焦炭光学结构∑ISO在表征冶金焦炭抗碱性能中的应用[发明专利]

(12)发明专利申请

(10)申请公布号 CN 111690425 A(43)申请公布日 2020.09.22

(21)申请号 202010380197.1(22)申请日 2020.05.08

(71)申请人 包头钢铁（集团）有限责任公司

地址 014010 内蒙古自治区包头市昆区河

西工业区(72)发明人 江鑫　芦建文　李晓炅　张兴楠　

付利俊　(74)专利代理机构 北京律远专利代理事务所

(普通合伙) 11574

代理人 全成哲(51)Int.Cl.

C10B 57/04(2006.01)G01N 21/17(2006.01)G01N 25/00(2006.01)

权利要求书1页 说明书7页 附图1页

()发明名称

焦炭光学结构∑ISO在表征冶金焦炭抗碱性能中的应用(57)摘要

本发明公开一种以光学各向同性显微结构判断冶金焦炭抗碱性能的方法，其包括以下步骤：1)测定冶金焦炭在不同碱负荷条件下的焦炭热态性能和焦炭光学组织；2)计算由步骤1)获得的焦炭光学组织中光学各向同性显微结构指标，即焦炭光学组织中各向同性、类丝炭和破片的总和，以∑ISO表示；3)绘制不同碱负荷条件下冶金焦炭的∑ISO变化趋势图；4)测定待测冶金焦炭的焦炭光学组织，计算其∑ISO值，并根据步骤3)获得的∑ISO变化趋势图判断待测冶金焦炭的抗碱性能。该方法可以提高配煤的准确性，降低冶金焦炭成本、提高冶金焦炭的质量。

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权　利　要　求　书

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1.一种以光学各向同性显微结构判断冶金焦炭抗碱性能的方法，其中所述光学各向同性显微结构是指冶金焦炭光学组织中的各向同性、类丝炭和破片，其特征在于，包括以下步骤：

1)测定冶金焦炭在不同碱负荷条件下的焦炭热态性能和焦炭光学组织；2)计算由步骤1)获得的焦炭光学组织中光学各向同性显微结构指标，即焦炭光学组织中各向同性、类丝炭和破片的总和，以∑ISO表示；

3)绘制不同碱负荷条件下冶金焦炭的∑ISO变化趋势图；4)测定待测冶金焦炭的焦炭光学组织，计算其∑ISO值，并根据步骤3)获得的∑ISO变化趋势图判断待测冶金焦炭的抗碱性能。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述冶金焦炭包括但不限于单种煤冶炼冶金焦炭和配合煤冶炼冶金焦炭。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤4)中还结合焦炭光学组织中各显微组分在碱负荷状态下抗CO2侵蚀能力综合判断待测冶金焦炭的抗碱性能。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述焦炭光学组织中各显微组分在碱负荷状态下抗CO2侵蚀能力大小排序为：类丝炭和破片>各向同性>细粒镶嵌>中粒镶嵌>粗粒镶嵌>不完全纤维状>完全纤维状>片状。

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焦炭光学结构∑ISO在表征冶金焦炭抗碱性能中的应用

技术领域

[0001]本发明属于炼焦技术领域，具体涉及一种焦炭光学结构∑ISO在表征冶金焦炭抗碱性能中的应用。

背景技术[0002]钢铁产业在世界经济格局中占有重要的不可替代的作用，在钢铁生产中，传统的竖炉生产是钢铁产能的主要形式，高炉冶铁中焦炭是其成本及产量、质量控制的核心要素。焦炭是现代高炉炼铁的基础性关键物料，在高炉冶炼中有着重要的不可替代的作用，其主要作用体现在：1)热源作用，提供矿石还原、熔化需要的大量热量。2)还原作用，高炉中矿石的还原是通过间接还原和直接还原两种方式进行的，无论是直接还原还是间接还原都依靠焦炭提供所需的还原气体CO，为了不断补充CO，需要焦炭有一定的反应性。3)支撑骨架作用，高炉风口区以上始终保持块状物的物料只有焦炭，尤其是滴落带，铁矿石和溶剂都已熔化，此时只有焦炭是对高炉炉料起支撑作用的骨架，并承受着液铁、液渣的冲刷，同时，焦炭在高炉中比其他炉料的堆密度小，具有很大的容隙度，因为焦炭的体积占高炉炉料总体积的35％-50％左右，所以起到疏松作用，使高炉中上升气流流动阻力小，气流均匀，成为高炉顺行的必要条件。4)供碳作用，生铁中的碳全部来源于高炉焦炭，进入生铁中的碳约占焦炭中含碳量的7％-10％。焦炭中的碳从高炉软融带开始渗入生铁；在滴落带，滴落的液态铁与焦炭接触时，碳进一步渗入铁内，最后可使生铁的含碳量达到4％左右。随着高炉富氧喷煤技术的逐渐普及与加强，焦炭的还原作用、热源作用以及渗碳作用不同程度的为所喷吹煤粉所替代，但唯有支撑骨架作用的负荷却因此而进一步加强。

