一种吸附于焦炭表面的钾钠钙镁在高炉炼铁过程加速焦炭溶损反应的验证方法及其应用

摘要

本发明公开了一种吸附于焦炭表面的钾、钠、钙、镁在高炉炼铁过程加速焦炭溶损反应的验证方法，包括试样制备、焦炭原始球样反应性及反应后强度检测、检测焦炭的钾、钠、钙、镁含量及检测获取吸附有碱金属的焦炭球样的反应性及反应后强度等。本发明通过将传统的浸碱操作替换为喷洒有机金属粉末，精准控制焦炭的余温，利用余温充分熔融金属粉末，使其充分分散地附着于焦炭表面，避免了传统浸碱工艺中浸碱后水分难以彻底烘干等缺点，本发明检测数据精密度高、准确度好、操作简便、劳动强度低、可操作性强。

说明书

技术领域

本发明涉及高炉炼铁冶炼技术领域，更具体地，涉及一种吸附于焦炭表面的钾、钠、钙、镁在高炉炼铁过程加速焦炭溶损反应的验证方法。

背景技术

国内绝大多数长流程钢铁联合企业都配置有焦化厂，焦化厂内，由于脱硫废液、炼焦过程剩余氨水、脱硝废液、发电锅炉结垢洗涤水、生化脱酚水等直接进入熄焦池，参与水熄焦作业，导致熄焦水中的k+、Na+、Ca²⁺、Mg²⁺、S、N等物质吸附在焦炭表面。

焦炭作为冶炼燃料在冶金企业大量应用，表面吸附有钾、钠、钙、镁离子的焦炭，在高炉上部受热后表面吸附的钾、钠、钙、镁离子汽化后，对焦炭的碳素溶解损失反应的催化作用，使炼焦过程发生变化，导致焦炭结构发生一定程度的变化。现有技术中对焦炭中碱土金属的研究通常是使用浸碱试验添加目标金属元素，该法容易使得焦炭中存在水分残留，使得试验结果存在较大的误差。

故通过精确的实验室分析方法来估算焦炭的性能变得越来越重要，如何科学有效地评估吸附于焦炭表面的钾、钠、钙、镁含量对高炉生产可能带来的影响，如何有效改善高炉中的CO₂和焦炭反应性的技术，基于此准确客观评价焦的品质成为了业界新难题。

发明内容

本发明首先提出一种吸附于焦炭表面的钾、钠、钙、镁在高炉炼铁过程加速焦炭溶损反应的验证方法，采用该方法能科学评估吸附在焦炭表面的钾、钠、钙、镁含量在高炉炼铁过程中对焦炭溶损反应的催化作用和能力，为高炉炉况趋势判断和高炉稳产高产提供必要技术支撑。本发明还提出了一种通过控制焦炭碱土金属添加量来提高焦炭高炉反应性的智能装置及其控制方法，基于验证方法得出的有效数据以及结论，采用该智能控制装置及方法能够更好地控制焦炭的反应性及反应后强度。

一种吸附于焦炭表面的钾、钠、钙、镁在高炉炼铁过程加速焦炭溶损反应的验证方法，包括以下步骤：

(1)试样制备：取焦炭试样，一部分未经任何处理，另一部分使试样均匀地附着有钾、钠、钙、镁等目标金属元素；两部分试样的粒度均为 40mm-60mm，弃去泡焦和炉头焦，将焦炭制成23mm-25mm的近似球状颗粒，取若干球样，一部分作为焦炭原始样球，另一部分作为吸附有碱金属的焦炭球样；

(2)焦炭原始球样反应性及反应后强度检测：焦炭原始球样反应性记为 CRI％₁、焦炭原始球样反应后强度CSR％₁；

(3)取出吸附有碱金属的焦炭球样，按一定比例分为两个部分，一部分采用电感耦合等离子体原子发射光谱仪检测焦炭的钾、钠、钙、镁含量，另外一部分用于通过检测获取吸附有碱金属的焦炭球样的反应性及反应后强度，得出检测结果：吸附有碱金属的焦炭球样的反应性CRI％₂、吸附有碱金属的焦炭球样的反应后强度CSR％₂；

