利于造渣脫硫。爐渣中的CaS含量高于6.5%時(shí)，爐渣黏度和熔化溫度明顯提高，故一般規(guī)定爐渣中CaS的許可濃度為5.5%～6.5%。但實(shí)際生產(chǎn)條件下，CaS的濃度遠(yuǎn)低于該值。此外由于渣鐵界面上脫硫條件很差，一般硫的分配系數(shù)，煉鋼用生鐵約為10%～30%，而鑄造用生鐵約為30%～70%。第六十二頁，共九十一頁。焦炭及其性質(zhì)

二、料柱構(gòu)造及對(duì)焦炭的要求

1.料柱構(gòu)造高爐內(nèi)自上而下的溫度總趨勢是逐漸升高，但高爐內(nèi)的等溫線并非沿橫截面呈水平狀，而是因高爐爐型、原料品位和操作參數(shù)等因素，等溫線可呈“ｗ”形或倒“ｖ”形（圖1-8）。圖1-8高爐內(nèi)不同溫度區(qū)域示意

第六十三頁，共九十一頁。焦炭及其性質(zhì)

料柱上部低于1100℃的區(qū)域，爐料保持入爐前的固體塊狀，焦炭與煤氣流分配層作用，該區(qū)域稱塊狀帶。料柱中部溫度在1100～1350℃的部位，焦炭和礦石仍保持層層相間，但礦石從外表到內(nèi)部逐漸軟化熔融，靠焦炭層支撐才不至于聚堆，該區(qū)域稱軟融帶。由于高爐內(nèi)中心氣流與邊緣氣流速度以及溫度的差異，使軟融帶的形狀同等溫線相對(duì)應(yīng)，也呈倒“ｖ”形或“ｗ”形。在軟融帶內(nèi)融著層幾乎不透氣，上升煤氣幾乎全部從焦炭縫隙流過。第六十四頁，共九十一頁。焦炭及其性質(zhì)

料柱中下部溫度高于1350℃的部位，此處僅焦炭呈固塊狀，熔化的鐵水和爐渣則沿焦炭層縫隙向下流動(dòng)并滴落，高溫煤氣則沿粘附有鐵水和熔渣的焦炭層縫隙向上流動(dòng)。該區(qū)域稱滴落帶。在滴落帶下方的中心部位，有一個(gè)緩慢移動(dòng)的呆滯焦炭層（也稱死料層），這主要是當(dāng)焦炭移動(dòng)時(shí)由軟融帶上層滑落下來，經(jīng)受劇烈碳溶反應(yīng)的焦炭組成。進(jìn)入滴落帶以下風(fēng)口前的焦炭在高速熱氣流的吹動(dòng)下劇烈回旋并猛烈燃燒形成回旋的風(fēng)口區(qū)，風(fēng)口區(qū)的周邊是焦塊、焦屑、鐵水和風(fēng)口區(qū)邊界層形成動(dòng)平衡。風(fēng)口區(qū)焦炭空氣燃燒生成的CO2，在流經(jīng)邊界層時(shí)與灼熱焦炭反應(yīng)，幾乎全部轉(zhuǎn)化為CO，提供鐵氧化物還原所需的還原劑。第六十五頁，共九十一頁。焦炭及其性質(zhì)

2.焦炭的作用焦炭燃燒產(chǎn)生的熱能是高爐冶煉過程的主要熱源，燃燒反應(yīng)生成的CO作為高爐冶煉過程的主要還原劑。由于焦炭位于風(fēng)口區(qū)以上地區(qū)，始終處于固體狀態(tài)，在高爐中其體積占高爐體積的35%～50%。所以對(duì)上部爐料起支承作用，并成為煤氣上升和鐵水、熔渣下降所必不可少的高溫疏松骨架。焦炭在風(fēng)口區(qū)內(nèi)不斷燃掉，使高爐下部形成自由空間，上部爐料穩(wěn)定下降，從而形成連續(xù)的高爐冶煉過程。第六十六頁，共九十一頁。焦炭及其性質(zhì)

