GB/T 4000-2017 焦炭反应性及反应后强度试验方法

　　ICS 75 . 160 . 10 H 32

　　中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准

　　GB/T 4000—2017

　　代替 GB/T 4000—2008

　　焦炭反应性及反应后强度试验方法

　　Determinationofcokereactivity

　　index(CRI)andcokestrengthafterreaction(CSR)

　　2017-10-14 发布 2018-05-01 实施

　　中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局中 国 国 家 标 准 化 管 理 委 员 会

　　发

　　布

　　GB/T 4000—20 17

　　GB/T 4000—20 17

　　前 言

　　本标准按照 GB/T 1 . 1—2009 给出的规则起草。

　　本标准代替 GB/T 4000—2008《焦炭反应性及反应后强度试验方法》，本标准与 GB/T 4000—2008相比，主要技术内容变化如下：

　　— 修改了规范性引用文件;

　　— 修改了试验用仪器、材料;

　　— 修改了试样的采取与制备;

　　— 修改了试验步骤;

　　— 修改了精密度要求;

　　— 修改了附录 D：试验记录。

　　本标准由中国钢铁工业协会提出。

　　本标准由全国煤化工标准化技术委员会炼焦化学分技术委员会(SAC/TC 469/SC 3)归口 。

　　本标准起草单位：开滦集团唐山中润煤化工有限公司、鞍山市科翔仪器仪表有限公司、中钢集团鞍山热能研究院有限公司、绍兴市上虞宏兴机械仪器制造有限公司、浙江福特机械制造有限公司、武汉钢铁(集团)公司、鞍山汉盛冶金设备有限公司、冶金工业信息标准研究院。

　　本标准主要起草人：张建敏、安振东、任学工、王琪、张大鹏、郑景须、曹继温、赵秀云、董丽榕、孙春凯、线葵娟、李东涛、张关来、范金泉、金辉、张靖熙。

　　本标准所代替标准的历次版本发布情况为：

　　—GB 4000—1983、GB/T 4000—1996、GB/T 4000—2008 。

　　GB/T 4000—20 17

　　焦炭反应性及反应后强度试验方法

　　1 范围

　　本标准规定了测定焦炭反应性及反应后强度试验方法的原理、试验仪器、设备和材料、试样的采取和制备、试验步骤、结果的计算及精密度。

　　本标准适用于高炉炼铁用焦炭的反应性及反应后强度的测定，其他用途焦炭可参照执行。

　　2 规范性引用文件

　　下列文件对于本文件的应用是必不可少的。 凡是注 日期的引用文件，仅注 日期的版本适用于本文件 。凡是不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。

　　GB/T 1997 焦炭试样的采取和制备

　　YB/T 4494 焦炭反应性及反应后强度机械制样技术规范

　　3 原理

　　称取一定质量的焦炭试样，置于反应器中，在 1100 ℃时与二氧化碳反应 2 h后，以焦炭质量损失的

　　百分数表示焦炭反应性(Coke Reactivity Index, 简写为 CRI)。

　　反应后焦炭，经 Ⅰ 型转鼓试验后，以大于 10 mm粒级的焦炭质量占反应后焦炭质量的百分数表示

　　焦炭反应后强度(Coke Strength After Reaction, 简写为 CSR)。

　　4 试验仪器、设备和材料

　　4 . 1 电炉

　　电炉用电炉丝、碳化硅或其他能满足试验要求的加热元件加热均可。 在炉膛内(1 100±3) ℃恒温区长度不小于 150 mm,最好采用三段式加热炉(示意图见图 1),保证二氧化碳与焦炭试样反应时，进入试样层的气体温度、整个试样层温度稳定在(1 100±3) ℃ 。也可采用单点测温加热炉，参照附录 A。

　　GB/T 4000—20 17

　　说明：

　　1 — 上段电炉;

　　2 — 上段测温电偶;

　　3 — 中段电炉;

　　4 — 中段测温电偶;

　　5 — 下段电炉;

