焦炭质量与高炉冶炼关系的再思考_毕学工

第9卷增刊1 过 程 工 程 学 报 V ol.9 Suppl. No.1 2009 年 6月 The Chinese Journal of Process Engineering June 2009

收稿日期：2008?11?08，修回日期：2008?12?31

焦炭质量与高炉冶炼关系的再思考

毕学工

(武汉科技大学钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室，湖北 武汉 430081)

摘 要：不断追求高的焦炭热强度与炼焦煤资源短缺的矛盾在不断加剧，直接威胁到高炉工艺的可持续发展和生存. 从冶金反应工程学的视角对焦炭质量问题进行了讨论. 由于浮氏体气相还原和焦炭气化是一对耦合反应，焦炭在高炉内气化的多少主要由矿石的还原性决定，在使用高还原性铁矿石时，提高焦炭的反应性对改善高炉效率有利. 实验研究证明，影响高炉强化和喷煤比提高的限制性因素是高炉下部的多相正常对流运动，而通过提高焦炭的抗粒度降级能力能够增大焦炭料层的透气性和透液性，促进高炉的顺行. 建议开展炼铁、焦化和煤炭地质等多学科研究，尽快制定新的焦炭质量标准.

关键词：高炉；焦炭；反应性；热强度；冶金反应工程学

中图分类号：TF513 文献标识码：A 文章编号：1009?606X(2009)S1?0438?05

1 前 言

高炉炼铁消耗大量铁矿石和煤炭. 高炉不能直接使用粉状原料，需要预先将铁矿石造块，将煤粉炼成焦炭. 适合造块的铁矿石资源日渐减少，但通过改进造块工艺可以生产出满足高炉要求的烧结矿和球团矿. 因此，高炉炼铁工艺的主要问题是对优质煤炭资源的严重依赖.

焦炭发挥的发热剂、还原剂的作用可以部分地被煤粉等喷吹物替代，但支撑料柱的作用却无法替代，高炉仍然需要相当数量的焦炭才能维持正常生产. 2006年全世界总共生产高炉生铁大约8.1亿t ，以欧洲高炉的平均焦比(302 kg/t 铁)和中国重点企业高炉的平均焦比(349 kg/t)的平均值推算，2006年全世界高炉炼铁共消耗焦炭2.82亿t ，而每炼1 t 焦炭需要1.4 t 炼焦洗精煤，每生产1 t 炼焦洗精煤又需要2 t 左右的原煤，所以消耗炼焦煤原煤量大约7.9亿t. 大量喷煤的现代高炉要求焦炭热强度高，很多钢厂炼焦配煤中肥煤和主焦煤配比已超过50%. 按50%计算，2006年全世界高炉炼铁消耗的主焦煤和肥煤的原煤量高达3.95亿t.

据1997年世界能源会议统计，至1996年底，世界煤炭探明的可采储量共计10438.64亿t ，炼焦煤比例不到10%. 中国煤炭的可开采储量是1450亿t ，其中肥煤和主焦煤合占9.34%，储量约135亿t. 据中国社科院发布的“2007中国能源蓝皮书”披露，中国煤炭资源回采率一直很低，目前煤矿平均资源回收率为30%，不足世界先进水平的一半. 美国、澳大利亚、德国、加拿大等发达国家，资源回收率能达到80%左右. 按40%的回收

率计算，以2006年的消耗速度，估计中国的主焦煤和肥煤资源在30年内将消耗殆尽，全世界的主焦煤和肥煤资源也将在40年内消耗殆尽. 另外，我国炼焦煤一般是中灰、中硫品种，低灰、低硫的优质炼焦煤比较少. 中国炼焦煤在地理分布上极不平衡，一半以上储量集中在山西省. 在山西等炼焦煤储量丰富的地区，炼焦时肥煤和主焦煤的配比远超全国的平均值，这无形中更加快了我国优质炼焦煤资源的消耗.

如所周知，高炉要想提高煤比和冶炼强度就需要提高焦炭的热强度，但世界炼铁界至今未能向炼焦行业提出一个科学的、反映高炉真实需要的、恰如其分的质量要求. 因此，我国高炉目前普遍追求越来越高的反应后强度(CSR). 其导致的结果，一是肥煤和主焦煤的配比不断增加，导致优质炼焦煤供应严重不足，价格飙升；二是加快了优质炼焦煤资源的消耗速度，直接威胁着高炉炼铁工艺的可持续发展甚至生存.

本研究旨在从冶金反应工程学的视角，对现行焦炭热性能的评价方法和质量指标的合理性进行检讨，提出开展多学科合作研究、尽快制定新的焦炭质量标准的建议.

