大中型高爐高效低耗冶煉用焦炭質(zhì)量評(píng)價(jià)研究進(jìn)展

徐秀麗，姜 雨，張世東，孟慶波

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

0 引 言

在中國(guó)未來(lái)幾十年或更長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)，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(chǔ)，全面貫徹高效、優(yōu)質(zhì)、低耗、長(zhǎng)壽、環(huán)保的煉鐵技術(shù)方針，其中精料、低耗的目標(biāo)是以節(jié)能減排為核心并持續(xù)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(chǎn)。隨著科技水平的發(fā)展，高爐向大型化發(fā)展，因高爐大型化有利于提高焦炭生產(chǎn)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(duì)焦炭質(zhì)量要求也顯著提高，也即焦炭質(zhì)量滿足高爐煉鐵需求是高爐高效低耗冶煉的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1-2]。韓曉楠等[3]認(rèn)為焦炭的溶損劣化分為3個(gè)階段，即當(dāng)碳素溶損率小于15%時(shí)其溶損反應(yīng)對(duì)焦炭強(qiáng)度影響很小，當(dāng)碳素溶損率在15%～30%時(shí)其焦炭結(jié)構(gòu)強(qiáng)度逐漸降低；當(dāng)碳素溶損率超過(guò)30%時(shí)則焦炭結(jié)構(gòu)強(qiáng)度迅速降低。高爐內(nèi)焦炭的實(shí)際溶損溫度區(qū)間為900 ℃～1 300 ℃，不同溫度點(diǎn)測(cè)得的焦炭熱性能指標(biāo)能夠更加準(zhǔn)確地反映焦炭的綜合熱性質(zhì)差異。汪琦[4]、謝全安等[5]認(rèn)為須綜合考慮礦-焦的耦合作用并通過(guò)焦炭的溶損反應(yīng)測(cè)試來(lái)評(píng)價(jià)焦炭的熱性質(zhì)，而焦炭反應(yīng)性指標(biāo)不能全面表征代表焦炭在高爐內(nèi)的反應(yīng)性能，反應(yīng)性高的焦炭能降低熱儲(chǔ)備區(qū)溫度[6]，對(duì)于不同高爐的冶煉特點(diǎn)應(yīng)設(shè)計(jì)專(zhuān)屬的焦炭熱性質(zhì)評(píng)價(jià)方法。焦炭入爐后在高爐內(nèi)的不同部位產(chǎn)生不同程度的劣化，最終在爐缸中被完全消耗，在此過(guò)程中焦炭各種性能發(fā)生很大變化，目前還未形成定論[7]。針對(duì)焦炭在高爐內(nèi)不同部位的劣化過(guò)程及其高溫特性和顯微結(jié)構(gòu)的變化，通過(guò)對(duì)焦炭的反應(yīng)性、反應(yīng)后強(qiáng)度、平均粒度以及顯微結(jié)構(gòu)組成等因素的分析，剖析高爐內(nèi)焦炭質(zhì)量的劣化程度以及爐內(nèi)焦炭劣化后性狀對(duì)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(zhì)量提供技術(shù)支撐。

1 現(xiàn)有評(píng)價(jià)指標(biāo)體系對(duì)焦炭質(zhì)量的認(rèn)知

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

目前，高爐冶煉用焦炭評(píng)價(jià)指標(biāo)體系主要涵括冷態(tài)強(qiáng)度、熱態(tài)強(qiáng)度、灰分、硫分、平均塊度、焦炭光學(xué)組織等指標(biāo)，其中冷態(tài)強(qiáng)度、熱態(tài)強(qiáng)度、灰分、硫分已有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其等級(jí)進(jìn)行劃分，以下重點(diǎn)敘述焦炭冷態(tài)強(qiáng)度和熱態(tài)強(qiáng)度指標(biāo)。