　　6 — 下段测温电偶。

　　单位为毫米

　　图 1 三段式加热炉示意图

　　4 . 2 温度控制装置

　　4 . 2 . 1 温度控制要求

　　温度控制装置能够在试验状态下实时显示试样层上、中、下温度，保证二氧化碳与焦炭试样反应时，进入试样层的气体温度、整个试样层温度稳定在(1 100±3) ℃范围之内。

　　4 . 2 . 2 控温仪

　　4.2.2. 1 控制精度：(1 100±3) ℃。

　　4 . 2 . 2 . 2 精度等级：不低于 0 . 2 级 。

　　4 . 2 . 3 三点式热电偶(示意图见图 2)

　　S 型，不低于工业级 Ⅱ级，热电偶测量端分别位于试样中心的上部、中部和下部。

　　GB/T 4000—20 17单位为毫米

　　说明：

　　1 — 上段测温电偶;

　　2 — 中段测温电偶;

　　3 — 下段测温电偶。

　　图 2 三点式热电偶示意图

　　4 . 3 反应器(示意图见图 3)

　　4 . 3 . 1 反应管材质：GH3044 。

　　4.3.2 反应管壁厚：≥1.5 mm。

　　4.3.3 反应管内径：φ80 mm±1 mm。

　　4.3.4 托料筛片：φ78 mm±1 mm,其上均匀钻 φ3 mm 的圆孔，孔间距 5 mm,筛片厚度 1.5 mm。

　　单位为毫米

　　说明：

　　1 — 反应器出气管;

　　2 — 反应器管壁;

　　3 — 热电偶护管;

　　4 — 焦炭试样;

　　5 — 托料筛片;

　　6 — 反应器进气管。

　　图 3 反应器示意图

　　GB/T 4000—20 17

　　4 . 4 Ⅰ 型转鼓(示意图见图 4)

　　4.4. 1 恒定转速：20 r/min。

　　4.4.2 鼓体：用内径 130 mm,厚 5 mm~6 mm 的无缝钢管加工而成，鼓内净长度 700 mm±1 mm,鼓盖厚度 5 mm~6 mm。

　　4 . 4 . 3 定期检查 Ⅰ 型转鼓转数及转鼓磨损情况，如果 600 r 超过 30 min±1 min 或鼓体尺寸不符合

　　4 . 4 . 2 要求，应及时修补或更换。

　　单位为毫米

　　说明：

　　1 — 转鼓;

　　2 — 联轴器;

　　3 — 减速电机;

　　4 — 支架;

　　5 — 计数器;

