未燃煤粉对高炉炉渣流动性的影响.pdf
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1、第 卷第期 年月有色金属工程N o n f e r r o u sM e t a l sE n g i n e e r i n gV o l ,N o A p r i l d o i:/j i s s n 收稿日期:基金项目:国家自然科学基金资助项目()F u n d:S u p p o r t e db yt h eN a t i o n a lN a t u r a lS c i e n c eF o u n d a t i o no fC h i n a()作者简介:于春梅(),女,硕士,高级工程师,研究方向:冶金工程及矿物分析.引用格式:于春梅,李燕江,梁旺未燃煤粉对高炉炉渣流动性的影
2、响J有色金属工程,():YU C h u n m e i,L IY a n j i a n g,L I AN G W a n g I n f l u e n c eo fU n b u r n e dC o a lP o w d e ro nF l u i d i t yo fB l a s tF u r n a c eS l a gJN o n f e r r o u s M e t a l sE n g i n e e r i n g,():未燃煤粉对高炉炉渣流动性的影响于春梅,李燕江,梁旺(北京科技大学 冶金与生态工程学院,北京 )摘要:高炉喷吹煤粉技术是降低炼铁生产成本、优化高炉操作的
3、主要技术手段,在高喷煤比条件下未能在风口回旋区燃尽的残炭颗粒以未燃煤粉形式进入料柱,过多的未燃煤粉会对炉渣性能产生不利影响.为了研究未燃煤粉对高炉炉渣流动性的影响,通过X射线衍射分析、扫描电子显微镜和能谱分析仪等分析手段研究了未燃煤粉在炉渣中的存在状态及对炉渣性能的影响.结果表明,未燃煤粉颗粒呈均匀状分布于炉渣中,添加未燃煤粉前后炉渣黏度与温度的关系均满足阿伦尼乌斯方程,并且黏度值随着温度降低均呈现出增大趋势.随着未燃煤粉固体颗粒质量分数增加,炉渣黏度呈线性增大趋势,并且炉渣中未燃煤粉含量越多,转速对非均相熔体黏度的影响越明显.关键词:未燃煤粉;炉渣;黏度;非均相熔体中图分类号:T F 文献标
4、志码:A文章编号:()I n f l u e n c eo fU n b u r n e dC o a lP o w d e ro nF l u i d i t yo fB l a s tF u r n a c eS l a gYUC h u n m e i,L IY a n j i a n g,L I ANG W a n g(S c h o o l o fM e t a l l u r g i c a l a n dE c o l o g i c a lE n g i n e e r i n g,U n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h
5、n o l o g yB e i j i n g,B e i j i n g ,C h i n a)A b s t r a c t:P u l v e r i z e dc o a l i n j e c t i o nt e c h n o l o g y i s t h em a i nw a yt or e d u c et h ep r o d u c t i o nc o s to f i r o nm a k i n ga n do p t i m i z e t h eo p e r a t i o no fb l a s t f u r n a c e U n d e r t
6、h ec o n d i t i o no fh i g hc o a l i n j e c t i o nr a t i o,t h er e s i d u a l c a r b o np a r t i c l e st h a t a r en o tb u r n e do u t i nt h e t u y e r e r a c e w a ye n t e r t h ec h a r g ec o l u m n i nt h e f o r mo fu n b u r n e dc o a l p o w d e r,a n dt o om u c hu n b u