[0003]高炉富氧喷吹煤粉技术对焦炭支撑骨架作用的负荷提出了更高的要求。由于煤粉在风口燃烧，代替了部分下行焦炭在风口燃烧的消耗。使整个料柱下行速度减缓，延长了焦炭在高炉中停留的时间，使焦炭与CO2接触机会增多，碳溶反应增强，影响焦炭块度和表层结构。喷吹煤粉操作比全焦操作的铁水和渣量均增加，铁水流动使焦炭中的各向异性结构的石墨化程度提高，易于渗碳和劣化。

[0004]高炉炼铁焦比是衡量高炉综合成本的关键指标，不断降低焦比成为钢铁企业提升综合能力、降低生产成本的利器法宝。焦比降低意味着焦炭单位体积的各方面负荷增大，诸如软融带中焦窗变薄，单位体积承受的液铁、液渣冲刷增强，焦炭参与碳溶反应失去的质量增多，单位质量的渣/焦比增加，使还原Fe、Si、Mn、P所需的碳相对量增加，以及渗碳所需碳的相对量也增加。

[0005]不同质量的冶金焦炭在高炉内的表现出不同程度的溶损反应，即使同一质量参数(焦炭关键性指标M40、M10、CRI％、CSR％)相同的冶金焦炭在高炉内表现出不同程度的溶损反应，其内在性的根本原因是焦炭的微观结构发生了不同的变化。特别是现代冶金大容积高炉(3000M3以上)冶炼技术以及富氧喷煤技术的发展，使得高炉内碱循环富集加剧，促使焦炭溶损反应增加，使得冶金焦炭外在表观和内部微观结构都发生了深刻复杂的变化。[0006]高炉内碱循环富集，使焦炭在高炉内的状态发生了巨大的根本性的变化，考量焦

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炭质量特别是高炉中高碱负荷状态下焦炭和焦炭的微观结构与变化，模拟还原焦炭在高炉中的状态具有重要意义和价值。它既能正确评价现有焦炭质量，反映高炉内焦炭运行情况，又能对配煤方案及焦炭质量作出正确的判断，指导方案的制定。近年来，为了深入研究焦炭微观结构(即显微组分)的机理与变化，特别是高炉内碱循环富集过程中焦炭所发生的变化，炼焦研究工作者提出了∑ISO(光学各向同性显微结构指标)这样一个全新的研究指标，∑ISO指焦炭光学组织中各向同性、类丝炭和破片含量的总和，以∑ISO表示，ISO为英文isotropic(同性的)的缩写，而光学组织中的其他显微组分：细粒镶嵌、中粒镶嵌、粗粒镶嵌、不完全纤维和完全纤维状、片状以及基础各向异性的光学性质不同程度地均呈现各向异性。

[0007]目前冶金焦炭的评价和研究方法还没有对焦炭微观性能特别是焦炭光学各向同性显微结构与其抗碱性能有效结合研究，探讨焦炭在高炉中冶炼性能的方法，以冶金焦炭微观结构的各向同性表征抗碱性能的技术路线，对煤炭资源的科学应用、焦炭质量管控及高炉稳定运行都具有特别重要的作用，同时对于有效降低铁前成本寻找到新的支撑点和发力点。

发明内容

[0008]针对现有技术中存在的问题的一个或多个，本发明提供一种以光学各向同性显微结构判断冶金焦炭抗碱性能的方法，其中所述光学各向同性显微结构是指冶金焦炭光学组织中的各向同性、类丝炭和破片，方法包括以下步骤：

[0009]1)测定冶金焦炭在不同碱负荷条件下的焦炭热态性能和焦炭光学组织；[0010]2)计算由步骤1)获得的焦炭光学组织中光学各向同性显微结构指标，即焦炭光学组织中各向同性、类丝炭和破片的总和，以∑ISO表示；

[0011]3)绘制不同碱负荷条件下冶金焦炭的∑ISO变化趋势图；[0012]4)测定待测冶金焦炭的焦炭光学组织，计算其∑ISO值，并根据步骤3)获得的∑ISO变化趋势图判断待测冶金焦炭的抗碱性能。

