摘要：高炉冶炼中的燃料主要是焦炭和喷吹用煤粉，焦炭在高炉冶炼中起到发热剂、还原剂、渗碳剂和骨架的作用。随着高炉冶炼技术的进步，喷煤量不断提高，大部分焦炭的发热剂和还原剂功能逐渐被煤粉随代替，但对焦炭的骨架作用提出了更高的要求，焦炭质量成为喷煤量提高的限制性因素。着重分析焦炭在高炉内的劣化行为对加深焦炭在高炉内部物理化学变化状态的认识有着重要的作用，给高炉生产者关注、分析焦炭质量提供定量参考。
高炉冶炼中的燃料主要是焦炭和喷吹用煤粉，焦炭在高炉冶炼中起到发热剂、还原剂、渗碳剂和骨架的作用。随着高炉冶炼技术的进步，喷煤量不断提高，大部分焦炭的发热剂和还原剂功能逐渐被煤粉随代替，但对焦炭的骨架作用提出了更高的要求，焦炭质量成为喷煤量提高的限制性因素。因此，本文着重分析了焦炭在高炉内的劣化行为及高炉冶炼对焦炭的质量要求，希望本文对此研究能够有助于自己和企业对焦炭质量进一步了解。
关键词：焦炭，高炉，劣化，质量
一．冶金焦炭的性能与用途
1.1 冶金焦炭的性能
焦炭是经炼焦过程即煤料在隔绝空气的条件下，从室温加热到1000±50℃经干燥、热解、熔融、粘结、固化、收缩等阶段而形成的。焦炭按其用途可分为冶金用焦、气化用焦、碳素材料用焦等。一般来说，如无特别指明，焦炭均指冶金焦炭。焦炭的主要性能指标如下：
1.1.1 焦炭平均粒度与粒度分布
焦炭平均粒度和粒度分布指标是通过对焦炭的筛分得到的。该指标对高炉稳定操作和高产很重要。根据高炉容积、所用原料情况及高炉操作制度，对焦炭平均粒度有不同的要求。一般来讲，炉容大、喷吹煤时，希望粒度大些，粒度分布尽可能窄。
1.1.2 焦炭的机械强度
焦炭的机械强度是冷态性能的一个关键指标。它的测试方法是取50kg、粒度>40mm的试样经米库姆转鼓100转后，分析焦炭的筛分组成。转鼓后>40mm的焦炭占试样总重的百分数称为M40，转鼓后<10mm的焦炭占试样总重的百分数称为M10。M40标志冷态抗裂强度，它对焦块从料钟落下到料柱上面和落下后再承受下披原料落下时的冲击，以及焦块在块状带阶段承受的压力具有一定的模拟性。但经块状带以后，焦块要经历碳溶反应和越来越高温度的热作用。按M40的检测过程，该指标不再有模拟性。M10标志冷态耐磨强度，它对焦块处于高炉块状带阶段，焦块与焦块、焦块与矿石、焦块与炉壁之间，在自上而下移动中的磨损有良好的模拟性。但当焦块行至块状带底部，温度超过850℃时，由于开始发生微弱的碳溶反应，M10就逐渐失去了模拟性。
鞍山热能研究院与鞍山钢铁公司通过长期对入炉焦、风口焦及其它高炉冶炼技术经济指标的研究，提出不同容积高炉对焦炭质量指标的要求[1]，见表1.1。
表1.1不同容积高炉对焦炭质量指标的要求
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这一指标的提出对指导炼铁及炼焦生产起到了积极作用。应当指出，为了追求更高的经济效益，进一步改善焦炭强度是一项重要手段。
1.1.3焦炭的CO2反应性CRI与反应后强度CSR
焦炭的CO2反应性CRI与反应后强度CSR是反映其热态性能的重要指标，其测定是取一定质量一定粒度的焦块从常温升温至一定温度，通CO2气体反应一定时间，再经I型转鼓后，分析其失重比率和筛分组成。反应性CRI是焦炭反应前后的失重比率，反应后强度CSR是反应后焦炭经I型转鼓一定转数后，大于某一粒度焦块的比率。这两个指标的测试，在一定程度上模拟了焦炭在高炉中的碳溶反应条件。
