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加强炼铁与炼焦合作研究  降低炼铁燃料成本

孟庆波

(中钢集团鞍山热能研究院有限公司炼焦技术国家工程研究中心，辽宁鞍山114044)

摘  要  分析了高炉冶炼对焦炭质量的要求，总结了改善焦炭质量的主要技术措施，指出高炉冶炼与焦炭质量应相互协调，提出了半焦(兰炭)与捣固焦炭配合进行高炉炼铁的新技术，为炼焦煤资源合理使用及降低炼铁燃料成本提供了技术途径。

关键词  焦炭质量；半焦；兰炭；捣固焦炭；高炉炼铁

1  前言

中国钢铁生产的持续高速增长推动了炼焦生产的高速度发展。国家统计局数据显示，2011年，全国粗钢和生铁产量分别达到6．84亿吨和6．30亿吨，同比分别增长7．3％和8．4％；焦炭产量4．28亿吨，同比增长11．8％，其中冶金焦炭约4亿吨，占93．5％[1]。中国炼焦行业为炼铁行业提供了数量充足的冶金焦炭。

伴随钢铁生产的持续高速增长，中国的大型高炉建设速度加快，高炉冶炼技术指标不断提高，对焦炭质量的要求也越来越高。这导致炼焦配煤的焦肥煤比例不断提高，配煤成本明显提高。由于钢铁和焦化产能严重过剩，钢铁和焦炭价格下滑，加之铁矿石和炼焦煤价格高位徘徊，导致钢铁和焦化企业盈利空间被大幅度压缩，亏损面迅速扩大。因此，降低炼铁原料成本是解决问题的重要途径。炼铁和炼焦工作者应共同努力降低炼铁燃料成本。

2高炉冶炼对焦炭质量的要求

焦炭是高炉冶炼的主要原燃料之一，在高炉冶炼过程中起发热剂、还原剂、渗碳剂和料柱骨架作用。随着高炉冶炼技术的进步，喷煤量不断提高，焦炭的发热剂、还原剂功能部分地被喷吹煤粉所代替，由于焦比的下降，其料柱的骨架作用更加突出。因此，焦炭应具有一定的冷态强度和热态性能保证高炉冶炼顺行。

20世纪60年代的高炉解剖证明焦炭在高炉内的劣化主要发生在高炉的炉腰、炉腹处，即温度为900～1300％左右的软融带部位。在软融带，随着焦炭溶损率增加，气孔变大、孔壁变薄、气孔融并，导致焦炭结构破坏和强度急剧下降，耐磨性显著降低。多年来，人们一直认为经过这个部位的焦炭被破坏的程度不仅影响高炉上部透气性和炉况顺行，而且影响高炉下部和死料柱的透液性及炉缸工作状况。为了模拟高炉内焦炭抵抗溶损破坏能力，世界各国先后研发了高炉用焦的块焦或粒焦反应性及反应后强度检测技术和标准[2，3]，其中使用最广泛的是起源于日本新日铁的块焦反应性(CRI)及反应后强度(CSR)试验。

炼铁工作者似乎已习惯采用CRI与CSR作为分析和判断料柱透气(液)性和炉况顺行的重要依据，炼焦工作者也依据该指标改进炼焦技术[4，5]。但直至今日，并没有找到CRI及CSR与高炉实际操作之间的明确对应关系。事实上，在追求低CRI及高CSR焦炭的同时，对于2000m³以上的高炉，世界各国不同家厂规定的CRI和CSR范围相互之间有较大的差别[3]。在国内，CRI及CSR相差很大的焦炭(见表2—1)实际上却在不同的大型高炉上使用，并没有引起高炉冶炼指标的明显差异。因此，有许多研究者对于焦炭的CRI和CSR指标持不同观点，一些研究者对CRI及CSR的科学性表示怀疑[3，6—8]。Maria Lundgre等人对比研究了在试验高炉冶炼状态下和CSR／CRI试验条件下焦炭的反应性。试验高炉中焦炭的强度与反应性试验焦炭的强度没有对应关系，且试验高炉中焦炭强度明显高于反应性试验的强度。试验高炉中焦炭的反应主要发生在焦炭表明，而反应性试验的焦炭反应却可以深入焦炭内部。说明二者反应的控速环节不同，反应性试验是化学反应动力学控制，高炉中焦炭反应是扩散控制[9]。