7、r n e dc o a lp o w d e rw i l l a d v e r s e l ya f f e c t t h ep e r f o r m a n c eo f s l a g i no r d e r t os t u d y t h e i n f l u e n c eo f u n b u r n e dc o a l p o w d e ro nt h e f l u i d i t yo fb l a s t f u r n a c es l a g,X r a yd i f f r a c t i o na n a l y s i s,s c a n n i
8、 n ge l e c t r o nm i c r o s c o p ea n de n e r g ys p e c t r u m a n a l y z e rw e r eu s e dt os t u d yt h es t a t eo fu n b u r n e dc o a lp o w d e ri nt h es l a ga n di t si n f l u e n c eo ns l a gp e r f o r m a n c e T h er e s u l t ss h o wt h a t t h ec o a l p o w d e rp a r t
9、i c l e sa r eu n i f o r m l yd i s t r i b u t e di nt h es l a g T h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns l a gv i s c o s i t ya n dt e m p e r a t u r eb e f o r ea n da f t e ra d d i n gu n b u r n e dc o a lp o w d e rs a t i s f i e st h e A r r h e n i u se q u a t i o n,a n dt h ev i s
10、c o s i t yv a l u e s h o w s a n i n c r e a s i n g t r e n dw i t h t h ed e c r e a s eo f t e m p e r a t u r e W i t h t h e i n c r e a s eo f t h em a s s f r a c t i o no fu n b u r n e dc o a l p o w d e r s o l i dp a r t i c l e s,t h e s l a gv i s c o s i t ys h o w e da l i n e a r i
11、 n c r e a s e t r e n d,a n dt h em o r eu n b u r n e dc o a lp o w d e rc o n t e n ti nt h es l a g,t h em o r eo b v i o u st h ei n f l u e n c eo fr o t a t i o ns p e e do nt h ev i s c o s i t yo fh e t e r o g e n e o u sm e l t K e yw o r d s:u n b u r n e dc o a l p o w d e r;s l a g;v i
12、 s c o s i t y;h e t e r o g e n e o u sm e l t目前,高炉转炉的长流程炼钢过程仍然是我国钢铁产品的主要生产流程,意味着高炉炼铁仍然是钢铁冶炼的重要流程 .高炉喷吹煤粉技术是将煤粉从风口喷入高炉,为高炉提供部分热量和还原有 色 金 属 工 程第 卷剂,从而替代焦炭使用,降低燃料成本和提升传统高炉炼铁竞争力的一种重要技术手段.我国高炉喷吹煤粉技术具有燃料种类多和使用量大的特点,多数高炉均采用烟煤与无烟煤混合喷吹的方式,此方法不仅可以均衡烟煤和无烟煤性能的差异,还可以均衡两者的价格差异,通过对煤粉的优化搭配,从而降低燃料比以及降低高炉冶炼成本.但是在大量
