測(cè)試堿金屬及鋅蒸氣對(duì)焦炭破壞作用及性能影響的方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明一種 測(cè)試堿金屬及鋅蒸氣對(duì)焦炭破壞作用及性能影響的方法 。將過(guò)量活性炭粉與堿金屬碳酸鹽或鋅氧化物混勻，放入內(nèi)部有臺(tái)階的剛玉坩堝，在坩堝內(nèi)臺(tái)階上放置多孔剛玉墊片，在墊片上放置反應(yīng)的焦炭樣品，蓋上蓋子，保持容器處于密封狀態(tài)；將容器置入馬弗爐爐恒溫區(qū)，以一定速率升溫到1300℃，保溫90分鐘以保證金屬蒸氣完全被焦炭吸收；反應(yīng)后，記錄大于23mm的焦炭樣品質(zhì)量，計(jì)算焦炭粉化焦炭所占比重；測(cè)試金屬蒸氣侵蝕過(guò)后樣品的熱態(tài)性能。本發(fā)明能夠單獨(dú)表征有害金屬蒸氣對(duì)焦炭的直接破壞作用，有利于找出蒸氣富集量與焦炭性能之間的關(guān)系，為高爐合理控制入爐堿負(fù)荷及鋅負(fù)荷提供量化依據(jù)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】測(cè)試堿金屬及鋅蒸氣對(duì)焦炭破壞作用及性能影響的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及高爐煉鐵用焦炭領(lǐng)域，特別是涉及一種測(cè)試堿金屬以及鋅蒸氣對(duì)焦炭劣化及其熱態(tài)性能影響的方法。

【背景技術(shù)】
[0002]焦炭作為高爐最重要的燃料，在高爐中主要起著四方面的作用:1)燃燒提供能量；2)氣化提供還原氣體；3)骨架作用；4)鐵水滲碳劑。其中骨架作用為不可替代作用，特別是在當(dāng)前及未來(lái)高爐大型化、高噴煤比以及礦石劣化的形式下，骨架作用愈發(fā)重要，成為限制降低焦比的重要因素。焦炭的骨架作用要求焦炭具有較高的強(qiáng)度，所以焦炭強(qiáng)度一直是焦炭最重要的指標(biāo)。高爐內(nèi)的堿金屬一直以來(lái)是導(dǎo)致焦炭劣化的重要因素，在上世紀(jì)80年代就引起了廣泛關(guān)注，如文獻(xiàn)I (楊永宜等.鋼鐵.1983，18 (12):32-28)第一次建立了堿金屬循環(huán)富集的模型。近年來(lái)，隨著煉鐵原燃料質(zhì)量的不斷降低，帶入高爐的堿金屬量也不斷增加，堿金屬對(duì)焦炭的劣化進(jìn)一步引起了重視。文獻(xiàn)2(S.Gupta等.Fuel ProcessingTechnology, 2014，117:30-37)證實(shí)焦炭作為堿金屬的重要載體，其堿金屬富集量在高爐風(fēng)口部位甚至可達(dá)焦炭中原始?jí)A含量的15倍以上。
[0003]過(guò)去研究堿金屬對(duì)對(duì)焦炭性能的影響主要采用將焦炭侵泡在堿金屬碳酸鹽溶液(“浸堿法”)，如文獻(xiàn)3 (劉永新等.煤炭轉(zhuǎn)化.2008，31 (3):43-47)所述，或在煉焦時(shí)加入堿金屬碳酸鹽(“增堿法”)，如文獻(xiàn)4 (薛正良等.煉鐵.1990,5:19-22)所述，之后再進(jìn)行1100° C溶損反應(yīng)測(cè)試。但是依據(jù)文獻(xiàn)5 (趙宏博等.北京科技大學(xué)學(xué)報(bào).2012，34(3):333-341)最新研究表明堿金屬碳酸鹽主要存在與高爐的爐身部位，其對(duì)焦炭的影響是微乎其微的，焦炭在高爐軟熔帶以下其富集堿金屬量明顯增加，劣化才明顯加重。熱力學(xué)計(jì)算表明高溫區(qū)域內(nèi)堿金屬以單質(zhì)蒸氣存在而非碳酸鹽，因此傳統(tǒng)方法通過(guò)富集堿金屬碳酸鹽到焦炭?jī)?nèi)，難以有效衡量高爐高溫區(qū)堿金屬蒸氣對(duì)焦炭劣化的影響。最新的方法如文獻(xiàn)6 (賈國(guó)利等.發(fā)明專(zhuān)利，2011: CN 102183477 A)所述，將裝有活性炭粉和堿金屬碳酸鹽粉的剛玉坩堝放置在高溫反應(yīng)容器的底部，在剛玉坩堝上防止剛玉墊圈，在墊圈上方焦炭樣品，之后通入CO2氣體進(jìn)行反應(yīng)，從而測(cè)試堿金屬蒸氣對(duì)焦炭性能的影響。但是這種方法始終需要通入氣體才能進(jìn)行，不能檢測(cè)堿金屬蒸氣對(duì)焦炭的單獨(dú)堿化作用，同時(shí)很大部分堿金屬蒸氣隨氣體排出爐外，不能控制焦炭的堿金屬富集量。
