高反應性鐵焦制備及其強度研究進展

張生富，尹 鋮，邱淑興，溫良英，白晨光

(1．重慶大學 材料科學與工程學院，重慶 400044；2．重慶大學 釩鈦冶金及新材料重慶市重點實驗室，重慶 400044；3．攀鋼集團研究院有限公司，四川 攀枝花 617000)

0 引 言

鋼鐵是國家經(jīng)濟建設和社會發(fā)展的重要支撐材料。我國作為最大的發(fā)展中國家，對鋼鐵材料的需求量大，2020年我國粗鋼產(chǎn)量10.53億t，生鐵產(chǎn)量8.88億t[1]。大基數(shù)的鋼鐵材料消耗大噸位焦炭，以焦比350 kg估算，2020年我國鋼鐵行業(yè)消耗焦炭達3.7億t。焦炭價格高，煉焦過程環(huán)境污染大，為鋼鐵企業(yè)帶來資源、環(huán)境和成本的多重壓力。2021年開始實施的《碳排放權交易管理辦法(試行)》迫使鋼鐵企業(yè)降碳減排[2]。因此，降低高爐焦比，推進高爐煉鐵過程的CO2減排是實現(xiàn)未來鋼鐵企業(yè)低成本、綠色發(fā)展戰(zhàn)略的必經(jīng)之路，也是支撐國家早日實現(xiàn)碳達峰、碳中和目標的重要舉措。

提高碳利用率是降低高爐焦比、減少CO2排放的有效措施[3-4]。根據(jù)Rist操作線圖[5]，當高爐熱儲備區(qū)溫度下降時，F(xiàn)exO還原為Fe的平衡點W右移，即向CO利用率η(CO)(η(CO)=φ(CO2)/(φ(CO)+φ(CO2)))升高的方向移動(φ為物質的體積分數(shù))，進而提高碳利用率。而高爐熱儲備區(qū)的溫度受焦炭氣化反應控制，提高焦炭氣化反應性可降低高爐熱儲備區(qū)溫度。因此，提高焦炭反應性，有助于高爐過程的CO2減排[6]。研究表明，堿金屬[7-8]、堿土金屬[9]和過渡族金屬[10]可有效提高焦炭反應性，但堿金屬在高爐內(nèi)易循環(huán)富集，危害高爐壽命和安全[11]；堿土金屬可使高爐渣量增大，導致燃料質量比增加[12]，所以前二者均不適合生產(chǎn)高爐用高反應性焦炭。Fe是一種過渡族金屬，也是高爐煉鐵的終產(chǎn)物，能有效降低碳氣化反應過程生成不穩(wěn)定活化絡合物的能壘，促進碳氧復合物形成；同時焦炭中碳氧復合物被鐵氧化物氧化，使氣化反應中的氧交換速率加快[13-14]，因此Fe系添加劑對改善焦炭反應性具有明顯優(yōu)勢[7-10,15]。

過去100多年中，學者已在實驗室和生產(chǎn)現(xiàn)場對含鐵焦炭進行了廣泛研究，目前雖未能實現(xiàn)工業(yè)化應用，但日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省已將鐵焦作為戰(zhàn)略性節(jié)能革新技術納入COURSE50項目，考慮在2030年左右以1 500 t/d的產(chǎn)能規(guī)模投入實際應用[16]。筆者綜述了鐵焦的發(fā)展歷程和研究現(xiàn)狀，比較了不同鐵焦制備工藝的特點和獲得鐵焦的性能，對其性能變化進行了深入探討，并分析了鐵焦強度的劣化機理，提出了一條提升鐵焦反應后強度的可行方法。

