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摘要：焦炭在高炉内起骨架、还原剂和燃料的作用，对于大高炉来说，骨架作用尤为重要。随着国内高炉的大型化和喷煤比的不断提高，焦炭的反应性及反应后强度（CRI与CSR）越来越受到炼铁工作者的重视，有些炼铁工作者甚至直接将其理解为焦炭在高炉中的热态性能，将其列为指导高炉操作的原则性指标。本文就焦炭反应性与反应后强度展开探讨。
关键词：焦炭；反应性；强度；热态性能
焦炭反应性（CRI）与反应后强度（CSR）是评价焦炭质量最重要的性能指指标之一，焦炭在高炉炼铁、铸造化铁和固定床气化过程中，均能够与二氧化碳、氧气和水蒸气发生化学反应，其反应性质量直接影响到工业生产效率，为了增强对焦炭性能的了解，从CRI和CSR两项指标出发，为生产合格的焦炭等生产活动提供指导。
1焦炭CRI与CSR测定方法的来源与变革
我国焦炭反应性及反应后强度的测定方法是参考新日铁1982年在《燃料协会志》上提出的《高炉用焦炭的CO2反应后强度试验方法》所制定的，该标准在1983年由冶金部鞍山热能研究所首次提出，先后于1996年和2008年进行了修订，修订的内容主要是在制样方面，在焦炭CRI及CSR的测定过程上，与新日铁标准、美国标准和ISO标准仍然具有相似性。其测定的核心步骤是：将焦炭样破碎成23～25mm的粒状焦块，弃去炉头焦、泡焦、薄片状焦和细条状焦，将厚片状焦和较粗条状焦手工修整成颗粒状焦块，缩取2kg后置于Ｉ型转鼓中以20r／min的转速旋转50ｒ，再用23mm圆孔筛筛分，缩取900ｇ筛上物作为试样，用四分法将试样分成4份，每份不少于220ｇ，置于170～180℃烘箱中烘干2h，焦炭冷却至室温后再筛取23ｍｍ以上焦炭颗粒200±0．5ｇ作为测试用样品。将焦炭样品装入反应器，于1 100℃下以5Ｌ／min的流量通入CO2气体，反应2h，停止加热，通入氮气保护，让反应后的焦粒自然冷却。冷却的焦炭样称重后全部装入Ｉ型转鼓，以20ｒ／min的转速旋转30min，取出后用10mm圆孔筛筛分、称重。在结果计算中，CRI被定义为：与CO2反应损失的焦炭质量占反应前焦炭总质量的百分数；CSR被定义为：转鼓后大于10ｍｍ的焦炭占反应后残余焦炭的质量百分数。由国标中的试验步骤可以看出，试验设计者是想通过规范性的试验，模拟出焦炭在高炉中的劣化过程。其中，对焦炭制样的规定是让试验用焦粒尽量模拟入炉焦炭的自然形态；对试验过程的规定则是力求模拟出焦炭在高炉中劣化、溶损以及受到的气流、液渣、液铁的机械冲击。在反应温度恒定、反应物CO2浓度恒定的条件下，试验焦粒的溶损反应速率及反应后强度仅与焦炭本身的性质相关。
2焦炭反应性与反应后强度的关系
根据国标规定的CRI和CSR测定方法，对某企业焦炭质量进行抽样检查，并对数据进行分析，发现二者之间的关系呈现负相关性，当CRI值越高，CSR值越高，实践证明CRI值越高对焦炭的破坏程度越大，焦炭在高炉中的疏松骨架作用越差，因此降低CRI值是改善高温性能的关键，实践经验表明在冶炼过程中一般控制CRI值在22.5%-32.5%之间，CSR值在55.0%-67.0%之间，基本上是可以满足高炉炼铁对焦炭质量的要求。
3影响焦炭CRI及CSR的主要因素
3.1焦炭的气孔结构与气孔壁厚度
