焦炭是高爐冶煉的關(guān)鍵，也是價(jià)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(shù)的應(yīng)用，使高爐焦比大幅度降低，焦炭在高爐中停留時(shí)間延長(zhǎng)，所受劣化作用增大，對(duì)焦炭質(zhì)量提出更高的要求。而焦炭在高爐中的行為受焦炭質(zhì)量和高爐操作的雙重影響。因此，應(yīng)對(duì)影響焦炭行為的各種因素進(jìn)行更精準(zhǔn)的度量和預(yù)測(cè)，為改善焦炭質(zhì)量及降低成本指明方向，以期進(jìn)一步改善高爐操作，提高高爐煉鐵的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。這對(duì)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(nèi)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(fēng)口燃燒占55%～65%，料線與風(fēng)口間碳溶反應(yīng)占25%～35%，生鐵滲碳占7%～10%，其他元素還原反應(yīng)及損失占2%～3%。隨著高爐冶煉焦比的降低、風(fēng)口輔助燃料噴吹量的加大，焦炭中的碳在風(fēng)口燃燒的比例相對(duì)減少，而消耗于碳溶反應(yīng)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(zhì)發(fā)生了明顯的變化。焦炭粒度下降30%，反應(yīng)性明顯增加。這些變化既取決于高爐冶煉，也取決于焦炭質(zhì)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(zhǎng)時(shí)間的機(jī)械、熱、化學(xué)的破壞，導(dǎo)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(jī)械沖擊和磨損，這與焦炭的冷態(tài)機(jī)械強(qiáng)度密切相關(guān)，而冷態(tài)機(jī)械強(qiáng)度受焦炭的物理性質(zhì)（如孔隙性質(zhì)和氣孔率）影響。在軟熔帶或蓄熱帶，焦炭的氣化導(dǎo)致焦炭劣化并產(chǎn)生焦粉。在氣化過程中，溶損反應(yīng)導(dǎo)致焦炭的碳損耗和表面物質(zhì)的剝離。隨著焦炭溫度的升高，由于內(nèi)應(yīng)力作用，焦炭中產(chǎn)生裂紋。堿金屬的循環(huán)也會(huì)引起焦粉的產(chǎn)生，源于在焦炭?jī)?nèi)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(yīng)力。
在高爐下部，高溫反應(yīng)（包括焦炭的石墨化以及焦炭與氣體、液態(tài)渣和鐵的反應(yīng)）產(chǎn)生焦粉，同時(shí)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(jié)構(gòu)和礦物質(zhì)的影響。有些焦粉產(chǎn)生的機(jī)理是相互關(guān)聯(lián)的（由熱作用引起的碳結(jié)構(gòu)變化會(huì)影響焦炭中礦物質(zhì)的行為，反之亦然），二者是促進(jìn)還是抑制焦粉的產(chǎn)生，取決于其對(duì)焦炭機(jī)械強(qiáng)度和反應(yīng)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(yīng)、堿侵蝕、高溫?zé)崃?、風(fēng)口高速鼓風(fēng)等降解粉化。同時(shí)，碳溶損反應(yīng)、滲碳反應(yīng)、焦炭與爐渣反應(yīng)會(huì)消耗所產(chǎn)生的焦粉。從改善高爐透氣性角度出發(fā)，應(yīng)盡量降低焦炭反應(yīng)性、提高反應(yīng)后強(qiáng)度。但通常焦炭反應(yīng)性與反應(yīng)后強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)，高CSR（反應(yīng)后強(qiáng)度）焦炭通常是在低CRI（反應(yīng)性，<20%）條件下測(cè)定得到的，受高爐技術(shù)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(duì)焦炭粉化影響最大的碳溶損反應(yīng)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(qiáng)調(diào)過高的CSR，因?yàn)榻固吭诟郀t中實(shí)際發(fā)生的氣化（碳溶）反應(yīng)往往大于CSR測(cè)定時(shí)的CRI，而為制取該種高CSR焦炭必然大量配入優(yōu)質(zhì)焦煤而升高配煤成本。應(yīng)針對(duì)不同高爐、礦石、噴吹煤量和風(fēng)溫等條件，選擇不同質(zhì)量的焦炭來滿足高爐順行和合理成本的要求。
