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焦炭性能研究与应用论文
本文介绍了焦炭燃烧的基本原理，对焦炭的各种成分和性能进行了研究和论述，进而就焦炭性能变化对冲天炉熔炼铁水质量的影响进行分析，为在实际生产中铸造厂家选择使用不同的焦炭提供理论依据。
一、前言
冲天炉熔炼所用燃料以焦炭为主，在某些情况下还附加煤粉、重油、天燃气等燃料。
冲天炉熔炼用焦炭种类较多，常用的有铸造焦、冶金焦、成型焦、土焦等。
在工业生产中对焦炭质量性能进行分析包括两部分，首先是其组成成分，有固定碳、灰分、挥发分、含硫量和水分，第二是焦炭的块度、强度、气孔率、密度、反应性等物理性质（称为第二类性能）。
铸铁在冲天炉内的熔炼过程，实际上是金属炉料经过重熔以获得预定的铁水成份和温度的过程，这一过程所需的大量热能和高温是靠焦炭燃烧来提供的。
因此，焦炭质量的优劣将对冲天炉熔炼铁水质量起决定性作用。
但是，对于焦炭的某些性能指标（如灰份、强度、块度等）在个别工厂尤其是一些小工厂的生产过程中并未引起足够的重视,从而导致了熔炼废品的增多和成本的增高，同时对这些性能的定量研究工作也还做得不多.本文拟根据近年来国内外有关这方面的理论研究和生产实践就焦炭性能对冲天炉熔炼的影响作简要论述。
二、焦炭燃烧基本原理
焦炭的燃烧主要是焦炭中固定碳与空气中氧气在焦炭表面发生激烈化学反应的结果，碳的化学反应在不同的条件下将以不同方式进行。
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当空气供给充足时，发生完全燃烧反应：
C+O2---CO2+34070kj/kg（C）
当空气供给不充足时，发生不完全燃烧反应：
C+1/2O2---CO+10270kj/kg（C）
当CO又遇到空气时，则会再次燃烧继续放出热量：
CO+1/2O2---CO2+23800kj/kg（C）
除以上氧化放热反应外，焦炭燃烧过程中还有一个还原吸热反应：
CO2+C---2CO-12628kj/kg（C）
可见，炉气中CO的比例越大，其化学热损失也越大，但是，为了减少硅、锰等元素的氧化烧损，保证铁液冶金质量，炉气中要有一定数量的CO。
冲天炉内焦炭固定碳的完全燃烧程度，一般是以碳燃烧后燃烧产物中二氧化碳和一氧化碳所占的相对百分比来表示，即：
ηV=CO2/（CO+CO2）×100%
式中ηV为燃烧比（%）；CO、CO2为炉气中CO和CO2的体积百分比（%）。
当ηV=100%时即表示碳被完全燃烧，燃烧后完全呈二氧化碳存在于炉气中。
燃烧比（ηV）愈高，则表示碳燃烧的完全程度愈大，获得的热量愈多，焦炭的利用率愈高。
可见，从燃料充分利用的角度出发，希望焦炭燃烧后的燃烧比（ηV）愈高愈好。
但是从碳燃烧热力学特性来看，燃烧产物中存在着一氧化碳是不可避免的。
更重要的是冲天炉熔炼过程中，为保证铁水质量，要求炉内气氛为弱氧化气氛。
因此，在不同焦耗量条件下，燃烧比通常应当控制在40%--60%的范围内。
根据气体流动特性，焦炭的燃烧包括空气中的氧向焦炭表面扩散并被
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吸附，发生氧化反应生成气相产物，而后脱附与扩散离开焦炭表面这样一系列过程。
燃烧过程进行得快慢，取决于扩散速度和化学反应速度，而且受其中进行较慢的一方制约。
由于在温度高于800度时，化学反应速度往往大于扩散速度，所以，冲天炉内焦炭燃烧的快慢主要由扩散速度决定。
