湘鋼焦炭熱性能控制技術研究及應用

彭永根，周云花，祁美良，項 茹，宋子逵

（1.華菱湘鋼技術質量部，湖南 湘潭 411101；2.寶鋼股份中央研究院（青山），湖北 武漢 430080）

焦炭是高爐冶煉的主要燃料，可作為料柱骨架、還原劑、熱源和滲碳劑，焦炭質量的好壞影響著燃料比和高爐的穩定運行[1]。近年來，高爐普遍采用富氧噴吹煤粉技術來降低噸鐵焦炭消耗，使得焦炭在高爐中的停留時間延長，受到的降解作用加劇。為了保證高爐具有良好的透氣性、透液性，對焦炭質量提出了更高的要求，特別是焦炭的熱性能（反應性CRI 及反應后強度CSR）。多年的高爐操作經驗表明，焦炭的熱性能一旦出現頻繁波動，將會給高爐爐況帶來許多不利影響。因此為了保證高爐的穩定運行，除了要求焦炭具有較好的熱性能外，更重要的是熱性能的穩定性。

華菱湘鋼焦化廠（簡稱湘鋼）配套4 座4.3 m 頂裝焦爐、2 座6 m 頂裝焦爐，年產焦炭約230 萬t，采用全干熄焦工藝。其自產焦炭熱性能指標波動較大，2016 年熱性能穩定性合格率僅74%，是影響高爐生產的重要原因之一。本文就湘鋼焦炭熱性能影響因素及其控制應用進行了探討，現介紹如下。

1 影響焦炭熱性能的主要因素

1.1煉焦煤質量

煉焦煤的性質主要指變質程度、黏結性及膠質體性質。通常來說，變質程度低的煉焦煤所得焦炭的反應性高，隨著變質程度的加深，所得焦炭的反應性逐漸降低；相同變質程度的煉焦煤，黏結性較強時所得焦炭的反應性較低。

1.2煉焦工藝

提高煉焦終溫可降低焦炭的反應性。在結焦終了時采取燜爐等措施，可以提高焦炭的成熟度，使焦炭顯微結構向各向異性程度高的方向轉變，焦炭的反應性略有下降。另外，增加裝煤堆密度、調整裝爐煤的粒度組成均可使焦炭氣孔分布均勻，也有降低焦炭反應性的效果；采用干熄焦可以避免濕熄焦過程中水汽對焦炭氣孔表面的活化反應，有助于降低焦炭反應性。

1.3焦炭顯微結構

焦炭顯微結構（光學組織）與反應性直接相關。各種光學組織按反應性由大到小的排序依次是：各向同性結構、細粒鑲嵌結構、粗粒鑲嵌結構、纖維和片狀結構、惰性結構[2]。

影響焦炭反應性的另一個結構參數是焦炭的比表面積，雖然焦炭中孔徑小于10 μm 的氣孔占比較小，但其比表面積占比最大，因此對焦炭反應性的影響較大。

1.4焦炭灰成分

煤灰成分中的金屬氧化物對焦炭反應性有催化作用，金屬氧化物含量增加，焦炭反應性增大，其中K、Na 的作用較大。焦炭中的K2O、Na2O 質量分數一般很少，僅0.1%～0.3%；但在高爐中由于堿循環作用，焦炭吸附的K2O、Na2O質量分數可達3%以上，導致焦炭被破壞。焦炭中的SiO2、B2O3有抑制CO2反應性的作用，尤以B2O3更明顯[2]。

綜合以上分析，在備煤和煉焦工藝一定的前提下，控制焦炭熱性能的關鍵是控制煉焦煤的質量。

2 焦炭熱性能的控制技術

2.1焦炭顯微結構調節技術

焦炭顯微結構是指將焦炭用偏光反光顯微鏡在油浸或干物鏡下（放大倍數400 倍～600 倍）所觀測到的氣孔壁結構，主要由各向同性結構、粗粒鑲嵌結構、細粒鑲嵌結構、纖維結構、片狀結構和惰性結構組成，焦炭的熱性能指標主要由這幾類顯微結構的組成決定。焦炭顯微結構的組成與煉焦煤的煤化程度、膠質體質量和數量有關。通常情況下，不同煉焦煤煤種形成的焦炭光學顯微結構組成也不同，見表1。

