（钢铁冶金专业论文）高炉内焦炭抗压强度的数学模型研究.pdf

摘要 捅要 本文采用一台可调气氛高温抗压试验机克服了常规检验的不足，研究了焦炭在 实际温度下的抗压强度及其在高炉内的变化规律。为焦炭的质量检验提供了一种新 的手段，加强了对焦炭强度对高炉炉况影响的了解。 本课题通过对高温、不同失碳率下焦炭抗压试验结果的分析，归纳出焦炭强度 与温度和失碳率的关系，并从提高煤比出发更确切地对焦炭质量做出评价。研究发 现： 1 在单一因素作用下，焦炭抗压强度与温度大致呈现负的直线关系； 2 在单一因素作用下，焦炭抗压强度与失碳率大致呈现负的直线关系； 3 焦炭抗压强度与温度和失碳率呈现二元一次线性关系； 4 高炉间接还原区内，焦炭强度主要受温度的影响，下降较缓慢； 5 在更高温区内，焦炭强度受温度和失碳率的双重影响，下降较快； 6 高炉燃烧区外，焦炭强度可降低9 0 以上； 7 限制失碳率是保护焦炭强度的主要措施。 基于上述知识建立相关的数学模型，并应用于高炉操作专家系统。以具有强大 编辑能力地v i s u a lc + + 6 0 为开发工具编制高炉专家系统软件。数学模型的主要功能 是根据焦炭失碳率与强度的关系判断料柱的透气性和高炉操作条件。这项功能是专 家系统的一个重要依据。数学模型的可行性和可靠性已经通过实践被证实。 图3 7 表7 参5 2 关键词：焦炭；抗压强度；高温；高炉；专家系统 分类号；t f 5 2 6 + 1 a b s t r a c t t h ec o m p r e s s e ds 仃e n g t ho fc o k es a m p l e ss e l e c t e di ni r o np r o d u c t i o ni n d u s t r i e sw a s t e s t e d 懈d n gac o m p r e s s i v et e s t i n gm a c h i n ew i t ha d j u s t a b l ea t m o s p h e r e a t p r a c t i c a l t e m p e r a t u r e si nb l a s tf u r n a c e t h ed i s t r i b u t i o no fc o k es t r e n g t ho nt e m p e r a t u r ew a s r e s e a r c h e db a s e do nt h et e s t i n gr e s u l t s t h i sw o r ks u p p l i e dan e wm e t h o df o rr e s e a r c ha n d c o m m o n l yt e s t s o nc o k eq u a l i t ya n ds o m en e wk n o w l e d g ea b o u tt h ei n f l u e n c eo fc o k e s t r e n g t ho nb l a s tf u r n a c es m e l t i n g w i t hs p e c i a la t t e n t i o nt oc o a lp o w d e ri n j e c t i o n ，f o l l o w i n gc o n c l u s i o n sw e r ee d u c e d t h r o u g ht h e o r e t i c a la n a l y s i sa n di n v e s t i g a t i o n so nt h et e s t i n gr e s u l t s ： 1 t h e r ew a san e g a t i v el i n e a rr e l a t i o n s h i pb e t w e e nc o k es t r e n g t ha n dt e m p e r a t u r e ， w h e nc a r b o nl o s sr a t ew a sac o n s t a n t 2 t h e r ew a san e g a t i v el i n e a rr e l a t i o n s h i pb e t w e e nc o k es t r e n g t ha n dc a r b o nl o s sr a t e ， w h e nt e m p e r a t u r ew a sac o n s t a n t 3 b e t w e e nt e m p e r a t u r e ，c a r b o nl o s sr a t ea n dc o k es t r e n g t h , t h e r ew a sab i n a r yl i n e a r r e l a t i o n s h i p 4 c 0 k cs t r e n g t hd e c l i n e ds l o w e ri ni n d i r e c tr e d u c t i