【技术文摘】焦炭质量评价及稳定提高管控措施

来源：市场资讯

（来源：中国炼铁网）

张初永，张立涛

（中钢集团鞍山热能研究院有限公司）

摘 要：随着高炉的大型化、配吹煤、富氧和氢冶炼技术的应用，焦炭的还原和燃烧性能被弱化，焦炭的骨架和滤液作用更加突出，对焦炭质量的要求就越来越高。传统的评价指标对于高炉低、中温区焦炭质量的评价具有一定指导作用，但对于高炉高温区存在一定的不足，不能够全面评价焦炭在高炉中的质量变化情况。因此，掌握焦炭的全面评价指标，了解焦炭在高炉中的劣化行为，确定影响焦炭质量的因素十分重要，本文主要介绍焦炭质量的评价方法及稳定提高焦炭质量的部分管控要点，梳理了通过备煤和炼焦工艺控制、提高炼焦煤质量、优化配煤结构、稳定炼焦工艺参数和加强全流程过程管控等方法提高焦炭质量，以期为业内同仁提供参考。

关键词：高炉用焦，焦炭质量，评价指标，质量稳定，管控措施

焦炭质量对高炉冶炼有重要的影响。其中，焦炭的冷强度和热强度指标直接影响焦炭在高炉内的骨架和滤液作用，强度越好，透气、滤液性越好，高炉顺行。冷强度为高炉低温区主要评价指标，热强度是高炉下部高温区的主要评价指标。焦炭的灰分、硫分、反应性和反应后强度直接影响高炉的利用系数，燃料比等运行指标。除此之外，由于焦炭属于多孔材料及其炼焦煤的形成复杂性，更多的评价方法被应用于焦炭质量的评价中，用于分析焦炭在高炉中的劣化行为和原理，并受到冶金工作者的广泛关注。这就需要更加充分了解各项指标对焦炭质量的影响，在备煤和炼焦生产源头，控制并提高焦炭质量，满足高炉生产需求。

1 冶金焦质量的评价

1.1.常规指标

常规指标为钢铁企业评价焦炭的常用指标，可用于对焦炭质量的基础判断。主要包含焦炭的水分、灰分、硫分、挥发分和固定碳，焦炭的机械性能（M40、M25和M10），焦炭的平均块度，焦炭的热性能（CRI和CSR）。

常规指标中，焦炭的机械强度和块度，是高炉散料区的重要指标，强度较高，块度均匀，有利于高炉的透气性。焦炭的热性能是在高炉软熔带，评价焦炭炭溶反应的重要指标，随着高炉体积越大，对该指标的要求越高。

焦炭的硫分，贯穿于整个高炉系统中。高炉中的硫80%是由焦炭和喷吹煤提供的，硫在高炉中通过煤气逸散，进入炉渣和生铁三种途径转移。因此，焦炭中硫分的增加，高炉的配料结构也会对应做出调整，保证高炉生产稳定。高冰[1]等研究硫分变化对高炉的影响，当焦炭中硫含量小于0.70%时，硫降低0.1%，焦比降低14.88kg/t，当焦炭中硫含量大于0.70%时，硫降低0.1%，焦比降低10.19kg/t。研究发现，焦炭中的硫含量与焦比成正相关，但对燃料比的变化没有明显规律。范立强[2]研究发现，冶金焦硫每增加0.1%，溶剂和焦炭的消耗增加1.2%~2.0%，高炉生产能力降低2%左右。

因此，在高炉生产过程中，需综合考虑焦炭的常规指标以及炉料的配比，以实现吨铁成本最优化，提高生产效率和经济效益。

1.2.隐性指标

焦炭在高炉内部的变化非常复杂，受物料运动轨迹，温度，物料种类、形态和炉内气氛的多重影响。常规指标对焦炭的评价存在一定的缺失性，因此研究人员提出了评价焦炭的隐性指标，重新认识焦炭在高炉中的反应行为。

(1)焦炭的气孔结构

焦炭的气孔是煤中挥发分在煤颗粒熔融过程中不断聚集长大，破碎后留下的孔隙，或形成半焦后继续热解缩聚所形成的气孔和微裂纹，不熔融颗粒间的孔隙，以及结焦过程中未发生明显变化的丝质体内孔隙等构成。李应海[3]等研究气孔率与焦炭热性能的关系及影响焦炭气孔率的因素，在相同的炼焦工艺下，随着焦炭气孔率和气孔平均直径的增加，CRI增大，CSR下降；随着气孔壁平均厚度的增加，CRI降低，CSR增加[4]。干熄焦的气孔率要明显小于湿熄焦的气孔率。捣固炼焦工艺比采用顶装炼焦工艺得到焦炭的气孔率和气孔平均直径明显偏低[5]。焦炭显气孔率随着煤化度的升高先降低后升高，焦煤的气孔率相对最小[6-7]。