指標(biāo)體系的不足及其解決之道
目前表征焦炭質(zhì)量的指標(biāo)主要是冷態(tài)機(jī)械強(qiáng)度（M40、M10）、反應(yīng)性（CRI）和反應(yīng)后強(qiáng)度（CSR）。
焦炭冷態(tài)機(jī)械強(qiáng)度對(duì)高爐上部焦炭所受機(jī)械沖擊和磨損具有較好的模擬或指導(dǎo)。眾所周知，焦炭冷態(tài)機(jī)械強(qiáng)度是焦炭熱態(tài)性能的基礎(chǔ)，也是影響焦炭在高爐中、下部行為的重要指標(biāo)。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(biāo)表明焦炭的抗磨損能力強(qiáng)，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(biāo)的原因。而較高的M40指標(biāo)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(yīng)力引起的微裂紋，而且在干熄過程由上而下的運(yùn)動(dòng)中，焦炭得到了充分的機(jī)械整粒作用使干熄焦的薄弱部分得到消除，所得冶金焦內(nèi)在質(zhì)量提高。上述內(nèi)裂紋、薄弱部分在高爐中、下部受到碳溶反應(yīng)、熱應(yīng)力作用時(shí)，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(yīng)性（CRI）和反應(yīng)后強(qiáng)度（CSR）是目前對(duì)焦炭在高爐中劣化最為嚴(yán)重的碳溶反應(yīng)的模擬指標(biāo)。該指標(biāo)越來越受到高爐工作者和煉焦工作者的重視，同時(shí)也有越來越多的研究者對(duì)其模擬性和有效性表示懷疑。國(guó)外研究者指出，實(shí)驗(yàn)高爐的解剖試驗(yàn)證明在軟熔帶底部的焦炭I轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度CSR＞80，遠(yuǎn)高于該高爐入爐焦常規(guī)反應(yīng)性試驗(yàn)的反應(yīng)后強(qiáng)度CSR68.8。筆者研究表明，常規(guī)反應(yīng)性試驗(yàn)的反應(yīng)后強(qiáng)度CSR，對(duì)低CRI焦炭的評(píng)價(jià)過高，而對(duì)高CRI焦炭的評(píng)價(jià)過低，見表1。提高焦炭反應(yīng)性測(cè)定溫度，低CSR焦炭的反應(yīng)后強(qiáng)度提高明顯，見表2。
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(yīng)、焦炭中礦物質(zhì)的變化等都會(huì)對(duì)焦炭的劣化產(chǎn)生極大的影響。然而，目前的焦炭質(zhì)量指標(biāo)并不能對(duì)上述問題進(jìn)行有效度量和預(yù)測(cè)，或者說，目前焦炭質(zhì)量指標(biāo)體系尚有較大的不足。
焦炭質(zhì)量的高低及其對(duì)高爐的適應(yīng)性應(yīng)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(fēng)口焦和爐頂粉塵是解決目前焦炭質(zhì)量指標(biāo)體系不足的現(xiàn)實(shí)可行方法。通過研究風(fēng)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(zhì)量是否能夠滿足高爐冶煉的需求，提出改變焦炭質(zhì)量的建議。通過研究爐頂粉塵的構(gòu)成及性質(zhì)，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(dāng)和高效燃燒。根據(jù)焦炭粉塵的性質(zhì)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(zhì)量的方向。