2 国内外高炉炼铁对焦炭质量要求的

对比

由日本新日铁公司提出的焦炭反应性和反应后强度(又称热强度)指标的实验方法为世界大多数国家所采用，具体为反应温度1100±5℃，焦炭粒度20 mm 左右，通入纯CO 2气体，反应时间2 h ，规定失重比例为反应

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性指数CRI ；将反应后的焦炭样品进行小转鼓实验，转速20 r/min ，时间30 min ，以+10 mm 部分的含量作为反应后强度指数CSR .

为了指导配煤和炼焦生产，不同国家和不同钢铁企业根据高炉类型和煤炭资源，制定了自己的焦炭质量控制标准，见表1.

表1 世界各国对焦炭质量要求的对比

Table 1 Comparison between coke qualities of different countries in the world

Cold strength

Country/region Abrasion resistant index Cracking resistant index

Reactivity

Strength after reaction

Australia ? M 60>85%; DI 15150>84.4% CRI <17.1 CSR >74.1%

Europe ? M 40>80% CRI <20%~31% CSR >60% USA ? ASTM hardness>68% CRI <23% CSR ＝68.94% China

M 10<7% M 40>85% CRI <26% CSR >6% Baosteel, China *

M 10＝4.86% M 40＝89.97% CRI ＝23.89%

CSR ＝68.94%

Note: *Product quality in 1998.

我国焦炭的质量要求，除了冷强度、热强度和和反应性以外，还包括粒度，具体为粒度平均25~70 mm ，<5 mm 的粉焦<2%. 国外的焦炭质量标准，澳大利亚最高，欧洲较低，美国居中. 我国宝钢的焦炭质量，除了?20 mm 部分和+75 mm 部分含量以外，其他指标均已超过了日本和欧洲的标准.

对比以上数据可以看出，各国对于焦炭热强度指标的要求差别很大，变化范围为60%~74.1%. 虽然我国的焦炭质量标准处于较高的水平，但高炉冶炼指标，特别是燃料比与世界先进水平之间仍有较大差距. 这意味着，我国目前对焦炭CSR 的要求偏高，存在适当降低的空间.

3 从冶金反应工程学的视角分析高炉

对焦炭质量的要求

3.1 高炉操作实际上并不要求低的焦炭反应性

浮氏体的气相还原和焦炭的气化是炼铁高炉内两个最重要的反应，反应式如下：

Fe 1?x O+CO=(1?x )Fe+CO 2, (1) C(焦炭中)+CO 2 =2CO.

(2) 方程(1)中的x =0.95~0.87. 当铁矿石下降进入热保存区以后，这两个反应同时进行并互相影响，即二者是一对耦合反应. 也就是说，由于焦炭气化反应需要的CO 2是由浮氏体间接还原反应提供的，即便焦炭的反应性再强，没有浮氏体间接还原反应提供足够的CO 2，气化反应也无法进行. 反过来说，没有焦炭气化反应提供足够的CO ，浮氏体间接还原反应的速度也难以提高. 图1[1]显示了没有碱金属存在下的浮氏体、

型焦和焦炭的反应速度，焦炭的反应速度还不到浮氏体反应速度的1/10. 从这个角度看，煤气中有碱金属存在对提高高炉的效率是有利的.

图1 浮氏体、型焦和焦炭的反应速度

Fig.1 Reaction rates of wustite, form coke and conventional coke

目前炼铁界一般均要求降低焦炭的反应性的原因主要是反应性低意味着焦炭的开始气化温度高，有利于缩小高炉的热保存区，延长铁矿石的间接还原时间，提高间接还原度，降低焦比. 但是，当使用高还原性铁矿石时，提高焦炭反应性对高炉生产反而有利. 如图2所示，通过改善烧结矿还原性和改进炉顶布料控制，操作线从A 向右移动到B ；通过提高焦炭活性，操作线可以进一步从B 向右移动到C. 操作线向右移动，可增大煤气中CO 实际浓度与平衡浓度的差值，不仅提高了降低燃料比的潜力，而且增大了浮氏体气相还原反应的驱动力，有利于高炉产量的提高.

多年来，日本对高反应性焦炭的生产及应用做了不懈的努力. 增大焦炭反应性有降低结焦温度和使用催化剂(CaO 等碱金属和碱土金属的氧化物)两种方法. 1992年NKK 公司采用中温炼焦技术生产出高反应性焦炭并在高炉中进行了冶炼试验[2]，

2002年9月，在Hokkai

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公司的两座工业焦炉上，采用配富CaO 煤的方法生产出高反应性焦炭，CRI 指数提高至30%以上，高反应性焦炭全部装入高炉进行冶炼试验，燃料比减少了10 kg/t 铁[3]

.