評(píng)價(jià)焦炭的冷態(tài)強(qiáng)度主要采用《焦炭機(jī)械強(qiáng)度的測(cè)試方法》(GB/T 2006—2008)，指標(biāo)包括抗碎強(qiáng)度(M40或M25)和耐磨強(qiáng)度(M10)。各企業(yè)轉(zhuǎn)運(yùn)膠帶的數(shù)量、仰角高度、運(yùn)轉(zhuǎn)距離及轉(zhuǎn)運(yùn)速度各不相同，焦炭在轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中磨損、摔打，而取樣焦炭要求粒徑大于60 mm(或25 mm)，相當(dāng)于在經(jīng)過(guò)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(tài)強(qiáng)度明顯優(yōu)于剛出焦?fàn)t的焦炭。經(jīng)磨損、摔打后的焦炭相對(duì)粒度變小，篩分后小粒級(jí)焦炭占比增大。焦炭在高爐內(nèi)受力屬非均勻、非定向，此與焦炭的粒級(jí)分布、高爐布料制度和爐型等因素密切關(guān)連[7]；焦炭冷態(tài)強(qiáng)度檢測(cè)僅代表入爐焦炭，對(duì)經(jīng)劣化的中下部高溫區(qū)焦炭代表性差，是高溫區(qū)指標(biāo)的基礎(chǔ)，不能表征中下部焦炭粒度和篩分組成[9-12]。

評(píng)價(jià)焦炭的熱態(tài)強(qiáng)度主要指焦炭的反應(yīng)性和反應(yīng)后強(qiáng)度,其試驗(yàn)方法中的反應(yīng)性以焦炭在1 100 ℃與CO2反應(yīng)2 h的焦炭質(zhì)量損失百分?jǐn)?shù)表示，反應(yīng)后強(qiáng)度以反應(yīng)后的焦炭經(jīng)I型轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)大于10 mm粒級(jí)的焦炭質(zhì)量占反應(yīng)后焦炭質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)表示。國(guó)標(biāo)GB/T 4000—2017檢測(cè)出的數(shù)據(jù)指標(biāo)也是試驗(yàn)后的焦炭指標(biāo)，且該試驗(yàn)方法所得結(jié)果已被國(guó)內(nèi)鋼鐵、焦化企業(yè)直接用作高爐原料焦炭質(zhì)量的評(píng)價(jià)指標(biāo)以及焦炭交易過(guò)程中的主要技術(shù)指標(biāo)，但該指標(biāo)的檢測(cè)方法與高爐煉鐵工藝中焦炭的實(shí)際反應(yīng)行為差距較大[7]。

國(guó)標(biāo)GB/T 4000—2017中的主要指標(biāo)僅模擬高爐軟熔帶以上區(qū)域，并未對(duì)高爐透氣透液性影響巨大的下部高溫區(qū)焦炭的質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行模擬，即未模擬堿金屬及渣鐵侵蝕、焦炭中礦物質(zhì)的還原反應(yīng)、石墨化等化學(xué)作用以及高溫?zé)嶙饔玫扔绊懙闹笜?biāo)，因而不能完全表征焦炭的質(zhì)量，尤其在高爐下部高溫區(qū)域焦炭的性能。

CHENG[13]認(rèn)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(rèn)為，焦炭在高爐中的溶損量應(yīng)為25%左右。NOMURA等[15]認(rèn)為，用CSR不適合用于評(píng)價(jià)高反應(yīng)性焦炭的反應(yīng)后強(qiáng)度，溶損反應(yīng)停止時(shí)間在質(zhì)量損失為20%時(shí)也應(yīng)對(duì)反應(yīng)溫度進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。

由以上可知，焦炭質(zhì)量的高低應(yīng)以能否滿足高爐高效低耗冶煉為評(píng)價(jià)的依據(jù)，目前采用的焦炭質(zhì)量指標(biāo)雖能在大部分情況下評(píng)價(jià)其質(zhì)量，但各指標(biāo)與高爐的冶煉關(guān)系不明顯，甚至出現(xiàn)“異?，F(xiàn)象”，即焦炭現(xiàn)有指標(biāo)體系和評(píng)價(jià)方法尚有不足之處，有待進(jìn)一步改善。