1 鐵焦生產(chǎn)的起源與發(fā)展歷程

鐵焦的研究可追溯至19世紀70年代，主要發(fā)展歷程如圖1所示。1865年，德國人WENDING首次提出在煉焦配煤中加入鐵礦粉煉制含鐵焦炭的設想，其目的是簡化鐵礦石燒結等造塊工序，并在魯爾地區(qū)的常規(guī)焦爐中進行了工業(yè)試驗，以肥煤為主要原料，配加7%～10%的黃鐵礦制備含鐵焦炭；20世紀30年代，前蘇聯(lián)也進行了相關研究，采用頓巴斯和庫茲涅茨煤，增加鐵礦石配比至30%～40%生產(chǎn)鐵焦，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生的焦炭具有較好的抗碎強度，加入的鐵礦石被還原；20世紀50年代，美國將高爐除塵灰、赤鐵礦和磁鐵礦等含鐵物質分批次加入煤粉制備出強度性能更優(yōu)的鐵焦，并在高爐進行了實際生產(chǎn)試驗[17-18]；同期，朝鮮將鐵精礦與不同類別的煤粉混合制備鐵焦，發(fā)現(xiàn)鐵焦的強度與精礦粉的配加比例存在明顯線性關系，在精礦粉比例達50%的工業(yè)化試驗過程中發(fā)現(xiàn)高爐焦比下降30%，產(chǎn)能提高40%～50%[19-20]；20世紀60年代后，中國、英國、德國、波蘭、法國、保加利亞和羅馬尼亞等國研究人員陸續(xù)開展以氣煤為主要原料生產(chǎn)成型鐵焦和鐵焦的高爐冶煉試驗，均驗證了鐵焦用于煉鐵的節(jié)能降耗效果，使用鐵焦也可回收各種含鐵廢渣[17,21]。此階段鐵焦試驗雖然取得了有益結果，但在工業(yè)生產(chǎn)上并未廣泛推廣，主要原因是同期鐵礦粉燒結和球團工藝取得了明顯進步；其次用常規(guī)焦爐生產(chǎn)鐵焦，具有結焦時間長、濕法熄焦后鐵焦碎裂及生銹、鐵焦含硫高等弊端。

圖1 鐵焦的起源與發(fā)展歷程Fig.1 Origin and development of ferro coke

21世紀初，日本提出COURSE50計劃，希望生產(chǎn)高反應性-高強度焦炭以降低高爐燃料比，減少CO2排放[16]。2016年日本JFE鋼鐵公司聯(lián)合新日鐵、神戶制鋼等鋼鐵企業(yè)在JFE西日本工廠以弱黏結煤和非黏結煤為原料，通過“熱壓成型-豎爐碳化”工藝建設了一座日產(chǎn)能為300 t的鐵焦生產(chǎn)設備，并于2018投入使用[16]。近10 a，我國東北大學、重慶大學、武漢科技大學和寶武鋼鐵等單位先后開展了關于鐵焦的制備及應用研究，在制備新工藝[22-23]、含鐵礦物相對焦炭性能的影響[24]、鐵焦結構與性能的關系[25]和鐵焦對礦石軟熔性能的影響[26]等方面取得了重要進展。

2 鐵焦的制備工藝及礦相轉變

2.1 鐵焦的制備工藝

目前鐵焦的主要制備方法為將含鐵原料作為催化劑添加至配合煤中，在傳統(tǒng)室式焦爐焦化或煤粉壓塊碳化，按成型工藝可分為3類：煤直接配加鐵礦粉制備鐵焦，煤與鐵礦粉混合熱壓塊制備鐵焦，煤、鐵礦粉及添加劑混合冷壓塊制備鐵焦。