作者认为，高炉中焦炭从炉顶到底部风口经历了温度逐渐升高和上升气体的碳溶损失反应及碱金属、炉渣等的侵蚀，与焦炭反应性的测定条件差距巨大。焦炭在高炉中的碳溶损失不仅受焦炭质量的影响，更受高炉冶炼条件一热平衡、间接还原与直接还原比值等因素的共同影响，碳溶损失一般在25％～35％之间。采用固定反应失重(25％)的方法测定焦炭反应后强度会明显影响对焦炭质量的评价，见表2．1。这5种大型高炉(2000m³以上)用焦的CSR指标差距明显，但失重25％时的CSR_25％—off差距明显变小，且该5种焦炭均能在2000～4400m³的高炉正常使用。

焦炭冷态机械强度是焦炭质量的重要指标，也是焦炭热强度的基础。焦炭的反应后强度CSR与反应性CRI一般具有反比关系，反应后强度CSR越高的焦炭，其反应性CRI越低。为得到这种“高质量的焦炭”，在炼焦工艺条件固定情况下，一般只能通过增加优质焦煤配入量来实现。追求过高的冷、热态强度指标会造成稀缺的优质炼焦煤资源的过多消耗和配煤成本升高。

高炉内焦炭溶损反应：一是发生在风口，将焦炭完全燃烧产生的CO₂转化为CO；二是发生在高炉下部的高温区，将铁氧化物间接还原(FeO+CO=Fe+CO₂)产生的CO₂转化为CO，为间接还原提供还原剂CO，最终实现铁氧化物的直接还原(Fe+C=Fe+CO)。因此，高炉内焦炭溶损反应起到提供还原剂CO、冷却从燃烧带上升煤气的作用[10]，从而影响高炉还原和热交换过程。焦炭溶损反应开始温度的高低影响直接还原区和高温区位置的高低，溶损反应速率影响直接还原速率和高温区的热交换速率。这说明：一、高炉内焦炭溶损反应是提供还原剂的必要化学反应，同时也使焦炭发生劣化而影响了其料柱骨架作用，采取由辅助燃料提供部分还原剂的技术措施是缓解这一矛盾保障高炉顺行的有效手段；二、高炉焦炭热性质的稳定远比单纯改善CRI／CSR几个单位数值对高炉顺行更加重要。

3  改善焦炭质量的技术措施

改善焦炭质量的措施主要有：炼焦煤资源合理使用及生产管理与操作优化、工艺技术与装备改善、炼焦新工艺技术应用等。

3．1  炼焦煤资源合理使用及生产管理与操作优化

在炼焦工艺技术与装备定型后，影响焦炭质量的主要因素是炼焦煤质量及配煤技术与生产管理技术。该技术措施是改善焦炭质量的日常方法。

(1)精细优化配煤技术。以炼焦机理和配煤原理为基础，应用以煤岩配煤技术为代表的精细优化配煤技术，对进场炼焦煤进行应用分类及合理堆放、优化煤场管理、通过对焦炭质量指标数值化预测及配煤炼焦试验保障焦炭质量的稳定，生产满足高炉冶炼要求的冶金焦。精细优化配煤技术的研发及应用，不同规格、形式的试验焦炉的开发及应用都促进了配煤技术向精细化、优化方向发展，使中国焦化行业配煤技术水平上了一个新台阶。

(2)加强生产管理和操作。采用自动化配煤系统保障配煤比的准确，加强粉碎系统(及捣固系统)的维护和操作保障装炉煤的粒度组成、堆密度及水分稳定、达标；加强焦炉热工管理和炼焦时间管理，确保焦炭成熟和质量稳定；加强熄焦及筛焦管理，为高炉提供粒度合适、均匀的高质量冶金焦。