[0013]上述冶金焦炭包括但不限于单种煤冶炼冶金焦炭和配合煤冶炼冶金焦炭。[0014]上述方法中，步骤4)中还结合焦炭光学组织中各显微组分在碱负荷状态下抗CO2侵蚀能力综合判断待测冶金焦炭的抗碱性能。

[0015]上述焦炭光学组织中各显微组分在碱负荷状态下抗CO2侵蚀能力大小排序为：类丝炭和破片>各向同性>细粒镶嵌>中粒镶嵌>粗粒镶嵌>不完全纤维状>完全纤维状>片状。[0016]本发明通过对焦炭微观性能特别是焦炭光学各向同性显微结构与其抗碱性能有效结合研究，可以通过焦炭光学各向同性显微结构指标来判断冶金焦炭的抗碱性能，其对煤炭资源的科学应用、焦炭质量管控及高炉稳定运行提供一种新的方法，同时对于有效降低铁前成本可以提供一种寻找到新的支撑点和发力点的方法和途径。另外，本发明可对炼焦煤性质鉴定和炼焦配煤试验以及焦炭成本与质量管控形成强有力的指导，极大地提高了炼焦煤性质的准确判断与界定，同时可以提高配煤的准确性，降低冶金焦炭成本、提高冶金焦炭的质量，因此无论从炼焦煤还是焦炭方面都能够产生极大地经济效益和深远的社会效益。

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附图说明

[0017]图1为不同碱负荷条件下的∑ISO变化趋势图。

具体实施方式

[0018]本发明旨在提供一种以光学各向同性显微结构判断冶金焦炭抗碱性能的方法，即通过对冶金焦炭在不同碱负荷下焦炭热态性能(焦炭抗碱性能的衡量标尺)和焦炭光学组织的测定，依此计算焦炭光学各向同性显微结构指标∑ISO，即焦炭光学组织中各向同性、类丝炭和破片的总和，随后绘制不同碱负荷下焦炭∑ISO变化趋势图，也即是表征出焦炭抗碱性能与焦炭∑ISO之间的关联性，进而可以通过这种关联性来通过∑ISO值判断一种待测冶金焦炭的抗碱性能，为冶金焦炭抗碱性能的评价提供一种新的方法和标准，进而为优化炼焦配煤结构、提升焦炭质量提供理论方法。[0019]为实现上述目的，具体包括以下步骤：

[0020]1)本发明人在综合研究与评定焦炭光学组织划分标准或方法后，确定冶金焦炭光学组织划分采用国家技术标准YB/T 077《冶金焦炭光学组织划分类别》。[0021]2)测定无碱状态(为相对无碱状态，即不外加碱的状态)下冶金焦炭的微观结构(即冶金焦炭光学组织)。该步骤首先依据国家标准《GB/T4000焦炭反应性及反应后强度试验方法》测定冶金焦炭的热态性能(其是表征焦炭质量的重要指标，也是评价焦炭抗碱性能的衡量标尺)。随后将热态性能试验前、试验后的焦炭分别进行焦炭光学组织的检测，以热反应后的状态测定的光学组织计算焦炭∑ISO。[0022]3)确定不同比例的冶金焦炭的碱负荷，通过外加方式使之具有不同的碱负荷。[0023]4)不同碱负荷状态下冶金焦炭热态性能的检测。依据国家标准《GB/T4000焦炭反应性及反应后强度试验方法》测定冶金焦炭的在不同减负荷状态下焦炭热态性能。[0024]5)测定不同碱负荷状态下冶金焦炭光学组织，计算焦炭∑ISO。[0025]6)绘制不同碱负荷条件下焦炭∑ISO变化趋势图。以冶金焦炭中以不同的碱负荷热反应后检测焦炭的光学组织的变化为基础，绘制不同碱负荷下焦炭∑ISO变化趋势图。[0026]7)分析确定冶金焦炭碱金属对碳溶反映的机理。[0027]8)以∑ISO作为一个新的焦炭质量指标的核心参数。∑ISO的抗高温碱侵蚀能力优于各向异性，∑ISO这一指标不仅能标志焦炭在高炉中高温抗碱侵蚀能力，特别是高炉软融带和风口区焦炭的骨架支撑于疏松通气作用要求进一步加强时，同时又能体现焦炭本质的指标特性。[0028]另外，还包括以下步骤：