(4)不同钾、钠、钙、镁等离子含量对焦炭溶损反应程度计算：

反应后热反应性变化率K1＝((CRI％₂-CRI％₁)÷CRI％₁)×100％

反应后强度变化率K2＝((CSR％₂-CSR％₁)÷CSR％₁)×100％

其中：CRI％₁----原样焦炭热反应性

CRI％₂---吸附有碱金属的焦炭球样的热反应性

CSR％₁---原样焦炭热反应后强度

CSR％₂---吸附有碱金属的焦炭球样的热反应后强度。

优选地，上述球状颗粒的制备方法为：1)将焦炭样品切割为23-25mm的正方体，并通过砂轮工具将其磨制成为直径为23-25mm的球状体；2)将样品置于挥发性溶液中泡浸1h，并在115℃中烘至干燥；3)挑选出完整无细缝的样品作为测试样品。

优选地，使试样均匀地附着有钾、钠、钙、镁等目标金属元素的方法为：通过自动传输系统将焦炉输出的焦炭传送到高炉，在传送的过程中，通过温度冷却装置冷却焦炭，当焦炭温度达到目标金属有机粉末的熔点时，采用具有网筛结构的粉末喷涂系统向焦炭均匀喷射一定量包含目标金属的粉末状有机化合物，利用焦炭热量融化并分散有机粉末，从而使得有机粉末充分地附着于焦炭表面。

优选地，有机粉末可以是柠檬酸钾、柠檬酸钠、柠檬酸钙及柠檬酸镁。

优选地，焦炭反应性及反应后强度的测定步骤如下：

A、将晾干试样在180℃温度下干燥2h，放入干燥器中冷却至室温，再用￠ 23mm和￠23mm的筛子进行筛分，去除粘着在焦块上的焦粉；

B、称取200g±2g，记录为m,将试样装入反应器中铺平；

C、电炉升温，升温速度为8℃/min～16℃/min；当料层温度达到400℃时，以0.8L/min的流量通入氮气；当料层温度达到1050℃时，预热二氧化碳气瓶出口处，当料层温度达到1100℃时，稳定10分钟，切断氮气，改同二氧化碳，流量为5L/min，同二氧化碳后料层温度应在5min～10min内回复到1100℃±3℃, 反应2h,停止加热，切断二氧化碳，改通氮气流量为2L/min；

D、反应器出炉，在氮气保护下温度降到100℃以下，停止通入氮气；

E、打开反应器，倒出焦炭，称量，记录为m1；

F、反应后的焦炭全部装入I型转鼓内，以20r/min的转速共转30min,然后取出用￠10mm圆孔筛筛分，称量筛上物质量，记录为m2；G、计算结果：反应性为CRI₂,反应后强度为CSR％₂。

一种通过控制焦炭目标碱土金属添加量来提高焦炭高炉反应性的智能装置，其包括焦炉、高炉、传输系统、粉末喷涂系统、喷涂速率控制系统、冷却系统、温控系统、称重传感器，计算机系统；其中通过传输系统将焦炉出口以及高炉入口相连接，在传输系统上具有粉末喷涂系统以及冷却系统，粉末喷涂系统与喷涂速率控制系统相连接，粉末喷涂系统用于向传输系统上的焦炭喷洒目标有机金属粉末，喷涂速率控制系统控制有机金属粉末喷洒的速率及喷洒量，冷却系统用于对焦炭进行精准降温，称重传感器与粉末喷涂系统相连，温控系统以及称重传感器均与计算机系统相连，所述计算机用于根据目标有机粉末的熔点来控制喷洒的程序，并基于该程序自动控制粉末的喷洒量、喷洒速率。