凡是能够提高气流速度、加大焦炭与气流的接触面积、提高风温和增加氧气含量的措施，均可提高扩散速度，强化焦炭的燃烧。
冲天炉内的燃烧过程是在底焦中进行的，根据焦炭燃烧的化学反应，可将底焦燃烧反应划分为两个反应区段：
氧化带——从主排风口到自由氧基本耗尽，CO2浓度达到最大值的区域，发生下列反应：
C+O2――CO2
C+1/2O2――CO
CO+1/2O2――CO2
还原带――从氧化带顶面到炉气中CO和CO2含量基本不变的区域，CO2被高温的焦炭还原：
CO2+C---2CO；
由于从风口引入的空气流容易偏向炉壁，产生“炉壁效应”，造成底焦燃烧不均匀、炉气及炉温分布不均匀，形成了中心下凹的氧化带和还原带。
而且，冲天炉内径愈大，上述现象愈加严重，给熔炼带来不利影响。
如：
不易形成集中的高温区，不利于铁液过热；加速炉衬侵蚀；增大炉壁的散热损失，降低炉子的热效率；铁料熔化不均匀，料柱不能平稳下降，容易混料，影响铁液成分。
因而，应设法防止或改善。
采用适当增大焦炭块度，
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而且块度均匀，用小风口送风或采用插入式风嘴，采用曲线炉膛，对大型冲天炉采用中央送风等，都是改善底焦燃烧的有效措施。
熔炼过程中，为使消耗的底焦得到层焦的补充，送风量必须与焦炭消耗量相适应。
三、焦炭成分和性能对铁水熔炼的影响
1、焦炭固定碳、灰分的影响
固定碳含量愈高，阻碍燃烧反应和影响铁水吸热的灰分就愈少，熔炼过程中由灰分形成渣量也相应减少。
因而有利于提高炉温，强化了焦炭对铁水的对流传热，有利于铁水的过热。
可见采用低灰分的高碳焦炭，是提高冲天炉铁水温度的一条有效途径。
发热量与灰分的直接关系为：
Q=8000（1-A）
式中：
Q-----焦炭发热量（Kcal/kg）
A-----焦炭中灰份含量（%）
灰份不仅降低了焦炭的固定碳含量,降低了焦炭的发热量，而且熔化灰份还要消耗一部份热量。
此外，灰份还影响风口前区的燃烧，需增大熔剂量和送风速度，增加了熔渣量，影响铁水与焦炭间的热交换和冶金反应。
国外有试验表明：
焦炭灰份每增1%，在双排进风操作中，铁水温度降低5℃；而在单排进风操作中，下降7℃。
国内在铸造焦试验中得出结论是：
灰份每减少1%，铁水温度约提高10℃，而且灰份的减少利于增炭率提高。
由上可见，不管何种冲天炉，其铁水温度均随焦炭中灰份含量的增加而降低的结论是一致的。
只是由于各种冲天炉结构和操作工艺等方面的不
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同，而使得铁水温度下降的幅度不同而已。
在实际生产中，焦炭灰份的不稳定会使铁水温度和增碳出现不可控制的波动，从而导致铸件产生缺陷。
因此，在冲天炉用焦炭的选择上，要考虑焦炭成分的稳定性，避免波动过大。
根据生产铸件的种类和材料要求以及焦炭的供应状况，综合考虑熔炼成本，强化操作工艺，选择合适固定碳含量的焦炭，不可一味地追求使用低灰分的高碳焦炭。
2、块度的影响
焦炭块度对熔炼过程的影响很大。
随着焦炭块度增大，焦炭的可燃性和反应性减小，冲天炉最高温度略有增加，最高温度位置和熔化区位置都随着上升。
近年来，国内外许多铸造工作者都在进行这方面研究工作。
日本曾对焦炭的形状进行过研究，认为近似球状的粗粒焦炭，比细长有棱角的柱状焦炭在炉内容易下降，透气阻力小，炉况稳定，用球状粗粒焦炭投炉，比用有棱角的柱状焦炭，熔化率提高15%，铸件废品率也有所下降。
英国有人将不同块度的焦炭用于冲天炉熔炼，并进行了实用和技术经济方面的探讨，结论是：
