焦炭在高爐中的劣化分析及其質量要求

劉 云 仙

(1.煤炭科學技術研究院有限公司 煤化工分院，北京 100013;2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013)

0 引 言

焦炭在高爐中的作用主要體現在提供熱源、還原劑、骨架和供碳，除焦炭的骨架作用不可替代外，其他作用均可被噴吹燃料所代替[1-3]。高爐噴吹燃料主要有煤粉、焦炭及油等，而噴吹煤粉的成本最低，因而高爐噴吹技術得以迅猛發展[4-5]。

高爐噴吹技術可減少高爐焦炭也即優質煉焦煤資源的消耗量，增加高爐的有效容積從而提高煉鐵產量[6-8]。以年產生鐵350萬t的高爐為例，煉鐵與焦爐孔數的組合關系如下:噴煤量(kg/t鐵)為0、50、100、150、200、250時，冶金焦量(萬t/a)分別為194.6、177.8、161.0、144.2、127.4、110.6，折全焦量(萬t/a)分別為209.25、191.18、173.12、155.05、136.09、118.92，焦爐孔數分別為213、194、176、157、139、121個，焦爐組合(座×孔)分別為4×53、4×49、4×44、3×53、3×46、3×40或2×61。當噴煤量超過150 kg/t鐵時，相當于可少建1座炭化室高度5.5 m的搗固焦爐。

高爐大型化、高噴煤比對焦炭質量提出更高的、更全面的要求，焦炭質量的優劣對高爐生產的穩定順行、技術經濟指標、產品質量和高爐長壽至關重要，對大型高爐的順穩影響極大。因而，結合焦炭在高爐中的劣化分析并針對焦炭性質變化對高爐的影響以分析大型高爐對焦炭質量的要求，以期可為現實大型高爐運行提供參考價值。

1 焦炭在高爐中的劣化分析

焦炭在高爐內下降過程中受熱應力、機械磨損、碳素熔損反應和鐵滲碳反應熔蝕該4個主要的破損作用而劣化。隨著噴煤量的增長，骨架焦炭的工作條件迅速惡化[9]。

(1)熱應力。焦炭進入高爐后被上升煤氣加熱，由于焦炭的導熱性差，焦塊表面與中心就產生溫度差。小塊焦(40 mm)溫差可達150 ℃，大塊焦(80 mm)溫差則達到250 ℃以上。溫差造成焦塊內產生熱應力，當應力大于焦炭的強度時，焦炭就沿著原有的500 μm的縫隙破裂而粉碎產生大量焦粉。

(2)機械磨損。在熱應力作用下，熔損反應使焦炭成蜂窩狀，失去一定的強度后，快速旋轉的焦炭與相對靜止的死料柱密實區焦炭之間的磨損使燃燒帶與死料柱之間形成1個碎焦層，嚴重影響煤氣向中心分布。不同運動速度的焦炭與爐料之間，焦炭與爐墻之間的摩擦使耐磨性能差的焦塊產生大量粉末，或隨煤氣進入爐塵，或殘留在料柱，降低料柱空隙度而影響ΔP/H，特別在爐缸燃燒帶作循環運動的焦炭與死料柱邊界焦炭之間摩擦產生焦粉，影響爐缸狀態及死料柱的空隙度。

(3)碳素熔損反應。在850 ℃以上溫度后，焦炭開始與煤氣中的CO2反應，到1 000 ℃則急劇反應。焦炭中碳與煤氣中CO2的反應為:C+CO2=2CO，將焦炭表面熔蝕成蜂窩狀后強度降低，針對CRI指標差的焦炭，此種熔損反應是高爐內焦炭劣化的主要因素。特別在K2O和Na2O存在時，其成為C+CO2=2CO反應的催化劑從而加劇焦炭的劣化，而Zn、ZnO以及初生態的Fe等均為催化劑。

(4)鐵滲碳反應熔蝕。滴落帶中的焦炭以及爐缸中浸堆在鐵水中的焦炭受此劣化作用大，對死料柱透氣性和透液性影響嚴重，也影響爐缸鐵水環流。

焦炭在高爐內經歷劣化后的粒徑變化見表1。

表1 焦炭在冶金高爐內經歷劣化后的粒徑變化Table 1 The change of coke particle of degradation in blast furnace

采用高爐噴吹技術后，焦炭的骨架功能很重要。高爐噴煤對骨架焦炭劣化主要體現在焦炭在高爐內滯留時間變長、熔損反應增加及焦炭荷重增加3個方面。

(1)焦炭在高爐內滯留時間變長。隨著噴煤比的增加，鼓入風口的氧氣被煤粉消耗的比例增大，焦炭燃燒量減少，致使焦炭滯留時間增加。假定生鐵成分與直接還原度保持不變且不考慮未燃煤粉的作用，計算4 000 m3高爐不同噴煤比時焦炭在爐內的工作條件，詳見表2。