焦炭与CO2反应时，焦炭的孔隙结构越发达，气孔壁越薄，则CO2扩散至焦炭内部越容易，CO2与焦炭的接触表面越多，反应活化位点也越多，反应速度越快，则CRI越高。同时，焦炭中炭质材料的反应和溶解也导致焦炭中的微气孔扩大和气孔合并，焦炭的多孔结构受到破坏，焦炭的CSR也随之大幅度下降。
表1碱金属对焦炭热态性能的影响
3.2碱金属
用于炼铁的焦炭本身含有的钾、钠等碱金属含量比较低，一般小于0.5%，对反应性能的影响并不明显，但是在高碱负荷的高炉中，由于碱循环使得钾、钠的含量达到3%左右，会明显影响焦炭反应性。为此笔者将焦炭试样放在烘箱内烘烤2个小时，再将其倒入烧杯中的K2CO3溶液中，浸泡30分钟后捞出，再次放入烘箱中烘烤2个小时，烘干之后测定其CRI、CSR，结果如表1所示。从表格中的数据可以看出随着碱溶液浓度不断增大，焦炭样品吸附的碱量也在不断增加，不加碱的焦炭反应后的平均粒度比加间的焦炭大。而随着CRI值不断增加，焦炭的裂纹粉化现象更加严重，严重影响焦炭质量，这是因为碱金属在焦炭反应过程中起到了催化作用，其反应式为C+CO2=2CO。
3.3测试用焦块的粒度结构
焦炭一般是块状，很少有片状或细长条状焦炭出现，但在焦炭的CRI及CSR测定过程中，破碎的焦粒则会经常呈现薄片状或细长条状。从测试角度看，焦粒的各方向径向长度应尽可能一致，才能有效反应焦炭本身与CO2反应的速率及炭溶反应对焦炭多孔结构的破坏程度，否则CO2就会优先从焦粒径向长度最短的方向优先进行反应，炭溶反应对焦炭多孔结构的破坏作用也会被放大，测试结果就会失去准确性。
4焦炭反应性及反应后强度测定中应注意问题
（1）制好CO2气体的流量。CO2流量的大小会大大影响焦炭反应性、反应后强度这两个指标的测定结果。大量的实验表明，随着CO2气体流量的升高，焦炭的反应性会逐渐增加，而反应后强度呈现出逐渐降低的趋势;随着CO2气体流量的降低，焦炭的反应性会呈现出逐渐减小的趋势，而反应后强度却逐渐升高。当CO2气体流量出现错误的时候，反应性、反应后强度这两个指标测定结果的准确性也会逐渐降低。表2，表3分别表示了CO2气体流量正确和不正确时，反应性、反应后强度两个指标的测定结果。针对这一现象，应当采取的措施:一定要定时地标定CO2，N2的流量，标定使用的仪器为湿式气体流量计，这样可以提高反应性、反应后强度指标测定的准确性，并且具有较好的重复性。
表2二氧化碳气体流量准确时CRI，CSR测定结果
（2）证供气系统的严密性。当CO2的供气装置不严密的时候，CO2不会全部进行反应，就会降低焦炭的反应性，增加焦炭反应后的强度，最终导致两种指标的测定结果呈现出很大的差异，也不能准确反映所测焦炭质量的好坏。
结语
焦炭的反应性及反应后强度测定，主要表征的是焦炭与CO2反应的活性，能够部分模拟焦炭在高炉软熔带之前的劣化情况，不能充分反应焦炭在高炉中的劣化、反应和溶损过程，而且两项指标中，CRI比CSR的模拟性更好。那种认为CSR就是焦炭在高炉中热性能的完全体现，将CSR作为指导高炉操作的原则性指标，甚至以入炉焦与风口焦的CSR变化差异作为焦炭质量的衡量指标的做法，是非常值得商榷的。
参考文献
[1] 阴蒙. 焦炭反应性及反应后强度试验影响因素分析[J]. 煤质技术,2016.
[2] 胡德生．焦炭反应性及反应后强度试验方法－中国国家标准的商榷［J］．宝钢技术，2015.
论文作者:许艳妮,杨凤
论文发表刊物:《电力设备》2018年第30期
论文发表时间:2019/4/11
标签：焦炭论文; 高炉论文; 强度论文; 指标论文; 气体论文; 流量论文; 气孔论文; 《电力设备》2018年第30期论文;