2.1.1 煤直接配加鐵礦粉制備鐵焦

日本新日鐵公司[27-28]利用現(xiàn)代焦爐研究了煉焦煤直接配加鐵礦粉的高反應性鐵焦制備工藝，將一定配煤結構的煉焦煤和5%～8%的鐵礦粉均勻混合后通過輸壓帶運至焦爐碳化室，在1 100 ℃下碳化24 h后排出。研究發(fā)現(xiàn)，隨鐵礦粉添加量增加，不同配煤結構生成鐵焦的反應性均上升，反應后強度均下降；含鐵礦物的種類對鐵焦性能有明顯影響，這是因為焦化過程中煤顆粒的膨脹被加入鐵礦石抑制，造成煤顆粒間的黏結性減弱[27]，如圖2所示(ICR為焦炭反應性，RCS為焦炭反應后強度)。同時，煉焦溫度高于1 200 ℃時，硅磚與鐵礦石反應生成低熔點物質鐵橄欖石相(2FeO·SiO2)并熔化，破壞焦爐碳化室爐墻，縮短煉焦爐壽命[28]，如圖3所示。因此利用室式煉焦爐開展鐵礦粉直接配煤制備鐵焦時碳化室溫度應控制在1 150 ℃以下。此方法生產(chǎn)鐵焦投資小，利用現(xiàn)有焦爐設施即可實現(xiàn)，但需嚴格控制煉焦爐溫度，否則會降低焦爐壽命；存在結焦時間長、能耗高和生產(chǎn)效率低等問題。

圖2 不同煤種下鐵礦粉配比和類型對鐵焦性能的影響[27]Fig.2 Influence of iron ore ratio and type on performance of ferro coke under different coal types[27]

2.1.2 煤與鐵礦粉混合熱壓塊制備鐵焦

日本JFE鋼鐵公司提出了“煤粉熱壓塊-豎爐碳化”(熱壓法)的鐵焦制備工藝[29]，將約60%的弱黏結性煤與40%左右的鐵礦粉混合加熱至110～130 ℃，然后壓制成型并經(jīng)豎爐碳化(1 100 ℃)。相關研究表明鐵礦粉添加量、黏結劑、成型工藝等對鐵焦性能有明顯影響，此外發(fā)現(xiàn)，黏結劑可有效提高鐵焦強度，降低能耗，見表1。王宏濤等[30-31]發(fā)現(xiàn)配煤也可優(yōu)化鐵焦強度，將質量分數(shù)55%弱黏結煤A、10%弱黏結煤C、20%無煙煤D與15%鐵礦石混合，通過熱壓法制備出抗壓強度4 861 N、焦炭反應性50.44%和反應后強度46.45%的高反應性鐵焦(圖4)。研究發(fā)現(xiàn)，隨鐵礦粉添加量增加，鐵焦反應性增加，鐵焦機械強度和反應后強度明顯降低。這是由于焦化后，加入鐵礦粉后鐵氧化物被還原為Fe，以不規(guī)則尺寸和形態(tài)分布在焦炭氣孔壁和碳基質中，在焦炭發(fā)生氣化反應時作為催化劑和裂紋產(chǎn)生的活性源頭，使焦炭ICR增加，RCS減小[22,32-34]?！盁釅悍ā辫F焦制備工藝可大量使用弱黏結煤或非黏結煤替代焦煤，有利于降低企業(yè)生產(chǎn)成本；制備的鐵焦具有較高反應性和反應后強度，應用前景廣闊。

圖4 熱壓型鐵焦宏觀形貌及其強度與鐵礦石添加量的關系[30]Fig.4 Relationship between the macro morphology and strength of hot pressed iron coke and iron ore ratio[30]