13、喷煤后,煤粉在风口回旋区无法完全燃烧,从而会导致未燃煤粉的产生,未燃煤粉或参与各类物理化学反应或随炉渣被排出炉外或随炉顶煤气逸出炉外,.在之前的研究中发现,部分未燃煤粉随煤气流上升并吸附于焦炭颗粒表面进行气化反应,由于未燃煤粉的反应性优于焦炭,在高炉内可以抑制焦炭溶损反应的发生,起到保护焦炭的作用,.过量的未燃煤粉与煤气一起进入进料柱将对高炉的空气渗透性,液体渗透性和炉渣流动性产生不利影响.在高炉炼铁过程中,炉渣成分是影响其冶金性能的重要因素.炉渣的冶金性能对于高炉的稳定顺行、高产长寿等具有至关重要的作用,良 好 的 冶 金 性 能 要 求 炉 渣 具 有 适 宜 的 黏度 .为了进一步明确未
14、燃煤粉对炉渣冶金性能的影响.本文基于国内某钢铁公司高炉基本情况,选取烟煤、兰炭和焦化除尘灰等燃料按照高炉现场入炉的燃料配比制取贴近高炉实际的未燃残炭,明确未燃煤粉在炉渣中的存在形式,研究未燃残炭对高炉炉渣黏度的影响规律,为高炉喷吹煤粉的选择和优化搭配提供理论依据.实验设备及方法 实验方案设计高炉渣的主要成分为C a O、S i O、M g O、A lO四大 组 元 和 其 他 微 量 元 素 的 氧 化 物 组 成,其 中C a O、S i O、M g O、A lO四 大 组 元 可 以 占 以上,因此对炉渣黏度起最大作用的是这四大组元.以所调研高炉炉渣的基本情况为依据,计算得出未燃煤粉在高炉
15、终渣中的含量,以此为基准设计实验分析未燃煤粉含量对高炉终渣黏度性能的影响规律.选择 分 析 纯 试 剂C a O、S i O、M g O、A lO配渣,为了去除碳酸盐、氢氧化物等易挥发物质,使用前将分析纯试剂C a O、S i O、M g O、A lO在马弗炉内焙烧 h,焙烧温度为 .实验使用试剂纯度如表所示.表实验用试剂纯度T a b l eP u r i t yo f e x p e r i m e n t a l r e a g e n t s/A g e n t i aC a OM g OA lOS i OP u r i t yA R,A R,A R,A R,试样配比基于国内某钢铁公司
16、生产高炉炉渣成分(表),选择C a O、M g O、A lO、S i O四种主要氧化物配渣,以生产高炉现场喷吹燃料配比为依据,将神东烟煤、兰炭、焦化除尘灰按照进行配比掺混,利用高炉喷煤模拟燃烧实验装置制取未燃煤粉,以分析未燃煤粉对四元系炉渣黏度的影响.表实验选用高炉渣成分T a b l eT h ec o m p o s i t i o no fb l a s t f u r n a c e s l a g s e l e c t e d i nt h ee x p e r i m e n t/C a OM g OA lOS i OT i OO t h e rB a s i c i t y 实
17、验前,根据高炉渣系情况,控制炉渣的二元碱度(C a O/S i O)不变,通过改变未燃煤粉添加量来明确未燃煤粉对炉渣黏度的影响.未燃煤粉的添加量按质量百分比分别控制为、和,具体的渣系成分如表所示.将配好的各组试样在玛瑙研钵中均匀混合后装入石墨坩埚中,使用B LMT 高温节能管式炉在 温度条件下预熔h,预熔及冷却过程通入高纯氩气()进行保护,冷却后的样品连同石墨坩埚一起放置在干燥器中备用.表黏度实验各组样品的质量百分比T a b l eT h em a s s c o m p o s i t i o no f e a c hg r o u po f s a m p l e s i nt h ev
18、 i s c o s i t ye x p e r i m e n t/N o B a s i c i t yC a OS i OM g OA lOU n b u r n e dc o a l p o w d e rS S S S 第期于春梅等:未燃煤粉对高炉炉渣流动性的影响 实验设备与方法 实验设备本实验黏度测量采用旋转柱体法,使用的设备为东北大学研发的R TW 综合物性测定仪,设备示意图如图所示.该设备主要由五部分组成:)控温及加热系统,实验所用高温炉发热体为U型M o S i O加热棒,采用两支双铂铑热电偶(P t R h P t R h )进行测温,一支从炉体侧壁插入到M o S i
19、O加热棒进行控温,另一支放在石墨坩埚底部用来测定样温,样温热电偶及石墨坩埚均处于高温炉炉体恒温带,分别采用两个S a n y o u S V 控温仪表显示样温和控制温度,控温精度;)旋转系统,自下而上依次由钼锤、刚玉管、转接头、不锈钢杆、数据器组成,通过可调转速的高温旋转黏度计,可得到不同剪切速度下钼锤所受的剪切应力,通过两者是否为线性关系来判断熔体是否为牛顿流体,牛顿流体黏度与剪切速率无关,非牛顿流体黏度随剪切速率变化;)测量系统,数据传感器将黏度数据传到计算机上,通过采集系统记录不同温度不同转速条件下的黏度值;)气体保护系统,实验过程中从炉管底部持续通入流量可控的高纯氩气至炉内,气体流速为