綜上，焦炭在高爐中則起著熱能源、還原劑和疏松骨架三個(gè)作用。近年來，為降低焦炭消耗，增加高爐產(chǎn)量，改善生鐵質(zhì)量，采用了在風(fēng)口噴吹煤粉、重油、富氧鼓風(fēng)等強(qiáng)化技術(shù)。焦炭的熱能源、還原劑作用可在一定程度上被部分取代。但作為高爐料柱的疏松骨架不能被取代，而且隨高爐大型化和強(qiáng)化冶煉，該作用更顯重要。3．高爐焦的質(zhì)量要求各國對(duì)高爐焦的質(zhì)量均提出了一定的要求，且已形成了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。表1-5列出了一些國家（或企業(yè)）的高爐焦質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（或達(dá)到水平）。綜上，高爐焦要求灰低、硫低、強(qiáng)度高、粒度適當(dāng)且均勻、氣孔均勻、致密、反應(yīng)性適度、反應(yīng)后強(qiáng)度高。第六十七頁，共九十一頁。焦炭及其性質(zhì)

表1-5各國高爐焦質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

指

標(biāo)中

國俄羅斯日

本美

國德

國英

國法

國波

蘭水分（Mt）/%4.0～12.0<53～４

<5<3

<6揮發(fā)分（Vad）/%1.91.4～１.8

0.7～1.1

灰分（Aad）/%12.00～15.0010～1210～126.6～10.89.8～10.2<86.7～10.111.5～12.5硫分（St,ad）/%0.60～1.001.79～2.00<0.60.54～1.110.9～1.2<0.60.7～1.0

粒度/mm>25,>4040～8025～8015～75>20

20～5140～8020～6340～8040～60>40轉(zhuǎn)

鼓

強(qiáng)

度

指

數(shù)

/%穩(wěn)定度

51～62

硬

度

62～73

M25Ⅰ>92.0Ⅱ92.0～88.1

Ⅲ88.0～83.0Ⅰ73～80Ⅱ68～75Ⅲ62～7075～80

>84>75>80Ⅰ63～69Ⅱ52～63Ⅲ45～52M10Ⅰ≯7.0Ⅱ≯8.5

Ⅲ≯10.5Ⅰ8～9Ⅱ9～10Ⅲ10～14

<6<7<8Ⅰ8～10Ⅱ<12

Ⅲ<13I10

<20

>92

第六十八頁，共九十一頁。焦炭及其性質(zhì)三、焦炭在高爐內(nèi)的性質(zhì)變化圖1-9高爐中焦炭性質(zhì)的變化●——高爐中心試樣；△——爐墻與爐中心之間試樣；╳——靠近爐墻試樣；○——平均試樣第六十九頁，共九十一頁。焦炭及其性質(zhì)

圖1-9為高爐中焦炭沿高向的機(jī)械強(qiáng)度、粒度、氣孔率、反應(yīng)性和鉀、鈉元素等的變化情況。在高爐上部塊狀帶變化不大，只有在高爐中部超過1000℃的區(qū)域才開始急劇變化。1.焦炭在高爐內(nèi)粒度和強(qiáng)度的變化焦炭在高爐的塊狀帶內(nèi)雖受靜壓擠壓，相互碰撞和磨損等作用，但由于散料層所受靜壓遠(yuǎn)低于焦炭的抗壓強(qiáng)度，撞擊和磨損力也較小，故塊狀帶內(nèi)焦炭強(qiáng)度的降低、粒度的減小以及料柱透氣性的變化均不明顯。第七十頁，共九十一頁。焦炭及其性質(zhì)

