一种碱金属对高炉内焦炭和铁矿石侵蚀作用的测试方法

技术领域

本申请涉及高炉炼铁用焦炭技术领域，尤其涉及一种测量碱金属对高炉内焦炭和铁矿石侵蚀破坏作用的方法。

背景技术

焦炭在高炉中会发生碳素熔损反应、碱金属侵蚀等反应，这造成了焦炭强度的降低。碱蒸气对焦炭基质和矿物的破坏以及对碳气化反应的催化作用是导致焦炭质量严重劣化的主要原因。铁矿石在被还原为铁水之前，会经历各种现象，如还原粉化、还原膨胀、还原粘结和软化熔融。而随着炉料的下降，由于碱金属的循环富集，碱金属会吸附到高炉炉料上。碱金属对高炉炉料的冶金性能有重要影响，碱金属会使高炉炉料的还原粉化率增加，加快其还原速率和膨胀，从而引起大量粉末，影响高炉操作。

目前，难以同时测试碱金属蒸气对焦炭和铁矿石的直接破坏作用。

发明内容

本申请提供了一种碱金属对高炉内焦炭和铁矿石侵蚀作用的测试方法，以解决现有难以同时表征和区分高炉内不同有害金属蒸气(钾、钠)对焦炭和铁矿石直接破坏作用的技术问题。

第一方面，本申请提供了一种碱金属对高炉内焦炭和铁矿石侵蚀作用的测试方法，所述方法包括：

制备第一焦炭样品和第一铁矿石样品；

将活性炭粉与碱金属碳酸盐进行混合，得到混合粉末；

将所述混合粉末、所述第一焦炭样品以及所述第一铁矿石样品放置于容器中，后使得所述容器处于密封状态；

将处于密封状态的所述容器进行热处理，以使碱金属蒸气被所述第一焦炭样品和所述第一铁矿石样品吸收，得到第二焦炭样品和第二铁矿石样品；

对所述第二焦炭样品进行筛分，计算金属蒸气侵蚀后的所述第一焦炭样品的反应后强度；以及，

对所述第二铁矿石样品进行筛分，计算金属蒸气侵蚀后的所述第一铁矿石样品的反应后强度。

可选的，所述活性炭粉与碱金属碳酸盐的摩尔比为(3～5):1。

可选的，所述将所述混合粉末、所述第一焦炭样品以及所述第一铁矿石样品放置于容器中，后使得所述容器处于密封状态，包括：

按照顺序依次将所述混合粉末、所述第一焦炭样品以及所述第一铁矿石样品放置于容器中，后使得所述容器处于密封状态；其中，所述混合粉末与所述第一焦炭样品之间放置透气垫片。

可选的，所述热处理的工艺参数包括：温度为1200～1400℃，时间为1～3h。

可选的，所述热处理的工艺参数包括：温度为1300℃，时间为1.5h。

可选的，所述第一焦炭样品的粒度为23～25mm，和/或所述第一铁矿石样品的粒度为10～20mm。

可选的，所述第一焦炭样品的用量为79.5～80.5g，和/或所述第一铁矿石样品的用量为399.5～400.5g。

可选的，所述对所述第二焦炭样品进行筛分，计算金属蒸气侵蚀后的所述第一焦炭样品的反应后强度，包括：

对所述第二焦炭样品进行筛分，得到10mm以上粒度的焦炭；

所述金属蒸气侵蚀后的所述第一焦炭样品的反应后强度的表达式：M

式中，M

可选的，对所述第二铁矿石样品进行筛分，计算金属蒸气侵蚀后的所述第一铁矿石样品的反应后强度，包括：

对所述第二铁矿石样品进行筛分，得到6.3mm以上粒度的铁矿石；

所述金属蒸气侵蚀后的所述第一铁矿石样品的反应后强度的表达式：O

式中，O

本申请实施例提供的上述技术方案与现有技术相比具有如下优点：

本申请实施例提供的该碱金属对高炉内焦炭和铁矿石侵蚀作用的测试方法，通过分析焦炭和铁矿石试样反应后强度，得到不同焦炭灰分对其高温性能影响，可以更深入评价焦炭热性能的优劣；该方法能够单独表征有害碱金属蒸气对焦炭和铁矿石的直接破坏作用，有利于找出蒸气富集量与焦炭和铁矿石性能之间的关系，明确了碱金属富集量与焦炭和铁矿石劣化程度之间的内在规律为高炉合理控制入炉碱负荷提供量化依据。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种碱金属对高炉内焦炭和铁矿石侵蚀作用的测试方法的流程示意图；