生产统计表明每提高CSR 1个单位，焦比下降0.4～1.5kg，产量增加0.6 %左右。这是由于CO2反应后强度好，使得炉腹部分焦炭空隙度高，既有利于气流分布也使铁水易于渗透进入炉缸。至于焦比的降低，是由于高CSR值往往低反应性，使得炉身上部CO2反应减弱，CO利用率高所致。
1.2 冶金焦炭在高炉中的作用
冶金焦作为高炉炼铁炉料的一个重要组成部分，其作用主要有三：提供热能；作为还原剂；作为支撑料柱的疏松骨架，保持良好的透气性。
提供热能。焦炭燃烧放出的热量是高炉冶炼过程的主要热源，占冶炼所需热量的75%-80%。
（二）作为还原剂。高炉中铁矿石的还原，主要是通过间接还原和直接还原实现的，不论间接还原还是直接还原都是通过CO来实现的，还原剂的作用就是不断地为还原反应提供必须的CO，因此作为还原剂应具有良好的气化反应能力。
（三）作为料柱骨架。由于焦炭在高炉料柱中约占1/3-1/2的体积，而且焦炭在高炉条件下既不熔化也不软化，它能在高炉中起到支持料柱、维持炉内透气的骨架作用。高炉生产要求料柱有良好的透气性、透液性，使炉料正常下降，矿石充分还原，否则极易引起炉况不顺、炉缸堆积、风口烧坏。作为高炉骨架材料的冶金焦在风口区以上应能始终保持块状，从而使块间保留有一定的空隙度，因此焦炭必须具有较高的强度，特别是要具有良好的热态强度。
二．冶金焦炭在高炉中的劣化过程和劣化因素
2.1焦炭在高炉中的劣化过程
在高炉内部，焦炭受到炉料挤压、渣铁冲刷、CO2侵蚀、富氧燃烧等一系列作用，最终消耗殆尽。焦炭从入炉到达炉缸，受到内外部多种因素的影响，要经受碰撞、挤压、磨损等机械力学作用；碳溶损反应、碱金属侵蚀、渣铁溶蚀，以及向铁水溶解等化学作用。因此焦炭从入炉到炉缸，平均粒度要减小20%-40%。在上中部粒度变化不大，在软熔带的焦炭有剧烈的碳溶反应，粒度变化较大。焦炭质量对焦炭自身的劣化起重要的作用。其中以焦炭灰分，块度，强度影响最为显著。
2.2 焦炭在高炉中的劣化因素
2.2.1 机械破坏作用
机械破坏作用主要集中在块状带，焦炭受到相互撞击、磨损及承受上载炉料的压力。焦炭因在入炉前经辗转运送和从料钟落下，在块状带受到相互撞击、磨损，很容易开裂变成较小块焦，同时也增加焦炭的稳定性，但开裂只使块度减小，不会影响焦炭结构：如焦块不存在裂纹或己经过整粒，则该过程对焦炭质量的影响不大。
对于焦炭在块状带承受的压力，原北京钢铁学院杨永宜曾对日本一高炉（4185m3）进行计算[3]，得出焦炭在高炉承受最大静压力约为0.0735Mpa。即使在开炉前，焦炭承受的最大压力也只有0.13Mpa，而现代冶金焦耐压强度一般都在 5～6Mpa，远超过计算值。这说明，单纯的机械力不是焦炭劣化的主要因素。至于焦炭在高炉块状带以下，焦炭除承受机械力外还遇到叠加的其它劣化因素时，机械力对焦炭劣化才起推波助澜的作用。
研究表明，小粒度焦炭与大粒度焦炭相比，在高炉上部失碳率较高，产生的粉末量多；湿熄焦过程会对焦炭产生活化作用，导致焦炭的气孔率增加，比表面积增大，在高炉上部反应过程中，失碳率增加，产生的粉末量增加；捣固焦炭与顶装焦炭相比，在反应时间较短时，劣化程度低于顶装焦炭，当反应时间较长时劣化作用会大幅上升，高于顶装焦炭。
2.2.3灰分和碱金属