2.1.3 煤、鐵礦粉及添加劑混合冷壓塊煉制鐵焦

鑒于煤粉壓塊-豎爐碳化工藝的優(yōu)越性，研究者[35]進一步提出了“冷壓塊-豎爐碳化”(冷壓法)的鐵焦制備工藝，將30%左右鐵礦粉、65%左右弱黏結煤粉和5%左右黏結劑充分混合加熱至50～80 ℃(黏結劑流動溫度)，并立刻壓制成型；在900～1 000 ℃ 碳化3～4 h。鐵焦的冷態(tài)性能和熱態(tài)性能均隨鐵礦石添加量的增加而劣化(圖5)。相比上述熱壓法工藝，冷壓法制備的鐵焦反應后強度較低。鐵礦石配比為10%時，冷壓法制備鐵焦的RCS(24.0%)不及熱壓法(57.61%)的1/2；但冷壓法鐵焦的RCS隨鐵礦石配比提高的變化率較小，鐵礦石配比為20%時，冷壓法鐵焦RCS與熱壓法鐵焦相差不大，且ICR優(yōu)于熱壓法鐵焦。相比熱壓法，冷壓法鐵焦制備工藝可使用一定量的弱黏結煤和非黏結煤，且極大降低能耗，節(jié)約煉焦成本，但所得鐵焦的強度需進一步優(yōu)化。

圖5 鐵礦石配比與鐵焦冶金性能的關系[35]Fig.5 Relationship between iron ore ratio and metallurgical properties of ferro coke[35]

2.2 焦化和氣化反應過程鐵焦的礦物相轉變

煤中礦物相種類繁多、賦存形態(tài)復雜，其種類、含量和賦存狀態(tài)在煤焦化和焦炭氣化反應過程中會發(fā)生轉變，對焦炭反應性和反應后強度等冶金性能產(chǎn)生重要影響[36-38]，且鐵焦制備過程額外添加了含鐵礦物，因此明確鐵焦在焦化和氣化反應過程的礦物相轉變尤為重要。然而，煤焦中微量無機礦物相的定量分析難度大，準確率不高。筆者提出了一種煤焦中礦物相的定量分析方法[39]，通過煤焦XRD圖譜分析獲得所含無機礦物相種類，然后利用中子衍射和Rietveld擬合精修法得到樣品中各種礦物相的質量分數(shù)。在此基礎上，得到了煤焦化與焦炭氣化反應過程中微量無機礦物相的轉變規(guī)律(表2)，分析了加入含鐵礦物對成焦行為的影響[40]。未添加含鐵礦物時，石英類、莫來石、硅線石和磁黃鐵礦為焦炭中的主要礦物質，其中石英類礦物和莫來石主要由原煤中高嶺土的分解轉化而成，屬于氣化反應抑制類物質；而磁黃鐵礦則主要由原煤中黃鐵礦分解生成，屬于氣化反應催化類物質。添加含鐵礦物后，鐵焦中出現(xiàn)了金屬鐵(氣化反應強催化類物質)，并以顆粒形式附著于鐵焦孔壁；石英類、莫來石和硅線石含量降低。鐵焦氣化后所含礦物質的種類仍主要為石英類、硅線石、莫來石和磁黃鐵礦；但金屬鐵被CO2氧化產(chǎn)生部分Fe3O4，表明金屬鐵的活性高于碳，其氧化反應催化了碳的氣化[41]。

表2 鐵焦及其氣化后所含礦物質[40]Table 2 Quantitative analysis of minerals inferro coke[40]

3 鐵焦強度優(yōu)化

反應后強度是冶金焦炭最重要指標，但研究發(fā)現(xiàn)隨含鐵物質添加，鐵焦強度急劇劣化，這是當前鐵焦應用的主要瓶頸。因此生產(chǎn)鐵焦時如何維持或優(yōu)化強度，成為目前本領域研究的重點方向。