o nz o n e , w h i c hw a sm a i n l y a f f e c t e db yt e m p e r a t u r e 5 c o k es t r e n g t hd e c r e a s e df a s t e ra th i g h e rt e m p e r a t u r e s ，w h i c hw a sj o i n t l yi n f l u e n c e d b yt e m p e r a t u r ea n d c a r b o nl o s sr a t e 6 a b o u tn i n e t yp e r c e n to ft h ec o k es t r e n g t hc a nb er e d u c e do u t s i d ec o m b u s t i o nz o n e i nb l a s tf u r f l a c 跫 7 t h ep r a c t i c a lw a yt os a v ec o k es t r e n g t hi st or e d u c et h ec a r b o nl o s sr a t e b a s e do nt h ek n o w l e d g em e n t i o n e da b o v e ，ac o r r e l a t i v em a t h e m a t i cm o d e lw a s e s t a b l i s h e da n du s e di na ne x p e r ts y s t e mo fb l a s tf u r n a c eo p e r a t i o n v i s u a lc + + w a s c h o s e nt ow r i t et h ep r o g r a mo w i n gt oi t ss t r o n gp r o g r a m m i n ga b i l i t y t h em a i nf u n c t i o no f t h i sm o d e lw a st oe s t i m a t et h ep e r m e a b i l i t yo fs t o c kc o l u m na n dt h eo p e r a t i o nc o n d i t i o ni n b l a s tf u r n a c eb a s e do nt h ec a r b o nl o s sr a t ea n dt h es t r e n g t ho fc o k e t h i sf u n c t i o nw a so n e o ft h ei m p o r t a n tf o u n d a t i o n so ft h ee x p e r ts y s t e m t h ea b i l i t i e sa n dr e l i a b i l i t yo ft h em o d e l w e r ep r o v e db yp r a c t i c e 1 1 1 河北理工大学硕士学位论文 f i g u r e3 7 t a b l e 7r e f e r e n c e 5 2 k e y w o r d s ：c o k e ，s t r e n g t h ，h i g ht e m p e r a t u r e ，b l a s tf u r n a c e ，e x p e r ts y s t e m c h i n e s eb o o k sc a t a l o g ：t f 5 2 6 + 1 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 河北理工大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 虢瑚耻嗍4 年期乒日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解河北理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复 制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 眺妒衅日 引言 引言 近年来，随着高炉大型化和富氧喷煤工艺的应用，高炉冶炼对焦炭质量的要求 己日趋严格。焦炭在高炉炼铁生产过程中起着重要作用，特别是喷煤技术引进后。 焦炭质量的好坏，尤其是高温性能的好坏对高炉顺行和高炉冶炼的技术经济指标的 影响不可低估。支撑料柱是焦炭在高炉内的主要作用之一，在高温区中更是不可替 代的。焦炭在进入燃烧带之前保持一定的。大致均匀的粒度是保证高炉料柱透气性 的重要条件。因此。焦炭必须具有足够的强度才能避免大量破损，满足料柱透气性 的要求。 焦炭强度是保证高炉料拄渗透性的疏松骨架作用的关键因素。在高炉应用富氧 喷煤技术，焦比大幅度下降的情况下，焦炭强度对高炉冶炼的影响更加突出。