焦炭的气孔结构是极其重要的基础结构，其不仅对高炉的透气性有影响，对焦炭的机械强度和焦炭的反应性以及反应后强度也有重要的影响。焦炭在高炉中发生的碳溶损反应为气固非均相反应，焦炭的气孔率、气孔平均直径、气孔壁厚度、孔径分布、壁厚分布和比表面积等控制着焦炭在高温下与氧化性气体发生反应时氧化性气体的进入，以及生成的气体产物扩散[8]。研究气孔的微观结构，可以更好的了解焦炭在高炉中的劣化行为。根据气孔的直径，可分为大气孔，中气孔和微气孔，其中大气孔为氧化性气体的通道，中、微气孔较大的比表面积可吸附更多的氧化性气体，提供了充足的反应面积，是熔损反应的主要区域。捣固焦炭由于其堆密度大，煤粒之间的空隙填充较充分，炼焦过程中膨胀压力相对较大，其大气孔低于顶装焦炭，微孔普遍要比顶装焦炭多；捣固焦炭的配合煤高粘结和强流动性煤种较少，气孔壁比顶装焦炭薄。综上两种因素，捣固焦炭的反应性明显大于顶装焦炭，反应后强度CSR低顶装焦炭[9]。

(2)焦炭的光学组织

焦炭光学组织是通过显微镜所观察到的焦炭气孔壁组织。主要可分为各向同性和各向异性组织。光学各向同性组织包括各向同性、丝炭与破片；光学各向异性组织包括细粒镶嵌、中粒镶嵌、粗粒镶嵌、纤维状和片状。

焦炭光学组织决定了焦炭与CO2反应过程中的活化能，通常用指数OTI（各向异性程度）来表征焦炭的各向异性程度。刘起航[10]从焦炭微观结构分析焦炭在高炉中的演变过程，对反应后前后焦炭光学组织分析，焦炭光学组织中碳原子与CO2的亲和力由小到大排列为：纤维状组织＜各向异性组织＜片状组织＜粗粒镶嵌状组织＜各向同性组织＜丝质破片状组织＜细粒镶嵌状组织。张凯元[11]分析20种焦炭光学组织及对应的焦炭质量，得出焦炭的镶嵌状组织结构越多，其对应的冷态强度越高。随着焦炭光学组织的各向异性参数OTI值增加对应其内部结构单元的堆积更加机密，其各向异性结构强度越高，越不容易劣化。焦炭光学组织中各向同性的含量越多，焦炭的CRI越大；焦炭光学组织中的中粒镶嵌和粗粒镶嵌的含量越多，焦炭CSR越高[12-13]。

焦炭的光学组织受煤化度，煤岩和炼焦工艺条件影响。提高加热速度或配加粘结剂改质，可以提高焦炭中各向异性组分[14]。焦炭中光学各向同性组织、镶嵌状组织和流动状组织的含量随原煤变质程度的提高而降低，丝质及破片状组织与煤中惰质组含量之间具有较好的线性关系[15-16]。

(3)焦炭的高温性能

常规评价指标的评价温度≤1100℃。而在高炉中的滴落带炉缸的温度达到1300℃以上，且在该区域是固（焦炭）、液（铁水、渣水）、气（N2，CO，CO2）和碱金属多种物质和形态的高温环境。在高温受热过程中，焦炭的组成和结构变化及热应力作用对焦炭的劣化机理与溶损反应对焦炭的劣化机理是不完全相同的。因此，用焦炭常规的CRI及CSR指标推测焦炭的高温热强度，存在一定的不足[17]。

焦炭的高温性能是模拟焦炭在高炉1300℃~1500℃的氛围下，评价焦炭的骨架和滤液功能质量。马淑芳[18]将焦炭在氮气保护下，分别加热到1100℃，1300℃和1500℃，利用断层扫描（CT）观察焦炭裂纹、气孔等微观结构变化，结果表明，温度为1100℃时，焦炭内部结构基本无明显变化；温度升高至1300℃，焦炭内部裂纹长度略增加；温度为1500℃时，高温下焦炭层间的热应力增加，焦炭裂纹进一步扩展，孔径增大，部分微孔相互连通而形成微裂纹。

