一种焦炭反应性测定方法及测定装置

摘要

本发明提供了一种焦炭反应性测定方法及测定装置，首先将焦炭破碎至74～386μm，然后放入特制坩埚中，热天平以5～30℃/min的升温速率升温至700～1100℃，并通N2保护，到达指定温度后通CO2反应，反应过程中继续以1～10℃/min的速率升温，反应完成后做重量-温度图，得焦炭反应开始温度(TS)，以焦炭反应开始温度作为衡量焦炭反应性好坏的标准。本发明与其它测定焦炭反应性的方法相比，具有操作简单、易于掌握，试验设备小型化，占地面积小，尤其是在试验过程中不会产生大量CO等有毒气体，安全性好，可广泛适用于工厂、学校及科研院所。

权利要求

1.一种焦炭反应性测定方法，是利用微机差热分析仪，确定焦炭反应开始温度，步骤如下：

1)取样品焦炭100～500g，利用干燥箱在105℃下干燥1h后全部破碎至20～156μm；

2)取破碎好的焦炭30～200mg，放入坩埚中，坩埚内径1～4mm，高1～6mm，材质为

95wt％Al2O3；

3)将步骤2)的坩埚放入微机差热分析仪内，按5～30℃/min的升温速率升温，升温至700～1100℃，在此升温过程中通N2保护；

4)待温度升到700～1100℃停止通N2，开始通CO2，CO2流量控制在30～100mL/min，升温速率控制在1～10℃/min，反应时间为30～180min；

5)反应温度到达规定温度900～1300℃时，停止升温，停止通CO2，再通N2冷却到室温；

6)通过对步骤3)-5)过程中微机差热分析仪记录的温度和重量数据进行处理，做温度-重量曲线，对曲线做斜率为-1的切线，找出切点所对应温度，切点所对应温度为焦炭反应开始温度。

2.一种用于权利要求1焦炭反应性测定方法的测定装置，有主体设备、电气体控制系统和计算机数据监测与处理系统，其中主体设备包括反应气瓶，气阀，气体净化装置，微机差热分析仪，尾气处理装置，其特征在于在微机差热分析仪的差热天平的一端放置装有焦炭样品的坩埚，另一端放置对比用空坩埚，反应气瓶中的气体首先经过气体净化装置，除去水分后经通气管连通到微机差热分析仪进气口上，微机差热分析仪出气口与尾气处理装置连通，微机差热分析仪上还接有温度控制装置及气体控制装置并与计算机连接，用于实验数据采集与控制。

说明书

一种焦炭反应性测定方法及测定装置

技术领域

[0001] 本发明属于焦炭化工技术领域，特别涉及高炉炼铁工艺中焦炭质量的测定和分析。

背景技术

[0002] 目前我国90％以上的生铁都是由高炉生产出来的，而焦炭是高炉生产中必不可少的原料。焦炭在高炉内主要起以下3个作用：(1)还原剂；(2)燃料；(3)骨架，其中的骨架作用是最为重要的，因为它是确保高炉具有良好透气、透液性的前提条件，到目前为止还未找到能起到同样作用的有效替代品。衡量焦炭的骨架作用，一般采用测定其反应性和反应后强度的方法，通常采用国标GB/T 4000-2008，其主要步骤如下：

[0003] (1)破碎筛分：取有代表性的样品，利用破碎机破碎到规定粒度，并筛取200g；

[0004] (2)装料：将称量好的样品放入专用不锈钢高温反应器内，反应器底部铺一定量的Al2O3球，起均匀分布气流和预热气流的作用；

[0005] (3)加热：利用竖式管式炉按规定升温制度升温至1100℃，以5L/min的流量通反应气体CO2，反应2h后自然冷却降温，加热和冷却过程中通少量的N2保护，防止焦炭氧化；

[0006] (4)称量计算：称量冷却到室温的焦炭，利用反应前和反应后重量差计算其反应性，再放入特定的转鼓中，以20转/min的转速转30min，粒度大于10mm的焦炭所占百分比作为焦炭的反应后强度。

[0007] 利用GB/T 4000-2008研究焦炭反应性，过程复杂，需要焦炭量多，试验过程中受人为因素影响较大。

[0008] CN1363817公开了入炉冶金焦大型高温反应炉及实验方法。特征是反应炉由反应室、加热室、炉体铁件、出料装置组成；反应室由圆形炉甑和炉顶盖砖、炉底砖构成，并位于反应炉的中间，加热室位于反应室周围，加热元件等距离垂直悬挂在加热室周围，炉墙包围加热室圆周。特点是模拟冶金焦炭在高炉的软熔带和滴落带受CO2侵蚀的反应环境，测定入炉冶金焦炭在高温状态的反应性及反应后强度，反应试样量大，最多可达15Kg，焦炭块度大(与入炉焦相同)，反应温度高。