焦炭中灰份高不仅影响高炉产量，增加造渣原料的成本和提高焦比，还促使焦炭在高炉中劣化。灰分高，焦炭的反应性上升，反应后强度下降。焦炭中灰分主要来自于煤的灰分，由于灰分来自无机矿物质，在加热过程中均是惰性的，这些无机矿物质颗粒比焦炭多孔体有大6倍到10倍的体积膨胀系数。当焦炭多孔体在高温下收缩时，灰分颗粒却具有方向与收缩应力相反的膨胀力，这种热应力会导致焦炭气孔壁产生大量微裂纹，从而使焦炭在高温下强度降低，同时还会促进CO2易于进入焦炭内部，提高焦炭反应性，降低强度。
碱对焦炭的劣化作用由三种原因导致：K、Na与焦炭层片形成层间化合物，导致气孔壁疏松，裂纹增多，机械强度下降；碱金属对碳溶反应有催化作用，使焦炭反应性大幅度增高；碱金属还能降低碳溶反应的开始反应温度和激烈反应温度。
研究表明，碱金属存在条件下，碱金属会与焦炭中的灰分形成催化复合物，导致焦炭与CO2反应的起始温度降低，反应速率加快，破坏焦炭的微晶结构，发生粉化，劣化加重；K2CO3的催化作用高于Na2CO3的催化作用。[5]
2.2.4 高温热应力
国内外高炉解剖结果表明，焦炭质量劣化始于炉身下部，炉腹以下焦炭质量迅速降低，至回旋区则又一次明显劣化。在高炉内1300℃以上区域，除塔式结构外围区域，其他部位CO2浓度己很低，碳溶反应已不显著，热劣化可能是焦炭劣化的又一个重要因素。
三．结论
1、随着高炉冶炼技术的进步，喷煤量不断提高，大部分焦炭的发热剂和还原剂功能逐渐被煤粉随代替，但对焦炭的骨架作用提出了更高的要求，焦炭质量成为喷煤量提高的限制性因素。
2、焦炭的高温冶金性能、反应性CRI和反应后强度CSR，基本反映了焦炭在高炉下部高温劣化后的质量变化，高炉的高产会加剧焦炭的劣化。焦炭的高温性能低，会影响其在高炉软融带和滴落带中的骨架作用，降低高炉的整体透气性。焦炭高温性能差还会导致炉缸内焦炭粉末增多，恶化炉缸死料柱的透气性和透液性，引起高炉下部压差升高，造成炉缸工作不活跃，严重时风口大量破损，铁水脱硫效率差，焦比升高，产量降低。
3、焦炭质量变化对高炉炼铁的影响是比较大的。通过洗煤可以降低煤炭中的灰分和硫分，采用干法熄焦可以降低焦炭的水分，提高主焦煤的配比和条取综合技术装备可以改善焦炭的M40和M10指标。从技术上讲上述措施均是可行的。但是要把技术与经济管理相结合，找出最佳操作点，同时还要考虑到资源供给的条件。所以各企业要根据客观条件，本企业技术装备现状，科学、合理地提出不同时期不同炉容的高炉对焦炭质量标准。
参考文献：
[1]孟庆波等.我国焦炭质量回顾与展望一一提高焦炭质量的途径[J].冶金能源，1997.（4）：20 -29.
[2]吕柏炎.八钢焦炭质量的现状、对策和思考[J].新疆钢铁，1996，（2）：136-145.
[3]傅永宁.高炉焦炭[J].北京.冶金工业出版社，1995，218.
[4]M.G.Skylar et al.连续炼焦新技术及其展望[C].第三届国际焦化会议论文集（中译本），1993，（4）：339-345.
[5]阿不幸弘.焦炭冷强度一定时反应后强度的控制技术[J].钢铁，1983，（4）：24-41.
论文作者:黄岩
论文发表刊物:《基层建设》2020年第2期
论文发表时间:2020/4/30
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