河钢集团宣钢提出1500℃下焦炭的转鼓强度指标（M10高温，M5高温），并应用于高炉实践。研究表明，常规冷强度和热强度指标好的焦炭，高温指标不一定好，同时，提高高温强度好的焦炭用量，可以有效降低高炉燃料比[19-20]。

2 影响焦炭块度的因素

随着高炉大型化，喷吹煤技术，富氧燃烧，氢冶炼等技术的发展，焦炭在高炉中骨架的作用越来越突出，尤其在高温软熔带，焦炭是唯一的固态物料，要求焦炭具有一定的块度和强度，保证高炉的透气性和滤液性[21]。

2.1 配合煤指标对块度的影响

任华伟[22]分析配合煤的不同指标对焦炭块度的影响，得到配合煤焦炭块度关联因子影响程度。配合煤Vdaf和X值对焦炭块度影响关联较大，降低配合煤挥发分有利于提高焦炭平均块度。其次是焦炭抗碎强度M40，与焦炭平均块度相辅相成，块度大，M40值高。此外，黏结性指标G值对捣固焦平均块度有一定影响，但影响不大。

2.2堆密度对块度的影响

随着装煤堆密度的提高，焦炭平均块度逐步降低，基本呈线性关系。 同一配煤结构下，捣固焦炭较顶装焦炭块度更小。捣固焦炉中煤饼堆密度增加后，改变了煤的原有物理状态，单位容积内热态煤颗粒之间接触面增大，结焦过程中熔融处界面收缩应力大，焦炭横向裂纹相对增加[22]。

2.3煤热解收缩系数对块度的影响

炼焦煤在炭化室内热分解。形成塑性体、转化为半焦，最终形成焦炭。半焦的热分解和热缩聚产生的不均匀收缩，引起的内应力超过焦炭多孔体强度时，导致裂纹形成。焦块大小主要取决于半焦收缩阶段的半焦收缩系数和相邻的温度梯度。第一收缩峰与挥发分有关，越高，收缩系数越高，块度越小。第二收缩峰与加热速度有关，越快，收缩加剧，裂纹率增加[23]。

捣固焦炉气煤或气肥煤配入量大于顶装焦炉。导致配合煤塑性温度区间较窄，粘结性较差，在成层结焦条件下形成的半焦层较薄，第一半焦收缩峰的收缩系数高，气态产物析出速度大，半焦强度低，抗拒内层拉应力的能力低，产生裂纹多，块度小。炼焦煤热解收缩系数对焦炭块度均有较大影响，且具有很好的线性相关性，热解收缩系数与焦炭平均块度的线性方程相关系数为0.90。且炼焦煤收缩系数随着煤变质程度升高呈下降趋势[24]。

2.4炼焦工艺对块度的影响

苏联研究人员根据焦炭的内应力取决于焦炭在收缩过程中表面温度与中心温度之差，预测焦炭平均块度如下[25]：

式中：σ：焦炭收缩内应力，MPa；a：焦炭热扩散系数，m2/h；E：焦炭弹性模量，MPa；φ：焦炭收缩率，℃-1；T：焦饼中心最终温度，℃；τ：结焦时间，h。

延长结焦时间，碳化速度延缓，碳化过程中的温度梯度减小，焦炭各层间的收缩相对缓慢均匀。碳化终温降低，焦炭收缩越小，应力也越小，减少了裂纹的发生，而得到的焦炭60～80mm及以上粒级比例升高，且平均块度大幅提高[26]。

3 影响焦炭强度的因素

影响焦炭质量的因素多而且复杂，主要可分为配合煤性质和备煤、炼焦工艺条件。配合煤的挥发分（煤化程度）、硫分、灰分、G值、Y值和灰成分等着指标，是决定炼焦过程中粘结性，结焦性，孔隙结构，光学组织等指标的基础，对焦炭质量具有决定性影响。此外，备煤和炼焦工艺一定程度上也对焦炭质量有影响。

3.1细度对强度的影响

配合煤细度是指粒度＜3mm的煤所占比例。顶装焦炉细度控制在76%±4%，捣固焦炉细度控制在88%±2%。燕慧[27]等研究不同细度下配合煤的40kg小焦炉结焦性试验，在炼焦工艺条件一定的情况下，随着配合煤细度的增加，焦炭机械强度有所改善，抗碎强度M40提高，耐磨强度M10降低并趋于水平，焦炭反应后强度呈现先增加后降低的趋势。其主要原因是，配合煤细度不够，配合煤混合不均匀，焦炭内部结构不均一，导致强度低；细度过高，堆密度降低，同时由于惰性组分比表面积增大，活性组分被过度吸附，胶质体减薄，胶质体围绕惰性组分成焦减弱，焦炭气孔壁变薄，影响焦炭强度。粒径大于5mm比例过多，焦炭裂纹增多，特别是大颗粒气煤和瘦煤，与其他煤结合能力差，影响反应性和反应后强度[28]。

