大中型高爐高效低耗冶煉用焦炭質量評價研究進展

徐秀麗，姜 雨，張世東，孟慶波

(1.中鋼集團鞍山熱能研究院有限公司，遼寧 鞍山 114044；2．煉焦技術國家工程研究中心，遼寧 鞍山 114044)

0 引 言

在中國未來幾十年或更長時期內，高爐煉鐵將仍然是主流的煉鐵工藝。高爐冶煉以精料為基礎，全面貫徹高效、優質、低耗、長壽、環保的煉鐵技術方針，其中精料、低耗的目標是以節能減排為核心并持續降低燃料比和焦比，高效是指高效利用資源與能源、高效率和高效益生產。隨著科技水平的發展，高爐向大型化發展，因高爐大型化有利于提高焦炭生產率及降低能耗。

焦炭是高爐煉鐵的原料和燃料，從支撐料柱作用和提高爐缸焦炭置換速度方面考慮，高爐對焦炭質量要求也顯著提高，也即焦炭質量滿足高爐煉鐵需求是高爐高效低耗冶煉的關鍵環節[1-2]。韓曉楠等[3]認為焦炭的溶損劣化分為3個階段，即當碳素溶損率小于15%時其溶損反應對焦炭強度影響很小，當碳素溶損率在15%～30%時其焦炭結構強度逐漸降低；當碳素溶損率超過30%時則焦炭結構強度迅速降低。高爐內焦炭的實際溶損溫度區間為900 ℃～1 300 ℃，不同溫度點測得的焦炭熱性能指標能夠更加準確地反映焦炭的綜合熱性質差異。汪琦[4]、謝全安等[5]認為須綜合考慮礦-焦的耦合作用并通過焦炭的溶損反應測試來評價焦炭的熱性質，而焦炭反應性指標不能全面表征代表焦炭在高爐內的反應性能，反應性高的焦炭能降低熱儲備區溫度[6]，對于不同高爐的冶煉特點應設計專屬的焦炭熱性質評價方法。焦炭入爐后在高爐內的不同部位產生不同程度的劣化，最終在爐缸中被完全消耗，在此過程中焦炭各種性能發生很大變化，目前還未形成定論[7]。針對焦炭在高爐內不同部位的劣化過程及其高溫特性和顯微結構的變化，通過對焦炭的反應性、反應后強度、平均粒度以及顯微結構組成等因素的分析，剖析高爐內焦炭質量的劣化程度以及爐內焦炭劣化后性狀對高爐操作的影響，以期為確定適合大中型高爐高效低耗冶煉的焦炭質量提供技術支撐。

1 現有評價指標體系對焦炭質量的認知

焦炭是高爐冶煉的主要原燃料，在高爐內主要起到提供熱源、還原劑、骨架和通道、滲碳劑的作用[8]，簡要概述如下:焦炭在風口前燃燒時即可提供冶煉所需熱量；固體炭及其氧化產物一氧化碳是鐵氧化物的還原劑；礦石在高溫區域軟化熔融后，焦炭作為高爐內唯一固態存在的物料，需支撐數十米高的高爐料柱，同時又是使風口前產生的煤氣得以自下而上暢通流動的高透氣性通路，即起到骨架和通道之作用；從鐵滴形成開始時焦炭可作為碳源向鐵水滲碳，即發揮滲碳劑的作用[6]。

目前，高爐冶煉用焦炭評價指標體系主要涵括冷態強度、熱態強度、灰分、硫分、平均塊度、焦炭光學組織等指標，其中冷態強度、熱態強度、灰分、硫分已有國家標準對其等級進行劃分，以下重點敘述焦炭冷態強度和熱態強度指標。