　　6 — 转鼓盖。

　　图 4 Ⅰ 型转鼓结构示意图

　　4 . 5 二氧化碳供给系统

　　4.5. 1 二氧化碳：纯度 ≥99.5%, 干燥，其中 O2 的浓度应<0.01%。

　　4 . 5 . 2 二氧化碳质量流量控制器：量程 5 L/min,精度不低于 ±1 . 5%F. S。

　　4 . 5 . 3 设备进气口装配二氧化碳加热减压阀。

　　注：气体纯度不能满足要求时，可采用附录 B 中的仪器进行净化和干燥。 本标准所用的气体体积和流量采用标准状态(0 ℃和一个大气压)下的体积和流量。

　　4 . 6 氮气供给系统

　　4.6. 1 纯氮：纯度 ≥99.99%, 干燥。

　　4 . 6 . 2 氮气质量流量控制器：量程 5 L/min,精度不低于 ±1 . 5%F. S。

　　4 . 6 . 3 设备进气口装配氮气减压阀。

　　注：气体纯度不能满足要求时，可采用附录 B 中的仪器进行净化和干燥。 本标准所用的气体体积和流量采用标准状态(0 ℃和一个大气压)下的体积和流量。

　　GB/T 4000—20 17

　　4 . 7 圆孔筛

　　φ10 mm,筛框有效直径 200 mm。

　　φ23 mm,筛框有效直径 300 mm。

　　φ23 mm 和 φ25 mm,筛面 400 mm×500 mm,参见 GB/T 2006 圆孔筛规定制作。

　　4 . 8 干燥箱

　　工作室容积不小于 0 . 07 m3 的鼓风干燥箱。

　　4 . 9 天平

　　最大称量不超过 1 000 g,感量为 0 . 1 g。

　　4 . 10 铑-铂热电偶

　　S型，不低于工业级 Ⅱ级，装在耐热保护管中，用来测定和控制试验条件所要求的样品温度。

　　4 . 1 1 标准样品

　　焦炭反应性及反应后强度标准样品，用来定期检测设备的稳定性。

　　4 . 12 三段式加热炉法-焦炭反应性检测系统

　　示意图见图 5 。

　　说明：

　　1 — 双炉基座;

　　2 — 升降机构;

　　3 — 升降立柱;

　　4 — 三段控温电偶;

　　5 — 气体入口;

　　6 — 升降托板;

　　7 — 三段炉膛;

　　8 — 反应器;

　　9 — 排气罩;

　　10 — 配气装置;

　　11 — 流量计;

　　12 — 电磁阀;

　　13 — 电控柜。

　　图 5 三段式加热炉法-焦炭反应性检测系统示意图

　　GB/T 4000—20 17

　　5 试样的采取和制备

　　5 . 1 按 GB/T 1997 规定的取样方法，按比例取不小于 25 mm 焦炭 60 kg,完全弃去气孔大、成蜂窝状的泡焦和带有黑头、不完全是灰色的炉头焦。

　　5 . 2 将焦炭制成 23 mm~25 mm 的近似球形颗粒。 机械制样按照 YB/T 4494 的要求执行。

　　5 . 3 试验焦炉的焦炭可用大于 40 mm粒级的焦炭直接制样。

　　5 . 4 将制好的试样用缩分器缩分出 900 g,在 170 ℃ ~180 ℃温度下干燥 2 h,放入干燥器中冷却至室温，再用 φ23 mm 和 φ25 mm 的筛子进行筛分，去除粘着在焦块上的焦粉，用四分法将试样分成四份，每份不少于 220 g,装入密封的容器中备用。 焦炭水分可参照附录 C 测定，若焦炭水分小于 1%可不干燥。

　　6 试验步骤

　　6 . 1 试验次数

　　最少进行两次试验。 记录每一次试验的焦粒数量，保证重复性试验或再现性试验使用的焦炭粒数相差不超过 1 粒 。如果不能保证焦炭粒数满足要求时，在报告中注明并说明原因。

　　6 . 2 试样准备

　　称取试样(200±2)g,精确到 0 . 1 g,记录其质量为 m，最终的质量校正可通过替换一块较轻或较重的焦炭来完成。

　　6 . 3 试样装入反应器

　　将焦炭试样装入反应器中铺平，确保反应器内的焦炭层处于电炉恒温区中部，将热电偶插入套管内并处于料层中心位置，固定好反应器。 将反应器进气口与供气系统连接，检查气路，保证系统的气密性。

　　6 . 4 升温

　　电炉升温，升温速度为 8 ℃/min~16 ℃ / min。 当料层温度达到 400 ℃时，以 0 . 8 L/ min 的流量通入氮气，防止焦炭烧损。 当料层温度达到 1 050 ℃时，预热二氧化碳气瓶出 口处，以保证二氧化碳稳定流出。 当料层温度达到 1 100 ℃时，稳定 10 min,切断氮气，改通二氧化碳，流量为 5 L/min,记录开始反应时间。 通二氧化碳后料层温度应在 5 min~10 min 内恢复到 1 100 ℃ ±3 ℃ 。反应 2 h,停止加热，切断二氧化碳，改通氮气，流量为 2 L/ min。