图2为本申请实施例提供的碱金属蒸气浸透焦炭测试装置；其中，1-刚玉密封盖，2-刚玉坩埚，3-铁矿石样品，4-焦炭样品，5-多孔透气刚玉垫片，6-碱金属碳酸盐与活性炭粉的混合物；

图3为本申请实施例1提供的钾蒸气侵蚀过后留下的焦炭和铁矿石碎屑及产生的裂纹；

图4为本申请实施例1提供的钾蒸气对焦炭反应后强度M

图5为本申请实施例1提供的钾蒸气对铁矿石反应后强度O

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请的各种实施例可以以一个范围的形式存在；应当理解，以一范围形式的描述仅仅是因为方便及简洁，不应理解为对本申请范围的硬性限制；因此，应当认为所述的范围描述已经具体公开所有可能的子范围以及该范围内的单一数值。例如，应当认为从1到6的范围描述已经具体公开子范围，例如从1到3，从1到4，从1到5，从2到4，从2到6，从3到6等，以及所述范围内的单一数字，例如1、2、3、4、5及6，此不管范围为何皆适用。另外，每当在本文中指出数值范围，是指包括所指范围内的任何引用的数字(分数或整数)。

在本申请中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上”和“下”具体为附图中的图面方向。另外，在本申请说明书的描述中，术语“包括”“包含”等是指“包括但不限于”。在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。在本文中，“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B的情况。其中A，B可以是单数或者复数。在本文中，“至少一个”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“至少一种”、“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指的这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，“a,b,或c中的至少一项(个)”，或，“a,b,和c中的至少一项(个)”，均可以表示：a,b,c,a-b(即a和b),a-c,b-c,或a-b-c，其中a,b,c分别可以是单个，也可以是多个。

除非另有特别说明，本申请中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等，均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。

第一方面，本申请提供了一种碱金属对高炉内焦炭和铁矿石侵蚀作用的测试方法，请参见图1，所述方法包括：

S1、制备第一焦炭样品和第一铁矿石样品；

在一些实施方式中，所述第一焦炭样品的粒度为23～25mm，和/或所述第一铁矿石样品的粒度为10～20mm。

在一些实施方式中，所述第一焦炭样品的用量为79.5～80.5g，和/或所述第一铁矿石样品的用量为399.5～400.5g。

在本申请实施例中，具体地，将待测焦炭制成块状焦炭，称取80g±0.5g的粒度为23mm～25mm的块状焦炭作为焦炭样品，记录实际焦炭样品入炉重量为m

S2、将活性炭粉与碱金属碳酸盐进行混合，得到混合粉末；

在一些实施方式中，所述活性炭粉与碱金属碳酸盐的摩尔比为(3～5):1。

在本申请实施例中，过量活性炭粉保证碳酸钾或碳酸钠可以被C全部还原，若只是等量的话，碳酸钾或碳酸钠难以被全部还原。具体地，该活性炭粉与碱金属碳酸盐的摩尔比可以为3:1、4:1、5:1等，该碱金属碳酸盐可以为碳酸钾、碳酸钠。

S3、将所述混合粉末、所述第一焦炭样品以及所述第一铁矿石样品放置于容器中，后使所述容器处于密封状态；

在一些实施方式中，所述将所述混合粉末、所述第一焦炭样品以及所述第一铁矿石样品放置于容器中，后使得所述容器处于密封状态，包括：

按照顺序依次将所述混合粉末、所述第一焦炭样品以及所述第一铁矿石样品放置于容器中，后使得所述容器处于密封状态；其中，所述混合粉末与所述第一焦炭样品之间放置透气垫片。

在本申请实施例中，将混合粉末放入刚玉坩埚底部，在刚玉坩埚内放置多孔刚玉垫片，在垫片上放置反应的焦炭样品，再放置上反应的铁矿石，这种放置样品方式，便于更为准确地测试侵蚀效果，盖上盖子，保持容器处于密封状态，请参见图2。

S4、将处于密封状态的所述容器进行热处理，以使碱金属蒸气被所述第一焦炭样品和所述第一铁矿石样品吸收，得到第二焦炭样品和第二铁矿石样品；

在一些实施方式中，所述热处理的工艺参数包括：温度为1200～1400℃，时间为1～3h。

在一些实施方式中，所述热处理的工艺参数包括：温度为1300℃，时间为1.5h。

在本申请实施例中，在上述热处理的工艺参数的条件下，以保证金属蒸气完全被焦炭和铁矿石吸收，碱金属蒸气侵蚀时同时包括焦炭与铁矿石，并便于后续更准确测试金属蒸气对焦炭样品和铁矿石样品的侵蚀破环作用。具体地，该温度可以为1200℃、1250℃、1300℃、1350℃、1400℃等，该时间可以为1h、2h、3h等，优选地，该温度可以为1300℃，时间可以为1.5h。