焦炭進(jìn)入軟融帶后，由于受高溫?zé)崃?、尤其是碳溶反?yīng)的作用，使焦炭氣孔壁變薄、氣孔率增大、強(qiáng)度降低，并在下降過程中受擠壓、磨擦作用，使焦炭粒度減小和粉化，料柱透氣性變差。焦炭在滴落帶內(nèi)碳溶反應(yīng)不太劇烈，但因鐵水和熔渣的沖刷，并受溫度1700℃左右的高溫爐氣沖擊，焦炭中部分揮發(fā)分蒸發(fā)，使焦炭氣孔率進(jìn)一步增大，強(qiáng)度繼續(xù)降低。焦炭進(jìn)入風(fēng)口回旋區(qū)邊界層，在強(qiáng)烈高速氣流沖擊和剪切作用下很快磨損，進(jìn)入回旋區(qū)后劇烈燃燒，使焦炭強(qiáng)度急劇降低，粒度急劇減小。第七十一頁，共九十一頁。焦炭及其性質(zhì)

2.高爐內(nèi)堿金屬和焦炭反應(yīng)性的變化礦石和焦炭帶入高爐內(nèi)的堿金屬多數(shù)是硅酸鹽和碳酸鹽，在高爐內(nèi)碳酸鹽分解成氧化物，硅酸鹽則被還原成堿金屬、堿土金屬、鐵、錳、鎳等，對(duì)碳溶反應(yīng)能起催化作用，其中鉀、鈉的催化作用最為顯著。焦炭中鉀、鈉含量很低，一般小于0.5%，對(duì)焦炭還不足以產(chǎn)生有害影響，但在高爐內(nèi)，礦石和焦炭帶入的堿金屬鹽類會(huì)分解，并進(jìn)一步被碳還原和氣化成鉀、鈉蒸汽。這些氣態(tài)的鉀、鈉隨煤氣上升至爐頂，因溫度降低和CO2分壓升高又生成碳酸鹽析出，這些堿金屬碳酸鹽，一部分粘附在爐壁上侵蝕耐火材料，但大部分被焦炭表面吸附或粘附在礦石表面上，又隨爐料下降至溫度高于碳酸鉀、碳酸鈉分解溫度的區(qū)域，又發(fā)生分解，還原和氣化。只有少部分隨煤氣帶出，如此形成鉀、鈉等堿金屬在高爐內(nèi)的循環(huán)和富集，如圖1-10。第七十二頁，共九十一頁。焦炭及其性質(zhì)

研究結(jié)果表明，循環(huán)堿量可達(dá)入爐焦炭和礦石堿量的6倍，高爐內(nèi)焦炭的鉀、鈉含量可高達(dá)3%以上，這就足以對(duì)焦炭的碳溶反應(yīng)起催化作用。因此，通常焦炭經(jīng)高溫處理后，產(chǎn)生石墨化，氣孔壁被加固，反應(yīng)性理應(yīng)降低，但經(jīng)高爐解體取焦樣分析表明，焦炭反應(yīng)性在爐身下部明顯增強(qiáng)，其原因就是由堿金屬在軟融帶的富集所引起。由此得出結(jié)論，要降低堿金屬對(duì)高爐生產(chǎn)的影響，一方面應(yīng)提高隨爐渣的排出堿量，另一方面應(yīng)減少爐料的帶入堿量。第七十三頁，共九十一頁。焦炭及其性質(zhì)圖1-10高爐內(nèi)堿金屬循環(huán)示意圖第七十四頁，共九十一頁。焦炭及其性質(zhì)

3.焦炭的灰分和硫分的變化焦炭中的灰分主要成分是SiO2和AI2O3，它們的熔點(diǎn)分別為1713℃和2050℃，為了脫除這些灰分，必須加入CaO、MgO等堿性氧化物或相應(yīng)的碳酸鹽，使之和SiO2、Al2O3反應(yīng)生成低熔點(diǎn)化合物，從而在高爐內(nèi)形成流動(dòng)性的熔融爐渣，借密度的不同和相互不熔性而與鐵水分離。因此當(dāng)焦炭帶入爐內(nèi)的灰分增多時(shí)，加入的熔劑也必須增加，即增加爐內(nèi)的堿量，促進(jìn)焦炭的降解。第七十五頁，共九十一頁。焦炭及其性質(zhì)