[0004]文獻(xiàn)7(S.S.Gornostayev等.Energy & Fuels.2007，21 (5): 2637-2641)首次報(bào)道了堿金屬蒸氣對(duì)焦炭?jī)?nèi)S12的堿化(Alkalizat1n)作用，證明堿金屬蒸氣單獨(dú)能夠?qū)固坑衅茐淖饔谩Ｎ墨I(xiàn) 8(Kejiang Li 等.Metallurgical and Materials Transact1ns
B.2014: DO1: 10.1007/sll663-014-0143-7)在劣化的高爐風(fēng)口焦炭中發(fā)現(xiàn)了大量的鋅化合物富集，證明了新蒸氣在高溫條件下也能夠浸入焦炭中，其對(duì)焦炭強(qiáng)度等性能也有重要影響。
[0005]目前還沒(méi)有一種方法能夠在測(cè)試堿金屬及鋅蒸氣對(duì)焦炭的直接破壞作用，更沒(méi)有這方面的指標(biāo)能夠表征這種直接破壞作用，此問(wèn)題仍是本領(lǐng)域亟需解決的問(wèn)題之一。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種測(cè)試堿金屬及鋅蒸氣對(duì)焦炭直接破壞作用及性能影響的裝置和方法。解決無(wú)法表征和區(qū)分高爐內(nèi)不同有害金屬蒸氣(鉀、鈉、鋅)對(duì)焦炭直接破壞作用的問(wèn)題，并給出評(píng)價(jià)高溫條件下金屬蒸氣對(duì)焦炭破壞能力的量化指標(biāo)，填補(bǔ)現(xiàn)有測(cè)試和評(píng)價(jià)有害金屬蒸氣對(duì)高爐焦炭直接破壞作用所存在的空白。
[0007]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:測(cè)試堿金屬及鋅蒸氣對(duì)焦炭破壞作用及性能影響的方法，該方法包括如下步驟:
步驟1:將待測(cè)焦炭制成焦炭小球，選用粒度23-25 mm的樣品作為本實(shí)驗(yàn)樣品，一次試驗(yàn)稱(chēng)取300 g ± 0.5g,記錄實(shí)際重量為Iii1 ；
步驟2:根據(jù)2C+R2C03=3C0+2R(其中R為K或Na)以及Zn0+C=Zn+C0的反應(yīng)式計(jì)算堿金屬碳酸鹽或氧化鋅與活性炭粉的質(zhì)量比例，且實(shí)際采用活性炭粉為還原需要量的1.5倍以保證活性炭粉過(guò)量，通過(guò)瑪瑙研缽將所選用兩種粉末混合均勻，備用；
步驟3:依據(jù)高爐解剖結(jié)果或者實(shí)驗(yàn)的需求，通過(guò)需要在焦炭?jī)?nèi)富集堿金屬或鋅的質(zhì)量來(lái)計(jì)算混合粉末與焦炭的質(zhì)量比；
步驟4:將經(jīng)步驟2混勻的粉末放入反應(yīng)容器中，將反應(yīng)容器置入馬弗爐中，密封好馬弗爐，以10°C /min的升溫速率升溫到1300 °C，保溫90分鐘，以保證金屬蒸氣完全被焦炭吸收反應(yīng)；
步驟5:反應(yīng)結(jié)束后，隨爐冷卻到室溫，倒出焦炭樣品并進(jìn)行篩分，記錄粒徑大于23_的焦炭樣品的質(zhì)量為m2 ;
步驟6:將步驟I得到的碳粉反應(yīng)前的實(shí)際質(zhì)量Hi1和步驟5得到的粒徑大于23mm的焦炭樣品的質(zhì)量m2,帶入以下公式(I )，計(jì)算粉化系數(shù)P
P= (ml-m2)/mlX100%(I)
通過(guò)粉化系數(shù)P來(lái)表征金屬蒸氣對(duì)焦炭的直接破壞作用以及焦炭抵抗破壞的能力，該值越大表明對(duì)焦炭直接破壞作用越大以及焦炭的抗破壞能力越弱，改值越小表明對(duì)焦炭直接破壞作用越小以及焦炭的抗破壞能力越強(qiáng)；
步驟7:稱(chēng)取經(jīng)步驟5處理過(guò)的金屬蒸氣侵蝕過(guò)后粒度為23-25 mm的焦炭樣品200 g土 0.5g，按照國(guó)標(biāo)GB/T4000-2008進(jìn)行反應(yīng)性和反應(yīng)性強(qiáng)度測(cè)試，對(duì)比金屬蒸氣侵蝕前后反應(yīng)性及反應(yīng)后強(qiáng)度的變化。