3.1 鐵焦強度劣化機理

研究表明，煤結焦過程中膠質體(流動相)的行為決定了焦炭強度[42-43]。煤在隔絕空氣或惰性氣氛下加熱至一定溫度時，煤粒表面會生成一定量多相黏稠液體——膠質體，其成分和結構決定了對固態(tài)煤粒的黏結能力，對煤焦化后生成的焦炭強度影響巨大[44-45]?；诖?，筆者及研究團隊[46]對鐵焦制備過程中含鐵物質對煤焦化熱塑性區(qū)間內(nèi)膠質體成分和結構的影響進行系統(tǒng)研究。首先，對試驗煤樣進行酸洗脫灰處理，排除灰分的影響；然后將酸洗得到的煤基質加熱至300～500 ℃(熱塑性區(qū)間)使之生成膠質體，將加熱后的煤基質依次放入丙酮和四氫呋喃溶液，得到不同溫度下含膠質體的萃取相。激光解離飛行質譜儀(LDI-TOF-MS)和核磁共振(GC-MS)分析表明，萃取相的分子量在576內(nèi)，蒽、菲等芳香類化合物和長直鏈烷烴等脂肪族化合物是煤熱解生成的膠質體的主要成分。煤熱解過程中，隨熱解溫度升高，含芳香族和脂肪族化合物的輕、重分子增多，導致芳香族和脂肪族的氫質子增多，脂肪族鏈長度縮短，生烴潛力增大。在較高溫度下，流體相化合物發(fā)生交聯(lián)反應，重新附著在煤焦上，降低了芳香族和脂肪族質子的比例，延長了脂肪族鏈，減弱了生烴潛力。這些階段反映了煤在熱塑性階段的軟化和固化，這歸因于煤焦化過程中形成流體相的瞬態(tài)性質。煤熱解熱塑性區(qū)間內(nèi)膠質體組分、結構轉變機理如圖6所示[40,46]。

圖6 煤熱解熱塑性區(qū)間內(nèi)膠質體組分、結構轉變機理[46]Fig. 6 Composition and structural transformation mechanism of fluid phase during coal pyrolysis[46]

添加Fe2O3對煤熱塑性區(qū)間內(nèi)膠質體結構的影響如圖7所示。研究表明，煤基質被加熱至熱塑性階段時，煤中大分子單元或大分子單元與低分子之間的Cal—Cal、Cal—Car、Cal—O、Cal—S和Cal—N鍵發(fā)生斷裂，產(chǎn)生低分子量的芳香族和脂肪族自由基。但加入Fe2O3后，這些鍵裂解數(shù)量減少，進而導致芳香自由基和脂肪族自由基減少。此外，含F(xiàn)e2O3的煤基體受熱后其微晶結構比原煤更大，碳基體的芳香度和平均堆積高度降低，層間距、脂肪鏈長度和生烴潛力增大。因此，生成的膠質體減少，主要表現(xiàn)為乙苯、鄰二甲苯和含碳原子為24～26的長支鏈烷烴消失。即使含F(xiàn)e2O3的煤基質與原煤基質具有相同的膠質體結構變化趨勢(2個階段)，其熱塑性(塑性范圍和最大Gieseler流動性)也會隨液相的減少而降低，最終導致焦炭強度下降[47]。

圖7 添加Fe2O3對煤的熱塑性及結構的影響特征[47]Fig. 7 Effect of Fe2O3 addition on thermoplasticity and structure of coal[47]

3.2 鐵焦強度提升

基于煤熱塑性區(qū)間內(nèi)流動性的變化配煤或添加黏結劑進行煉焦，以提升焦炭強度研究較多。任偉等[48]通過配加一定量焦油渣(8%～15%)，使用1/3焦煤和鐵礦粉制備出反應性32%的含鐵焦炭。實際生產(chǎn)中添加8%以上的焦油渣即可生產(chǎn)出滿足高爐需求的鐵焦。潔凈煤(Hyper-coal，HPC)灰分低、熱塑性好，能大大提高混合煤的熱塑性，是優(yōu)質的配煤煉焦添加劑。UCHIDA等[49]在弱黏結性煤中加入鐵礦粉和HPC制備鐵焦，研究了HPC對焦炭強度及微觀結構的影響，添加HPC后鐵焦微觀形貌如圖8所示。HPC可有效縮小煤粒間空隙，提高煤粒黏附性，使焦炭強度增加。研究表明，以軟瀝青和瀝青作為黏結劑有助于維持焦炭反應后強度[50]。張生富等[23]通過將瀝青和含鐵礦物混入煤中煉制鐵焦，鐵焦性能與瀝青添加量的關系如圖9所示。隨瀝青添加量增加，焦炭氣孔孔徑減小，結構致密，氣化反應性指數(shù)和粉化率略下降；此外瀝青添加量≤4%時，焦炭機械強度和反應后強度隨瀝青添加量的增加而提高。