評價焦炭的冷態強度主要采用《焦炭機械強度的測試方法》(GB/T 2006—2008)，指標包括抗碎強度(M40或M25)和耐磨強度(M10)。各企業轉運膠帶的數量、仰角高度、運轉距離及轉運速度各不相同，焦炭在轉運過程中磨損、摔打，而取樣焦炭要求粒徑大于60 mm(或25 mm)，相當于在經過多次磨損、摔打后的焦炭中再選取粒度大于60 mm(或25 mm)的焦炭，該焦炭冷態強度明顯優于剛出焦爐的焦炭。經磨損、摔打后的焦炭相對粒度變小，篩分后小粒級焦炭占比增大。焦炭在高爐內受力屬非均勻、非定向，此與焦炭的粒級分布、高爐布料制度和爐型等因素密切關連[7]；焦炭冷態強度檢測僅代表入爐焦炭，對經劣化的中下部高溫區焦炭代表性差，是高溫區指標的基礎，不能表征中下部焦炭粒度和篩分組成[9-12]。

評價焦炭的熱態強度主要指焦炭的反應性和反應后強度,其試驗方法中的反應性以焦炭在1 100 ℃與CO2反應2 h的焦炭質量損失百分數表示，反應后強度以反應后的焦炭經I型轉鼓試驗大于10 mm粒級的焦炭質量占反應后焦炭質量的百分數表示。國標GB/T 4000—2017檢測出的數據指標也是試驗后的焦炭指標，且該試驗方法所得結果已被國內鋼鐵、焦化企業直接用作高爐原料焦炭質量的評價指標以及焦炭交易過程中的主要技術指標，但該指標的檢測方法與高爐煉鐵工藝中焦炭的實際反應行為差距較大[7]。

國標GB/T 4000—2017中的主要指標僅模擬高爐軟熔帶以上區域，并未對高爐透氣透液性影響巨大的下部高溫區焦炭的質量指標進行模擬，即未模擬堿金屬及渣鐵侵蝕、焦炭中礦物質的還原反應、石墨化等化學作用以及高溫熱作用等影響的指標，因而不能完全表征焦炭的質量，尤其在高爐下部高溫區域焦炭的性能。

CHENG[13]認為，高爐中焦炭的溶損量主要由鐵氧化物提供的氧量決定。BARNABA[14]認為，焦炭在高爐中的溶損量應為25%左右。NOMURA等[15]認為，用CSR不適合用于評價高反應性焦炭的反應后強度，溶損反應停止時間在質量損失為20%時也應對反應溫度進行相應的調整。

由以上可知，焦炭質量的高低應以能否滿足高爐高效低耗冶煉為評價的依據，目前采用的焦炭質量指標雖能在大部分情況下評價其質量，但各指標與高爐的冶煉關系不明顯，甚至出現“異?，F象”，即焦炭現有指標體系和評價方法尚有不足之處，有待進一步改善。

2 大中型高爐冶煉對焦炭質量的本質需求

2.1 焦炭在高爐中的劣化及其質量要求

焦炭是不均勻的多孔體，由于高爐不同部位的工況差別巨大，呈現焦炭在高爐不同部位劣化的機制不同，因而焦炭的不同特性會引起高爐不同部位的劣化。

根據高爐解剖，高爐主要劃分為塊狀帶、軟融帶、爐腹區、回旋區、死料柱、爐缸區。焦炭在高爐各區域受到的作用力和起到的作用亦不相同。焦炭在高爐不同部位受到的劣化作用及其質量要求見表1[1,9,16]。

表1 焦炭在高爐不同部位受到的劣化作用及其質量要求Table 1 Physicochemical action and quality requirements of coke in different parts of blast furnace

由表1可知:

(1) 在塊狀帶，受機械作用和碳素溶損反應使焦炭塊度減小，焦炭的劣化尚不嚴重；在軟融帶，焦炭受到高溫熱力，尤其溶損反應導致焦炭的碳損耗，焦炭劣化加重并產生粉焦，上升煤氣通過焦炭“窗口”；

(2) 在爐腹區，高溫促使焦炭石墨化，焦炭基質強度下降，使焦炭產生粉末，對爐缸的透液性不利，但利于鐵水滲碳；

(3) 在回旋區，焦炭與熱風高速回旋燃燒，造成劣化層脫落并產生焦炭粉末，吹出回旋區進入焦炭床的鳥巢區、死料柱，導致透氣、透液性能變差；

(4) 在死料柱，焦炭與熔融渣鐵間強烈接觸，完成鐵氧化物還原和鐵水滲碳的任務，焦炭的溶解速率很高且隨時間增加其粒度減?。?/p>

(5) 在爐缸區，焦炭灰分與爐渣反應，即焦炭在鐵水中溶解,焦炭顆粒完全被破壞；

(6) 焦炭的孔隙結構是焦炭劣化的重要因素，其炭基質是由不同煉焦煤及其不同煤巖組分經熱解固化形成，炭基質的微觀結構及其相互之間的結合均對焦炭劣化帶來本質性的影響。