　　警示 —试验过程中有少量的 Co排出，为保证安全，应将尾气燃烧或直接排出室外。 试验过程中，要保持室内空气流通。

　　6 . 5 试样冷却

　　反应器出炉，在氮气保护下温度降到 100 ℃以下，停止通入氮气。

　　6 . 6 称量

　　打开反应器，倒出焦炭，称量，精确到 0 . 1 g,记录为m1并记录反应后试样粒数。

　　6 . 7 转鼓试验

　　反应后的焦炭全部装入 Ⅰ 型转鼓内，以 20 r/ min 的转速共转 30 min, 总转数 600 r, 然后取出用

　　GB/T 4000—20 17

　　φ10 mm圆孔筛筛分，称量筛上物质量，精确到 0 . 1 g,记录为m2并记录转鼓后试样粒数。

　　6 . 8 记录

　　试验的原始数据按附录 D 的格式记录。

　　7 结果计算

　　7 . 1 焦炭反应性

　　焦炭反应性(CRI)按 (1)式计算，数值以%表示：

　　…………………………( 1 )

　　式中：

　　m —反应前焦炭质量，单位为克(g) ;

　　m1 —反应后残余焦炭质量，单位为克(g) 。

　　7 . 2 反应后强度

　　反应后强度(CSR)按 (2)式计算，数值以%表示：

　　…………………………( 2 )

　　式中：

　　m2 —转鼓后大于 10 mm粒级焦炭质量，单位为克(g) 。

　　焦炭反应性及反应后强度的试验结果取平行试验的算数平均值，保留到小数点后一位。

　　8 精密度

　　焦炭反应性(CRI)和焦炭反应后强度(CSR)的重复性和再现性，不得超过表 1 的规定值：

　　重复性是用本方法在正常和正确操作情况下，由同一操作人员，在同一实验室内，使用同一仪器，并在短期内，对相同试验样(见 6 . 2) 所作两个单次测试结果，在 95%概率水平两个独立测试结果的最大差值。

　　再现性是用本方法在正常和正确操作情况下，由两名操作人员，在不同实验室内，对相同试验样(见6 . 2)各作单次测试结果，在 95%概率水平两个独立测试结果的最大差值。

　　表 1

　　GB/T 4000—20 17

　　附 录 A

　　(资料性附录)单点测温加热炉

　　A.1 恒温区温度定期校准

　　电炉恒温区长度应大于 150 mm,试验时应保证焦炭层在恒温区内，电偶测量端在焦炭层的中心(可参照附录 E)定期鉴定恒温区或用焦炭标样对反应性设备进行标定。

　　A.2 电炉(见图 A. 1)

　　电炉用金属电炉丝、碳化硅或其他满足试验要求的加热元件均可。

　　说明：

　　1 — 出气管;

　　2 — 炉体;

　　3 — 试样;

　　4 — 筛板;

　　5 —高铝球(直径约 10 mm) ;

　　6 — 反应器;

　　7 — 进气口;

　　8 — 测温热电偶。

　　图 A.1 单点测温加热炉体结构示意图

　　A.3 温度控制装置

　　控制精度：(1 100±3) ℃。

　　精度等级：不低于 0 . 2%FS。

　　A.4 热电偶

　　S型或其他满足条件电偶，不低于工业 Ⅱ级，热电偶测量端位于焦炭层的中心部位。注：焦炭层的高度随焦炭密度改变，试验时根据焦炭在反应器中高度调整电偶测量端位置。

　　GB/T 4000—20 17

　　A.5 反应器(见图 A. 2)

　　反应器材质：GH3044 。

　　反应器壁厚：≥1 . 5 mm。

　　反应器内径：φ80 mm±1 mm。

　　反应器长度：500 mm。

　　A.6 单点测温加热炉焦炭反应性检测系统

　　单点测温加热炉焦炭反应性检测系统工艺流程示意图见图 A. 3 。

　　说明：

　　1 — 热电偶;

　　2 — 气体出口;

　　3 — 试样;

　　4 — 筛片;

　　5 — 高铝球;

　　6 — 气体入口 。

　　图 A.2 反应器示意图

　　GB/T 4000—20 17

　　说明：

　　1 — 流量计(CO2) ;

　　2 — 气瓶(CO2) ;