图2 不同反应性焦炭的高炉操作线比较

Fig.2 Comparison between the Rist diagrams of coke

with different reactivities

很明显，高炉使用高反应性焦炭必须具备两个前提条件. 其一，在提高反应性的同时保证焦炭仍然有较高的强度；其二，铁矿石还原性要好，保证铁矿石的间接还原反应得到充分发展.

3.2 高炉操作确实要求高的焦炭热强度

高炉是一种典型的多相对流反应器，反应效率与流体(煤气和液态渣铁)在料层内的流动状况有密切关系. 笔者的研究工作表明[4?14]，无论是提高冶强，还是增加煤比，其限制性因素都是高炉下部料柱的透气性和透液性，防止发生局部阻塞现象的最有效措施是增大高炉下部的焦炭粒度D P 和料层孔隙度ε. 高炉的极限产量随炉腹焦粒度的减小几乎呈直线下降，粒度每减小5 mm ，

利用系数大约降低20%.

焦炭从高炉炉顶装入时的平均粒度大约50 mm ，而到达高炉下部平均粒度减小到25~35 mm 左右. 焦炭在高炉内的停留时间为3~7 h 不等，煤比越高，停留时间越长，粒度减小越多. 焦炭在高炉内不可避免要气化一部分，在气化率一定的情况下，反应后强度越高的焦炭，粒度减少越小. 反应后强度高意味着抗粒度降级能力强.

从这个角度看，高炉冶炼当然希望焦炭的热强度高，但指的是“一定气化率”下的反应后强度，而不是按照当前普遍采用的JIS 方法测定的反应后强度.

研究表明，对焦炭粒度降级影响最大的是气化反应，而不是焦炭与含FeO 的初渣之间的直接还原反应，也不是焦炭与铁液之间的渗碳反应. 因此，由焦炭与CO 2的气化反应测定的焦炭热强度指数，能够代表焦炭在高炉内的抗粒度降级能力. 但问题的关键是，测定CSR 的JIS 方法与高炉实际条件相差太远，容易给人以误导. 误导之一是，焦炭的反应性一定与反应后强度呈负相关关系，提高热强度必须降低反应性；误导之二是，高炉内碱金属能够极大地催化焦炭的气化反应，使焦炭的热强度大幅度降低. 下面就这两个问题进行分析. 3.3 热强度高的焦炭反应性不一定低

测定CSR 的JIS 方法，规定使用纯CO 2气体和2 h 的反应时间，对于传统的炼焦工艺，统计结果确实发现反应性和反应后强度之间有较强的负相关关系. 但是日本的实验室试验和在大型焦炉上进行的工业试验表明，通过降低结焦温度，或在炼焦配煤中加入一部分CaO ，完全可以生产出反应性高、热强度也高的焦炭. 如表2所示[3]，配加CaO 以后，2座大型焦炉生产的焦炭，反应性从15%左右增大到33%~46%，而热强度却能够保持不变甚至明显改善.

表2 “双高”高炉冶金焦的质量

Table 2 Quality of double-high metallurgical coke for blast furnace

Kimitsu works Muroran works

Parameter

Base period CaO-rich period Base period CaO-rich period

CaO-rich coal rate (%) 0 5~7 0 8 Blend

Slightly-coking coal rate (%) 44 19~29 42 45

V olatile content (%) 28.5 26.1~27.3 27.6 28.7 Ash content (%) 9.0 8.6~8.7 9.2 8.9 Total dilatation, calculated (%) 56 60~76 49 81 Coal quality

Maximum fluidity, calculated (log MF/ddpm) 2.18 2.12~2.15 1.74 2.30

DI 15150 85.5 85.6~86.2 85.0 84.9 CSR 55.0 54.7~63.0 61.7 60.6

Coke quality

JIS R e I 15.8

33.3~39.4 15.1 45.9 Note: DI 15150 is a coke cracking resistant index used in Japan, and JIS R e I coke reactivity index under Japanese standard

3.4 碱金属对焦炭热强度的影响没那么严重

一般用浸煮法或蒸汽法将碱金属引入焦炭试样，然

后按照JIS 测定标准，研究碱金属对焦炭热强度的影响. 按照这种方法进行研究，发现了煤气中碱金属的存在使

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焦炭的气化反应加剧，CSR指数明显降低[15]；还发现了有碱金属时焦炭气化率随各向异性程度的增加而降低，并据此提出增加高煤化度煤用量可以提高焦炭抗碱能力的学术观点[16]. 不少钢厂接受了这个观点，按照提高焦炭抗碱能力的要求来设计配煤方案，对碱金属含量高的煤种、粘结性较差的年轻煤种的用量进行了限制，而增加了气煤、1/3焦煤等的用量.