2.2 入爐焦的塊度保持能力與骨架支撐作用

焦炭的破壞形態分為對焦炭結構的體積破壞和表面耗蝕兩大類。影響焦炭粉化的主要因素是焦炭結構損壞，焦炭強度、堿負荷、循環區溫度、焦炭在爐內的停留時間、溶損反應負荷等是焦炭粉化的重要因素。此外，焦炭與熔融FeO接觸還原以及與熔融金屬接觸的滲碳反應將導致焦炭表面的耗蝕，因此入爐焦炭需具備一定的塊度，同時反應后還需要具備較好的塊度保持能力，即需更強的骨架支撐作用。

在回旋區內，焦炭與噴入的輔助燃料作高速回旋運動和燃燒，生成的CO2進入焦炭層并與焦炭進行氣化溶損反應。溶損反應和高速運動的焦炭表面磨耗產生焦粉，也即劣化層受到回旋沖擊后發生脫落而產生焦炭粉末。隨著焦炭氣化反應的逐漸深入，表面氣孔率增加，使得氣孔壁減薄，達到一定程度后則表面被破壞，使得焦炭碎裂成粉末。在高燃料比的情況下，焦炭承擔的溶損反應負荷輕，對焦炭基質影響小，可以承受較高的風速。強化冶煉需增加風口鼓風量，即提高風速須與焦炭質量相適應，否則將使回旋區產生大量的焦粉。

綜上所述，基于不同容積高爐高效低耗冶煉需求須研究焦炭在高爐內不同部位的劣化行為及其高溫特性和顯微結構的變化，應對焦炭的反應性、反應后強度、平均粒度和粒度保持能力、高效的燃燒特性以及顯微結構等各個因素進行分析，并結合高爐內焦炭質量的劣化程度以確定適合大中型高爐高效低耗冶煉的焦炭質量的標準。

3 高爐用焦評價方法的研究進展

高爐大型化發展對焦炭質量要求也越來越高。目前的“高爐用焦炭的CO2反應后強度試驗方法”受到專家、學者質疑，而以該方法為主要依據的國標GB/T 4000雖經多次修訂但其試驗原理并未發生本質變化，因而應以高爐內實際液-固-氣三相共存的焦炭高溫反應行為為基礎，反應爐料對高爐透氣性和透液性為研究對象，建立適應高爐實際反應行為的焦炭質量評價體系[7]。

ZHAO等[17]針對非等溫條件下焦炭反應指數對高爐塊狀帶還原性和透氣性的影響進行深度研究，通過焦炭鈍化處理從而降低CRI與改善CSR，抑制焦炭在高爐內的降解，保證良好的高爐爐料透氣性，并提出小粒徑焦炭與礦石混合催化、大粒徑骨架焦炭鈍化后單獨裝料的高爐操作工藝。焦炭的粒徑分布也是影響高爐滴落帶透氣性的主要因素[16-18]，焦炭的灰分直接影響高爐爐料渣-焦界面反應，進而影響高爐渣流動性參數，尤其焦炭灰分中的SiO2吸、放熱反應會改變高爐的下部傳熱，從而影響鐵水溫度；焦炭的潤濕性、裝料結構也會影響渣鐵液滴的滲透性，且受液滴氧化物初始成分影響。

GUPTA[19]在對風口焦的石墨化研究中發現，在距離風口0～0.5 m處，大塊焦炭較多而尺寸小于3 mm的焦炭相對較少；在死料柱區域，大塊焦炭、小顆粒焦炭所占比例分別約為30%、40%。此外還發現風口焦的粒度越小則其石墨化程度越高，因此焦炭的石墨化導致其表面剝落并形成細粉狀顆粒，從而致使其粉化率升高。

