粒状焦炭结构电阻的初步研究

1、粒状焦炭结构电阻的初步研究2005年第1期总第180期铁合金FERRO-ALLOYS2oo5lTot.180粒状焦炭结构电阻的初步研究半储少军翟丹杨巍程云霞(北京科技大学北京中国100083)摘要用于矿热炉冶炼的粒状碳质还原剂的导电性质是由其结构电阻决定的.结构电阻包括焦炭本身的”本征电阻”和焦粒之间的”接触电阻”.”本征电阻”是焦炭的固有电阻,随温度变化而变化.”接触电阻”则与焦炭颗粒的大小,形状,颗粒分布以及所处的压力状态等因素有关.关键词矿热炉还原剂电阻中图分类号TF656.2文献标识码A文章编号10011943(2005)01000104RESEARCHoNCoNSTRUCTIoNRE

2、SISTANCEoFGRANULARCoKEChuShaojunZhaiDanYangWeiChengYunxia(UniversityofScience&TechnologyBeijing,Bering,China100083)AbstractFortheferroalloyprocess,theconductioncurrentbehaviourofcarbonreductiveagentsplaysallimportantroleinthesubmergedarefumace.Experimentalresulshowthattheconstructionresistan

3、ceofgranarcokeconsistsof”intrinsicresistanceand”contactresistance”.Intrinsicresistanceofcarbonreductiveagentistherealresistanceofmaterialsandmainlyvarieswithtemperaturecondition.Forgranularcoke,thecontactresistanceshaverelationstothegranularsizeorparticlediametentheparticleshape,theparticlesizedistr

4、ibutionandthepressureconditionborneonit.Keywordssubmergedarefumace,reductiveagents,resistance铁合金生产对碳质还原剂理化性质的基本要求是:反应活性好,比电阻高,粒度适宜,在高温条件下.不易石墨化,且具有一定的抗压强度.二十世纪八十/年代,我国铁合金界对碳质还原剂质量和使用方法曾做过许多工作,许多生产企业采用”兰炭”或直接用气煤代替冶金焦生产硅系合金,取得了良好的生产技术指标.但是,关于粒状碳质还原剂的导电行为,尤其是还原剂(包括”兰炭”,冶金焦)的粒度搭配对其电阻的影响规律,未见有系统研究的文献报导朔.

5、本文根据粒状冶金焦常温导电性质的测量结果,提出了碳质还原剂”结构电阻”的概念,对硅系合金生产中焦炭粒度和配比选择可能有参考价值.1实验装置和测量方法测量粒状焦炭的容器是一个内径为86.6cm,刻有高度标尺的有机玻璃圆筒,见图1.筒底部与上部P欧姆表图l粒状焦炭电阻测量装置Fig.1Themeasuringapparatuspietureofgranularcokeresistance设置由软铜”,硬质橡胶和有机玻璃板构成的测量导国家自然科学基金资助项目(批准号50274013)作者简介储少军男,1946年出生.1989年北京科技大学博士生毕业.教授收稿日期20031215铁合金2005年电电极

6、板.上电极依据筒内所装焦粒的多少,上,下可调.与上电极板相联的钢棒可以根据实验条件要求加载.整个测量回路的总电阻,由精度为0.01mO,测量为020oQ的DT9203A数字万用表测出.1r根据欧姆定律:R=p.)测量回路的总电阻可表示为:R=R科+尺0(1)式中,尺.一回路内阻,测量导线电阻和铜网与焦炭间接触表面电阻的总和;尺科一筒内被测粒状焦炭的电阻.因为R科=p科告,改变不同的料柱高度(L值改.)变),即可测得相应的总电阻为:R=Ro+p科L(2)用二项线性回归方程处理测量数据,所得斜率即为粒状焦炭的电阻率p料,而截距是测量装置的电阻.,考虑到装料方式引起的测量误差,每项实验均重复五次以上

7、,剔除最大和最小测量值,取其平均值.在实验中使用石家庄钢厂提供的强度较高的冶金焦炭,减少多次重复测量中造成的焦粒破损.焦炭颗粒属多孔结构,极易吸水,故焦粒筛分后,用干粉法测量其当量直径,即取I1个焦炭颗粒,放入已知体积的干粉中(<200目),量得总体积的变化量,根据球体体积公式V=n?竹r,换算出单粒焦炭的平均当量直径.2实验结果与讨论2.1粒状焦炭的结构电阻当量直径分别为0.39em,0.66em和1.48em的三种焦粒的电阻率p,焦炭的粒度越小,其电阻(或电阻率)越大,其原因是小焦粒间的接触电阻增大引起堆层电阻的增大.因此,从这一角度考虑,许多文献资料提供的不同种类的还原剂实

