焦炭是高爐冶煉的關鍵，也是價格最高的原料，高爐煉鐵一直面臨降低焦比的壓力。富氧噴煤技術的應用，使高爐焦比大幅度降低，焦炭在高爐中停留時間延長，所受劣化作用增大，對焦炭質量提出更高的要求。而焦炭在高爐中的行為受焦炭質量和高爐操作的雙重影響。因此，應對影響焦炭行為的各種因素進行更精準的度量和預測，為改善焦炭質量及降低成本指明方向，以期進一步改善高爐操作，提高高爐煉鐵的經(jīng)濟指標。這對緩解鋼鐵企業(yè)的成本壓力意義重大。
    焦炭在高爐中的作用及變化
    焦炭在高爐內有提供熱源、還原劑、滲碳劑和起料柱骨架等作用。焦炭中不足1%的碳隨高爐煤氣逸出，其余全部消耗在高爐中，其大致比例為：風口燃燒占55%～65%，料線與風口間碳溶反應占25%～35%，生鐵滲碳占7%～10%，其他元素還原反應及損失占2%～3%。隨著高爐冶煉焦比的降低、風口輔助燃料噴吹量的加大，焦炭中的碳在風口燃燒的比例相對減少，而消耗于碳溶反應的比例增加。
    在高爐冶煉過程中，隨著焦炭逐漸降至高爐的下部，其性質發(fā)生了明顯的變化。焦炭粒度下降30%，反應性明顯增加。這些變化既取決于高爐冶煉，也取決于焦炭質量。隨著焦比下降，焦炭與礦石體積比下降，致使料柱中焦炭層厚度和軟熔帶焦炭層厚度減小。因此，焦炭將承受更長時間的機械、熱、化學的破壞，導致焦炭劣化加重，從而產(chǎn)生更多的焦粉。過多的焦粉降低了料柱透氣性，也阻礙了熔融金屬和渣的有效滴落。
    在高爐上部造成焦炭劣化的因素主要是機械沖擊和磨損，這與焦炭的冷態(tài)機械強度密切相關，而冷態(tài)機械強度受焦炭的物理性質（如孔隙性質和氣孔率）影響。在軟熔帶或蓄熱帶，焦炭的氣化導致焦炭劣化并產(chǎn)生焦粉。在氣化過程中，溶損反應導致焦炭的碳損耗和表面物質的剝離。隨著焦炭溫度的升高，由于內應力作用，焦炭中產(chǎn)生裂紋。堿金屬的循環(huán)也會引起焦粉的產(chǎn)生，源于在焦炭內部形成的催化相和在焦炭中生成的層間化合物的體積膨脹應力。
    在高爐下部，高溫反應（包括焦炭的石墨化以及焦炭與氣體、液態(tài)渣和鐵的反應）產(chǎn)生焦粉，同時也消耗焦粉。盡管焦粉的產(chǎn)生方式有多種，但其大部分方式都受到焦炭中的碳結構和礦物質的影響。有些焦粉產(chǎn)生的機理是相互關聯(lián)的（由熱作用引起的碳結構變化會影響焦炭中礦物質的行為，反之亦然），二者是促進還是抑制焦粉的產(chǎn)生，取決于其對焦炭機械強度和反應性的凈作用。
    綜上所述，在高爐冶煉過程中，焦炭自上而下主要發(fā)生碳溶反應、堿侵蝕、高溫熱力、風口高速鼓風等降解粉化。同時，碳溶損反應、滲碳反應、焦炭與爐渣反應會消耗所產(chǎn)生的焦粉。從改善高爐透氣性角度出發(fā)，應盡量降低焦炭反應性、提高反應后強度。但通常焦炭反應性與反應后強度呈負相關，高CSR（反應后強度）焦炭通常是在低CRI（反應性，<20%）條件下測定得到的，受高爐技術參數(shù)、操作制度、熱平衡和礦石還原性（間接還原度）等因素制約，對焦炭粉化影響最大的碳溶損反應一般為25%～35%。因此，只要焦炭在高爐冶煉過程不產(chǎn)生過量焦粉，就能保證高爐順行。不宜片面強調過高的CSR，因為焦炭在高爐中實際發(fā)生的氣化（碳溶）反應往往大于CSR測定時的CRI，而為制取該種高CSR焦炭必然大量配入優(yōu)質焦煤而升高配煤成本。應針對不同高爐、礦石、噴吹煤量和風溫等條件，選擇不同質量的焦炭來滿足高爐順行和合理成本的要求。
    指標體系的不足及其解決之道
    目前表征焦炭質量的指標主要是冷態(tài)機械強度（M40、M10）、反應性（CRI）和反應后強度（CSR）。
    焦炭冷態(tài)機械強度對高爐上部焦炭所受機械沖擊和磨損具有較好的模擬或指導。眾所周知，焦炭冷態(tài)機械強度是焦炭熱態(tài)性能的基礎，也是影響焦炭在高爐中、下部行為的重要指標。M10代表焦炭抗磨損能力，M40代表焦炭的抗碎裂性能。較低的M10指標表明焦炭的抗磨損能力強，有利于高爐穩(wěn)定與順行，這也是高爐操作者十分重視該指標的原因。而較高的M40指標表明焦炭不易碎裂成小塊而影響高爐的透氣、透液性。
    干熄焦由于緩慢冷卻明顯減少了焦炭冷卻過程產(chǎn)生應力引起的微裂紋，而且在干熄過程由上而下的運動中，焦炭得到了充分的機械整粒作用使干熄焦的薄弱部分得到消除，所得冶金焦內在質量提高。上述內裂紋、薄弱部分在高爐中、下部受到碳溶反應、熱應力作用時，易碎裂為小塊焦，影響高爐的透氣性，這也是高爐冶煉過程焦炭粒度減小30%的重要原因之一。