[0029]9)确定焦炭显微组分在碱负荷状态下抗CO2侵蚀能力。焦炭光学组织中的各显微组分抵抗CO2侵蚀能力大小排序为：丝炭和破片>各向同性>细粒镶嵌>中粒镶嵌>粗粒镶嵌>不完全纤维状>完全纤维状>片状。

[0030]10)结合∑ISO指标和焦炭光学组织中的显微组分在碱负荷状态下抗CO2侵蚀能力综合判断冶金焦炭抗碱性能，为优化炼焦配煤结构、提升焦炭质量提供理论方法。[0031]11)根据实际情况，调整配煤结构，增加在诸如一些粘结性较低的煤种的用量，降低配煤成本，提高焦炭的质量。

[0032]将通过以下具体实施例详细说明本发明的内容，本领域技术人员应当理解，以下

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实施例仅用于理解本发明，而不在于本发明的内容。[0033]实施例：[0034]1、该实施例以典型配煤炼焦技术方案为基础所炼冶金焦炭为分析实施对象。本发明焦炭光学组织采用国家技术标准YB/T 077《冶金焦炭光学组织划分类别》，详细内容见表1。

[0035]表1：焦炭光学组织划分类别(YB/T 077-1995)

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2、无碱条件下焦炭微观结构的研究

[0039]该实施例中提到的无碱条件下并不是说焦炭就全部没有碱金属离子存在，因为焦炭本身就含有碱金属、碱土金属等氧化物，因此无碱条件下是相对于高炉冶炼过程的碱循环富集高负荷状态下，研究实验过程中没有再额外加碱的焦炭而言。该实施例以下表2中的1#、2#和3#焦炭为例，这三种焦炭的配煤情况如下表2所示：[0040]表2：1#、2#和3#焦炭的配煤情况

[0038]

[0041]

焦炭发生反应，表现在外观的变化，但根本性质的变化是焦炭微观结构发生了变化，从微观结构上可以很好的探究焦炭发生变化的本质，从而可以实现最优化的配煤，精准的控制焦炭质量。在研究焦炭微观结构过程中，依据国家标准《GB/T4000焦炭反应性及反应

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后强度试验方法》将热态性能试验前、试验后的焦炭分别进行焦炭光学组织的检测，认为试验后的状态就是焦炭在相对无碱状态下的焦炭光学微观结构。检测数据如表3所示。[0043]表3：无碱条件焦炭反应性前后的光学组织对比数据

[0044]

从表3可以看出，配合煤所炼冶金焦炭在无碱条件焦炭反应性前后的光学组织的变化状况，无碱条件下冶金焦炭反应性后的光学组织中各向同性光组织学出现不同程度的降低，出现降低的趋势。表明冶金焦炭显微结构中的光学组织发生了改变，从而引起了焦炭热态性能的变化。[0046]3、不同碱负荷状态下配合煤所炼冶金焦炭光学组织的研究

[0047]分析不同碱负荷条件下抗碱性能(以焦炭热态性能表征)的对比试验，从中考察不同碱负荷下焦炭的热态性能，对于提高焦炭质量、降低炼焦煤综合成本、优化配煤结构、扩大炼焦煤资源都具有重要意义。[0048]表4：焦炭抗碱性能比对数据

[0045]

[0049]

根据上表4结果，结合表2配煤结构分析可知，1#焦炭的配煤比中主焦煤和肥煤的配比较2#焦炭、3#焦炭的配煤比中主焦煤和肥煤的配比要高一些，其配合煤结焦性要好，冶金焦炭性能指标要好一些。3#焦炭的配煤比是弱黏结性煤(弱黏结性煤一般来讲在成煤过程中变质程度相对较浅，变质年代相对年轻，冶炼焦炭过程中更易形成各向同性组织)多一些，因此弱黏结性煤中所炼冶金焦炭形成的各向同性的比例较主焦煤形成冶金焦炭所形成光学组织多一点，但焦炭强度在7％碱性环境下比1#焦炭下降的要慢，且在高碱度负荷下冶金焦炭反应后强度较高于1#焦炭，这说明焦炭的光学各向同性显微结构的抗碱能力要明显高于各向异性。[0051]4、焦炭中以不同的碱负荷热反应后检测焦炭的光学组织[0052]在焦炭中以不同的碱负荷热反应后检测焦炭的光学组织，如表5所示。[0053]表5：不同碱负荷状态下焦炭光学组织