优选地，所述喷洒量、喷洒速率为通过上述权利要求1-5所述的验证方法获取的有利于提高焦炭反应性的目标碱土金属添加量。

一种如前述的提高焦炭高炉反应性的智能装置的控制方法，通过自动传输系统将焦炉输出的焦炭传送到高炉，在传送的过程中，通过温度冷却装置冷却焦炭，当焦炭温度略高于目标金属有机粉末的熔点时，采用具有网筛结构的粉末喷涂系统向焦炭均匀喷射一定量包含目标金属的粉末状有机化合物，利用焦炭热量融化并分散有机粉末，从而使得有机粉末充分地附着于焦炭表面。

优选地，所述一定量包含目标金属的粉末状有机化合物为通过上述验证方法获取的有利于提高焦炭反应性的目标碱土金属添加量。

优选地，目标碱土金属可以是柠檬酸钾、柠檬酸钠、柠檬酸钙及柠檬酸镁粉末。

优选地，所述计算机装置获取的各种数据均可通过无线网络传输到手机、 ipad等移动终端，并可通过移动终端来控制计算机。

有益效果

1、本发明模拟了水熄焦工艺流程中，熄焦水中的钾、钠、钙、镁离子在焦炭表面的吸附过程；2、本发明通过将传统的浸碱操作替换为喷洒有机金属粉末，精准控制焦炭的余温，利用余温充分熔融金属粉末，使其充分分散地附着于焦炭表面，避免了传统浸碱工艺中浸碱后水分难以彻底烘干等缺点；3、本发明从高炉炼铁冶炼工艺出发，通过改进的方法检测焦炭热态性能指标，模拟了吸附于焦炭表面的钾、钠、钙、镁在高炉炼铁冶炼过程中加速焦炭溶损反应的过程；该改进的测量焦炭热态性能的方法更好地模拟焦炭高炉加热环境中的复杂反应情况； 4、本领域的传统工艺耗时耗力，反应性等无法实现智能控制，本申请提出的通过控制焦炭碱土金属添加量来提高焦炭高炉反应性的智能装置及其控制方法为申请人首创，大大提高了焦炭的反应性；5、本发明公开的验证方法具有步骤简单、耗时短、验证过程符合高炉炼铁冶炼工艺原理等优点；6、本发明检测数据精密度高、准确度好、操作简便、劳动强度低、可操作性强；7、本发明的方法还具有速测、高效、智能、高通量、环保、行业内可广泛推广等特点。

附图说明：

图1：一种通过控制焦炭碱土金属添加量来提高焦炭高炉反应性的智能装置示意图。

具体实施例

实施例1：一种吸附于焦炭表面的钾、钠、钙、镁在高炉炼铁过程加速焦炭溶损反应的验证方法，包括以下步骤：

试样制备：取焦炭试样，一部分未经任何处理，另一部分使试样均匀地附着有钾、钠、钙、镁等目标金属元素：通过自动传输系统将焦炉输出的焦炭传送到高炉，在传送的过程中，通过温度冷却装置冷却焦炭，当焦炭温度达到目标金属有机粉末的熔点时，采用具有网筛结构的粉末喷涂系统向焦炭均匀喷射一定量包含目标金属的粉末状有机化合物，利用焦炭热量融化并分散有机粉末，从而使得有机粉末充分地附着于焦炭表面。

两部分试样的粒度均为40mm-60mm，弃去泡焦和炉头焦，将焦炭制成 23mm-25mm的近似球状颗粒，取若干球样，一部分作为焦炭原始样球，另一部分作为吸附有碱金属的焦炭球样；上述球状颗粒的制备方法为：1)将焦炭样品切割为23-25mm的正方体，并通过砂轮工具将其磨制成为直径为23-25mm的球状体； 2)将样品置于挥发性溶液中泡浸1h，并在115℃中烘至干燥；3)挑选出完整无细缝的样品作为测试样品。

焦炭原始球样反应性及反应后强度检测：焦炭原始球样反应性记为CRI％₁、焦炭原始球样反应后强度CSR％₁；

取出吸附有碱金属的焦炭球样，按一定比例分为两个部分，一部分采用电感耦合等离子体原子发射光谱仪检测焦炭的钾、钠、钙、镁含量，另外一部分用于通过检测获取吸附有碱金属的焦炭球样的反应性及反应后强度，得出检测结果：吸附有碱金属的焦炭球样的反应性CRI％₂、吸附有碱金属的焦炭球样的反应后强度CSR％₂；