XING等[20-22]在焦炭CSR和CRI接近的情況下對不同配煤結構的焦炭進行研究，模擬高爐熱儲備區的溫度(900～1 400 ℃)和氣氛，其試驗條件如圖1所示，并在溫度2 000 ℃時進行熱處理，發現配入高變質程度煤的焦炭雙反射率下降更多，煤階越高則配合煤的最大流動度越低、其微觀強度下降越嚴重。

圖1 模擬高爐氣氛和溫度試驗條件[20-22]Fig.1 Atmosphere and temperature test conditions simulation of blast furnace[20-22]

吳鏗等[23]認為焦炭在高爐內的劣化受到焦炭冷強度、焦炭反應后強度以及焦炭結構等多種因素的影響。其中，焦炭結構在高爐中所擔當的角色發生變化時，焦炭的各向同性結構優先氣化，致使焦炭的基質強度產生較大程度的惡化。在爐腹、回旋區和爐缸的高溫區，焦炭的各向同性結構石墨化程度較小，而高石墨化度導致焦炭的耐磨強度變差。為達爐缸內的鐵水滲碳，所有種類的焦炭石墨化度最終均將足夠高。

近年來，鞍山熱能研究院針對高爐高效低耗冶煉開展系列工作，從單種煤的分子結構、煤巖特征、煤焦轉化過程和反應過程等層面出發，深入研究焦炭的基質強度、塊度以及塊度保持能力等影響因素，由此形成一系列面向鋼鐵企業不同容積高爐焦炭質量與煤質的研究成果，即在模擬高爐冶煉條件下開發新的焦炭高溫溶損特性及反應后性能評價方法。徐秀麗等[24]利用傅里葉紅外結合分峰擬合數據處理方法，對煤熱解過程中分子官能團結構的變化進行研究，并提出熱解過程中穩定的官能團結構。孟慶波等[25]論述煉焦煤的煤巖相組成并據此展開配煤研究工作，指出配煤煉焦不僅是改善焦炭微觀炭基質和孔隙結構的有效手段，同時還可改善焦炭的高溫性能。劉國斌等[26]利用鞍山熱能院“煉焦原料應用性分類和綜合質量評價及其指導配煤方法”專利技術對淮南礦區煤炭資源進行綜合評價和性能開發，并提出針對淮南礦區煤種有效提高焦炭機械強度及改善熱性能的方法。此外，基于搗固焦與頂裝焦的差異而構建不同容積高爐焦炭質量評價體系以及配煤結構，突破以往測定焦炭恒失重25%或20%的反應后強度即CSR25或CSR20的評價方法，充分考慮焦炭塊度和基質強度對高爐冶煉的影響、高溫石墨化過程對焦炭溶損特性和燃燒特性的影響，并與煤質研究、配煤技術相結合，從高爐用焦本質質量要求出發進行煤質評價和配煤研究，從而形成煤-煉焦配煤-高爐用焦炭全流程優化技術。

4 結 論

(1) 焦炭質量的高低應以能否滿足高爐高效低耗冶煉為評價的依據，目前采用的焦炭質量指標雖能在大部分情況下評價其質量，但各指標與高爐的冶煉關系不明顯，甚至出現“異常現象”，即焦炭現有指標體系和評價方法尚有不足之處。

(2) 基于不同容積高爐高效低耗冶煉需求須研究焦炭在高爐內不同部位的劣化行為及其高溫特性和顯微結構的變化，對焦炭的反應性、反應后強度、平均粒度和粒度保持能力、高效的燃燒特性以及顯微結構等各個因素進行分析，并結合高爐內焦炭質量的劣化程度以確定適合大中型高爐高效低耗冶煉的焦炭質量的標準。

(3) 焦炭是高爐冶煉的重要原燃料之一，支撐料柱的作用卻無法替代，應加強焦炭反應后粒度變化的研究工作。

(4) 加強焦炭質量研究，建議建立焦炭質量評價新體系以及開發能便捷評價焦炭本質質量的方法，以期為煉鐵和煉焦生產提供指導。