[0008]測(cè)試堿金屬及鋅蒸氣對(duì)焦炭破壞作用及性能影響的裝置，該裝置包括圓筒狀的反應(yīng)器、多孔墊片和密封蓋；
其中，所述圓筒狀的反應(yīng)器的下端設(shè)有突出臺(tái)階，所述多孔墊片置于所述臺(tái)階上，用于支撐多孔剛玉墊片，墊片的下部和上部分別陳放產(chǎn)生金屬蒸氣的混合粉以及被檢測(cè)的焦炭樣品。
[0009]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:
1)填補(bǔ)了表征有害金屬蒸氣對(duì)焦炭直接破壞作用的空白；
2)單獨(dú)用堿金屬蒸氣侵蝕焦炭，之后再進(jìn)行溶損反應(yīng)實(shí)驗(yàn)，能夠區(qū)分金屬蒸氣直接破壞作用以及對(duì)焦炭氣化催化作用對(duì)焦炭劣化的影響程度；
3)通過(guò)密閉剛玉坩堝里用金屬蒸氣浸透焦炭樣品，能夠保證實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的金屬蒸氣全部富集到焦炭里面，從而有利于找出蒸氣富集量與焦炭性能之間的關(guān)系，為高爐合理控制入爐堿負(fù)荷及鋅負(fù)荷提供量化依據(jù)。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0010]圖1為本發(fā)明測(cè)試堿金屬或鋅蒸氣浸透焦炭裝置。
[0011]圖2為鉀蒸氣侵蝕過(guò)后留下的焦炭碎屑及產(chǎn)生的焦炭裂紋。
[0012]圖3為氣氛中鉀含量對(duì)焦炭粉化系數(shù)的影響結(jié)果。
[0013]圖4為氣氛中鉀含量對(duì)焦炭高溫性能的影響結(jié)果。
[0014]圖中:
1.密封蓋；2.反應(yīng)器；3_焦炭樣品；4_多孔透氣剛玉墊片；5_堿金屬或氧化鋅與活性炭粉混合物；6_高溫條件下產(chǎn)生的金屬蒸氣。

【具體實(shí)施方式】
[0015]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案說(shuō)明。
[0016]以測(cè)試高溫下鉀蒸氣對(duì)焦炭的直接破壞及其性能影響為例，其【具體實(shí)施方式】包括以下過(guò)程:
(I)取高爐實(shí)際用的焦炭，用顎式破碎機(jī)破碎，之后休整為23-25 mm的焦炭小球，稱(chēng)取3份300 g ± 0.5 g作為實(shí)驗(yàn)樣品。
[0017](2)依據(jù)反SK2C03+2C=3C0+2K計(jì)算碳酸鉀粉末與活性炭粉末的質(zhì)量比，并且實(shí)際采用活性炭粉量為理論還原需要量的1.5倍，最后得到碳酸鉀粉末與活性炭粉末的比例為3.8333:1，稱(chēng)取足量的碳酸鉀粉末和活性炭粉，按照3.8333:1混合，在瑪瑙研缽中充分混勻。
[0018](3)依據(jù)高爐解剖后發(fā)現(xiàn)焦炭中鉀富集量，設(shè)定鉀蒸氣與焦炭的質(zhì)量比為1.0%、
3.0%和5.0%，由此可得需要鉀的質(zhì)量為3.0 g、9.0 g和15.0 g，從而可以計(jì)算出需要碳酸鉀和活性炭的混勻粉末質(zhì)量為6.69 g、20.08 g和27.88 g。
[0019](4)分別稱(chēng)量6.69 g、20.08 g和27.88 g的碳酸鉀和活性炭混合粉末，分別置于如附圖1所示的反應(yīng)器的底部中，多孔透氣剛玉墊片分別置與臺(tái)階上，分別放入稱(chēng)量好的焦炭樣品，再分別蓋上剛玉密封蓋。
[0020](5)將3個(gè)剛玉坩堝同時(shí)放入馬弗爐中恒溫區(qū)(注意:如果馬弗爐的恒溫區(qū)不夠大，可以一次放一個(gè)，做3次)。按照以10 °C/min的升溫速率升溫到1300 °C以保證還原反應(yīng)能夠充分進(jìn)行，在1300 °C保溫90分鐘以保證金屬蒸氣完全被焦炭吸收反應(yīng)，之后隨爐冷卻到室溫。