8、质上是堆层粒状焦炭的结构电阻.为了量化焦炭比电阻与焦炭粒度之间的关系,曾有文献提出如下经验公式网:pa(3)式中,p一粒状还原剂比电阻,Q?m;卜焦粒的平均粒径,em;a,b一随不同品种焦炭而异的常数.用式(3)定量描述焦粒大小与其电阻率的关系,当焦粒平均粒径趋于无穷大时,其电阻率将变为零,这显然是不正确.因此,笔者建议将粒状焦炭结构电阻视为焦炭的本征电阻,即自身电阻和焦炭颗粒间的接触电阻之和.也就是粒状焦炭名义上的结构电阻率p结,本征电阻率P奉和接触电阻率p接三者的相互关系可近似用如下经验式表示:p结=p奉+p接(4)或-p南(5)式中,卜焦粒的当量直径,em;p一层堆粒状焦炭承受的负荷,M

9、Pa;a,b,c一与焦粒几何形状有关的经验常数.这样,影响层堆粒状焦炭电阻的诸多因素可分别由本征电阻和接触电阻体现出来.温度变化只引起焦炭本征电阻的变化.而粒径大小,几何形状,粒度分布和压力变化则会改变堆层粒状焦炭的接触电阻.2.2当量粒径,压强对常温粒状焦炭结构电阻的影响目前,测量碳质还原剂的电阻率尚无统一标准.有文献提出用粉末电阻率仪测量杩,将0.3加4lllln的焦粉放入一定形状的容器内,在0.4MPa压力下用电桥测量其电阻值,通过计算得到电阻率数据.也有文献7】根据铁合金生产实际,采用测量粒度为3mnl,负荷为1.96x104pa(相当于还原电炉中炉料所受的平均压力)的堆层电阻,计算出

10、相应的电阻率.因此,有关粒状焦炭电阻率的文献报导数据差异极大,很难用于生产实际.本文尝试利用经验公式(5),通过实验,确定粒状焦炭的结构电阻率p结和本征电阻率p本.三种粒径焦炭在不同压力条件下的常温电阻率见图3.,第1期储少军等粒状焦炭结构电阻的初步研究从图3中电阻率的变化规律可以看出,初始压0.070.060.05004蛊0.030.020.0l0r一I十往妊l-气h.一lr-ii:-UU.UuZU.O04U.U【,bU.LU.UlU.UlZU.Ul4压强加)a图3粒径,压强对焦炭结构电阻的影响Fig.3Theeffectofparticlediameterandpressureintens

11、ityoncokeconstructionresistance力的变化对粒状焦炭的电阻率影响很大,说明接触电阻大小主要取决于压力,但当压力达到一定值后,接触电阻趋近于定值.相同压力下,不同粒径焦炭的电阻率变化是由焦炭颗粒间接触点的多少引起的.在电阻率一压强变化曲线上,出现了近乎2-3个平台.分析认为,这是测量装置中使用硬橡胶板和软铜网后,造成软铜网与粒状焦炭表面的接触电阻因压力变化而引起的变化.根据式(5),当粒状焦炭受力足够大时,项可P近似为零,则式(5)可近似用下式表示:p结:p本+争(6)由图3中所测实验数据,利用非线性回归方程,得到符合本实验范围的粒状焦炭的结构电阻率与本征电阻率和焦炭

12、当量直径之间的经验关系式为:p=0-023+(7)确定了焦炭的本征电阻率P本和参数a.b的近似值后,再根据不同粒度,不同压力条件的电阻率测量值,经非线性回归处理,得到式(5)中与压力有关的参数C.最终得到的式(5)的具体表达式为:023+rp(8)由于本实验仅测量三种粒径焦炭电阻率,以及非线性回归方程处理方法仍有改进的必要,式(7)仅为初步研究结果,但足以定性描述影响堆层粒状焦炭结构电阻的主要因素.2.3混合粒度焦炭的电阻率矿热炉冶炼工艺中,通常根据碳热还原反应所需要的配碳量和电炉操作电阻的要求,选择不同品种和不同粒度搭配的碳质还原剂.此类混合粒度焦炭的导电行为比较复杂,至今未见有相关文献报导

13、.当量直径为0.39CIll,0.66am和1.48CIll的三种焦粒,按不同体积搭配混合后的结构电阻率测量结果见表1.表1不同粒状焦炭体积搭配混合物的电阻率TahlCokeresistiviyofdifferentgranularvolumeratiomixture注:焦粒体积包含了焦粒间的空隙,三种焦炭的空隙率分别为:1.48cm/54%,0.66cm/62%,0.39cm/81%;算术平均值指按不同焦粒体积量计算的电阻率.显然,不能采用简单加和,平均的方法估计混合焦炭的电阻率.由于不同粒径焦炭颗粒堆层后,均产生不同的空隙率和空隙大小,因此,混合焦炭的电导行为是与不等径焦粒的密堆程度相关.