2 大中型高爐冶煉對(duì)焦炭質(zhì)量的本質(zhì)需求

2.1 焦炭在高爐中的劣化及其質(zhì)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(xiàn)焦炭在高爐不同部位劣化的機(jī)制不同，因而焦炭的不同特性會(huì)引起高爐不同部位的劣化。

根據(jù)高爐解剖，高爐主要?jiǎng)澐譃閴K狀帶、軟融帶、爐腹區(qū)、回旋區(qū)、死料柱、爐缸區(qū)。焦炭在高爐各區(qū)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(zhì)量要求見(jiàn)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(zhì)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(jī)械作用和碳素溶損反應(yīng)使焦炭塊度減小，焦炭的劣化尚不嚴(yán)重；在軟融帶，焦炭受到高溫?zé)崃Γ绕淙軗p反應(yīng)導(dǎo)致焦炭的碳損耗，焦炭劣化加重并產(chǎn)生粉焦，上升煤氣通過(guò)焦炭“窗口”；

(2) 在爐腹區(qū)，高溫促使焦炭石墨化，焦炭基質(zhì)強(qiáng)度下降，使焦炭產(chǎn)生粉末，對(duì)爐缸的透液性不利，但利于鐵水滲碳；

(3) 在回旋區(qū)，焦炭與熱風(fēng)高速回旋燃燒，造成劣化層脫落并產(chǎn)生焦炭粉末，吹出回旋區(qū)進(jìn)入焦炭床的鳥(niǎo)巢區(qū)、死料柱，導(dǎo)致透氣、透液性能變差；

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

(5) 在爐缸區(qū)，焦炭灰分與爐渣反應(yīng)，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(jié)構(gòu)是焦炭劣化的重要因素，其炭基質(zhì)是由不同煉焦煤及其不同煤巖組分經(jīng)熱解固化形成，炭基質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)及其相互之間的結(jié)合均對(duì)焦炭劣化帶來(lái)本質(zhì)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(tài)分為對(duì)焦炭結(jié)構(gòu)的體積破壞和表面耗蝕兩大類(lèi)。影響焦炭粉化的主要因素是焦炭結(jié)構(gòu)損壞，焦炭強(qiáng)度、堿負(fù)荷、循環(huán)區(qū)溫度、焦炭在爐內(nèi)的停留時(shí)間、溶損反應(yīng)負(fù)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(yīng)將導(dǎo)致焦炭表面的耗蝕，因此入爐焦炭需具備一定的塊度，同時(shí)反應(yīng)后還需要具備較好的塊度保持能力，即需更強(qiáng)的骨架支撐作用。

在回旋區(qū)內(nèi)，焦炭與噴入的輔助燃料作高速回旋運(yùn)動(dòng)和燃燒，生成的CO2進(jìn)入焦炭層并與焦炭進(jìn)行氣化溶損反應(yīng)。溶損反應(yīng)和高速運(yùn)動(dòng)的焦炭表面磨耗產(chǎn)生焦粉，也即劣化層受到回旋沖擊后發(fā)生脫落而產(chǎn)生焦炭粉末。隨著焦炭氣化反應(yīng)的逐漸深入，表面氣孔率增加，使得氣孔壁減薄，達(dá)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(dān)的溶損反應(yīng)負(fù)荷輕，對(duì)焦炭基質(zhì)影響小，可以承受較高的風(fēng)速。強(qiáng)化冶煉需增加風(fēng)口鼓風(fēng)量，即提高風(fēng)速須與焦炭質(zhì)量相適應(yīng)，否則將使回旋區(qū)產(chǎn)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(nèi)不同部位的劣化行為及其高溫特性和顯微結(jié)構(gòu)的變化，應(yīng)對(duì)焦炭的反應(yīng)性、反應(yīng)后強(qiáng)度、平均粒度和粒度保持能力、高效的燃燒特性以及顯微結(jié)構(gòu)等各個(gè)因素進(jìn)行分析，并結(jié)合高爐內(nèi)焦炭質(zhì)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(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)。