3.2堆密度对强度的影响

增大入炉煤堆密度，焦炭抗碎强度得到提高，耐磨强度有所降低。这是由于增大入炉煤堆密度，炼焦加热过程中析出的胶质体能促使煤颗粒更好地结合，使煤微观活性组分及惰性组分更好地发生界面结合，从而提高焦炭结构稳定性，表现为焦炭冷态强度指标的提高[29]。

当堆密度由0.72增至0.96时，炉料空间空隙减小，填充较好，在炼焦膨胀压力的作用下，气孔的平均孔径变小，气孔壁变厚，气孔率降低，故反应性降低，反应后强度提高；当堆密度进一步增大时，结焦过程中气体扩散速度明显减弱，形成大量小气孔，使焦炭的气孔比表面反而增大，而导致反应性又有回升和反应后强度降低[30-31]。

3.3结焦时间对强度的影响

焦炭的M10主要取决于煤的粘结阶段，焦炭的M40主要取决于半焦的收缩阶段。粘结阶段的加热速度应较快，可以增加胶质体中液相含量，改善煤的粘结性；收缩阶段的加热速度应较慢，可以避免焦炭产生更多的裂纹[33]。在保证炼焦温度的前提下，缩短结焦时间，相当于提高标准温度，增加了炼焦速度，焦炭内应力增加，焦炭收缩速度快，裂纹分布比较多，且分布比较广泛，导致焦炭M40降低；加热速度的提升，胶质体塑性空间加宽，软化后流动性提高，有利于M10的改善。一般在焦炉设计结焦时间延长1~1.5小时，有利于保证焦炭成熟度，提高焦炭质量[34]。

陈勇[35]等研究结焦时间对焦炭质量和工艺运行的影响，在其它工艺条件不变的情况下，随着结焦时间的延长，焦炭反应强度（CSR）呈先增大后减小的趋势，对提高焦炭热态强度有利，但是大幅度延长结焦时间，会加剧焦炭的热缩聚反应度，焦炭过火，裂纹增多，降低焦炭热强度。其次，焦炭的显微结构和气孔结构在高温下会发生相应变化，导致焦炭气孔率增加，气孔壁变薄，焦炭CSR降低[36-37]。

3.4 熄焦方式对强度的影响

熄焦方式主要分为湿熄焦和干熄焦两大类。

湿熄焦是对红焦进行喷水，造成焦炭急剧冷却，焦炭的内部结构因为迅速冷却而产生很大的热应力，导致焦炭的网状裂纹增多，气孔率增加。此外，水与红焦发生水煤气化学反应，破坏焦炭表面的球状组织，增加焦炭内部气裂纹，最终导致焦炭强度降低。

干熄焦过程中焦炭在干熄炉内从上向下流动时，会使焦块之间的摩擦次数增加，大块焦炭在碰撞作用下提前裂开，从而使强度不高的焦块提前脱落，在一定程度上增加了焦块的机械稳定性，提升了焦炭大小的均匀性。焦炭在熄焦室中停留了一段时间，进行了温度的均匀化和残存挥发分的析出过程，使焦炭的成熟度提高了，生焦减少，真密度提高，可以改善焦炭耐磨强度；干熄焦系统通过缓慢对焦炭降温，焦炭热反应性指标也得改善[38-39]。

干熄焦与湿熄焦相比，焦炭的M40提高3%~8%，M10改善0.3%~0.8%，粒度均匀，无水分，反应性低[40]。干法熄焦过程中红焦局部被循环气体中的二氧化碳还原，发生碳溶反应，造成干熄焦烧损，全焦量相对湿熄焦偏低；从全焦组成来看，干法熄焦使冶金焦率降低，碎焦、粉焦率增高。因此，干法熄焦系统运行过程中，要重点加强操作工艺参数管理，将干熄焦烧损率控制在合理范围之内。