高爐內(nèi)的硫主要來自焦炭，降低生鐵含硫量的途徑是減少爐料帶入硫量、提高爐渣的脫硫能力，爐渣的脫硫能力與爐渣溫度和堿度有關(guān)。當(dāng)爐料帶入硫量較高時(shí)，必須提高爐缸溫度和爐渣堿度。因?yàn)楫?dāng)爐渣堿度高時(shí)，CaO相對(duì)過剩，SiO2處于較完全的束縛狀態(tài)，使得SiO2與K2O反應(yīng)的幾率下降。K2O+SiO2→K2+SiO4所以這樣做又將致使?fàn)t渣帶出的堿量減少，增加了爐內(nèi)的堿循環(huán)，加劇了碳溶反應(yīng)，促進(jìn)了焦炭的降解。由此可見，降低焦炭的灰分、硫分，對(duì)高爐生產(chǎn)具有重要意義。

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第三節(jié)非高爐用焦的特性

一、鑄造焦1．沖天爐熔煉過程鑄造焦是沖天爐熔鐵的主要燃料，用于熔化爐料，并使鐵水過熱，還起支撐料柱保證良好透氣性和供碳等作用。每噸生鐵消耗焦炭量稱為焦鐵比（K）通常K=0.1。沖天爐內(nèi)爐料分布、爐氣組成和溫度變化如圖1-11，焦炭在沖天爐內(nèi)分底焦和層焦，底焦在風(fēng)口區(qū)與鼓入的空氣劇烈燃燒，因此在風(fēng)口以上的氧化帶內(nèi)，爐氣中O2含量迅速降低，CO2含量很快升高并達(dá)到最大值，爐氣溫度也相應(yīng)升至最高值，熔化鐵水的溫度在氧化帶的底部達(dá)最高值。在氧化帶上端開始的還原帶內(nèi)，由于過量CO2的存在，與焦炭發(fā)生碳溶反應(yīng)而產(chǎn)生CO，隨爐氣上升CO含量逐漸增加；由于反應(yīng)強(qiáng)烈吸熱，故爐氣溫度在還原帶內(nèi)隨爐氣上升則急劇降低。第七十七頁，共九十一頁。焦炭及其性質(zhì)

還原帶以上焦炭與金屬料層層相間，裝入沖天爐的爐料被爐氣干燥、預(yù)熱，在該區(qū)間爐氣中含氧量很低（或?yàn)榱悖?，CO2和CO的含量基本保持不變，在裝料口爐氣中一般CO2為10%～15%，CO為8%～16%，溫度為500～600℃。圖1-11沖天爐內(nèi)爐料分布、爐氣組成及溫度變化第七十八頁，共九十一頁。焦炭及其性質(zhì)

沖天爐的氧化帶和還原帶內(nèi)除焦炭燃燒和CO2被還原成CO外，還發(fā)生一系列復(fù)雜的反應(yīng)，在氧化帶內(nèi)爐氣中的CO2及鼓風(fēng)空氣中帶入的水汽會(huì)按以下反應(yīng)使鐵水部分氧化。Fe+CO2→FeO+COFe+H2O→FeO+H2鐵水中的部分硅和錳在氧化帶內(nèi)能被爐氣中的氧燒損，形成SiO2和MnO，鐵水中的碳也能與氧反應(yīng)而降低。因此在爐缸以上的氧化帶，鐵水中的C、Si、Mn、Fe均有所損失，但鐵水失碳時(shí)鐵水表面形成的一層脫碳膜可以制約Si、Mn、Fe的氧化，且溫度愈高，Si、Mn、Fe的氧化燒損愈少，這就要求有較高的鐵水溫度。第七十九頁，共九十一頁。焦炭及其性質(zhì)