3．2炼焦工艺技术与装备改善

在新建焦化厂或焦化厂技术改造时，一次性采用新的技术与装备，是长期改善焦炭质量的技术措施。

(1)焦炉大型化技术。焦炉大型化对节省优质炼焦煤资源、改善焦炭质量贡献巨大。在国家产业政策的引导下，通过结构调整和淘汰落后产能，中国焦化行业在产量快速增长的同时，装备水平也大幅度提高。截至2010年底，中国炭化室高≥5．5米捣固焦炉和≥6米顶装大焦炉的产能已达到1．4亿吨以上[11]。目前，焦化行业主力炉型是以4．3米及以上高度的中大型焦炉为主，由于建设速度放缓及焦炉寿命较长，预计未来焦炉大型化速度也将放缓。现有主力炉型将是未来中国高炉炼铁焦炭的主要提供者。

(2)捣固炼焦工艺技术。捣固炼焦技术对提高焦炭质量或节省资源紧张的焦煤和肥煤资源贡献突出。采取捣固炼焦工艺技术可提高焦炭质量一对比试验表明：M₄₀提高一2．7～4个百分点、M₁₀改善2．8～3．5个百分点、CRI降低一0．2～8．9个百分点、CSR提高9．6～15．9个百分点；根据生产统计，在焦炭质量维持不变条件下，焦煤和肥煤配比可下降14．1个百分点[12]。截至2010年底，中国捣固焦炉产能已突破1亿吨[11]，且绝大部分分布在独立焦化厂，捣固焦炭是高炉炼铁冶金焦的重要组成部分，应重视对其质量及高炉冶炼应用的研究。

(3)干熄焦技术。干熄焦技术能明显改善焦炭质量，在钢铁联合企业焦化厂该技术已得到推广和普及，为改善中国钢铁联合企业焦化厂焦炭质量做出了贡献，间接节省了紧缺的焦煤和肥煤资源。截至2010年底，干熄焦产能已达到约1亿吨[11]。目前，已有独立焦化企业建设干熄焦装置并投产，并有逐步扩展的趋势。钢铁企业应给予独立焦化企业的干熄焦产品以合理价格，鼓励独立焦化企业建设干熄焦，为钢铁企业提供优质焦炭，节省优质炼焦煤资源。

(4)调湿与风选调湿技术。调湿与风选调湿技术可以稳定装炉煤水分、粒度组成及煤质均匀性，进而稳定装炉煤堆密度和结焦时间，对于稳定焦炭质量具有积极作用。调湿技术还能节能、降低焦化污水量，是炼焦领域节能减排技术措施之一。目前已有多家企业的调湿或风选调湿装置投入生产。未来应加大研发力度，进一步推广该技术及装备，使其在焦化行业发挥应有的作用。

3．3炼焦新工艺技术

从炼焦机理出发，研究全新的炼焦工艺技术与装备，从而实现炼焦技术的革命。如日本的SCOPE21及欧洲的巨型单孔焦炉等。但尚未取得技术与商业上的全面成功。这是一项长期的工作，中国尚未有类似的技术开发进入商业化运行。应密切关注和跟踪国外炼焦新工艺技术发展，加强相关理论、工艺技术及装备的开发研究，为未来中国焦化行业的技术更新做好准备。

3．4炼焦基础研究

焦化行业的主要产品一一冶金焦是高炉炼铁不可替代的原燃料，炼焦基础研究主要集中在两个方面，一是满足高炉冶炼需要的焦炭质量研究；二是为满足质量要求的炼焦原理研究。

(1)焦炭质量研究。是根据高炉冶炼的真实需求对焦炭质量及其指标体系的系统研究。焦炭质量研究成果是改善焦炭质量的理论基础，能为炼焦生产及优化配煤，实现炼焦煤资源优化、合理利用指明方向，需长期研究积累。

(2)炼焦原理研究。焦炭质量研究成果对炼焦生产提出了要求，应据此研究炼焦原理。为满足高炉炼铁对焦炭质量的要求需要以炼焦原理研究成果为理论基础，开发研究炼焦新工艺技术、指导炼焦煤资源合理使用及生产管理与操作。