表1 焦炭顯微結構組成與煉焦煤煤種的關系

對焦炭反應后強度與焦炭各光學顯微結構的關系進行了實驗研究，見圖1。

圖1 焦炭反應后強度與焦炭各顯微結構的關系

由圖1 可知：焦炭反應后強度與粗粒鑲嵌結構含量的線性相關性較強，呈正相關；與纖維、片狀、各向同性結構含量呈負相關；與惰性結構無相關性；與細粒鑲嵌結構含量有一定的相關性，呈負相關。因此，提高焦炭反應后強度的重點是調節粗粒鑲嵌結構、纖維結構、片狀結構以及各向同性結構含量。

2.2煉焦煤精細分類技術

單種煉焦煤的精細分類決定了配合煤質量的穩定性，即焦炭質量的穩定性，以單種煉焦煤成焦顯微結構和單種煉焦煤小焦爐焦炭熱性能指標相結合的分類技術比傳統分類方法更精細。根據該分類技術建立了新的細化分類標準，見表2。

表2 不同煉焦煤精細化分類指標標準

由表2 可知，單種煉焦煤可以分為五大類15 小類，其中主焦煤分5 小類，肥煤分5 小類，1/3 焦煤分2 小類，氣煤分1 小類，瘦煤分2 小類。

2015 年國內某鋼鐵企業焦化廠實施煉焦煤精細分類前后，焦炭反應后強度穩定性對比見圖2。由圖2可知，實施煉焦煤精細分類后焦炭熱性能波動大幅降低。

圖2 實施煉焦煤精細分類前后焦炭熱性能波動對比

2.3配煤結構優化技術

2.3.1 配煤結構中不同單種煤對焦炭熱性能的影響

配煤時應明確不同煉焦煤對焦炭熱性能的影響程度，這樣當熱性能改變時，可以明確需調整的煤種或礦點。五大煤種和細化煤種對焦炭熱性能的影響分別見圖3、圖4。由圖3、圖4 可知，五大煤種中的主焦煤和肥煤對焦炭熱性能影響最大；對焦炭熱性能影響由大到小的主焦煤等級依次為1 類主焦、2 類主焦、3類主焦，肥煤等級依次為1 類肥煤、2 類肥煤、3 類肥煤。因此，在配煤結構中影響焦炭熱性能的關鍵煤種是主焦煤和肥煤，其煤種等級不同，影響程度也不同。

圖3 五大煤種對焦炭熱性能的影響

圖4 細化煤種對焦炭熱性能的影響

2.3.2 熱性能預測模型和配煤結構優化技術

通過分析研究近幾年來湘鋼4.3 m 焦爐和6 m 焦爐的配煤結構、焦炭顯微結構與焦炭熱性能的關系，確定了1 類主焦+1 類肥煤配比及焦炭重點顯微結構與焦炭熱性能的相關性，分別見圖5、圖6。

圖5 1 類主焦+1 類肥煤配比對焦炭熱性能的影響

圖6 焦炭重點顯微結構與焦炭熱性能的關系

將焦炭顯微結構中各類結構數據與焦炭熱性能用minitab 軟件進行回歸分析，建立了熱性能預測模型，見式（1）：

在煤種細化分類的基礎上，焦炭CSR 若要達到65%以上，1 類主焦+1 類肥煤質量分數需達到25%以上，其中1 類主焦質量分數必須達到15%以上，1 類肥煤質量分數必須達到10%以上；焦炭顯微結構中粗粒鑲嵌結構的體積分數需達到25%以上，纖維結構+片狀結構+各向同性結構的體積分數需控制在10%以下。