14、比较表1中第5号实验结果,可以初步证明这一现象.该实验中三种焦粒的体积搭配已参照了三种焦炭的空隙率.为进一步了解不同粒径焦炭按体积搭配引起的电阻率变化的规律,实验采用1.48cm和0.39cm两种粒径的焦炭,按不同体积比例混合,测量其电阻率,结果见图4.ga辟瞳粒径为O.39cm的焦炭体积占全部体儆的百分比%图4体积混合比例对混合焦炭电阻率变化的影响Fig.4TheeffectofvolumemixedratioOnthevariationofmixedcokeresistivity从图4所示的电阻率变化曲线可以看到,混合?4?铁合金2005年焦炭的电阻率出现2个最低点和一个不明显的最高点.其

15、原因如下:当大焦粒中加少量的小焦粒,相当于大焦粒之间的空隙被小焦粒填充,使得堆层焦炭的导电能力增强,因而电阻率下降.当这种填充效果达到一定程度后(大焦粒间的空隙不再可以容纳小焦粒)此时继续增加小焦粒的体积比,相当于用小焦粒替换大焦粒,使混合物的电阻率升高.同样道理,若在小焦粒中加少量大焦粒后,由于上述”填充”和“替换”条件同时发生,造成电阻率急剧下降,当大焦粒比例达到一定值后,因用于填充空隙的小焦粒数量不足,使得混合焦炭的电阻率略有升高,继续增加大焦粒比例,则因替换作用,造成混合焦炭的电阻率呈下降趋势.因此,可以推测,对于多种粒径混合的焦炭,其电阻率的变化是取决于粒径分布造成的密堆程度或”填充

16、”,”替换”所引起的主导地位.根据混合焦炭的粒径分布,预测其电阻率的变化,是本工作下一个研究目标,其研究结果对生产碳质还原剂中破碎和筛分方法可能有一定指导意义.3结论3.1粒状碳质还原剂的导电性质是由其结构电阻决定的.结构电阻是由”本征电阻”和”接触电到最大值.参考文献1黄蔚平.碳质还原剂物理性能的测定.铁合金,1982(1):38422徐忠厚,庄湘生.生产硅铁所用的碳质还原剂合适的煤种.铁合金,1984(2):25283林仪媛,庄厚生,徐忠厚.提高碳质还原剂质量的途径.铁合金,1983(1):17244福建三明化工厂.电石生产炉料电阻测定初步总结.化工技术资料?煤化学专业分册,1965(1)

17、:12165硅铁生产一百问.北京:冶金工业出版社,1977,36戴维,舒莉.铁合金冶金工程.北京:冶金工业出版社,1999:807赵乃成,张启轩.铁合金生产实用技术手册.北京:冶金工业出版社,1998:432?.址.址.址.址.址春节已经过去,钼品价格又呈现出上涨的态势.2月22日.葫芦岛地区钼精矿价格为205000212000元/t(不含税),含税价格为515O5250元/吨度,栾JIJ,青田,洛南及吉林大黑山地区价格为51505250元/吨度,成交量在不断上升.由于葫芦岛地区春节期间停产,到目前还没有正式开采,其他钼矿产区春节期间生产量减少,钼精矿供应短缺,需求增加,是价格上涨的一个主要因

18、素.尽管欧洲钼铁价格降到60美元/kg钼.但由于中国钼铁出口企业坚持70美元/kg钼以上的报价,使得目前出口价格又回到7274美元/kg钼的水平,并且随着需求的增加,还有进一步上涨的势头,欧洲贸易商试图打压中国市场的目的没有得到实现.国内钼铁需求量较大,节后钢厂库存消耗殆尽,需要补充原料,虽然接受目前的36,537万元/t的价格有一定的难度,但为了生产需要,也只能认可此价位.据了解,目前国内钢厂有约500t的需求.预计未来市场价格会呈现稳中有升的态势,但是涨幅不会太大.铬铁市场近期以来,高铬市场基本保持稳定,东北区7000-7200元/基吨,西南区6900-7100元/基吨,华东区69012I-7100元/基吨.金属铬价格保持稳定,目前东北厂家为5100053000元/t(出厂含税,下同),湖南厂家价格为5O00052000元/t.国