4  高炉冶炼与焦炭质量应相互协调

中国已经形成了世界第一规模的高炉炼铁和炼焦生产能力，协调好二者的关系是充分利用已有社会资源和炼焦煤资源，实现炼焦与炼铁行业可持续发展的重要措施。

(1)树立以经济、技术指标兼顾为高炉生产目标，转变以往追求高冶炼强度、高技术指标的高炉生产目标，实现炼铁与炼焦煤资源、焦化生产协调可持续发展。过高的冶炼强度和技术指标往往是以高燃料比和高质量焦炭为代价换来的，造成炼铁能耗和成本升高[13]。钢铁和焦化行业产能严重过剩、盈利空间被严重挤压并出现大面积亏损，使这一转变成为可能和必然。

(2)针对不同容积的高炉提供不同质量的焦炭，有效利用现有产能和合理利用炼焦煤资源、降低炼铁成本。

2011年，全国焦炭产量4．28亿吨，同比增长11．8％，全国大中小型钢铁企业自产焦炭总产量约1．46亿吨(含钢铁合资控股焦化企业产量)，占全国焦炭总量约34％，其余66％焦炭产量是由独立焦化企业生产的[1]。

采用富氧高喷煤比的大型高炉，由于焦炭在高炉停留时间延长，受到的各种劣化作用大，因此，要求焦炭的冷态强度高、热态性质好。而中小高炉对焦炭质量要求相对较低。中国钢铁行业中各种规格的高炉均有，其中大于1000m³以上容积的高炉有320座，其产能占总产能的60％；2010年重点钢铁企业高炉产能约5．5亿吨，1000 m³以下高炉产能约2亿吨，占总产能的36％[14]。为更好地利用炼焦煤资源、实现高炉炼铁高效、低成本，应针对不同容积高炉及不同喷煤量采用不同冷态强度(M₄₀、M₁₀)和热性质(不同CRI、CSR指标)的焦炭进行冶炼。对于1000 m³以下高炉可以不必过分追求焦炭质量，这可以大大缓解对优质焦煤的需求。

(3)开展捣固炼焦焦炭质量研究，充分利用捣固炼焦产能，降低炼铁成本。国内外的研究证明，捣固炼焦能明显改善焦炭质量或降低优质炼焦煤的配比，实现炼焦煤资源的合理利用。但由于捣固焦炭质量与常规顶装焦炭质量具有明显差异，炼铁企业对使用捣固焦炭尚有疑虑。而部分独立焦化企业不甚了解炼铁对焦炭质量的要求，盲目减少优质炼焦煤配比和提高装炉煤堆密度，使生产的捣固焦炭难以满足高炉生产需要。因此，炼铁与焦化工作者应联手加强捣固焦炭质量研究，建立捣固焦炭质量指标体系，更好指导捣固炼焦生产，为炼铁生产提供质优价廉的捣固焦炭。

(4)开展替代焦炭及喷吹煤的试验研究，充分利用半焦(兰炭)产品，降低炼铁成本。

20世纪70年代起，国内外钢铁企业开始研究将小块焦(15～25mm冶金焦炭)与铁矿石混装的方式应用于高炉炼铁。国内外工业生产实践证明，小块焦用于高炉炼铁是可行的。加入小块焦后可以提高高炉的透气性和透液性，提高CO的利用率；在铁矿石中适量加入小块焦，可以有效地保护入炉大块焦，减少大块焦炭过早参与碳溶反应，使其充分发挥骨架作用；同时还可以降低焦比、燃料比，减少优质炼焦煤的消耗提高企业经济效益。