　　3 — 流量计(N2) ;

　　4 — 气瓶(N2) ;

　　5 — 洗配气箱;

　　6 — 电控柜;

　　7 — 加热炉体;

　　8 — 反应器。

　　图 A.3 单点测温加热炉焦炭反应性检测系统工艺流程示意图

　　GB/T 4000—20 17

　　附 录 B

　　(资料性附录)

　　二氧化碳、氮气气体净化装置

　　B.1 化学试剂

　　B.1 . 1 脱氧剂：3039A或其他脱氧剂。

　　B.1 . 2 硅胶：化学纯(脱水)。

　　B.1 . 3 钠石灰：化学纯(脱 CO2) 。

　　B.2 CO2深度脱氧仪(流程图见图 B. 1)

　　说明：

　　1 — 电控柜;

　　2 — 加热带;

　　3 — 脱氧剂;

　　4 —CO 2 入 口;

　　5 — 冷却器;

　　6 — 洗气瓶(内置硅胶);

　　7 — 高纯 CO 2 出 口 。

　　图 B.1 CO2深度脱氧仪流程图

　　B.3 N2 深度脱氧仪(流程图见图 B. 2)

　　说明：

　　1 — 电控柜;

　　2 — 加热带;

　　3 — 脱氧剂;

　　4 —N2 入 口;

　　5 — 冷却器;

　　6 — 洗气瓶(内置钠石灰);

　　7 — 洗气瓶(内置硅胶);

　　8 — 高纯 N2 出 口 。

　　图 B.2 N2 深度脱氧仪流程图

　　GB/T 4000—20 17

　　B.4 深度脱氧仪脱氧能力

　　氧残氧量<100 × 10- 6 。

　　GB/T 4000—20 17

　　附 录 C

　　(资料性附录)

　　焦炭水分的快速定量烘干法

　　C.1 原理

　　采用红外辐射加热方式，快速升温，恒重法判断试样烘干完成。

　　C.2 水分检测

　　快速水分测定仪结构示意图见图 C. 1 。

　　称量范围：0 kg~6 kg;精度：≤0.1 g。

　　说明：

　　1 — 电子天平;

　　2 — 红外烘干箱;

　　3 — 试样;

　　4 — 排风扇。

　　图 C.1 焦炭快速水分测定仪结构示意图

　　C.3 操作步骤

　　将制好的试样用缩分器缩分出 1 000 g, 放置在快速水分测定仪的托盘上，温度设定在 170 ℃ ~ 180 ℃ ,干燥时间设定为 30 min,检查性干燥时间设定为 5 min,两次质量差不超过 10 g,试验结束后，取出试样，冷却至室温，放入干燥器中备用。

　　GB/T 4000—20 17

　　附 录 D

　　(规范性附录)试 验 记 录

　　焦炭反应性及反应后强度试验记录表见表 D. 1 。

　　表 D.1 焦炭反应性及反应后强度试验记录

　　GB/T 4000—20 17

　　附 录 E

　　(资料性附录)

　　电炉恒温区检定方法

　　E.1 设备：焦炭反应性电炉恒温区校准仪。

　　E.2 反应器：见(图 E. 1)测点范围距中心偶 ≥100 mm。

　　说明：

　　1 — 恒温区检测热电偶;

　　2 — 控温热电偶;

　　3 — 反应器;

　　4 — 试样;

　　5 — 高铝球;

　　6 — 温度显示仪。

　　图 E.1 电炉恒温区检定示意图

　　E.3 电偶：S 型，工业 Ⅱ级。

　　E.4 数显温度计：1 ℃ 。

　　E.5 在试验状态下，电炉控制在(1 100±1) ℃ 。

　　E.6 操作步骤：将恒温区检测热电偶放到筛板位置，稳定后记录数显温度计温度;然后向上每隔 10 mm,重复上述步骤，测量 15 个点。

　　GB/T 4000—20 17

　　参 考 文 献

　　[1] GB/T 2006 焦炭机械强度的测定方法