[0009] CN2613737公开了新型活动式焦炭热反应试验炉，涉及检测焦炭反应性能和反应后强度的高温反应炉。其解决目前采取的炉壳与炉底保温层为整体固定及炉壳底部为整体封闭的结构形式所存在的更换高铝管时要将炉体整体拆除、维修后炉体保温性能差，导致对测定数据的一致性有影响及维修费用高等问题。其解决方案：本装置包括炉壳(1)、安装在炉壳(1)内的缠绕有铁铬铝炉丝的高铝管(2)、在炉壳(1)与高铝管(2)之间砌筑的轻质高铝砖层(3)、固定在炉壳(1)内底部的保温层(4)及固定在炉壳(1)底部的轮子(5)，其在炉壳(1)底部加工有孔(6)，保温层(4)加工成固定保温层(7)和可拆卸的活动保温层(8)，在炉壳(1)外底部固定挡板支架(9)，挡板(10)连接于挡板支架(9)上。

发明内容

[0010] 针对现有技术利用GB/T 4000-2008研究焦炭反应性，过程复杂，需要焦炭量多，试验过程中受人为因素影响较大的不足，本发明提供一种测定焦炭反应性的方法及测定装置。

[0011] 发明概述

[0012] 本发明的测定焦炭反应性的方法，是采用差热失重设备进行测定，主要基于热重法理论，反应过程中采集的温度数据和重量数据，通过数学处理得到重量随温度的变化曲线与重量变化率随温度的变化曲线。由热重法记录的重量变化对温度的关系曲线为热重曲线(TG曲线)，从TG曲线还可得到试样组成、热稳定性、热分解产物和热分解动力学等数据。

[0013] 本发明还提供一种能充分反映焦炭反应性能的、模拟高炉内气氛的实验装置，使它具有操作简单、便于掌握，且能真实反映焦炭在高炉内的状况。该装置具有占用面积小、简单实用、易于掌握的特点，试验结果与GB/T 4000-2008有良好的一致性。

[0014] 发明详述

[0015] 本发明的技术方案详细说明如下：

[0016] 一种焦炭反应性测定方法，是利用微机差热分析仪，确定焦炭反应开始温度，步骤如下：

[0017] 1)取样品焦炭100～500g，利用干燥箱在105℃下干燥1h后全部破碎至20～156μm；

[0018] 2)取破碎好的焦炭30～200mg，放入坩埚中，坩埚内径1～4mm，高1～6mm，材质为95wt％Al2O3；

[0019] 3)将步骤2)的坩埚放入微机差热分析仪内，按5～30℃/min的升温速率升温，升温至700～1100℃，在此升温过程中通N2保护；

[0020] 4)待温度升到700～1100℃停止通N2，开始通CO2，CO2流量控制在30～100mL/min，升温速率控制在1～10℃/min，反应时间为30～180min；

[0021] 5)反应温度到达规定温度900～1300℃时，停止升温，停止通CO2，再通N2冷却到室温。

[0022] 6)通过对步骤3)-5)过程中微机差热分析仪记录的温度和重量数据进行处理，做温度-重量曲线，对曲线做斜率为-1的切线，找出切点所对应温度，切点所对应温度为焦炭反应开始温度。该温度即为样品焦炭反应性的衡量依据，即由焦炭反应开始温度高低来衡量焦炭的反应性强弱。

[0023] 以焦炭反应开始温度的高低作为衡量焦炭反应性好坏的依据：在若干不同样品焦炭中，测得反应开始温度低的焦炭，其反应性好，易于和CO2发生溶损反应，反应后焦炭强度较低，对高炉冶炼可能会造成不利影响；反应开始温度比较高的焦炭，其反应性较差，不易和CO2发生，其反应后强度较高，能够保证高炉有良好的透气性，对高炉正常冶炼有利。

[0024] 用本发明方法测得的焦炭反应开始温度与用GB/T 4000-2008所测得的焦炭反应性指数结果具有良好的一致性，如图2所示。

[0025] 图2表示的是12种不同样品焦炭的反应性指数和焦炭反应开始温度的关系。对焦炭反应性指数与其焦炭反应开始温度的试验结果进行线性回归，得到二者间的一元线性方程，Y＝1074.25-6.47X，相关系数为0.978。从两种实验方法所得结果看，焦炭的反应性指数与焦炭反应开始温度呈现出一致的规律性，即随着焦炭的反应性指数升高，相应的焦炭反应开始温度逐渐降低。不同类型的焦炭以及吸附不同量矿物质的焦炭之间都存在这样的规律。从反应机理上分析，一方面，焦炭溶损反应温度的降低，会使焦炭与CO2之间的气化反应较早的发生，焦炭本身的溶损过程加剧，焦炭的劣化现象更为显著；另一方面，焦炭反应开始温度的降低会使直接还原区位置上移，高炉有效热消耗增加，这样间接增加了高炉还原剂的消耗，焦比也会相应升高。