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5、绘制不同碱负荷条件下冶金焦炭∑ISO变化趋势图

[0056]根据焦炭中以不同的碱负荷热反应后检测焦炭的光学组织测定结果，绘制不同碱负荷下焦炭∑ISO变化趋势图，如图1所示。

[0057]从上表5检测数据及∑ISO变化趋势图可以清晰的看出，与无碱环境相比，在有碱环境中焦炭各向同性组织含量增加，且随着含碱量增加，光学各向同性显微结构成分也有明显增加趋势，由此说明焦炭∑ISO的抗高温碱侵蚀能力较各向异性组织强。即光学各向同性显微结构指标(∑ISO)抗高温碱侵蚀能力优于各向异性(即细粒镶嵌、中粒镶嵌、粗粒镶嵌、不完全纤维和完全纤维状、片状)，在一定焦炭质量指标范围内，∑ISO含量越高焦炭抗高温碱侵蚀能力越高。相关学者通过大量风口焦和入炉焦的对比试验研究中发现，风口焦的∑ISO含量明显高于入炉焦的∑ISO含量，也验证了在有碱环境中焦炭光学各向同性显微结构组织比各向异性组织具有较高的高温抗碱性。[0058]当碱金属存在时，尤其是在高温时，各显微结构的反应性大小区域相近。显微镜观察焦炭各种显微结构发现，光学各向同性显微结构的光学性质能保持原有特性；而镶嵌结构与流动型结构的光学性质明显减弱，并有明显的破坏现象。各向异性结构抗碱性差的原因是，各向异性碳较易与碱金属形成层间化合物KnC，从而使得焦炭微晶层片间距增大，有利于CO2进入发生反应，因此可以说，有碱存在的条件下，光学各向同性显微结构比各向异性结构具有较强的高温抗碱性。[0059]6、探讨碱金属条件焦炭微观变化的机理

[0060]碱金属对焦炭的劣化作用主要分为两方面，对焦炭强度影响和对碳溶反应的催化作用。对焦炭强度的影响高炉中的碱金属主要是指钾、纳而言，钾钠在焦炭中的存在形态可归纳为表面吸附、水溶性盐类及碳的化学结合，其中对焦炭影响较大的是与碳的化学结合，与碳结合的钾、纳能进入碳的晶体结构层间，而且有一定的深度，有些形成层间化合物(如C8K、C60K等)，有些则嵌入层间一分子状态存在(如K2CO3)。这样进入晶体内部的碱金属，使得层间距被拉开，产生剧烈的体积膨胀，导致焦炭气孔璧疏松，裂纹增多，机械强度下降。在实验中发现：焦炭在吸附碱金属后呈黑色，并产生裂纹和粉化现象，随着焦炭吸附碱量增多，

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焦炭的转鼓强度降低。

[0061]碱金属条件对碳溶反应的催化作用，碱金属对碳溶反应的催化作用使得焦炭的反应性大幅提高，表面反应加剧，碱金属的催化作用一般在1000℃左右明显。[0062]7、另外，还确定了焦炭显微组分在碱负荷状态下抗CO2侵蚀能力。经测定焦炭光学组织中的各显微组分抵抗CO2侵蚀能力大小排序为：丝炭和破片>各向同性>细粒镶嵌>中粒镶嵌>粗粒镶嵌>不完全纤维状>完全纤维状>片状。因此，可结合∑ISO指标和焦炭光学组织中的显微组分在碱负荷状态下抗CO2侵蚀能力综合判断冶金焦炭抗碱性能，为优化炼焦配煤结构、提升焦炭质量提供理论方法。[0063]8、炼焦配煤应用[00]据以上步骤实施，检测了炼焦煤焦炭∑ISO，绘制了焦炭∑ISO变化趋势图，明确了该炼焦单种煤的抗碱性能的性质，由此可实施炼焦配煤方案的制定。

[0065]本发明通过对焦炭微观性能特别是焦炭光学各向同性显微结构与其抗碱性能有效结合研究，分析焦炭在高炉中冶炼性能的方法，架构了以冶金焦炭微观结构的光学各向同性显微结构表征抗碱性能的一种方法，对煤炭资源的科学应用、焦炭质量管控及高炉稳定运行都具有特别重要的作用，同时对于有效降低铁前成本寻找到新的支撑点和发力点。[0066]本发明对炼焦单种煤性质鉴定和炼焦配煤试验以及焦炭成本与质量管控都形成了强有力的指导；极大地提高了炼焦煤性质的准确判断与界定，同时会提高配煤的准确性，将会降低冶金焦炭成本、提高冶金焦炭的质量，因此无论从炼焦煤还是焦炭方面都会产生极大地经济效益和深远的社会效益。[0067]最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

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