S5、对所述第二焦炭样品进行筛分，计算金属蒸气侵蚀后的所述第一焦炭样品的反应后强度；以及，

S6、对所述第二铁矿石样品进行筛分，计算金属蒸气侵蚀后的所述第一铁矿石样品的反应后强度。

在一些实施方式中，所述对所述第二焦炭样品进行筛分，计算金属蒸气侵蚀后的所述第一焦炭样品的反应后强度，包括：

对所述第二焦炭样品进行筛分，得到10mm以上粒度的焦炭；

所述金属蒸气侵蚀后的所述第一焦炭样品的反应后强度的表达式：M

式中，M

在一些实施方式中，对所述第二铁矿石样品进行筛分，计算金属蒸气侵蚀后的所述第一铁矿石样品的反应后强度，包括：

对所述第二铁矿石样品进行筛分，得到6.3mm以上粒度的铁矿石；

所述金属蒸气侵蚀后的所述第一铁矿石样品的反应后强度的表达式：O

式中，O

在本申请实施例中，热处理后的焦炭样品在所述马弗炉中进行冷却，冷却至室温后取出，称重并记录该焦炭试样的出炉重量m

与现有技术相比，本申请实施例提供的一种碱金属对高炉内焦炭和铁矿石侵蚀作用的测试方法至少具有以下有益效果：

1)填补了同时表征有害金属蒸气对焦炭和铁矿石直接破坏作用的空白；

2)单独用碱金属蒸气侵蚀焦炭和铁矿石，能够更深入评价金属蒸气的直接破坏作用；

3)通过密闭刚玉坩埚里用金属蒸气浸透焦炭和铁矿石样品，能够保证实验设计的金属蒸气全部富集到焦炭和铁矿石里面，从而有利于找出蒸气富集量对焦炭和铁矿石性能之间的关系，为高炉合理控制入炉碱负荷负荷提供量化依据。

下面结合具体的实施例，进一步阐述本申请。应理解，这些实施例仅用于说明本申请而不用于限制本申请的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照国家标准测定。若没有相应的国家标准，则按照通用的国际标准、常规条件、或按照制造厂商所建议的条件进行。

实施例1

本申请实施例提供了一种碱金属对高炉内焦炭和铁矿石侵蚀作用的测试方法，所述方法包括：

S11、制备第一焦炭样品和第一铁矿石样品；

取高炉实际用的焦炭，用破碎机破碎，之后修剪为23-25m的焦炭小球，称取4份80g±0.5g作为实验样品。分别称取4份400g±0.5g的粒度为10mm-20mm的块状铁矿石作为实验样品，4份铁矿石分别为块矿、烧结矿、酸性球团矿、碱性球团矿。

S21、将活性炭粉与碱金属碳酸盐进行混合，得到混合粉末；

依据反应K

设定钾蒸气与焦炭的质量比为6.0％，由此可得需要碳酸钾粉末的质量为21.23g，从而可以计算出需要碳酸钾和活性炭的混匀粉末质量为26.77g。

S31、将所述混合粉末、所述第一焦炭样品以及所述第一铁矿石样品放置于容器中，后使得所述容器处于密封状态；

称量26.77g的碳酸钾和活性炭混合粉末，分别置于如附图2所示的反应器的底部中，多孔透气刚玉垫片卡在刚玉坩埚上，分别放入称量好的焦炭和铁矿石样品，再分别盖上刚玉密封盖。

S41、将处于密封状态的所述容器进行热处理，以使得碱金属蒸气完全被所述第一焦炭样品和所述第一铁矿石样品吸收，得到第二焦炭样品和第二铁矿石样品；

将4个刚玉坩埚同时放入马弗炉中恒温区(注意：如果马弗炉的恒温区不够大，可以一次放一个，做4次)。按照以10℃/min的升温速率升温到1300℃以保证还原反应能够充分进行，在1300℃保温90分钟以保证金属蒸气完全被焦炭吸收反应，之后随炉冷却到室温。

取出4个刚玉坩埚并取出其中的焦炭和铁矿石，可以发现有许多焦炭碎屑，铁矿石也有不同程度的碎屑、裂纹和融化产生，如附图3所示。

S51、对所述第二焦炭样品进行筛分，计算金属蒸气侵蚀后的所述第一焦炭样品的反应后强度；以及，

称量10mm以上的焦炭m

S61、对所述第二铁矿石样品进行筛分，计算金属蒸气侵蚀后的所述第一铁矿石样品的反应后强度。

称量6.3mm以上的铁矿石o

以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。