表2 4 000 m3高爐不同噴煤比時焦炭在爐內的變化Table 2 The changes of coke properties with coal injection ratio in 4 000 m3 blast furnace

研究表明，噴煤量由0 kg/t到100 kg/t、200 kg/t，焦炭在爐內停留時間由6.5 h延長至9.06 h、14.92 h。

(2)焦炭熔損反應增加。隨著焦炭滯留時間增加，受CO2沖刷時間變長，熔損率也隨之增加。隨著噴煤量增加，高爐風口焦的粒度趨于更小，焦炭在爐內的破碎明顯加劇，高爐噴煤比與高爐中焦炭粒度變化如圖1所示，其中△MS為入爐煤與取樣焦粒度之差。不噴煤時，焦炭熔損率為29.63%；噴吹100 kg/t煤粉時，焦炭熔損率提高到36.25%；噴吹200 kg/t煤粉時，焦炭熔損率提高到46.67%。焦炭的粒度降解達到60%～68%，高爐到達風口前的焦炭粒度由平均50 mm～54 mm降低至平均17 mm～13.5 mm。但噴煤量增大后，未燃煤粉及H2含量均增加，可替代焦炭參加還原反應。

圖1 高爐噴煤比與高爐中焦炭粒度變化Fig.1 The change of coke size with coal injection ratio inblast furnace

(3)焦炭荷重增加。噴煤改變高爐加入燃料的方式，煤粉從風口噴入爐內替代焦炭，使高爐頂部與礦石共同加入的焦炭量減少，促進O/C比提升，大幅改變料柱結構。隨著O/C比的大幅提升，料柱結構中焦炭比例趨降，礦石比例陡升，基于礦石的堆密度是焦炭的3～4倍，因而焦炭備受礦石的擠壓，加劇了焦炭的破碎。焦炭承受最大壓力與焦比的關系如圖2所示[10]。料層中焦炭量減小而導致焦炭的負荷變高，焦炭的機械負荷也相應增加。

圖2 焦炭承受最大壓力與焦比的關系[10]Fig.2 The relationship of coke ratio with the maximum pressure loaded on coke

某鋼鐵公司工業高爐實驗情況見表3。結合參考文獻[11]分析可知，高爐富氧大煤量噴吹后，爐內溫度分布、礦焦比、煤氣成分與流量對焦炭的熔損量和熱強度影響很大，煤氣中CO2和水分含量增加，因而大幅增加焦炭的熔損率和粉化程度。

表3 某鋼鐵公司工業實驗情況Table 3 The industrial experiments in a steel companies

2 焦炭性質變化對高爐運行的影響

焦炭質量直接影響入爐焦比。如鋼鐵公司5座大高爐的焦炭硫含量高達0.95%、CRI由27.8%上升到29.34%、CSR由64.3%下降至58.62%時，月均入爐焦比高達325 kg/t，燃料比由536.3 kg/t上升至568.8 kg/t。當焦炭熱態性能轉入正常后，失常的爐況經過1個月的調整才逐步恢復正常，充分說明焦炭的熱態性能對大高爐的正常生產具有決定性的作用。

焦炭提供高爐冶煉過程中所需的熱量，因而對焦炭的質量要求是固定碳含量要高、灰分和硫分含量均低。焦炭在高爐內放出的凈熱量，即焦炭中碳燃燒成CO放出的熱量扣除自身的灰分造渣和脫硫消耗熱量后，可提供給冶煉所需的熱量[12]。

為保證高爐中焦炭的料柱骨架作用，高爐用焦炭質量指標中最重要的通常是抗碎強度(M40)、耐磨強度(M10)、反應性指數(CRI)、反應后強度(CSR)，4個指標中尤以M10和CSR更重要。

焦炭灰分增加1%，高爐焦比升高(5～7)kg/t，高爐產量降低2%～3%。焦炭硫含量每增加0.1%，高爐焦比升高(3.5～6)kg/t，高爐產量下降2%～3%[13]，因此冶金焦炭的灰分和硫含量應控制在較低水平(Ad<12.5%，St,d<0.7%)。

焦炭M10每增加1%，焦比增加11.48 kg/t,燃料比增加14.75 kg/t。因而對于>1 000 m3高爐，要求M10<7%，而3 200 m3以上的大高爐M10<5.5%[14]。

噴煤量與CSR之間的關系如圖3所示。對入爐塊狀焦，要求有較低的反應性(CRI<24%)和較高的熱強度(CSR>67%)。CRI每增加1%，焦比增加3.0 kg，燃料比增加3.75 kg；CSR每提高1%，焦比降低3.0 kg，燃料比降低3.54 kg[15]。