20、 m L/m i n,保护石墨坩埚、钼锤不在高温下氧化;)冷却系统,循环冷却水 对炉 壳、炉 盖 进 行 换 热冷却.图R TW 综合物性测定仪装置示意图F i g S c h e m a t i cd i a g r a mo fR TW c o m p r e h e n s i v ep h y s i c a l p r o p e r t y t e s t e r 实验方法)在正式进行熔渣黏度实验测定前,室温条件下用蓖麻油作为标准液对黏度常数进行标定;)将 预 熔 后 的 样 品 连 同 石 墨 坩 埚 一 起 放 入R TW 综合物性测定仪的炉管内,保证石墨坩埚处于炉管中心恒温区
21、位置,打开气路阀门通入高纯氩气保护并打开冷却水阀门通入冷却水;)将炉内温度以 /m i n的升温速率升到 ,保温 m i n以确保样品熔化均匀;)采用定温测黏度模式分别测定转速为 、r/m i n三个条件下熔体的黏度,每个转速条件下测定个黏度值并取其平均值作为相应转速条件下的最终黏度值,同时测定每个转速熔体黏度之前熔体均要在此转速下搅拌 m i n以确保熔体成分均匀;)之后每降 保温 m i n重复测黏度操作,直到测完 温度下的黏度时,将炉温升到 ,迅速取出钼锤,冷却并清洗后待下组实验使用.样品分析测试选择实验S 样品,分别对水淬后的样品进行X射线衍射分析和扫描电镜能谱分析(S EM E D
22、S),使用的日本玛珂科学仪器公司生产的超大功率X射线衍射仪(M X VH F )和美国康塔仪器公司生产的环境扫描电子显微镜(QUANT A F E G ).结果讨论 未燃煤粉在炉渣中的存在形式为了探明进入炉渣内的未燃煤粉在炉渣中的存在形式,选择添加未燃煤粉后的S 试样进行水淬,并进行X射线衍射分析,结果如图所示.从图可以看出,试样S 水淬后的渣样中明显存在碳峰,说明未燃煤粉颗粒存在于炉渣中,并且在高温条件下未与炉渣熔体反应.同时,除了碳质颗粒的存在,有 色 金 属 工 程第 卷还有复杂氧化物的结晶相存在,说明未燃煤粉碳质颗粒的存在,促进了非均质形核,使S 试样有结晶相生成.图水淬后试样的X R
23、 D分析结果F i g X R Da n a l y s i s r e s u l t so f s a m p l e sa f t e rw a t e rq u e n c h i n g为进一步探明未燃煤粉在炉渣中的分布情况,通过扫描电镜对水淬后样品的微观形貌进行分析,并且通过能谱分析明确渣样中不同元素的分布情况,结果如图所示.从图可以发现,样品中存在C、O、M g、A l、S i、C a等多种元素,C元素的存在也进一步证明了X R D结果的正确性.炉渣不与未燃煤粉中的碳发生反应这一相同的现象与XU等 的研究结果一致.通过面扫描结果可以看出,C的分布不是散点式的,而是均匀地分布在了炉
24、渣矿物组分中,在每部分炉渣熔体物相组成中,均有未燃煤粉碳质颗粒的分布.同样,炉渣中C a、M g、A l、S i、O五种元素广泛致密均匀地分布在渣样中,这是由于高炉渣高温条件下熔化各组分,扩散形成新的化合物,并构成了高炉渣新的组分,各元素均匀分布.通过样品检测分析,可以明确未燃煤粉固体颗粒可以均匀地分布在熔体中.图水淬后试样的S EM E D S图像F i g S EM E D S i m a g eo f s a m p l e第期于春梅等:未燃煤粉对高炉炉渣流动性的影响 温度对炉渣黏度的影响不 同 配 比 成 分 的 样 品 在 不 同 温 度(、)条件下和不同转速(、r/m i n)条件
25、下测得的黏度值结果如表所示.从表可以看出,S组样品未加未燃煤粉的炉渣属于均相流体,其黏度值随转速变化基本保持不变,随着温度的降低而逐渐增加.添加了未燃煤粉的炉渣样品,未燃煤粉以固态颗粒的形态均匀分布于炉渣中,此时炉渣为非均相流体,非均相熔体的黏度值随温度和转速的不同均发生变化,转速越大黏度值越小,S 样品在 时转速由 r/m i n增加到 r/m i n时,黏度值由 d P as减少到 d P as.同时,对比不同未燃煤粉含量对炉渣黏度的影响还可以看出,随着未燃煤粉含量的增加,炉渣黏度值增加,在 r/m i n的转速时,S 样品的黏度值为 d P as,S 样品的黏度值仅为 d P as.根据
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