[0021](6)取出3個(gè)剛玉坩堝并倒出其中的焦炭，可以發(fā)現(xiàn)有許多焦炭碎屑產(chǎn)生，同時(shí)當(dāng)鉀蒸氣含量到5.0%時(shí)，焦炭塊體上有明顯的裂紋產(chǎn)生，如附圖2所示。
[0022](7)稱(chēng)量大于23 mm的焦炭m2,從而可以得到焦炭碎屑質(zhì)量為In1-1iv計(jì)算不同鉀蒸氣氣氛下粉化系數(shù)的變化如附圖3所示，可見(jiàn)隨著鉀蒸氣量的增加，粉化系數(shù)增加，焦炭的粉化明顯加重。當(dāng)鉀氣氛大于3.0%后，粉化增加的程度減小。
[0023](8)鉀蒸氣侵蝕實(shí)驗(yàn)后，取200 g ± 0.5 g粒度為23-25 mm的樣品，按照國(guó)標(biāo)GB/T4000-2008對(duì)鉀侵蝕后的樣品進(jìn)行高溫性能檢測(cè)，并與初始值進(jìn)行對(duì)比，得到CRI值和CSR值的變化如所示附圖4所示。
【權(quán)利要求】
1.一種測(cè)試堿金屬及鋅蒸氣對(duì)焦炭破壞作用及性能影響的方法 其特征在于:步驟1:將待測(cè)焦炭制成焦炭小球，選用粒度23-25 mm的樣品作為本實(shí)驗(yàn)樣品，一次試驗(yàn)稱(chēng)取300 g 土 0.5g,記錄實(shí)際重量為Iii1 ; 步驟2:根據(jù)2C+R2C03=3C0+2R(其中R為K或Na)以及ZnO+C=Zn+CO的反應(yīng)式計(jì)算堿金屬碳酸鹽或氧化鋅與活性炭粉的質(zhì)量比例，且實(shí)際采用活性炭粉為還原需要量的1.5倍以保證活性炭粉過(guò)量，通過(guò)瑪瑙研缽將所選用兩種粉末混合均勻，備用； 步驟3:依據(jù)高爐解剖結(jié)果或者實(shí)驗(yàn)的需求，通過(guò)需要在焦炭?jī)?nèi)富集堿金屬或鋅的質(zhì)量來(lái)計(jì)算混合粉末與焦炭的質(zhì)量比； 步驟4:將經(jīng)步驟2混勻的粉末放入反應(yīng)容器中，將反應(yīng)容器置入馬弗爐中，密封好馬弗爐，以10°C /min的升溫速率升溫到1300 °C，保溫90分鐘，以保證金屬蒸氣完全被焦炭吸收反應(yīng)； 步驟5:反應(yīng)結(jié)束后，隨爐冷卻到室溫，倒出焦炭樣品并進(jìn)行篩分，記錄粒徑大于23_的焦炭樣品的質(zhì)量為m2 ; 步驟6:將步驟I得到的碳粉反應(yīng)前的實(shí)際質(zhì)量Hi1和步驟5得到的粒徑大于23mm的焦炭樣品的質(zhì)量m2,帶入以下公式(1)，計(jì)算粉化系數(shù)P P= (Iii1-m2) /Iii1 X 100%(I), 通過(guò)粉化系數(shù)P來(lái)表征金屬蒸氣對(duì)焦炭的直接破壞作用以及焦炭抵抗破壞的能力，該值越大表明對(duì)焦炭直接破壞作用越大以及焦炭的抗破壞能力越弱，改值越小表明對(duì)焦炭直接破壞作用越小以及焦炭的抗破壞能力越強(qiáng)； 步驟7:稱(chēng)取經(jīng)步驟5處理過(guò)的金屬蒸氣侵蝕過(guò)后粒度為23-25 mm的焦炭樣品200 g土 0.5g，按照國(guó)標(biāo)GB/T4000-2008進(jìn)行反應(yīng)性和反應(yīng)性強(qiáng)度測(cè)試，對(duì)比金屬蒸氣侵蝕前后反應(yīng)性及反應(yīng)后強(qiáng)度的變化。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法的裝置，其特征在于:該裝置包括圓筒狀的反應(yīng)器1、多孔墊片和密封蓋； 其中，所述圓筒狀的反應(yīng)器的下端設(shè)有突出臺(tái)階，所述多孔墊片置于所述臺(tái)階上，用于支撐多孔剛玉墊片，墊片的下部和上部分別陳放產(chǎn)生金屬蒸氣的混合粉以及被檢測(cè)的焦炭樣品。
【文檔編號(hào)】G01N5/04GK104316429SQ201410503669
【公開(kāi)日】2015年1月28日 申請(qǐng)日期:2014年9月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月26日
【發(fā)明者】劉征建, 李克江, 張建良, 鐘建波, 寧曉鈞, 徐潤(rùn)生, 王廣偉 申請(qǐng)人:北京科技大學(xué)