大容 积高炉的应用和冶炼强度的提高也对焦炭强度提出了更高的要求。国内外高炉解剖 表明。处于高炉下部的焦炭粒度明显减小，质量明显恶化。这除了机械应力破坏 外，更主要是由于c 0 2 对焦炭的熔损和碱金属的作用。所以表明高温状态下的焦 炭强度越来越多地被用于焦炭质量评价上。 目前测定焦炭强度最常用的是米库姆转鼓试验和坠落试验。由米库姆转鼓试验 测定的是焦炭的机械强废，它是两个截然不同属性的抗碎强度和耐磨强度的综合， 通常是在常温下进行的。近年来，还有人进行了热转鼓试验。这些检测虽然可在某 些方面判断焦炭的性质，但是仍不足以反应焦炭在高炉内的实际行为和主要性质。 用冷强度代替高温强度很难代表炉料的真实物性。针对目前国内外在炉料高温强度 方面研究的不足，重点对高炉内焦炭抗压强度的变化进行研究。使用一个高炉块状 带热模型研究焦炭在中低温带的物性交化，使用可调气氛高温抗压试验机模拟高炉 内的温度条件，重点研究焦炭强度与温度和失碳率的关系。运用线性回归作出了三 者的一元二次线性回归方程，建立相应的数学模型。以v i s u a lc 4 + 6 0 为开发工具 编制控制程序，嵌入专家系统当中。研究成果可应用于焦炭的质量检测、高煤比条 件下的焦炭选择以及判断炉况和料柱的透气性。高炉操作专家系统可根据判断结果 来选择适当的的高炉操作方针。 l 文献综述 l 文献综述 1 1 高炉生产过程及特点 炼铁生产历史悠久，高炉技术源远流长，高炉炼铁同其他工业生产技术一样经 历了一个由经验到理论、由低级到高级的发展过程。高炉炼铁己经成为主要的炼铁 方式。高炉冶炼是在密闭状态下进行的。煤气与炉料在高炉内做逆向运动，由矿 石，焦炭和熔剂组成的炉料靠自身的重力作用不断下降，焦炭在风口莳燃烧成煤 气，矿石则还原和熔化为液态的生铁和炉渣，并不断地排到炉外，为上边炉料的下 降腾出空日j 。风口前，热风和焦炭燃烧生成的煤气则受鼓风机压力的推动向上运 动。炉料和煤气在逆向运动中相互接触。作为热载体和还原剞，煤气一方面把热量 传给炉料，使其温度升高，为还原和熔化创造条件，另一方面夺取铁氧化物中的 氧，同时还原若干其他合金元素。煤气在风口i ；i 燃烧生成，初始煤气中只有一氧化 碳、氮气和少量的氢，并具有很高的温度和压力。煤气温度和成分在上升过程中不 断发生变化。一氧化碳下降，二氧化碳升高，温度则由于热交换和热损失不断降 低。压力也由于阻力损失而不断下降。高炉冶炼过程中，生铁和炉渣是同时形成 的。生铁的最终成分是在炉缸内形成的，除了铁之外，生铁中含有一定量的碳、少 量的硅、锰、磷、硫等元素。凡是在冶炼过程中未被还原的氧化物都进入炉渣 闱。 从高炉生产的工艺流程可以看出：高炉冶炼过程既是连续性过程，又是离散性 过程。炉内冶炼过程存在大量的物理交化、化学反应以及三相力学过程，而且都是 非线性与随机性的复合。可以说，高炉冶炼过程是目前为止最复杂的一种冶金反 应。因此，要实现对高炉冶炼过程的控制，首先要清楚高炉冶炼过程本身的特点： 1 高炉冶炼过程极端复杂 炼铁过程发生在高炉内部。其中大量的物理化学变化至今还没有得到完全和充 分的认识。 2 高炉检测信息不全 这首先表现在检测项目少，一般只是对炉顶、风口、炉身静压力等边界信息进 行检测，而且检测数据的采样频率低。其次是由于高炉大都投产多年，内部传感器 件有些己经失灵甚至损坏，得到的信息不准确或者根本无法获得某些信息【3 7 1 。 3 高炉反应迟钝 3 河北理工大学硕士学位论文 高炉过程是个大滞后的系统，时间常数很大，对控制动作反应不灵敏【3 8 j 。 4 高炉的可控范围狭窄 一是由于铁水质量必须满足炼钢的要求，使得高炉的各种控制参数的可调范围 相对较小。二是对于高炉炉况必须提前调整，而且幅度不能过大，这样才能避免发 生过大的波动。否则炉况将会急剧恶化，从而失去控制，导致高炉事故的发生 【3 9 1 。 高炉冶炼过程的这些特点，使得高炉的过程控制，特别是实时在线控制，成为 一项十分复杂的工作。 1 2 高炉焦炭 焦炭是一种含有裂纹和气孔的多孔脆性复合材料。焦炭裂纹的多少直接影响焦 炭的块度和抗碎强度，面焦块的孔孢结构和气孔壁的光学组织则与焦炭的耐磨强度 和高温反应性密切相关。因此，研究焦炭强度应该从多层次、多角度加以考虑，才 能较全面评价焦炭的性能。 1 2 1 焦炭在高炉中的基本作用 众所周知，焦炭是一种有一定硬度和脆性、多孔、不规则的物体，它在高炉里 有四大作用t t - t ! 。 1 作为燃料产生热量 焦炭的发热量标准值为2 8 4 7 1 6 k j k g - 1 ，主要供给炉料加热，熔化及氧化铁还 原反应所吸收的热量。 2 作为还原剂 焦炭中的碳素可提供间接还原所需的c o 和直接还原所需的c 。 3 作为渗碳剂 可提供生铁渗碳所需的碳素。 4 作为骨架 碳的熔点为3 6 5 2 c 。焦炭在炉内始终以固状存在，可保证炉料的透气性和透 液性，是理想的骨架材料。 - 4 1 文献综述 1 2 2 焦炭在高炉中的行为 在高炉冶炼中，有四个区域起着不同的作用，它们是块状带、软融带、滴下带 的活动焦炭层与呆滞焦炭层、风口回旋区。由于这几个部位的温度、c o 浓度、 c 0 2 含量都不同，焦炭的状态与行为也各不相同 a - 1 0 l 。 