目前，針對鐵焦強度提升的研究已經(jīng)從焦炭強度的宏觀優(yōu)化深入到微觀結構分析。前述添加的瀝青、焦油渣等強度優(yōu)化劑的主要組分均為多環(huán)芳烴(PAHs)，HAYASHIZAKI等[51]在煤中混入一定量PAHs，分析其對煤最大膨脹度的影響。結果表明，在煤中添加分子量152.19～178.23的PAHs時，煤最大膨脹度無明顯變化。而以分子量178.23～378.47 的PAHs作為添加劑時，煤的最大膨脹度大幅提高。OTSUKA等[52]也發(fā)現(xiàn)了類似結果，以芳香胺為添加劑，分析了芳香胺種類對煤流動性和焦炭強度的影響行為，煉焦過程加入的芳香胺對煤流動性的影響如圖10所示(FM為樣品的最大基式流動度)。結果表明隨芳香胺分子量增加，煤流動性增大，且分子量最大的N,N′-2-萘-1,4-苯二胺對煤流動性改善效果最明顯；添加量為1%時，煤的流動性和焦炭強度明顯提高。吡啶是多環(huán)芳香烴的良好溶劑，TSUBOUCHI等[53]分析了HPC吡啶可溶物對煤流動度和焦炭結構的影響。通過將常溫下HPC的吡啶可溶物和熱塑性區(qū)間內(nèi)HPC的吡啶可溶物加入低質煤中焦化，發(fā)現(xiàn)含HPC吡啶溶性組分的煤生成的焦炭比原煤或含溶性組分的煤焦化生成的焦炭性能更好。

圖10 煉焦過程加入芳香胺對煤流動性的影響[52]Fig.10 Effect of aromatic amines added in the coking process on the fluidity of coal[52]

4 鐵焦應用及展望

4.1 鐵焦應用

由于鐵焦熱強度較差，其在高爐中實際應用進展十分緩慢，目前僅日本鋼鐵企業(yè)借助COURSE50計劃，逐步推進了鐵焦的工業(yè)化應用[16]。日本JFE公司于2011年將鐵焦投入高爐進行工業(yè)試驗，發(fā)現(xiàn)試驗過程高爐操作穩(wěn)定，爐況順行，且燃料比降低13～15 kg/t(每生成1 t鐵消耗的煤粉質量)，預計使用鐵焦后高爐可節(jié)約10%的能源，并將高質量煉焦煤比例減少20%[54]。在鐵水溫度、鼓風量等參數(shù)不變的條件下，加入鐵焦后高爐焦比、燃料比和爐頂煤氣溫度顯著降低[55-57]。加入30%鐵焦后，高爐有效容積利用系數(shù)提高6.7%，焦比和燃料比分別下降26.8%和3.4%[57]，如圖11所示。

圖11 鐵焦添加量對高爐操作參數(shù)的影響[57]Fig. 11 Influence of ferro coke ratio on operation parameters of blast furnace[57]