3 高爐用焦評(píng)價(jià)方法的研究進(jìn)展

高爐大型化發(fā)展對(duì)焦炭質(zhì)量要求也越來(lái)越高。目前的“高爐用焦炭的CO2反應(yīng)后強(qiáng)度試驗(yàn)方法”受到專(zhuān)家、學(xué)者質(zhì)疑，而以該方法為主要依據(jù)的國(guó)標(biāo)GB/T 4000雖經(jīng)多次修訂但其試驗(yàn)原理并未發(fā)生本質(zhì)變化，因而應(yīng)以高爐內(nèi)實(shí)際液-固-氣三相共存的焦炭高溫反應(yīng)行為為基礎(chǔ)，反應(yīng)爐料對(duì)高爐透氣性和透液性為研究對(duì)象，建立適應(yīng)高爐實(shí)際反應(yīng)行為的焦炭質(zhì)量評(píng)價(jià)體系[7]。

ZHAO等[17]針對(duì)非等溫條件下焦炭反應(yīng)指數(shù)對(duì)高爐塊狀帶還原性和透氣性的影響進(jìn)行深度研究，通過(guò)焦炭鈍化處理從而降低CRI與改善CSR，抑制焦炭在高爐內(nèi)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(dú)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(yīng)，進(jìn)而影響高爐渣流動(dòng)性參數(shù)，尤其焦炭灰分中的SiO2吸、放熱反應(yīng)會(huì)改變高爐的下部傳熱，從而影響鐵水溫度；焦炭的潤(rùn)濕性、裝料結(jié)構(gòu)也會(huì)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(duì)風(fēng)口焦的石墨化研究中發(fā)現(xiàn)，在距離風(fēng)口0～0.5 m處，大塊焦炭較多而尺寸小于3 mm的焦炭相對(duì)較少；在死料柱區(qū)域，大塊焦炭、小顆粒焦炭所占比例分別約為30%、40%。此外還發(fā)現(xiàn)風(fēng)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(dǎo)致其表面剝落并形成細(xì)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(duì)不同配煤結(jié)構(gòu)的焦炭進(jìn)行研究，模擬高爐熱儲(chǔ)備區(qū)的溫度(900～1 400 ℃)和氣氛，其試驗(yàn)條件如圖1所示，并在溫度2 000 ℃時(shí)進(jìn)行熱處理，發(fā)現(xiàn)配入高變質(zhì)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(dòng)度越低、其微觀強(qiáng)度下降越嚴(yán)重。

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

吳鏗等[23]認(rèn)為焦炭在高爐內(nèi)的劣化受到焦炭冷強(qiáng)度、焦炭反應(yīng)后強(qiáng)度以及焦炭結(jié)構(gòu)等多種因素的影響。其中，焦炭結(jié)構(gòu)在高爐中所擔(dān)當(dāng)?shù)慕巧l(fā)生變化時(shí)，焦炭的各向同性結(jié)構(gòu)優(yōu)先氣化，致使焦炭的基質(zhì)強(qiáng)度產(chǎn)生較大程度的惡化。在爐腹、回旋區(qū)和爐缸的高溫區(qū)，焦炭的各向同性結(jié)構(gòu)石墨化程度較小，而高石墨化度導(dǎo)致焦炭的耐磨強(qiáng)度變差。為達(dá)爐缸內(nèi)的鐵水滲碳，所有種類(lèi)的焦炭石墨化度最終均將足夠高。