1 块状带的焦炭 块状带指炉腰以上，温度大致低1 0 0 0 c 的部位。该部位的矿石尚处于固态， 并无粘着现象。炉料入高炉时温度与大气温度相近，在块状带运行中温度升至 1 0 0 0 1 2 左右。这一蓄热行为为进入软熔带参与直接还原起重要作用。由于这时温 度在炼焦最终温度以下，所以受热对焦炭影响很小，焦炭块度和强度下降很少。在 块状带下部，铁矿石中的铁氧化合物与上升炉气中的c o 发生间接还原，生成的 c 0 2 在8 0 0 c 以上时与焦炭产生明显的气化反应生成c o ，使焦炭中的碳消耗掉， 即碳溶损失。块状带的碳溶损失一般不超过1 0 。 2 软融带的焦炭 软熔带处于炉腰、炉腹处l o o o 1 3 0 0 左右的部位。因温度及气流分布的 关系不同，形成倒“v ”型、“w ”型、倒“v ”型。焦炭和矿石仍保持层状相 问，但矿石由表及里逐渐软化熔融，而焦炭仍以块状起疏松料柱使气流畅通的作用 嘲。由于这一区域碳溶反应剧烈，焦炭中碳的损失可达3 0 4 0 ，所以焦炭强度 下降，块度减小很明显，同时也有较多的碎焦和焦粉产生，不利于气流畅通。因 此，使用粒度均匀，反应后强度高的焦炭对改善高炉软熔带状态起着重要作用。 3 滴落带的焦炭 软熔带下是一个完全由焦炭组成的中心料柱，温度在1 3 5 0 1 2 以上，它承受滴 落的液渣、液铁的冲刷，使铁滴的含碳量由l 迅速增加到2 以上。进入炉缸时 可达到4 左右，完成铁的渗碳过程。滴落带的焦炭因为碳溶反应不深，一般保持 一定的强度与块度，因此它又成为上升气流的通道，也称为焦炭栅格。其对软熔带 的中心气流发展起重要作用。 中心料柱的焦炭大部分来自软熔带最上部。当软熔带顶层因熔融而分裂开并向 下移动时，倒“v ”形顶端产生穿透作用，使焦炭向下滑动，直到顶端新的软融层 形成。也有一部分焦炭来自软熔带各个层问受到一定程度碳溶反应的焦炭，这部分 焦炭处于中心料柱碳堆的外围，与滴落带的一部分焦炭向下运动，进入风口区。最 后全部燃烧掉成为高炉的热源，称为活动层。中心科柱的下部有一堆焦炭，它受到 - 5 河北理工大学硕士学位论文 上面炉料的重力、下面液铁、液渣的浮力和四周鼓风的压力，形成一个平衡状态， 处于静止状态，即为呆滞层或死料柱焦。 4 风口回旋区周围的焦炭 风口回旋区周围的焦炭块度不一，来源也不同。热空气由风口鼓入后，形成一 个略向上翘起的袋状空腔，即回旋区。焦炭在此被鼓入的热空气带动强烈地回旋并 且燃烧，为高炉提供热能和还原气体c o 。空腔的外围因鼓风动能和炉料移动关 系，焦炭以不同状态分布在整个风口区域，如图1 所示： 图1 风口回旋区周围的焦炭 f i g 1c o k ca tt h er a w a y 空腔1 为回旋区，焦炭在此处燃烧，温度约达2 0 0 0 ，空腔上方区域2 是炉 腹焦，它来自中心料柱的活动层，作为回旋区燃烧的焦炭来源。其块度的完整和承 受热力作用的强弱与否对风口区状态有重要作用。区域3 是回旋区焦炭，它已承受 了较大的机械力和热的作用，因此块度较小而且钝圆，其表面因受高温影响有较高 的石墨化度。一般情况下越向炉子中心焦炭块度越小，因受鼓风动力而吹向远处。 区域4 是在整个回旋区焦炭下方，是一个很密实的结构，有碎裂的小粒焦块，同时 夹杂因重力流下的液渣和液铁，称雀巢焦。强度好的焦炭，雀巢焦层不大，数量也 不多，但易碎裂的劣质焦炭则雀巢焦量多且易向中心偏移，导致碎焦充满料柱的空 隙，影晌渣、铁液滴f 每下的正常渗透。雀巢焦层的下方是大块焦炭区5 ，由中心料 柱呆滞层焦炭移动至风口与风口问的焦炭堆向下移动所形成，它们不可能再进入回 旋区而浮在液渣上面达l m 2 m 厚度，渣、铁通过该层向下渗透。区域6 是呆滞层 焦炭，它始终处于稳定状态，直到碳素完全溶解，灰分进入渣中为止。 焦炭从进入高炉开始，直到风口区前历经各种热力和化学过程，良好的焦炭保 持一定的块度是回旋区j 下常的条件l l l 。 t 6 一 1 文献综述 1 2 3 测定焦炭性质的常规方法 高炉大型化和富氧喷吹工艺对焦炭质量提出了更高要求，随着高炉喷煤量的增 加，要求焦炭抗碎性能和耐磨性能较好，在高炉下部仍能保持较低的反应性( c r i ) 和较高的反应后强度( c s r ) 。因此焦炭的冷、热强度一直是关注的焦点之一。 常用测试焦炭强度的方法有以下三种： 1 转鼓试验 焦炭是一种有一定硬度和脆性、多孔、不规则的物体，所以测定焦炭强度不可 能用一般材料试验的常规方法。焦炭的机械强度是指两个截然不同属性的抗碎强度 和耐磨强度的综合，用焦炭在经受冲击力和摩擦力作用被破坏到一定程度之后粒度 的变化( 即粒度大于或小于某一规定的数值) 来表示。目l ；i 测定焦炭机械强度的最 常用的转鼓试验就是米库姆转鼓试验。 最初布雷斯劳对米库姆转鼓有如下规定：一般长度为1 0 0 0 r a m ；四个提升抄板 宽度1 0 0 r a m ；每次试验取四次平均；转鼓应当在4 m i n 转完1 0 0 r ，时问误差为 1 0 s ；焦炭试样应用问距为5 0 m m 的叉子取样，试样重5 0 k g ；大块焦应当用手拿 取放入鼓内，只有小块焦才允许倒入鼓内；鼓后用4 0 m m 圆孔筛筛两次才允许作 为强度指标。 