圖3 噴煤量與CSR之間的關系Fig.3 The relationship of coal injection amount with CSR

焦炭熱強度(CSR)與噴煤比之間的關系詳見表4，焦炭性質對高爐噴煤的影響如圖4所示，其中重點探討CSR對燃料比、噴煤比、爐腹煤氣量與爐內壓差比值的影響。高爐噴煤比與焦炭質量之間的關系見表5。

表4 焦炭CSR與噴煤比之間的關系Table 4 The relationship of coal injection ratio with CSR

圖4 焦炭性質對高爐噴煤的影響Fig.4 The influence of coke properties on injection of blast furnace

表5 高爐噴煤比與焦炭質量之間的關系Table 5 The relationship of coke properties with coal injection ratio in blast furnace

3 大型高爐對焦炭質量的要求

高爐煉鐵應以精料為基礎，采用噴煤、高風溫、高壓、富氧等技術。我國高爐大型化發展迅猛，按有效容積范圍可將高爐爐容級別分為5個等級，即1 000 m3、2 000 m3、3 000 m3、4 000 m3、5 000 m3級的每個級別代表1個高爐有效容積范圍，分別代表有效容積從1 200 m3～1 999 m3、2 000 m3～2 999 m3、3 000 m3～3 999 m3、4 000 m3～4 999 m3至5 000 m3以上范圍的高爐。不同爐容級別的高爐燃料比和焦比見表6，表中均為設計年平均值，燃料比中包括焦炭、煤粉和小塊焦且不考慮折算系數，焦比中應含小塊焦。

表6 不同爐容級別的高爐燃料比和焦比Table 6 The fuel ratio and coke ratio in different size blast furnace

高爐噴吹用煤應根據資源條件確定噴吹煤的質量,不同爐容級別高爐對噴吹用煤、頂裝焦炭的質量要求分別見表7、表8。另外，搗固焦炭配煤種類差異較大，搗固焦密度差異也較大，熱工制度不完善，生產出搗固焦的指標不能完全適應高爐生產的需要，故暫時未規定搗固焦的質量要求。

表7 不同爐容級別高爐對噴吹用煤的質量要求Table 7 The properties of injection coal in different size blast furnace

表8 不同爐容級別高爐對頂裝焦炭的質量要求Table 8 The properties of top-charging coke in different size blast furnace

硫和磷等雜質影響生鐵的質量，鉀、鈉、鋅等雜質加劇焦炭的熔損和爐底、爐體磚襯侵蝕。入爐鐵礦石、焦炭和噴吹煤中有害雜質K2O+Na2O、Zn、Pb、As、S、Cl的質量控制值分別為≤3.0 kg/t、≤0.15 kg/t、≤0.15 kg/t、≤0.1 kg/t、≤4.0 kg/t、≤0.6 kg/t。

在高噴煤比的情況下，焦炭質量是高爐容積、噴煤量和爐缸狀態的決定性因素。根據焦炭在高爐內受劣化因素破損作用的狀況，要求焦炭的質量在冷強度上保證M10在7%以下，大型和特大型高爐應再低一些(6%以下)；CSR保證在65%以上，大型和特大型高爐應再高一些(68%以上)。

不同容積高爐使用品質不完全相同的焦炭以適應爐內變化，通常對其質量要求詳見表9，而目前對冶金焦炭的質量要求應嚴格按照GB/T 1996—2017中規定的灰分、硫分、機械強度、反應性、反應后強度等系列技術指標。隨著高爐容積的增大，對焦炭質量要求指標就相應越高。

表9 不同容積高爐對焦炭質量要求Table 9 The properties of coke demanded in different size blast furnace

4 結 語

焦炭質量的優劣對高爐生產穩定順行、技術經濟指標、產品質量和高爐長壽至關重要，對大型高爐的順穩影響極大。高爐大型化、高噴煤比對焦炭質量提出了更高和更全面的要求。以上對焦炭在冶金高爐內下降過程中受熱應力、機械磨損、碳素熔損反應、鐵滲碳反應熔蝕進行深入分析，高爐噴煤對骨架焦炭劣化主要體現在焦炭在高爐內滯留時間變長、焦炭熔損反應與焦炭荷重均增加。結合焦炭性質變化對高爐的影響,對我國目前大型高爐對焦炭的質量要求進行分析，歸納不同爐容級別高爐對噴吹用煤、高爐用頂裝焦炭的質量要求以及入爐鐵礦石、焦炭和噴吹煤中有害雜質質量控制值，可為大型高爐運行提供參考。