德国研究者通过实验研究了小块冶金焦与铁矿石混合对高炉炼铁的影响机理，表明小块冶金焦与矿石混合装入高炉中，可以提高高炉块状带的透气性；在矿石中加入20％，(质量分数)的小块冶金焦高炉生产能力可以提高12．2％；可以减少大块冶金焦的碳溶反应，保护大块冶金焦；小块冶金焦的加入使软化熔融的金属铁及熔渣形成多孔体外壳，有利于CO等还原气体扩散到内部，进一步还原内部铁的氧化物提高铁矿石的还原率，在这种情况下还原反应的速度由气体的扩散速度和界面的化学反应速度决定；没有小块冶金焦时软化熔融的金属铁及熔渣形成致密的外壳，阻止CO等还原性气体扩散到内部，CO很难进一步还原致密金属铁外壳内包裹的铁的氧化物，使得在1100℃～1300℃，铁矿石的还原率随着温度的升高而降低[15]。

中钢热能院提出将块状半焦(兰炭)与铁矿石混匀后再与作为层焦的捣固焦分层装入高炉，将小粒度及粉末状兰炭作为喷吹燃料用于高炉炼铁的新技术。通过对神木兰炭(半焦)与冶金焦的试验研究得出结论，神木兰炭(半焦)与CO₂发生氧化还原反应的开始温度、剧烈反应温度都明显低于冶金焦，反应速度快于冶金焦，能较好的保护冶金焦，减少冶金焦与CO₂发生氧化还原反应，详见表4．1—4．3。利用半焦(兰炭)反应性高，易与CO₂反应并产生较多的CO特性，使其主要起还原剂作用，充分还原铁矿石；利用捣固焦低反应性、高强度，且有半焦(兰炭)易与CO₂反应而减少捣固焦与CO₂发生碳溶反应的保护作用，减少捣固焦因碳溶反应而引起的劣化，使捣固焦炭主要起料柱骨架作用，保证高炉的透气、透液性。半焦(兰炭)是以非炼焦煤为原料，经中、低温干馏炭化得到的炭质残留物，其价格约为冶金焦价格的一半左右。捣固焦炭因优质炼焦煤配比低于常规顶装焦炭，其价格也低于常规顶装焦炭。将块状半焦(兰炭)和捣固焦搭配用于高炉炼铁，为降低钢铁企业高炉炼铁生产成本，有效地节约优质炼焦煤资源开辟一条新的技术路线。

中国半焦(兰炭)和捣固炼焦生产规模分别达到5000万吨和10000多万吨。2011年半焦(兰炭)产量约2000万吨左右。半焦(兰炭)和捣固焦炭生产能力和产量为该技术在炼铁应用提供了可靠的物质基础。

在完成实验室研究工作基础上，进行了580m³高炉工业生产验证试验，已取得初步成功。证明以神木兰炭(半焦)作为部分燃料与捣固焦炭配合用于高炉炼铁是可行的。

5  结语

(1)中国焦化行业伴随中国钢铁行业的快速发展得到了长足发展。从焦炭产能、产量大幅度提高到大型焦炉和干熄焦、捣固炼焦等新工艺技术的应用，数量充足、质量稳定的焦炭供应为中国钢铁行业的快速发展提供了强有力的支撑并将继续为其提供可靠的支撑；

(2)树立以经济、技术指标兼顾为高炉生产目标，转变以往追求高冶炼强度、高技术指标的高炉生产目标，实现炼铁与炼焦煤资源、焦化生产协调可持续发展；

(3)针对不同容积的高炉提供不同质量的焦炭，有效利用现有产能和合理利用炼焦煤资源、降低炼铁成本；

(4)捣固炼焦技术可以改善焦炭质量，是合理利用炼焦煤资源、实现炼焦煤资源与炼焦行业和炼铁行业协调、可持续发展的重要技术措施。应加强捣固炼焦质量研究，建立捣固焦炭质量指标体系；

(5)开展替代焦炭及喷吹煤的试验研究，充分利用半焦(兰炭)产品，降低炼铁成本；

(6)炼铁和炼焦工作者应合作研究高炉冶炼对焦炭质量的真实需要，提出合理的焦炭质量及其指标体系。据此，炼焦工作者以炼焦原理研究成果为理论基础，开发研究炼焦新工艺技术、指导炼焦煤资源合理使用及生产管理与操作，促进焦化行业与煤资源协调、健康发展，进而实现钢铁行业可持续发展。

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