我国从1 9 8 1 年开始采用g b l 9 9 6 8 0 标准的米库姆转鼓。米库姆转鼓内径及长 度分别为9 9 0 m m 和9 0 0 r a m ，为了与i s o 统一而改为现行d i n 5 0 1 7 1 7 1 9 6 7 标准， 目前德、英、意、捷、波、希等国均有采用。在实践中，对米库姆转鼓比较普遍的 意见是：试样块度较大( 6 0 m m ) 因而代表性差，特别是在目前高炉提出。净、 小、匀”方针后，要求相应减小焦炭粒度。如日本现在通常焦炭的块度上限为 4 5 m m 5 0 m m 。前苏联5 0 0 0 m a 高炉焦炭粒度范围为2 5 m m 6 0 m m ，其中 6 0 m m 级的在1 0 以下，其代表性就更差了。另一个意见是1 0 0 r 对有些焦炭冲击力是不 够的，在一定程度上仍有裂纹而未破碎。所以有的国家除1 0 0 r 之外还有增加至 2 0 0 r 及3 0 0 r 的。现行的米库姆转鼓试样焦块除 6 0 r a m 以外，还有 4 0 r a m 的， 采用m 2 s ( 或m 2 0 ) 和 o 指标。我国现己由本钢、鞍山热能研究院及冶金部标准 所提出，对g b l 9 9 6 8 0 标准进行修改，并已于1 9 9 6 年实行。采用 2 5 m m 试样焦 炭入鼓，尬5 为抗碎强度， o 为耐磨强度1 1 7 1 。 7 河北理工大学硕士学位论文 近年来，人们所进行的热转鼓试验研究是很有价值的。然而由于试验复杂和费 用昂贵，难以在实际生产中广泛应用。各国的转鼓试验从装置尺寸与构造、试样粒 度及重量到转鼓的操作及表示方法都各有差异。但方法的原理大体雷同。 2 焦炭的坠落试验 各种坠落试验的标准并无原则性差别。它是从大样中取出2 k g 焦炭，取其大于 5 0 r a m 焦炭并使其焦块中各块度的构成与大样的筛分成分一致。将此焦炭自1 8 3 m 高度坠落4 次，然后用5 0 8 m m 、3 8 1 m m 、2 5 4 m m 、1 2 7 m m 等方孔筛筛分，以筛 上百分数作为坠落试验指数。坠落试验指数大小与原始焦炭试验中的块度分布有很 大关系。 3 焦炭的抗拉强度试验【1 8 1 焦炭的抗拉强度试验方法是将块焦切成片状，用涂有金刚砂的空心钻头 伊1 0 m m ) 在焦炭片上钻取焦芯，将焦芯切成1 0 m m 左右长，经超声波清洗后，在 1 5 0 下干燥1 5 h ，用游标卡尺测量焦样的直径d 和长度工，把焦样放在抗拉强度 仪上径向压缩，等速加载，直至试样破碎为止。破碎载荷由记录仪自动记录。抗拉 强度s 按下式计算可得： s = 2 f y d l 式中： 卜啵碎载荷，k n ； 争- l 亢拉强度，m p a 。 每种焦测量5 0 个值，以平均值s 表示焦炭的抗拉强度。 此外还常用到反应性和反应后强度的测定，方法如下： 1 试样的采取与制备 按g b l 9 9 7 规定的取样方法，取大于2 5 m m 焦炭2 0 k g 。弃去泡焦和炉头焦， 经破碎、混匀、缩分出1 0 k g 。再用口, 2 5 r a m 、q b 2 1 m m 圆孔筛筛分。大于p , 2 5 r a m 的 焦块再破碎、筛分、取# 2 1 m m 筛上物，去掉片状焦和条状焦，取焦块2 k g 。分两 次( 每次l k g ) 置于l 型转鼓中，以2 0 r m i n 的转速，转5 0 r 。取出后再用妒2 1 m m 圆孔筛筛分，将筛上物缩分出9 0 0 9 作为试样。将制好的试样放入干燥箱，在1 7 0 1 8 0 温度下烘干2 h ，取出焦炭冷却至室温，称取2 0 0 9 _ _ _ 0 5 9 备用。 2 试验过程 首先在反应器底部铺一层高约1 0 0 m m 的高铝球，上面平放筛板。然后装入已 备好的焦炭试样2 0 0 9 + _ 0 5 9 。注意装样前调整好高铝球高度，使反应器内焦炭层处 - 8 - 1 文献综述 于电炉恒温区内。将与上盖相连的热电偶套管插入料层中心位置。用螺丝将盖与反 应器筒体固定。将反应器置于炉顶的托架上吊放在电炉内。托架与电炉盖间放置石 棉板隔热。在反应器法兰四周围上高铝轻质砖( 用标准尺寸高铝轻质砖切成，尺寸 随意) ，减少散热。 将反应器进气管、排气管分别与供气系统、排气系统连接。将测温热电偶插入 反应器热电偶套管内( 热电偶用高铝质双孔绝缘管及高铝质热电偶保护管保护) 。 检查气路，保证严密。 接通电源，用精密温度控制装置调节电炉加热。先手动调节，电流由小到大， 在1 5 m i n 之内，逐渐调至最大值，然后将按钮拨到自动位簧。升温速度为8 。0 1 6 m i n 。当料层中心温度达到4 0 0 0 时，以0 8 l m i n 的流量通氮气，保护焦 炭，防止其烧损。 当料层中心温度达到1 0 5 0 1 2 时，开红外线灯，预热二氧化碳气瓶出口处。当 料层中心温度达到1 1 0 0 c 时，切断氮气，改通二氧化碳，流量为5 l m i n ，反应 2 h 。通二氧化碳后料层温度应在5 m i n 1 0 r a i n 内恢复到1 1 0 0 4 - 5 0 。