但问题是，碱金属在高炉内真的能够使焦炭的气化量增加几倍吗？焦炭的粒度降级真的有实验室试验结果那样严重吗？答案有关是否定的. 因为如上所述，焦炭在高炉内能够气化的最大数量，不是由焦炭反应性决定，而是由铁矿石的还原性决定，即由进入热保存区的浮氏体数量决定. 即便按照现行方法测定时发现，碱金属能够使某种焦炭的反应性提高3倍，也不说明这种焦炭在高炉内的粒度降级真的那么严重.

李清田等[15]报道，加碱温度从1100℃开始，碱的加入使碳层间距发生变化，所有的n+2层间距均小于不加碱时层间距，所有的n层间距均大于不加碱时的间距，且随加碱温度的升高而变大. 部分碳层间距的扩大，不仅促进了气化反应，也削弱了层间的结合力，因而导致反应后强度降低. 从碱金属对焦炭微观结构的影响着眼，研究有碱金属时焦炭热强度的变化，才能对不同焦炭在高炉内的实际行为做出更合理的评价.

4 加强多学科研究，制定新的焦炭热强

度质量标准

为了对不同焦炭在高炉内的抗粒度降级能力进行科学的评价，必须对现有实验方法加以改进. 这项工作难度很大，单靠炼铁专业、焦化专业、煤炭地质专业中的哪一个专业，都不能解决问题. 必须开展多学科的合作研究. 具体建议如下：

(1) 焦炭在块状带、软熔带、滴下带、风口区和炉缸内都可能发生粒度降级，因此需要加强焦炭在高炉内粒度降级行为的研究，弄清最严重的粒度降级发生在高炉的什么部位，严重程度如何，以便采取相应的对策.

(2) 在确定了高炉内焦炭粒度降级最严重的部位以后，需要根据该部位的温度场、浓度场及流场条件，设计新的焦炭热强度实验测定方法，为测定与评价不同焦炭的抗粒度降级能力创造实验条件.

(3) 目前我国炼铁界对碱金属与焦炭性能的关系认识不统一，需要模拟高炉内的实际条件，建立新的碱金属与焦炭热性能关系的实验研究方法，以便正确评价不同焦炭在有碱金属存在时的抗粒度降级能力.

(4) 基于以上焦炭在高炉内粒度降级行为的深入研究，由炼铁专业向炼焦专业提出科学的、恰如其分的焦炭热性能质量要求，再经过焦化专业和煤炭地质专业的通力合作，研究开发出包括配煤方案、炼焦工艺制度在内的新的炼焦技术.

(5) 按照新炼焦技术生产的焦炭装入高炉进行工业试验，检验和确定适应高炉不同炉型、不同操作条件要求的焦炭热强度等质量标准.

5 结束语

资源的压力威胁着高炉炼铁技术的生存. 本研究从冶金反应工程学的视角，深入分析了高炉过程对焦炭质量的要求. 目前通行的焦炭热强度实验条件与高炉实际情况有很大差别，测定结果难以用来对不同焦炭抗粒度降级能力做出科学的评价. 为了合理利用粘结性较差的煤，推迟优质炼焦煤资源的枯竭，急需炼铁、焦化、煤炭地质等专业密切合作，尽快制定出新的焦炭热强度质量标准.

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Reconsideration of the Relationship between Coke Quality and Blast Furnace Performance

BI Xue-gong

(Key Laboratory for Ferrous Metallurgy and Resources Utilization of Ministry of Education, Wuhan University of Science and

Technology, Wuhan, Hubei 430081, China)

Abstract: The contradiction between constantly pursuing higher coke thermal strength and shortage of coking coal resources has been aggravated, directly threatening the sustainable development and survival of blast furnace technology. Discussions were made from the viewpoint of metallurgical reaction engineering on the issue of coke quality. Because the reduction of wustite and the gasification of coke are a pair of coupled reactions, the amount of gasified coke in the blast furnace is essentially determined by the reducibility of coke. As highly reducible iron ores are used, the increase in coke reactivity is favorable to the improvement of blast furnace efficiency. Experimental studies have demonstrated that the governing factor is the regular multi-phase counter-current movement in the lower blast furnace, and the permeability of gas and liquid in the coke bed could be improved and furnace smooth running could be promoted by means of increasing the resistance against size degradation. A proposal was put forward that multi-discipline investigations of ironmaking, cokemaking and coal geology should be carried out to formulate new coke quality standards.

Key words: blast furnace; coke; reactivity; thermal strength; metallurgical reaction engineering