高炉焦炭在铁水中溶解行为解析及渗碳能力评价

Under the condition of high melting intensity of current and future large-scale blast furnace, enhancing the coke dissolution rate and improving the carbon saturation in hot metal are critical to weaken the attack of unsaturated melt at the lining and ensure the smooth operation of hearth of blast furnace. However, the behavior of coke dissolution in hot metal is still unknown due to the shortage of theoretical fundamentals. First, the evolution of crystalline structure, optical texture and feature of coke carbon matrix will be studied with advanced characterization methods to figure out the dissolution ability of different carbon structures. Second, the migration and formation mechanisms of coke mineral layers during the dissolution process will be investigated using thermodynamics and mineralogy to uncover the matter transportation of coke-metal interface. Then, the influence mechanism of liquid iron characteristics on coke dissolution will be analyzed. Finally, the coupled mechanism of coke-interface-metal interactions will be studied with physical and chemical as well as mathematical methods aiming to build the comprehensive evaluation model and propose the evaluation indexes as well as detection methods of coke dissolution in hot metal. This research will provide theoretical and technical basis for the evaluation of coke quality and reduction of carbon consumption in ironmaking system.

在当前及未来大型高炉高冶炼强度的条件下，加快焦炭在铁水中的溶解速率，提高高炉炉缸铁水的碳饱和度，是削弱碳不饱和铁水对炉缸炉衬侵蚀，保证炉缸正常工作及延长高炉寿命的重要措施，而目前对焦炭在铁水中的溶解行为尚不明晰，缺乏相应的理论基础。本项目首先采用先进表征技术对焦炭在溶解过程中碳基体微晶结构、光学组织结构及形貌演变规律进行研究，揭示不同碳基体结构的溶解特性；其次，通过热动力学及矿物学分析，研究焦炭内矿物质迁移规律以及矿物层形成演化机理，解析焦炭-铁水固液界面传质机制。然后，从铁水特性的角度研究其对焦炭溶解行为的影响机理。最后，采用物化法及数学法对焦炭-界面层-铁水溶解体系内多相间协同耦合机理进行解析，建立焦炭在铁水中溶解行为的综合评价模型，提出焦炭在铁水中渗碳能力的评价指标体系和检测方法，为完善焦炭质量评价，降低炼铁系统碳素消耗奠定理论和技术基础。

自2000年以来，全球钢铁产量和需求急剧增加，碳质材料作为能源和排放的载体，铁和碳的相互作用一直是钢铁的研究重点。Fe-C相互作用出现在不同的冶金过程中，深入了解碳质材料在铁液中的溶解行为，对优化炼铁工艺具有重要意义，同时也是提高资源利用率和减少环境负荷的关键。本项目采用实验室模拟实验、高炉内部取样及分子动力学的方法，对影响焦炭在铁水中溶解的因素及高炉中下部渣铁焦的多相行为进行了详细研究。首先，通过风口取样及高炉解剖的方式，对风口区域焦炭及铁口下方死料柱内部靠近边缘的渣铁焦样品的进行分析。发现5 ~1 mm风口焦的孔隙度明显较低，其中含有相当量的Fe2O3和SiC，也加快了气化反应的进行。焦炭内部孔隙充满熔渣，还有少量铁水。死料柱中仍然存在大于60 mm的焦炭，说明焦炭在高炉中的反应很不均匀。其次，对石墨向铁水中的溶解行为进行了分析，研究了四种碳素材料在铁液中的溶解行为，对比了焦炭气孔、碳结构、灰分对渗碳的影响。由于Fe-Fe键间的排斥力更大，铁向石墨碳中移动更加困难，最终在铁碳间形成了Fe-C界面层。尽管焦炭的碳结构无序化程度高，灰分含量多，但焦炭中气孔对渗碳反应的促进作用更强。再次，制备了新型焦炭类似物用于实验室里代替冶金焦炭，对比和分析了四种不同碳素材料的溶解行为。冶金焦粉制备的焦炭类似物的模拟性更强。碳溶解极限的差异主要是由于碳结构的有序性及界面熔体的性能影响碳原子的活度。最后，研究了熔渣-铁水-焦炭-气相间的复杂多相反应。对纯FeO存在下C向铁液中溶解的速率的影响进行研究，对渣系中FeO存在对焦炭在铁水及熔渣中劣化的影响进行了机理分析。焦炭在渣铁界面的溶解劣化要明显强于浸渣层和浸铁层。FeO含量的增加也加速了焦炭的溶解。渣铁界面处焦炭的严重劣化主要是碳溶解反应、还原反应和焦炭气化反应的综合效果。