焦炭反应性及反应后强度的测定步骤如下：

(5)A、将晾干试样在180℃温度下干燥2h，放入干燥器中冷却至室温，再用￠23mm和￠23mm的筛子进行筛分，去除粘着在焦块上的焦粉；

(6)B、称取200g±2g，记录为m,将试样装入反应器中铺平；

(7)C、电炉升温，升温速度为8℃/min～16℃/min；当料层温度达到400℃时，以0.8L/min的流量通入氮气；当料层温度达到1050℃时，预热二氧化碳气瓶出口处，当料层温度达到1100℃时，稳定10分钟，切断氮气，改同二氧化碳，流量为5L/min，同二氧化碳后料层温度应在5min～ 10min内回复到1100℃±3℃,反应2h,停止加热，切断二氧化碳，改通氮气流量为2L/min；

(8)D、反应器出炉，在氮气保护下温度降到100℃以下，停止通入氮气；

(9)E、打开反应器，倒出焦炭，称量，记录为m1；

(10)F、反应后的焦炭全部装入I型转鼓内，以20r/min的转速共转30min, 然后取出用￠10mm圆孔筛筛分，称量筛上物质量，记录为m2；G、计算结果：反应性为CRI₂,反应后强度为CSR％₂。

(11)不同钾、钠、钙、镁等离子含量对焦炭溶损反应程度计算：

反应后热反应性变化率K1＝((CRI％₂-CRI％₁)÷CRI％₁)×100％

反应后强度变化率K2＝((CSR％₂-CSR％₁)÷CSR％₁)×100％

其中：CRI％₁----原样焦炭热反应性

CRI％₂---吸附有碱金属的焦炭球样的热反应性

CSR％₁---原样焦炭热反应后强度

CSR％₂---吸附有碱金属的焦炭球样的热反应后强度。

有机粉末可以是柠檬酸钾、柠檬酸钠、柠檬酸钙及柠檬酸镁。

表1喷涂有机金属粉末焦炭热态性能检测实验结果汇总表

实施例2：一种通过控制焦炭碱土金属添加量来提高焦炭高炉反应性的智能装置，其包括焦炉1、高炉2、传输系统、粉末喷涂系统5、喷涂速率控制系统7、冷却系统3、温控系统4、称重传感器6，计算机系统8；其中通过传输系统将焦炉1出口以及高炉2入口相连接，在传输系统上具有粉末喷涂系统5以及冷却系统3，粉末喷涂系统5与喷涂速率控制系统7相连接，粉末喷涂系统5用于向传输系统上的焦炭喷洒目标有机金属粉末，喷涂速率控制系统7控制有机金属粉末喷洒的速率，冷却系统3用于对焦炭进行精准降温，称重传感器与粉末喷涂系统相连，温控系统以及称重传感器均与计算机系统相连，用于根据目标有机粉末的熔点来控制喷洒的程序，并基于该程序自动控制粉末的喷洒量、喷洒速率。

实施例3：一种提高焦炭高炉反应性的智能装置的控制方法，通过自动传输系统将焦炉输出的焦炭传送到高炉，在传送的过程中，通过温度冷却装置冷却焦炭，当焦炭温度略高于目标金属有机粉末的熔点时，采用具有网筛结构的粉末喷涂系统向焦炭均匀喷射一定量包含目标金属的粉末状有机化合物，利用焦炭热量融化并分散有机粉末，从而使得有机粉末充分地附着于焦炭表面。所述一定量包含目标金属的粉末状有机化合物为通过上述验证方法获取的有利于提高焦炭反应性的目标碱土金属添加量。目标碱土金属可以是柠檬酸钾、柠檬酸钠、柠檬酸钙及柠檬酸镁粉末。所述计算机装置获取的各种数据均可通过无线网络传输到手机、ipad等移动终端，并可通过移动终端来控制计算机。