WANG等[58]通過模擬高爐條件，在固定床反應器中研究了鐵焦對球團礦還原的影響，結果表明，隨溫度升高(900～1 100 ℃)，普通焦炭將球團礦的還原度由20%提高至30%左右；而相同條件下使用鐵焦可將球團礦的還原度提高至40%，并隨鐵焦配比的提高呈對數(shù)增長。由于加入鐵焦提高了反應器中CO濃度，KASAI等[59]、NOMURA等[60]和HIGUCHI等[61]研究發(fā)現(xiàn)與使用常規(guī)焦炭相比，同等焦負荷(368 kg/t)下加入鐵焦(101 kg/t)可使碳素溶損反應劇烈發(fā)生溫度降低150 ℃左右，從而使熱儲備區(qū)溫度降低近190 ℃，爐身工作效率提高6.8%左右。圖12為結合高爐2D數(shù)值模擬得到的鐵焦對高爐溫度場的影響，可見鐵焦顯著降低了熱儲備區(qū)溫度[62]。YAMAMOTO等[62]預測，當噸鐵消耗100 kg鐵焦時，可使整個煉鐵系統(tǒng)的碳耗降低6%，并提出鐵焦與含鐵爐料混裝布料的方式既能實現(xiàn)高爐的節(jié)能減排，又不破壞高爐軟熔帶的透氣透液性。

圖12 加入鐵焦對高爐溫度分布的影響[62]Fig.12 Influence of ferro coke on the temperature distribution of blast furnace[62]

4.2 鐵焦未來研究展望

1)協(xié)同優(yōu)化含鐵焦炭反應性與反應后強度，充分發(fā)揮焦炭還原劑與骨架作用，可確保高爐高效運行。目前，廣大研究者已通過直接配煤、熱壓和冷壓等多種方式制備含鐵焦炭，綜合考慮焦炭反應性和反應后強度，基本判定添加量在3%～5%為宜，但仍需考慮煤樣的物理化學性質[28]。對于配煤，則綜合考慮煙煤、非黏結煤與鐵礦石之間的比例來分析含鐵焦炭性能，確定合適配比[63-67]。上述研究在探索含鐵焦炭生產(chǎn)制備時發(fā)現(xiàn)，隨焦炭反應性提升，反應后強度呈下降趨勢，破壞焦炭在高爐中的骨架作用，不利于高爐運行?，F(xiàn)階段鐵氧化物對鐵焦強度的劣化機理已基本探明，鐵焦強度優(yōu)化研究已取得一定進展，但發(fā)現(xiàn)鐵焦強度的提高導致其反應性降低。含鐵焦炭生產(chǎn)制備的難點在于同時兼顧其高反應性和低強度性能，達到提升高爐爐身效率與維持高爐骨架作用雙重功效，推動高爐高效運行與降碳減排。

2)難以表征含鐵焦炭在高爐中的微觀結構演變，準確把控鐵焦粉化行為困難，導致其在高爐中的演變特征認識模糊。在高爐上部，焦炭粒度下降的主要原因是脫粉及磨損，受焦炭物理性質(孔隙率、孔結構)的影響；在熱儲存區(qū)或軟熔區(qū)，焦炭氣化反應導致焦炭中碳損耗及表面材料脫落。同時，焦炭長時間暴露在高溫下，使焦塊內(nèi)部產(chǎn)生熱應力而開裂。在高爐內(nèi)有一個高溫段堿金屬化合物分解和低溫段堿金屬化合物凝縮的堿金屬循環(huán)濃縮區(qū)，被濃縮的堿金屬濃度可達5%(與焦炭質量比)，循環(huán)堿金屬與焦炭作用，在焦炭內(nèi)形成催化相產(chǎn)生體積膨脹，造成焦粉產(chǎn)生[68-69]；在高爐下部，焦粉的產(chǎn)生及消除在高溫化學反應條件下相伴發(fā)生，主要包括焦炭的石墨化以及焦炭與還原性氣體、液態(tài)渣鐵的反應。盡管高爐內(nèi)焦炭粉化方式眾多，但粉化行為均受焦炭自身碳結構及礦物質影響。相較而言，含鐵焦炭在高爐中同樣面臨粉化行為，且由于在焦化過程中其自身碳結構較入爐前已發(fā)生變化，同時含鐵礦物的加入也會影響焦炭內(nèi)部受力情況，導致含鐵焦炭粉化行為更加復雜[70]。但高爐作為一種復雜多相且密閉的高溫反應器，難以準確獲取含鐵焦炭，故無法表征鐵焦在高爐各階段的微觀結構，準確把控鐵焦粉化行為困難，導致鐵焦在高爐整體過程中的演變特征認識模糊。