4 稳定及提高焦炭质量的关键点

4.1备煤工序

(1)备煤工艺设计关键点

①　来煤设计自动取样装置，避免人为采样干扰因素。

②　煤场的设计宜选择半坡煤场或筒仓，将单种煤完全分开，从根本上杜绝混煤现象。

③　自动配煤的设计，宜采用准确度高的电子秤。

④　设计预粉碎工艺，保证配合煤粒度稳定并满足工艺要求。

(2)备煤生产过程流程及控制关键点

根据中钢集团鞍山热能研究院有限公司（热能院）长期的煤焦提质降本技术服务经验[41-43]，归纳总结备煤生产过程流程如下图7：

根据煤场库存情况及炼焦生产情况，分析生产用煤种类，数量情况。在煤资源数据库中筛选或拓展所需煤种，根据企业炼焦煤采购红线机制，初步对炼焦煤指标进行分析，确定拟采购煤源，再通过单种煤应用性分类和性价比评分规则，根据不同类别单种煤灰、硫、G、Y、CSR、灰成分及市场价格，进行应用性分类及性价比评分，可用于指导炼焦煤的采购和配煤比的优化。配煤比的优化要坚守以下几项原则：保证焦炉的顺利推焦；保证焦炭质量指标满足用户要求；配煤成本最低降低吨焦成本；炼焦煤资源条件满足配煤结构调整要求；备煤生产组织顺利；不断优化拓展新煤源。

(3)备煤生产过程控制关键点[44]

①　控制来煤质量，重点控制来煤质量的合格率。

②　控制配煤准确率，重点监控皮带系统，电子秤的定期校正，圆盘设备系统下料情况。

③　单种煤的挥发分和灰分按配煤比计算得到的配合煤相应值比较，配煤的挥发分偏差不超过±0.7%，灰分偏差不超过±0.3%。

④　根据《焦炉生产管理规程》，配合煤各项指标稳定性控制水分为±1%，灰分为±0.5%，挥发分为±1%，细度为±2% 。

⑤　通过控制粉碎机锤头数，调整反击板间隙，调节粉碎机转速，增设预粉碎工艺等措施，精准控制配合煤细度及其稳定性。

4.2炼焦工序

(1)焦炉炉温均匀性管控

①　通过判断焦炭成熟状况优化标准温度。如控制焦饼中心温度在1000℃±50℃、上下温差小于100℃，参考焦炭预存室温度（T5），参考干熄焦循环气含氢气等参数判断焦炭成熟度。

②　提高直行温度均匀性。重点控制孔板直径、风门及小翻版的开度、吸力，保证每个燃烧室供煤气和空气量均匀合理。

③　提高横排温度均匀性。控制每个立火道煤气量均匀均匀供给，生产过程中控制蓄顶吸力，看火孔压力等。

④　保证炉头温度。焦炉煤气加热主要是调整边火道孔板直径，避免砖煤气道窜漏；高炉煤气重点控制蓄热室封墙及废气盘承插口的窜漏 ，机、焦侧主管压力，炉头窜漏。

⑤　高向加热均匀性（炉顶空间温度）。根据配合煤的挥发分和收缩值调整优化炼焦操作，煤饼高度或装煤量的优化。控制立火道废气循环量，煤气预热温度，空气过剩系数调节，废气大循环，多段燃烧加热的调整。

(2)推焦装煤操作控制

对于顶装焦炉应该对装、平煤过程控制，尽量增大堆密度。一是装煤要快，要满；二是平煤要压实、平透；这样可增加入炉煤上下部堆密度，也可减少炉顶跑焦量，提高成品焦率。推焦首先要保证K3系数，达到要求，结焦时间稳定是焦炭稳定的重要前提。捣固焦要保证稳定的煤饼堆密度和宽度，防止塌饼，以保证结焦过程焦饼供热稳定，均匀。

(3)筛、运焦操作

缩短焦炭皮带运输距离，减少焦炭振动筛后的摔打次数。降低焦炭在溜焦槽、筛焦楼、配仓的垂直落下高度差，降低焦粉率。

5 结语

(1)炼焦工作者对焦炭在高炉中的作用及变化过程不断深入认识，有利于做好焦炭质量管理工作。

(2)焦炭质量的稳定对高炉稳定顺行关系密切。

(3)焦炭质量评价是需要不断的提升，并与高炉的操作紧密结合。

(4)配合煤是焦炭质量的重要基础，优化配煤比是提高焦炭质量最为重要手段。

(5)稳定和提高焦炭质量要煤焦的全过程关键工艺技术严格控制，其中包含来煤质量的控制，配煤比的控制，细度控制，焦炉热工参数稳定等条件。

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