反应开始 5 m i n 后，在排气系统取气分析，以后3 0 m i n 取气一次，分析反应后气体中一氧化 碳或二氧化碳含量。 反应2 h 后，停止加热切断二氧化碳气路，改通氮气，流量控制在2 l m i n 。拔掉排气管，迅速将反应器从电炉内取出，放在支架上继续通氮气，使焦炭 冷却到1 0 0 1 2 以下，停止通氮气，打开反应器上盖，倒出焦炭，筛分、称重、记 录。 、 反应后的焦炭全部装入l 型转鼓内，以2 0 r r a i n 的转速共转3 0 r a i n 。总转数为 6 0 0 r 。然后取出焦炭筛分、称重、记录各粒级质量。 验后，大于1 0 r a m 粒级的焦炭占反应后焦炭的重量百分数称焦炭反应后强 度。该数值在国标中以符号表示，其计算式为： s “) = g 2 g l 1 0 0 式中： g l 反应后的残余焦炭重量，g g 2 _ - 车专鼓试验后 1 0 r a m 的焦炭重量，g 。 最终计算得出反应性和反应后强度。 焦炭的反应性和强度是衡量焦炭常规性质最重要的参数。 9 河北理工大学硕士学位论文 1 2 4 研究焦炭高温抗压强度的意义 焦炭在高炉炼铁生产过程中起着重要作用，特别是喷煤技术引进后。煤粉可代 替焦炭在高炉中提供燃料、还原剂和渗碳剂等消耗品。但焦炭的另一个极其重要的 作用，支撑炉料，却是煤粉所无法替代的1 1 1 。焦炭强度对于保持炉内的透气和透液 性极其重要【2 1 。因此，焦炭必须具有足够的强度才能避免大量破损，满足料柱透气 性的要求。 冶金界一向重视对焦炭强度的研列3 胡，主要参数是转鼓指数和反应后强度。 这两个参数的检验均在常温下进行，试样的受力方式主要是摩擦和冲击。而炉料在 高炉内承受的主要是炉料之间的挤压力。因此，常规检验方法在温度和受力方式两 个方面均不能精确反应炉内的实际条件。也就是说焦炭在炉内的实际状况与它的冷 态强度之间存在很大的差距。因此有必要对焦炭在高炉内的实际性能进行研究。 1 2 5 研究高炉内焦炭抗压强度的必要性 随着富氧大喷煤的实现，焦比的降低，高炉焦炭负荷的r 益加重，焦炭在高炉 内的骨架作用愈发显得重要。因此，高炉工作者对焦炭的强度指标，特别是热性能 指标，愈来愈重视。 评价焦炭质量的好坏，关键是看焦炭能否满足高炉冶炼的要求。因此，焦炭在 高炉内的热性质十分重要。焦炭的热性质是一个极其复杂的问题，它的质量指标主 要以c r i ，c s r 表示，即焦炭在高炉内的反应性和反应后强度。增加并完善公司 技术中心焦炭热性质检测装置及人员配置，开展高炉大喷煤量下的焦炭热性质研 究，找出影响热性质的主要因素，是提高焦炭质量的一项重要举措。 常规的反应性和反应后强度不能准确的反映焦炭的质量。因为，焦炭反应后强 度的测量是在常温i 型转鼓中进行的。这种方法有三个方面有背予实际情况：第 一，高炉中的焦炭是在高温区下失碳，在常温下测定其强度肯定与实际不符；第 二，焦炭在高炉内所受的力主要是与炉料相互之间的挤压力，而在l 型转鼓中对焦 炭起破坏作用的是在旋转过程中焦炭之间的摩擦力和冲击力。显然国标的测量难以 反应焦炭在真实环境中的强度；第三，反应后强度是试样在反应以后测出的强度， 试样失碳率一般在4 0 5 0 ，但实际生产中低质量焦炭的失碳率一般也远低于 这个范围。 1 0 1 文献综述 为了研究焦炭在高炉内的实际行为，我们在前人研究的基础上进一步改进试验 方法，模拟高炉内的条件，对焦炭高温高失碳率条件下的抗压强度进行了试验研 究。 1 2 6 研究焦炭抗压强度与温度关系的重要性 近年来，高炉喷煤发展很快，喷煤技术不断提高，使用率也在不断地普及。西 欧自1 9 8 0 年的第一座高炉使用喷煤以来，已经有百十余座高炉使用喷煤技术。亚 洲也在迅速的发展喷煤技术。目前日本几乎所有的高炉都使用了喷煤生产，总喷煤 量约占世界的4 0 5 0 。 我国的喷煤技术近几年也在突飞猛进的提高。从9 0 年代初至现在，大量喷吹 煤粉已成为高炉炼铁技术发展的主要内容之一，钢铁行业已把高炉喷煤作为减少焦 炉的主要手段【刎。西欧、日本等国家的一些高炉年均煤比达到1 6 0 k g t - 1 2 0 0 k g t 。 1 ，月平均最高煤比达到2 1 0 k g t d 2 5 0 k g - t 。宝钢高炉喷煤起步相对较晚，但发展 较快。1 9 9 8 年以来，煤比持续上升，高炉喷煤技术指标不断被刷新。截止到2 0 0 1 年5 月份，3 号高炉已连续3 6 个月保持在2 0 0 k g f 1 以上，1 号高炉在1 9 9 9 年9 月 创造了煤比2 6 0 6 4 k g - f 1 的最高记录。2 0 0 0 年3 座高炉年平均技术指标见表1 1 2 5 1 。 