3)含鐵焦炭存在下高爐內(nèi)物料平衡與熱平衡數(shù)據(jù)匱乏，無法為高爐工藝條件優(yōu)化提供技術指導。高爐物料平衡和熱平衡是建立在物質守恒定律和能量守恒定律上，通過計算還原度、理論焦比與各種因素對焦比的影響來分析高爐理論工藝參數(shù)，改善能量利用途徑。目前高爐物料平衡主要通過高爐煉鐵的配料計算，且不同需求與條件可催生不同的工藝設計方案。鋼鐵企業(yè)目前已開發(fā)出高爐煉鐵配料計算系統(tǒng)，且成功通過現(xiàn)場測試和應用，系統(tǒng)運行穩(wěn)定、數(shù)據(jù)準確性高[71]。北京化工大學基于煉鐵原料成分、輔料成分、燃料成分及鐵水成分等多組參數(shù)，采用ORACLE數(shù)據(jù)庫和C#語言協(xié)同編程，進一步優(yōu)化高爐煉鐵配料計算系統(tǒng)[72]。高爐熱平衡通常采用第一總熱平衡測試法進行分析，以物料最初和最終狀態(tài)所具有和消耗的能量為計算依據(jù)。國內(nèi)部分鋼鐵企業(yè)采用Rist操作線和高溫熱平衡理論優(yōu)化高爐生產(chǎn)工藝，實現(xiàn)節(jié)能降耗[73-74]。但上述研究僅表現(xiàn)在常規(guī)焦炭使用下的物料平衡與熱平衡，由于含鐵焦炭的物質組成及結構變化，目前建立的分析系統(tǒng)已不再適用，且含鐵焦炭的使用必會影響高爐其他參數(shù)設定的分析與考量，導致含鐵焦炭下高爐內(nèi)物料平衡與熱平衡計算數(shù)據(jù)存在極大缺陷，無法為優(yōu)化高爐工藝條件提供技術指導，難以保證高爐平穩(wěn)運行。

5 結 論

1)鐵焦是高爐煉鐵綠色低碳發(fā)展的潛在新爐料，其發(fā)展方向已由簡化鐵礦石造塊向催化高爐內(nèi)氣化反應轉變。高反應性鐵焦能改善爐身工作效率，提高碳利用率，從而降低CO2排放。部分鐵焦項目進入實證階段，但鐵焦冶金強度過低仍是制約其推廣應用的瓶頸。

2)熱壓法鐵焦制備工藝可大量使用弱黏結性煤或非黏結煤，制備的鐵焦具有較高反應性和反應后強度，已實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)和應用；而冷壓法制備工藝可進一步降低煉焦能耗，但鐵焦產(chǎn)品的強度需優(yōu)化。煉焦過程中加入煤中的含鐵礦物均被還原為金屬鐵，其氧化反應催化了鐵焦在高爐內(nèi)的氣化。

3)鐵焦強度與膠質體組分和結構密切相關，含鐵礦物抑制了煤熱解過程中甲苯、乙苯、鄰二甲苯和長支鏈烷烴等膠質體組分的形成，導致膠質體生成量減少、鐵焦強度降低。通過添加瀝青、芳香胺等類膠質體物質可有效提高鐵焦強度。

4)試驗研究和模擬計算表明鐵焦能有效降低高爐熱儲備區(qū)溫度，減少焦比和燃料比；而鐵焦與含鐵爐料混裝布料的方式既能實現(xiàn)高爐降碳減排，又不影響高爐透氣透液性。鐵焦的反應性與反應后強度的協(xié)同優(yōu)化、鐵焦在高爐內(nèi)的遞變行為和鐵焦對高爐能耗的影響是未來的重點研究方向。