近年來(lái)，鞍山熱能研究院針對(duì)高爐高效低耗冶煉開(kāi)展系列工作，從單種煤的分子結(jié)構(gòu)、煤巖特征、煤焦轉(zhuǎn)化過(guò)程和反應(yīng)過(guò)程等層面出發(fā)，深入研究焦炭的基質(zhì)強(qiáng)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(yè)不同容積高爐焦炭質(zhì)量與煤質(zhì)的研究成果，即在模擬高爐冶煉條件下開(kāi)發(fā)新的焦炭高溫溶損特性及反應(yīng)后性能評(píng)價(jià)方法。徐秀麗等[24]利用傅里葉紅外結(jié)合分峰擬合數(shù)據(jù)處理方法，對(duì)煤熱解過(guò)程中分子官能團(tuán)結(jié)構(gòu)的變化進(jìn)行研究，并提出熱解過(guò)程中穩(wěn)定的官能團(tuán)結(jié)構(gòu)。孟慶波等[25]論述煉焦煤的煤巖相組成并據(jù)此展開(kāi)配煤研究工作，指出配煤煉焦不僅是改善焦炭微觀炭基質(zhì)和孔隙結(jié)構(gòu)的有效手段，同時(shí)還可改善焦炭的高溫性能。劉國(guó)斌等[26]利用鞍山熱能院“煉焦原料應(yīng)用性分類(lèi)和綜合質(zhì)量評(píng)價(jià)及其指導(dǎo)配煤方法”專(zhuān)利技術(shù)對(duì)淮南礦區(qū)煤炭資源進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)和性能開(kāi)發(fā)，并提出針對(duì)淮南礦區(qū)煤種有效提高焦炭機(jī)械強(qiáng)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(gòu)建不同容積高爐焦炭質(zhì)量評(píng)價(jià)體系以及配煤結(jié)構(gòu)，突破以往測(cè)定焦炭恒失重25%或20%的反應(yīng)后強(qiáng)度即CSR25或CSR20的評(píng)價(jià)方法，充分考慮焦炭塊度和基質(zhì)強(qiáng)度對(duì)高爐冶煉的影響、高溫石墨化過(guò)程對(duì)焦炭溶損特性和燃燒特性的影響，并與煤質(zhì)研究、配煤技術(shù)相結(jié)合，從高爐用焦本質(zhì)質(zhì)量要求出發(fā)進(jìn)行煤質(zhì)評(píng)價(jià)和配煤研究，從而形成煤-煉焦配煤-高爐用焦炭全流程優(yōu)化技術(shù)。

4 結(jié) 論

(1) 焦炭質(zhì)量的高低應(yīng)以能否滿足高爐高效低耗冶煉為評(píng)價(jià)的依據(jù)，目前采用的焦炭質(zhì)量指標(biāo)雖能在大部分情況下評(píng)價(jià)其質(zhì)量，但各指標(biāo)與高爐的冶煉關(guān)系不明顯，甚至出現(xiàn)“異?，F(xiàn)象”，即焦炭現(xiàn)有指標(biāo)體系和評(píng)價(jià)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(nèi)不同部位的劣化行為及其高溫特性和顯微結(jié)構(gòu)的變化，對(duì)焦炭的反應(yīng)性、反應(yīng)后強(qiáng)度、平均粒度和粒度保持能力、高效的燃燒特性以及顯微結(jié)構(gòu)等各個(gè)因素進(jìn)行分析，并結(jié)合高爐內(nèi)焦炭質(zhì)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(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)。

(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(wú)法替代，應(yīng)加強(qiáng)焦炭反應(yīng)后粒度變化的研究工作。

(4) 加強(qiáng)焦炭質(zhì)量研究，建議建立焦炭質(zhì)量評(píng)價(jià)新體系以及開(kāi)發(fā)能便捷評(píng)價(jià)焦炭本質(zhì)質(zhì)量的方法，以期為煉鐵和煉焦生產(chǎn)提供指導(dǎo)。