3 單種煉焦煤研究及質量改善

3.1單種煉焦煤研究

湘鋼煉焦煤礦點達20 多個，其中主焦煤和肥煤礦點最多，主焦與肥煤成焦顯微結構及焦炭熱性能見表3。

表3 主焦與肥煤成焦顯微結構及焦炭熱性能

由表3 可知，湘鋼主焦煤中缺乏優質1 類主焦，其中質量相對較好的有低硫1#主焦、高硫1#主焦，低硫2#主焦中只有熱性能達到了1 類主焦質量要求；從成焦顯微結構看，11 個主焦中纖維結構含量都比較高，說明其混有的瘦煤比例偏高；低硫1#肥煤是1類強肥煤，粗粒鑲嵌結構含量高，熱性能好，是唯一的骨干優質肥煤；低硫2#肥煤和高硫1#肥煤屬2 類肥煤；低硫3#肥煤屬3 類肥煤，粗粒鑲嵌結構含量少，熱性能差。

3.2主焦煤質量改善

主焦煤是中等變質程度的煤種，單獨煉焦時可生成熱穩定性良好的膠質體，生成的焦炭強度高、塊度大、耐磨性好。主焦煤在配煤結構中可以起到骨架作用與緩和收縮應力作用，可以提高焦炭機械強度，是骨干煤種之一。但主焦煤屬優質稀缺資源，價格很高，而且是混煤現象最嚴重的煤種。

從2017 年開始，湘鋼常規礦點主焦煤質量逐步改善，并引進優質新礦點主焦煤，2017 年—2019 年主焦煤反應后強度指標變化情況見圖7。

從圖7 可以看出，隨著主焦煤質量的整體提升，2017 年—2019 年主焦煤所得焦炭反應后強度明顯逐年改善。

圖7 2017 年—2019 年主焦煤反應后強度指標變化情況

4 生產配煤結構優化及應用效果

4.1生產配煤結構優化

為進一步提高焦炭熱性能，湘鋼對生產配煤結構進行優化調整，重點調整主焦煤中的優質主焦和肥煤，主焦、肥煤優化前后配比見表4。

表4 主焦、肥煤優化前后配比（質量分數） %

由表4 可知，湘鋼主焦煤總配比質量分數在35%左右，肥煤總配比質量分數在25%左右，在總配比不變的情況下，主要對細化煤種配比進行優化調整：減少主焦煤中質量差且波動較大的國內低硫1 類、2 類主焦和高硫3 類主焦配比，增加特高硫1 類主焦配比，并引進進口低硫1 類主焦；肥煤中高硫3 類肥煤逐步減少至不配用，增加低硫3 類肥煤配比。

4.2生產應用效果

在煉焦煤原料質量逐步優化，尤其是主焦煤質量改善的條件下，通過煤場精細化分類堆放，生產配煤結構逐步調整優化，使得湘鋼焦炭質量改善，尤其是焦炭反應后強度（CSR≥64%）和穩定率。2016 年—2020年焦炭熱性能和穩定率的變化趨勢見圖8。

圖8 2016 年—2020 年焦炭熱性能和穩定率的變化趨勢

由圖8 可知，焦炭反應后強度逐漸從65.6%提高到67%以上，穩定率逐漸從74.1%提高到97%以上。

5 結 論

5.1影響焦炭熱性能的主要因素有煉焦煤質量、煉焦工藝、焦炭顯微結構和焦炭灰成分，其中決定焦炭熱性能的關鍵因素是煉焦煤質量。

5.2調節焦炭顯微結構中的粗粒鑲嵌結構、纖維結構、片狀結構及各向同性結構技術，單種煉焦煤成焦顯微結構和單種煉焦煤小焦爐焦炭熱性能指標相結合的煤種精細分類技術，以及影響焦炭熱性能關鍵煤種（主焦煤和肥煤）的確定，是焦炭熱性能控制技術的關鍵。

5.3用焦炭顯微結構中各類結構含量與焦炭熱性能相關關系建立了熱性能預測模型，對相應顯微結構和相應煤種配比進行量化：焦炭熱性能CSR 若要達到65%以上，配煤結構中1 類主焦質量分數需＞15%，1類肥煤質量分數需＞10%，焦炭顯微結構中粗粒鑲嵌結構的體積分數需達到25%以上，纖維結構+片狀結構+各向同性結構的體積分數需控制在10%以下。

5.4在主焦煤質量改善和煤種精細分類的基礎上，以焦炭熱性能預測模型為依據，逐步形成了以優質低硫主焦和優質高硫主焦搭配的生產配煤結構，焦炭熱性能指標和穩定率得以明顯改善。