    焦炭反應性（CRI）和反應后強度（CSR）是目前對焦炭在高爐中劣化最為嚴重的碳溶反應的模擬指標。該指標越來越受到高爐工作者和煉焦工作者的重視，同時也有越來越多的研究者對其模擬性和有效性表示懷疑。國外研究者指出，實驗高爐的解剖試驗證明在軟熔帶底部的焦炭I轉鼓強度CSR＞80，遠高于該高爐入爐焦常規(guī)反應性試驗的反應后強度CSR68.8。筆者研究表明，常規(guī)反應性試驗的反應后強度CSR，對低CRI焦炭的評價過高，而對高CRI焦炭的評價過低。提高焦炭反應性測定溫度，低CSR焦炭的反應后強度提高明顯。
    焦炭在高溫條件下的石墨化行為、焦炭與液態(tài)鐵或渣的反應、焦炭中礦物質的變化等都會對焦炭的劣化產(chǎn)生極大的影響。然而，目前的焦炭質量指標并不能對上述問題進行有效度量和預測，或者說，目前焦炭質量指標體系尚有較大的不足。
    焦炭質量的高低及其對高爐的適應性應以高爐操作平穩(wěn)順行為依據(jù)。高爐解剖是研究焦炭在高爐中行為的最好方法，但不適用于正常生產(chǎn)高爐。采用高爐操作參數(shù)，研究高爐風口焦和爐頂粉塵是解決目前焦炭質量指標體系不足的現(xiàn)實可行方法。通過研究風口焦可以得到焦炭在高爐中劣化的程度及其主要原因，判斷焦炭質量是否能夠滿足高爐冶煉的需求，提出改變焦炭質量的建議。通過研究爐頂粉塵的構成及性質，可以了解粉塵是來源于噴吹的粉煤還是來源于焦炭，從而判斷噴吹煤粉量是否適當和高效燃燒。根據(jù)焦炭粉塵的性質可以判斷焦炭粉化的區(qū)位和溫度區(qū)間，據(jù)此提出改善焦炭質量的方向。
    科學認識并改善焦炭質量
    高爐高效順行冶煉需要質量與之相配的焦炭。對現(xiàn)有焦炭質量必須有客觀全面的認識，焦炭的本質質量應達到高爐冶煉要求并維持穩(wěn)定，而不是盲目地追求高指標。
    首先，根據(jù)高爐冶煉技術經(jīng)濟參數(shù)、焦炭質量指標和配煤成本、煉焦煤資源保障等對焦炭質量與高爐冶煉的關系作出初步判斷，決定是否須要開展改進、優(yōu)化焦炭質量的研究工作。
    其次，從高爐風口焦性質分析研判冶金焦質量是否達到高爐冶煉要求、是否質量過剩或不足，并據(jù)此提出改善焦炭質量、降低配煤成本的方向。
    再其次，根據(jù)高爐爐頂粉塵組成和性質，分析噴吹煤粉量是否合適，噴吹煤種是否須要優(yōu)化或調整配比。根據(jù)焦粉數(shù)量及性質，弄清楚產(chǎn)生粉塵的區(qū)域和對高爐操作的影響，為煉焦優(yōu)化配煤和煉焦制度改進提出指導意見。
    精細優(yōu)化配煤是焦炭質量的根本保證。煉焦配煤不僅要根據(jù)各煉焦煤的黏結性、結焦性等技術指標控制配煤，保障焦炭的冷熱態(tài)強度，還要根據(jù)各煉焦煤的礦物質組成進行優(yōu)化配比，控制所得焦炭的礦物組成及石墨化性能，進而控制焦炭在高溫條件下的劣化行為。對于參與配煤的特殊煉焦煤，如反應性較高或較低的煤、成煤年代或煤巖特性特別的煤種，配煤時應高度關注，可以采用根據(jù)高爐實際碳溶損率進行焦炭反應后強度測定的方式進行評價，避免標準測定方法在這種情況下帶來的不客觀評價。對于富氧噴煤的大型高爐，焦炭應具有較高的M40（>85%）和較低的M10（<6.5%），但不宜片面追求在低CRI（<20%）指標情況下的高CSR（>70%）指標，一般CRI和CSR分別達到<30%和>60%就能滿足高爐冶煉需求。
    干熄焦是通過循環(huán)惰性氣體與紅熱焦炭逆流換熱方式冷卻焦炭，明顯降低了焦炭內部的熱應力，顯著減少了焦炭微裂紋，同時焦炭在干熄爐內自上而下的運動去除了焦炭的缺陷，有效提高了高爐入爐焦炭的內在質量。建議焦化企業(yè)配套建設干熄焦裝置，鋼鐵企業(yè)亦可適當提高干熄焦炭采購價格，實現(xiàn)焦化與煉鐵雙贏，調動焦化企業(yè)建設干熄焦裝置的積極性。對于濕熄焦炭，建議加強整粒與篩分，減少焦粉和有缺陷焦炭作為層焦進入高爐帶來的不利影響。
    搗固煉焦工藝是通過提高裝爐煤堆密度的方式改善焦炭質量，提高黏結性較低的煤配比，降低配煤成本。該工藝技術雖然能在一定程度上提高焦炭質量，但不能根本改變焦炭的本質質量。搗固煉焦的配煤結構與頂裝煉焦的配煤結構不宜差距過大，否則，焦炭本質質量會有明顯下降而影響高爐冶煉。搗固煉焦比較適于適當多配高揮發(fā)分煤的情況，而適當多配低揮發(fā)分煤時必須保障配煤的黏結性。搗固焦生產(chǎn)應以高爐需求為準則，合理配煤生產(chǎn)搗固冶金焦。

來源：中國冶金報