焦炭块度每减少10mm，铁水温度将下降4℃。
沈阳铸造研究所曾分别作过不同焦炭块度的熔炼试验，结果表明，不同大小的炉子都有其相应的最佳焦炭块度：
中小型炉子为平均炉内径的1/6—1/10，大型炉为1/10—1/12。
北京焦化厂曾结合生产进行了“焦炭块度对冲天炉熔炼的影响”的系统试验，得出如下结论：
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1）、块度的大小应与冲天炉内径大小相适应。
试验中所用焦炭块度分为4个级别，即：
30--50mm，50--70mm，70--90mm，90--100mm。
冲天炉内径为￠600，结果50--70mm组的焦炭（即冲天炉内径的1/9—1/12）效果最好。
焦块过小，会直接影响焦炭的燃烧，使氧化带过分缩短，扩大了还原区；焦炭块度越小，单位重量焦炭的表面积越大，燃烧效率越低，CO2与C之间的气化反应加剧，导致废气潜热损失增加。
另外，过小的焦炭还会增加送风阻力，使风不易吹到炉子中心，造成中心燃烧恶化，增加焦耗降低铁水温度。
反之，焦炭块度大，则其相对表面积小，可抑制CO2的还原反应，同时使燃烧比增大。
因此，在正常情况下，随着焦炭块度的增大，铁水温度呈上升趋势。
但是，过大的焦炭块度将使燃烧不集中，炉气上升缓慢，风口附近冷区加大，反而造成铁水温度下降。
2）、块度的均匀性对熔炼过程的影响也很大，试验中，在用块度不均匀的焦炭（＞80mm，占25%，60--80mm，占40%，40—60mm占20%，＜40mm，占15％）时，铁水温度仅为1328.6℃，熔化率为2.37t/h，而全部用50mm的焦炭时，铁水温度可达1390.6℃，熔化率为2.72t/h，分别提高了4.7%和14.8%。
3）、焦炭块度的大小除了受焦炉炉型、煤种、炼焦工艺等先天条件影响外，也受外界条件的影响，如焦炭从生产厂到用户过程中的多次倒运，不合理的装卸等，都会使块度本来就不大的焦炭，产生大量的碎块和焦末，从而降低焦炭的投炉利用率，并影响铁水质量。
3、强度的影响
焦炭入炉后，既受炉内高温的热作用，又受到料柱的压力作用及炉料
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的冲击作用。
如果焦炭的机械强度低，在炉内容易被破碎而不能保持焦炭入炉时的块度，将恶化料柱透气性，影响熔化的稳定性，使冲天沪不能正常熔化。
焦炭的机械强度包括抗压、抗磨损和抗冲击三种强度。
尤以高温下焦炭强度更为重要，
计算表明，冲天炉炉底所承受的压力为4.9×104——9.8×104Pa，而用于冲天炉熔炼的焦炭，其抗压强度一般为1176×104——1470×104Pa.。
因此，焦炭的抗压强度在常温下是足够的。
冲天炉的炉身有效高度一般在4—6米，炉料在炉内的停留时间只有30—40分钟，对抗磨的要求较低，另外焦炭在冲天炉内受到加料时铁料的冲击作用，故应有较高的抗冲击强度。
但在实际生产中,焦炭要在冲天炉内1500℃左右的高温下工作,其抗压强度极限将直接影响冲天炉的整个熔化过程。
强度高的焦炭具有下列优点：
1、减少焦炭在运输过程中的破损，提高焦炭利用率。
2、减少投炉和在冲天炉内的破碎，保持焦炭的块度和均匀度。
3、有利于底焦燃烧，保持炉况稳定。
4、提高铁水温度和冲天炉的热效率。
5、资料指出，提高焦炭落下强度可明显提高铁水温度。
因此，选用焦炭必须考虑强度指标。
目前，国内外大多数都以落下强度作为焦炭的强度指标，用转鼓强度作为焦炭的抗磨损强度。
4、水份、硫份和挥发份的影响