表1 宝钢高炉2 0 0 0 年指标 t a b l e lp a r a m e t e r so f1 3 1 a s tf u m a si nb a os t e e li n2 0 0 0 高炉警利用t d - t 系数m ，嚣- ，譬，懋i 麓率繁繁 ，s i l 甥 1 高炉4 0 6 3 2 2 9 02 6 9 02 2 8 34 9 7 32 6 81 2 5 31 5 0 30 3 10 0 2 1 2 高炉4 0 6 3 2 1 7 43 1 8 11 7 2 94 9 9 11 鹪1 2 4 51 5 0 40 3 20 0 2 2 3 高炉4 3 5 0 2 2 9 3 2 7 5 3 2 0 5 94 9 5 i2 8 61 2 4 61 5 0 30 2 8 0 0 2 1 平均4 1 5 92 2 5 42 8 6 72 0 2 94 9 7 12 4 71 2 4 81 5 0 30 3 00 0 2 1 由此可见，宝钢采用高炉喷煤技术，大大降低了焦比，降低了炼铁生产成本， 提高了高炉经济效益，增强了宝钢与国内外钢铁企业的竞争力。 但喷煤量是受一定因素限制的。向风口内喷吹煤粉主要是提供由鼓风燃烧的碳 量以替代风口前燃烧的焦炭。有些研究人员认为完全替代风口前燃烧的碳量所需的 煤粉量就是该高炉的最大喷煤量或称为极限喷煤量。这意味着焦炭在到达风口前失 碳率已达1 0 0 ，已经不能起到应有的骨架作用，因此在理论上是不可能的。 高炉喷吹煤粉量受理论燃烧温度、氧的过剩系数、热流比等因素的制约，也与 煤粉燃烧速度、煤粉的质量有关1 2 6 - - 2 s 1 。 河北理工大学硕士学位论文 增大喷煤量对高炉冶炼带来的有利影响如下： 1 提高矿石熔融前的还原度； 2 发展了高炉中心气流，使炉缸活跃区扩大。因此，适当提高喷煤量使得高 炉操作容易，对顺行有利，提高生铁质量。 但是，增大喷煤量后，不利因素随之而来。焦炭在炉料中的比例降低，在炉内 滞留时间延长，焦炭中碳的溶损提高，然而它的骨架作用无法替代，因此焦炭的负 荷增大，破损率显著增加，使得炉料透气性差，高炉接受风量能力变差。因此进一 步提高煤比受到限制，同时使高炉操作变得越来越困难。 为保证料柱必要的透气( 液) 性，煤比越高( 焦比越低) ，对焦炭高温强度的 要求也越高。从这个角度看，焦炭高温强度可认为是喷煤极限和最低焦比的限制性 因素之一。 因此，研究焦炭抗压强度和温度之间的关系对提高高炉的冶炼水平具有重要意 义。 1 2 7 研究抗压强度与失碳率关系的重要性 焦炭中的碳素消耗可分为两种类型。第一种类型是风口前的燃烧消耗。这种消 耗对料柱中的焦炭强度基本没有影响。第二种类型是非燃烧消耗，主要是直接还原 和渗碳反应对碳素的消槲2 9 l 。 5 0 4 5 堡4 0 u _ 3 5 3 0 2 5 0 5 0 1 0 01 5 02 0 02 5 03 0 0 c k g - t 1 图2 失碳率与煤比( ，声1 ) 的关系 f i g 2r e l a t i o n s h i pb e t w e e na l r b o nl o s sr a t eo f c o k ea n dc o a lr a t e - 1 2 1 文献综述 碳素的非燃烧消耗可在焦块表面和内部同时进行。一般，表面处的反应条件较 优，失碳率大一些。内部反应条件较差，失碳率也相应较小。发生于表面的碳素损 失对焦炭强度影响较小，但可造成焦炭粒度的减小。发生于内部的碳素损失不会影 响焦炭的粒度，但可能严重影响焦炭强度。 焦炭失碳率随着煤比的增加而升高。当煤比由0 增加到3 0 0 k g 时，失碳率则由 2 5 增到5 0 ，如图2 所示。 高炉生产和工业试验结果表明，未燃煤粉在高炉内可得到相当充分的利用。在 此前提下，如果煤粉燃烧率降低到一定水平，失碳率将随着煤比的升高而降低。但 是在较高的煤粉燃烧率条件下，失碳率则随着煤比的升高而升高。 在目i j 的条件下，燃烧率为0 7 2 时失碳率为一定值。在燃烧率为0 5 的现场条 件下，焦炭强度应该增加。但实际上由风口试验测得：在高煤比条件下，焦炭尺寸 却降低了。鉴于这种情况，有两种解释。其一，焦炭强度不能抵消由于焦炭负荷发 生变化而带来的影响。另一种是实际的燃烧率大于0 5 。如果是第一种原因造成 的，则降低喷煤比以降低失碳率是唯一的优化操作参数和高炉顺行的办法。如果是 第二种情况，降低煤粉燃烧率是保护焦炭强度的有效方法。控制煤粉燃烧率的有效 参数是喷吹煤粉粒度，大粒度的煤粉不仅降低了煤粉的燃烧率，而且降低了生产成 本。因而要有一个合适的煤粉燃烧率。对这个合适的煤粉燃烧率来说，焦炭失碳率 和焦炭负荷是两个非常重要的直接影响参数。在一定的焦比情况下，焦炭负荷是个 非可控参数，而焦炭失碳率也没有一个可循的标准，用风口前的焦炭碳负荷为标准 并记为历。定义风口前焦炭碳量的倒数为焦炭碳负荷： 也。丽省乒百 式中： c ，焦炭中固定碳的含量，k g ； c 风口以上的碳素消耗，k g f 1 ( 大约1 1 0 k g ) ； g 煤粉中的有效碳消耗( 在风口区以上代替焦炭的那部分煤粉中的碳) ， l 【g ； 骼噍比，k g f 1 。 定义式的含义是焦炭到达风口时所含碳量的倒数。 表2 1 3 0 j 给出了，c ( 煤比) 和厂c ( 煤粉燃烧率) 在如下条件下的关系。 k ：4 6 6 k g f 1 ；c ，：7 2 置换比：0 8 5 。 