[0026] 下面是用于上述本发明焦炭反应性测定方法的测定装置的说明。

[0027] 本发明焦炭反应性测定装置，有主体设备、电气体控制系统和计算机数据监测与处理系统，其中主体设备包括反应气瓶，气阀，气体净化装置，微机差热分析仪，尾气处理装置，其特征在于在微机差热分析仪的差热天平的一端放置装有焦炭样品的坩埚，另一端放置对比用空坩埚，气瓶中的气体首先经过气体净化装置，除去水分后经通气管连通到微机差热分析仪进气口上，微机差热分析仪出气口与尾气处理装置连通，微机差热分析仪上还接有温度控制装置及气体控制装置并与计算机连接，用于实验数据采集、控制。

[0028] 所述坩埚内径4～6mm，高1～6mm，材质为95wt％Al2O3，实验所用CO2为工业用CO2(CO2含量大于99％)，气体净化装置使用无水硅胶除去气体中的水分。本发明的实验装置中所用计算机配置要求硬盘大于20G，内存大于256M，32M独立显卡配置以上。

[0029] 本发明焦炭反应性测定方法与国标GB/T 4000-2008相比：国标采用的是以一定时间一定温度下的失重率作为衡量焦炭反应性的好坏，而本发明方法是以一定升温速率下，焦炭开始剧烈失重时所对应的温度作为焦炭开始反应温度，以开始反应温度的高低作为衡量焦炭反应性好坏的指标。

[0030] 本发明焦炭反应性测定装置具有操作简单、易于掌握，设备小型化，占地面积小，尤其是在试验过程中不会产生大量CO等有毒气体，安全性好，可广泛适用于工厂、学校及科研院所。

附图说明

[0031] 图1是本发明焦炭反应性测定装置示意图。1.反应气瓶，2.气阀，3.气体净化装置，4.热天平，5.坩埚，6.焦炭样品，7.对比用空坩埚，8.尾气处理装置，9.温度控制装置，10.气体控制装置，11.计算机结果采集装置。

[0032] 图2是12种样品焦炭的反应性指数和焦炭反应开始温度的关系。横坐标为焦炭反应性指数(％)，根据GB/T 4000-2008标准检测；纵坐标为样品焦炭的反应开始温度(℃)，用本发明实施例1的方法检测。

具体实施方式

[0033] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

[0034] 实施例1

[0035] 一、焦炭反应性测定装置

[0036] 结构如图1所示，微机差热分析仪4的差热天平5的一端放置装有焦炭样品7的坩埚6，另一端放置对比用空坩埚8，气瓶1中的气体首先经过气体净化装置3，气体净化装置3使用无水硅胶除去气体中的水分，除去水分后的气体经通气管连通到微机差热分析仪4进气口上，微机差热分析仪出气口与尾气处理装置8连通，微机差热分析仪4接有温度控制装置9及气体控制装置10，温度控制装置9与气体控制装置10均与实验数据采集用计算机11连接。所述坩埚6、8的内径5mm，高4mm，材质为95wt％Al2O3，实验所用CO2为含量
99％工业用CO2。所用计算机配置要求硬盘20G，内存256M，32M独立显卡配置。

[0037] 二、焦炭反应性测定方法，使用上述的实验装置进行测定，焦炭样品是莱芜钢铁股份有限公司产干熄焦。

[0038] 取有代表性的焦炭500g，放入烘箱中，在105℃温度下烘干2小时，待冷却后破碎，并完全过200目网筛，制成粒度小于74μm的细小颗粒，然后取样称重，每份样品的重量分别为150mg，共备好3份焦炭样品，分别标号为1#、2#、3#。

[0039] 将焦炭样品放入坩埚6中，对差热天平5进行程序设定，升温共分三段：第一段：0～700℃时，升温速率20℃/min；第二段：700℃恒温，时间30min；第三段：700～1200℃。
第一段温度区间内通20mL/min的N2进行保护，从第二段开始改通40mL/min的CO2，使之与坩埚6内的焦炭样品7发生波尔反应。待达到规定温度1000℃，停止升温，改通N2保护，同时对采集的数据进行处理，求得焦炭开始反应温度。待差热天平内温度降到200℃以下，重复上述步骤。每份样品测三次，求其平均值。试验结果见表1所示。

[0040] 表1莱钢干熄焦开始反应温度测量结果

[0041]试验序号(次) 1 2 3 平均值
1#开始反应温度℃ 926 921 918 923
2#开始反应温度℃ 899 906 916 907
3#开始反应温度℃ 906 909 921 912

[0042] 实施例2

[0043] 如实施例1所述，不同之处在于焦炭样品是济南钢铁股份有限公司产干熄焦，按实施例1的步骤进行测量，试验结果见表2所示。

[0044] 表2济钢干熄焦开始反应温度测量结果

[0045]试验序号 1 2 3 平均值
1#开始反应温度℃ 881 877 884 881
2#开始反应温度℃ 916 926 912 918
3#开始反应温度℃ 888 898 902 896

[0046] 从以上实施例可以看出：使用新型焦炭反应性测量方法可以有效测定不同焦炭的反应性，并可进行对比分析，为钢铁企业采购焦炭及其性能评价提供另一种质量评价标准。