国内外近年来的试验和生产实践表明，水份对冲天炉熔炼有双重影响，水份过高或过低均对冲天炉不利。
但含水量多少合适，至今未有统一数字。
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实际上，在焦炭所有的性能指标中，水份量最难控制。
为计价方便，焦炭生产厂仅控制焦炭水份上限以便出厂。
焦炭在从生产厂到用户的过程中，水份变化很大。
过多的水份在炉内蒸发，不仅吸收大量的热，而且还会增加铁水中的含气量和氧化程度，大大恶化了熔炼过程，降低铁水质量。
因此，铸造厂应严格控制焦炭中的水份，不使用过多水份的焦炭熔炼铁水。
硫是铸件中的有害元素，必需严格控制。
铸件中的硫，除了有各种金属炉料本身带入外，焦炭中约有35%的硫将转入到铁水中，其关系式如下：
S铁水=0.75S炉料+αβS焦炭
式中:
S铁水、S炉料、S焦炭分别为铁水、金属炉料和焦炭中的含硫量，α为吸收系数，取0.35,β为焦炭用量%。
因此，铸造行业希望焦炭中的硫份越低越好。
焦炭中的挥发份主要是指炭化过程中残留的挥发性物质。
焦炭中挥发份含量与固定碳含量成反比，挥发份是焦炭成熟度的一个指标。
焦炭挥发份含量高表示焦炭不熟，强度低，块度小。
另外，挥发份中主要是H2和CH4，着火温度为500--700℃，主要在冲天炉装料口附近燃烧，对预热炉料无益，且恶化操作条件。
随着挥发物的析出，焦炭气孔率增大，反应表面及反应能力也随之加大，对熔炼过程带来不利影响。
因此，作为铸造用焦，对于挥发份应加以限制。
我国国家标准规定挥发份＜1.5%。
5、反应性的影响
焦炭的反应性是指在高温下，焦炭中的碳与二氧化碳的气化反应能力，即：
CO2+C=2CO
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为研究焦炭反应性对冲天炉熔炼的影响，各国铸造工作者近年来作了大量的试验研究工作，由于试验结果不同，导致意见不一。
美国曾进行了多次熔炼试验，定量考察焦炭的反应性对冲天炉熔炼效能的影响。
试验表明，焦炭反应能力低时，焦炭燃烧所产生的热量较多，但多出的热量仅仅影响炉气温度；不管反应性高低，对铁水的温度和熔化率均无明显影响。
最近，我国也进行了类似的实验研究工作。
比较一致的观点是：
焦炭反应性的高低，对炉温和炉内气体中CO含量有很大的影响，当焦炭反应性低时，炉内温度高，而且第二排风口上方的炉气中，CO含量也较低。
试验表明，低反应性焦炭对提高铁水温度是应该是有利的。
四、结论
1、焦炭性能对冲天炉铁水质量的影响很大。
2、在实际生产中，我们不仅要注意焦炭的固定炭、灰份、硫份、挥发份、水份等成分方面的性能，同进还应该注意焦炭的块度、强度以及反应性等方面的物理化学性能。
3、铸造厂家可以根据各种铸铁牌号对铁水的要求不同，选择使用不同产地、等级，不同固定碳含量、块度等的铸造用焦炭，达到既可以改进铁水熔化水平提高铸件质量又经济的目的。
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参考资料：
1、铸造手册。
铸铁卷。
北京：
机械工业出版社出版，1997年
2、刘幼华等。
冲天炉手册。
北京：
机械工业出版社出版，1990年
3、沈阳铸造研究所。
铸造用焦及提高冲天炉熔炼质量的研究，1983年
4、钱去泰等。
冲天炉熔炼技术。
中南工业大学，1981年
5、陆文华。
铸铁及其熔炼。
北京：
机械工业出版社出版，1981年
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