1 3 河北理工大学硕士学位论文 表2 不同煤比和燃烧率条件下的碳负荷参数 t a b l e 2 t h e p a r a m e t e r o f c a r b o n b u r t h e n u n d e r v a r y o f c o a lr a t ea n d c o m b u s t i o n r a t e 0 2 0 0 0 3 5 00 0 0 3 5 90 0 0 3 6 90 0 0 3 7 90 0 0 3 9 0o 0 c 1 4 0 30 0 0 4 1 60 0 0 4 2 90 0 0 4 4 3 0 30 0 0 3 5 00 0 0 3 6 40 0 0 3 7 9 0 0 0 3 9 50 0 0 4 1 30 0 0 4 3 5o 0 0 4 5 70 0 0 4 8 10 加5 0 8 0 40 0 0 3 5 00 0 0 3 6 80 0 0 3 8 9o 0 0 4 1 30 0 0 4 3 90 0 0 4 7 2o 加5 0 r 7o 0 0 5 4 7 0 5 9 5 o 50 0 0 3 5 00 0 0 3 7 3 0 0 0 4 0 1 0 0 0 4 3 20 0 0 4 6 9 0 0 0 5 1 60 0 0 5 6 90 0 0 6 3 50 0 0 7 1 8 0 60 0 0 3 5 00 0 0 3 7 80 0 0 4 1 30 0 0 4 5 30 0 0 5 0 30 0 c 1 6 j 阳0 0 0 6 4 9 o 0 0 7 5 60 0 c 喇) 5 0 70 0 0 3 5 00 0 0 3 8 40 0 0 4 2 50 0 0 4 7 70 0 0 5 4 2o 0 0 6 3 30 0 0 7 5 5 0 0 0 9 3 40 0 1 2 2 1 0 80 0 0 3 5 00 0 0 3 8 90 0 0 4 3 90 0 0 5 0 30 0 0 5 8 80 0 0 7 1 50 0 0 9 0 2 0 0 1 2 2 10 0 1 8 9 1 通过鞍钢三高炉富氧喷煤强化炼铁工业实验证明：2 0 0 k g t 的高喷煤比是可以 接受的。假定煤粉的燃烧率为：0 5 ，焦炭的碳负荷为：0 0 0 4 7 。并把焦炭的碳负荷 ( 矗c ) 标准定为：0 0 0 4 7 。则上述的讨论则可通过图3 表示。 1 0 ，8 o 6 - 0 4 o 2 o ：邢： 、回 a x d y c u3 叩y 曰 口 5 01 0 01 5 02 0 0 2 5 03 0 03 5 04 0 0 a k c t 图3 煤粉的合适燃烧率 f i g 3c o a lp o w d e ra p p r o p l i a 把c o m b u s t i o nr a t e 在图中有三条曲线。曲线1 是焦炭的碳负荷为0 0 0 4 7 的曲线。曲线3 是失碳 率为0 的曲线。曲线三是通过曲线1 和曲线2 的交点的一条垂线。图中由三条曲线 分为四个区域。 区域a 是高炉喷煤区，在这个区域里，煤粉的碳素即可以保护焦炭还可以被 充分的利用。随着煤比的增大，合适的燃烧率区域变得又细又窄。也就是随着煤比 的增高，合适的煤粉燃烧率的范围变小。如果煤比太高，则煤粉燃烧率则几乎没有 选择。区域b 的焦炭的碳负荷非常重。有一个经济的办法，即通过使用大粒度煤 粉降低煤粉燃烧比。 区域c 的碳素过剩，因而需要较高的煤粉燃烧率来满足。使用高反应性的煤 粉是提高煤粉燃烧率最有效的办法。 一1 4 - 1 文献综述 而在区域d 则没有合适的煤粉燃烧率，在d 区的上部，煤粉的燃烧率很高， 煤比超过2 5 0 k g t ，焦炭的碳负荷太重。在d 区下部，煤粉的燃烧率很低。煤粉得 碳素过剩很大；而在中间区域，焦炭的碳负荷太重而且煤粉碳素过剩很大，因而没 有合适的煤粉燃烧率。通过改善焦炭质量，曲线3 可以右移，从而可以增大高喷煤 比条件下的合适煤粉燃烧率的区圳3 1 刊l 。 1 3 高炉专家系统 1 3 1 高炉专家系统的特点 高炉工艺的复杂性使得冶炼过程的信息分散在各个不同的子工序和生产岗位 上。没有高炉生产各工序、各岗位信息的及时传递，高炉主控室也就无法得到冶炼 过程控制所需的完备信息。且不说与高炉冶炼控制直接相关的配料一上料一布料工 序的信息和富氧一鼓风一喷煤的信息，单说化验室化验分析的入炉原燃料化学成 分、铁一渣化学成分和过磅站的铁水计量信息，如果不能及时传递到高炉主控室， 那么炉温预报的数学模型和预测控制程序也就无法正确运行，从而失去数学模型工 作的时效性。许多高炉事故的发生也正是工长在信息缺损情况下，因为误判断导致 操作失误造成的。【伽1 6 1 高炉专家系统是基于传感器型的在线实时专家系统【l l 。在高炉运行过程中产生 大量实例。高炉专家系统是通过对大量生产实例进行统计分析，从而实现规则提取 嘲具体说来，高炉冶炼过程专家系统是根据专家系统与神经网络的原理，由优秀 高炉工作者( 操作专家) 提供专门知识和经验，经知识工程师构筑知识库、推理 机，二者结合进行推理和判断，模拟冶炼专家判断炉况并进行操作指导，达到控制 高炉冶炼过程的目的。其特点如下1 1 7 1 ； 1 高炉冶炼过程数学模型推断炉内状态大多以区域热平衡、物料平衡、化学 反应为基础。炉况稳定时命中率较高，炉况异常( 如滑料、崩料、管道、悬料) 时 适应性较差。高炉冶炼过程专家系统主要是由操作专家知识和经验构成知识系统， 参照操作条件和管理