科學(xué)認(rèn)識(shí)并改善焦炭質(zhì)量
高爐高效順行冶煉需要質(zhì)量與之相配的焦炭。對(duì)現(xiàn)有焦炭質(zhì)量必須有客觀全面的認(rèn)識(shí)，焦炭的本質(zhì)質(zhì)量應(yīng)達(dá)到高爐冶煉要求并維持穩(wěn)定，而不是盲目地追求高指標(biāo)。
首先，根據(jù)高爐冶煉技術(shù)經(jīng)濟(jì)參數(shù)、焦炭質(zhì)量指標(biāo)和配煤成本、煉焦煤資源保障等對(duì)焦炭質(zhì)量與高爐冶煉的關(guān)系作出初步判斷，決定是否須要開展改進(jìn)、優(yōu)化焦炭質(zhì)量的研究工作。
其次，從高爐風(fēng)口焦性質(zhì)分析研判冶金焦質(zhì)量是否達(dá)到高爐冶煉要求、是否質(zhì)量過?；虿蛔?，并據(jù)此提出改善焦炭質(zhì)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(zhì)，分析噴吹煤粉量是否合適，噴吹煤種是否須要優(yōu)化或調(diào)整配比。根據(jù)焦粉數(shù)量及性質(zhì)，弄清楚產(chǎn)生粉塵的區(qū)域和對(duì)高爐操作的影響，為煉焦優(yōu)化配煤和煉焦制度改進(jìn)提出指導(dǎo)意見。
精細(xì)優(yōu)化配煤是焦炭質(zhì)量的根本保證。煉焦配煤不僅要根據(jù)各煉焦煤的黏結(jié)性、結(jié)焦性等技術(shù)指標(biāo)控制配煤，保障焦炭的冷熱態(tài)強(qiáng)度，還要根據(jù)各煉焦煤的礦物質(zhì)組成進(jìn)行優(yōu)化配比，控制所得焦炭的礦物組成及石墨化性能，進(jìn)而控制焦炭在高溫條件下的劣化行為。對(duì)于參與配煤的特殊煉焦煤，如反應(yīng)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(shí)應(yīng)高度關(guān)注，可以采用根據(jù)高爐實(shí)際碳溶損率進(jìn)行焦炭反應(yīng)后強(qiáng)度測(cè)定的方式進(jìn)行評(píng)價(jià)，避免標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定方法在這種情況下帶來的不客觀評(píng)價(jià)。對(duì)于富氧噴煤的大型高爐，焦炭應(yīng)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(biāo)情況下的高CSR（>70%）指標(biāo)，一般CRI和CSR分別達(dá)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?jī)?nèi)部的熱應(yīng)力，顯著減少了焦炭微裂紋，同時(shí)焦炭在干熄爐內(nèi)自上而下的運(yùn)動(dòng)去除了焦炭的缺陷，有效提高了高爐入爐焦炭的內(nèi)在質(zhì)量。建議焦化企業(yè)配套建設(shè)干熄焦裝置，鋼鐵企業(yè)亦可適當(dāng)提高干熄焦炭采購(gòu)價(jià)格，實(shí)現(xiàn)焦化與煉鐵雙贏，調(diào)動(dòng)焦化企業(yè)建設(shè)干熄焦裝置的積極性。對(duì)于濕熄焦炭，建議加強(qiáng)整粒與篩分，減少焦粉和有缺陷焦炭作為層焦進(jìn)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(zhì)量，提高黏結(jié)性較低的煤配比，降低配煤成本。該工藝技術(shù)雖然能在一定程度上提高焦炭質(zhì)量，但不能根本改變焦炭的本質(zhì)質(zhì)量。搗固煉焦的配煤結(jié)構(gòu)與頂裝煉焦的配煤結(jié)構(gòu)不宜差距過大，否則，焦炭本質(zhì)質(zhì)量會(huì)有明顯下降而影響高爐冶煉。搗固煉焦比較適于適當(dāng)多配高揮發(fā)分煤的情況，而適當(dāng)多配低揮發(fā)分煤時(shí)必須保障配煤的黏結(jié)性。搗固焦生產(chǎn)應(yīng)以高爐需求為準(zhǔn)則，合理配煤生產(chǎn)搗固冶金焦。