鐵水流過焦炭層還會(huì)發(fā)生吸收碳的所謂滲碳作用，由于滲碳是吸熱反應(yīng)，溫度愈高愈有利于滲碳。鐵的初始含碳量愈低，滲碳愈多，增加焦比也使?jié)B碳增加，滲碳有利于爐料中廢鋼的熔化。爐氣中的水汽與鐵水或焦炭反應(yīng)產(chǎn)生的H2易溶解在鐵水中，當(dāng)鐵水凝固時(shí)，氫的溶解度突然降低，H2從鐵水中逸出，使鑄件表皮下形成內(nèi)壁光滑的球形小氣孔，增加鑄件的缺陷。因此應(yīng)降低鼓風(fēng)空氣的濕度，這還有利于提高爐溫。第八十頁，共九十一頁。焦炭及其性質(zhì)

在滲碳的同時(shí)也發(fā)生滲硫作用，硫主要來源于金屬爐料和焦炭，廢鐵料的含硫可高達(dá)0.1%～0.6%，焦炭帶入的硫約占焦炭總量的30%～60%，滲硫隨溫度的增加而增加，鐵水中的硫通過造渣可以部分除去，但只有在堿性爐渣時(shí)才能起脫硫作用。沖天爐中也要加入一定數(shù)量的熔劑，以降低爐渣黏度并利于排渣，黏性爐渣附著在焦炭上會(huì)防礙其燃燒及鐵水滲碳，并容易造成懸料事故，故一般沖天爐中爐渣量僅為鐵水量的5%～6%，這表明沖天爐內(nèi)通過爐渣脫硫是有限的。爐渣中除發(fā)生類同高爐爐渣與鐵水間硫的轉(zhuǎn)移而進(jìn)行鐵水脫硫反應(yīng)外，爐渣的存在還有利于鐵水中氧化物的還原。爐缸中溫度約為1500℃，這時(shí)鐵水中的FeO、MnO、SiO2能被浸漬在鐵水和爐渣中的焦炭還原，從而減輕Si、Mn的燒損，這種還原反應(yīng)隨爐渣厚度增高而增強(qiáng)。第八十一頁，共九十一頁。焦炭及其性質(zhì)

2．鑄造焦的質(zhì)量要求（1）粒度一般要求粒度大于60mm。沖天爐內(nèi)的主要反應(yīng)有：氧化帶C+O2→CO2，還原帶C+CO2→2CO。為提高沖天爐過熱區(qū)的溫度，使熔融金屬的過熱溫度足夠高，流動(dòng)性好，應(yīng)保持適宜的氧化帶高度（h），該高度可用下式表示：，m式中

A——系數(shù)，為6.7510-5；W——送風(fēng)強(qiáng)度，m3/（m2·min）；——鑄造焦平均直徑，m；v——鑄造焦在氧化帶內(nèi)燃燒的線速度，m/min。第八十二頁，共九十一頁。焦炭及其性質(zhì)

由上式可知：鑄造焦平均直徑（）小而焦炭反應(yīng)性（v）高，則氧化帶高度（h）小。由于沖天爐內(nèi)底焦的高度是一定的，氧化帶高度減小，必然使還原帶高度增加，爐氣的最高溫度降低，進(jìn)而使過熱區(qū)的溫度降低。但鑄造焦粒度過大，使燃燒區(qū)不集中，也會(huì)降低爐氣溫度。（2）硫硫是鑄鐵中的有害元素，通常應(yīng)控制在0.1%以下，沖天爐內(nèi)焦炭燃燒時(shí)，焦炭中的硫一部分生成SO2，隨爐氣上升，在預(yù)熱區(qū)和熔化區(qū)內(nèi)與固態(tài)金屬爐料作用發(fā)生如下反應(yīng)：3Fe（固）+SO2→FeS+2FeO+363000kJ/kg（分子）第八十三頁，共九十一頁。焦炭及其性質(zhì)

因此含硫低于0.1%的原料鐵，經(jīng)氣相增硫后，鐵料的含硫量可達(dá)0.45%。鐵料熔化成鐵水后，在流經(jīng)底焦炭層時(shí)硫還要進(jìn)一步增加。焦炭硫分高，粒度小，氣孔率大，則鐵水增硫量大。一般在沖天爐內(nèi)，鐵水增硫約為焦