改善冶金焦炭热态性能的研究(硕士学位论文).doc

西安建筑科技大学硕士学位论文改善冶金焦炭热态性能的研究专 业：冶金工程作 者：邱 健导 师：华建社 副教授 兰新哲 教授 刘铁汉 高工摘 要八钢冶金焦炭的热态性能较差，已难以适应现代高炉生产的需要。为了改善焦炭反应性（CRI）、反应后强度（CSR）等热态性能指标，提高焦炭质量，本文立足新疆的煤炭资源现状，结合八钢实际，通过配煤、配添加物、炉外处理等方法，研究改善八钢冶金焦炭的热态性能。研究结果表明：以现有炼焦生产用煤为主体，配用高变质程度高惰性组分煤种及火烤煤，可有效抑制焦炭的反应性，在半工业试验条件下，试验所得焦炭的反应性(CRI)指标比现生产焦炭降低10%15%，达到了良好的效果；配添加物的效果不明显；采用炉外钝化处理的方式效果明显，但成本较高。大量试验数据的分析结果表明，坩埚试验所得焦炭的反应性与煤的反射率(Rmax)、校正惰性组分(I)、碱度指数(MBI)有显著的相关关系及规律；半工业试验焦炭的反应性与其显微结构完全线性相关。在此基础上，提出了进一步改善八钢冶金焦炭热态性能的建议。关 键 词：焦炭 配煤 炼焦 热态性能论文类型：应用研究Study of Improving the Heating Capability ofMetallurgical Coke of BISC.Speciality: metallurgical engineeringName: qiujian Instructor: Associate Prof. Hua Jianshe Prof. Lan XinzheProf. Liu TiehanABSTRACTThe heating capability of metallurgical coke was so worse that it could not adapt to the production demand of the Blast Furnace in BISC. Methods such as coal matching, adding additives, handling of coke outside oven to improve the heating capability of metallurgical coke were studied based upon the coal resource conditions of Xinjiang and BISCs practice.It is found out that the coke reactivity is effectively repressed with current corpus coal matching with high change degree and high inertia coal, as well as the fire roasts coal. Coke reaction index (CRI) is effectively reduced 10%15%. The effect of adding additives isnt in evidence. Adopting handling of coke outside oven is positive,however it is expensive.By analyzing a great deal of experimental data,relationship and regulation are found as follows: Reaction of the firepot-coke is related with the coal index of Rmax ,Iand MBI, reaction of the semi-industry coke is evidentively related with the micro-structure. By the way, suggestion is put forward for the further improvement.Key words: coke, coking, matching with the coal, heating capability of metallurgical cokeThesis: Application investigation56目 录1 绪论11.1 冶金焦炭的性能与用途11.1.1 冶金焦炭的性能11.1.2 冶金焦炭在高炉中的作用31.1.3 高炉炼铁对冶金焦炭性能的要求31.2 冶金焦炭在高炉中的劣化过程和劣化因素41.2.1 焦炭在高炉中的劣化过程41.2.2 焦炭在高炉中的劣化因素41.3 改善冶金焦炭质量的途径51.3.1我国焦炭质量现状51.3.2 我国炼焦煤资源状况对焦炭质量的影响61.3.3 改善焦炭质量的技术措施61.4 冶金焦炭热态性能的研究现状101.4.1 焦炭的显微结构及灰中矿物质对其热态性能的影响研究101.4.2 原料煤的煤质及配煤添加物对焦炭热态性能的影响研究111.4.3 炼焦工艺条件对焦炭热态性能的影响研究131.4.4 焦炭反应性和反应后强度的关系研究131.5 课题研究的内容与意义141.5.1 研究目的和意义141.5.2 研究方法141.5.3 研究内容152 试验用煤及配煤添加物的选择162.1 八钢生产用煤煤种162.2 试验用配煤煤种162.2.1 煤种的选择依据162.2.2 煤质评价方法172.3 配煤添加物的选择192.4 小结193 坩埚炼焦试验研究213.1 试验方法213.1.1配煤原则213.1.2 焦炭显微结构分析得到的启示223.1.3 坩埚炼焦试验方法233.2 坩埚焦炭质量评价方法243.2.1 化学分析243.2.2 冷态性能243.2.3 热态性能243.3 生产用煤坩埚炼焦试验研究253.3.1 单种煤试验253.3.2 配煤试验263.3.3 焦炭反应性与煤中惰性组分的关系273.4 三系列单种煤坩埚炼焦试验研究273.4.1 高变质程度高惰性组分煤试验273.4.2 低变质程度高惰性组分煤试验283.4.3 火烤煤试验283.4.4 讨论283.5 配用三系列煤种的三元配比试验研究283.6 多元配比的坩埚炼焦试验研究323.6.1 配添加物试验323.6.2 以艾矿、五宫、大武口煤为主体的多元配比试验323.7 小结324 半工业配煤炼焦试验研究364.1 试验焦炉简介364.2 焦炭质量评价方法374.2.1 化学分析374.2.2 物理性能374.2.3 冷态性能374.2.4 热态性能384.2.5 显微结构组成384.3 焦炭质量性能分析394.3.1 化学分析394.3.2 物理性能394.3.3 冷态性能404.3.4 热态性能404.3.5 显微结构组成414.4 坩埚试验结果的可靠性分析414.5 降低焦炭反应性的进一步验证试验414.6 小结425 焦炭钝化处理试验435.1 试验方法435.2 试验结果与分析讨论435.2.1 钝化剂的效果445.2.2 反应温度的影响445.2.3 反应性与溶碳损失445.2.4 处理方式与效果445.2.5 讨论455.3 小结456 分析和讨论466.1 焦炭反应性与煤的变质程度、惰性组分、矿物质的关系466.1.1 单种煤坩埚焦炭的反应性影响因素分析466.1.2 半工业配煤试验焦炭的反应性影响因素分析486.1.3 关于配煤的惰性组分486.2 半工业试验焦炭反应性与显微结构的关系486.2.1 半工业试验焦炭反应性与显微结构的线性关系486.2.2 半工业试验焦炭显微结构的反应性顺序497 结论与建议507.1 结论507.2 建议50致 谢52参考文献53附录：指标含义对照表561 绪论1.1 冶金焦炭的性能与用途1.1.1 冶金焦炭的性能焦炭是经炼焦过程即煤料在隔绝空气的条件下，从室温加热到100050经干燥、热解、熔融、粘结、固化、收缩等阶段而形成的。焦炭按其用途可分为冶金用焦、气化用焦、碳素材料用焦等。一般来说，如无特别指明，焦炭均指冶金焦炭。焦炭的主要性能指标如下：（1）焦炭平均粒度与粒度分布焦炭平均粒度和粒度分布指标是通过对焦炭的筛分得到的。该指标对高炉稳定操作和高产很重要。根据高炉容积、所用原料情况及高炉操作制度，对焦炭平均粒度有不同的要求。一般来讲，炉容大、喷吹煤时，希望粒度大些，粒度分布尽可能窄。（2）焦炭的机械强度焦炭的机械强度是冷态性能的一个关键指标。它的测试方法是取50Kg、粒度40mm的试样经米库姆转鼓100转后，分析焦炭的筛分组成。转鼓后40mm的焦炭占试样总重的百分数称为M40，转鼓后10mm的焦炭占试样总重的百分数称为M10。M40标志冷态抗裂强度，它对焦块从料钟落下到料柱上面和落下后再承受下披原料落下时的冲击，以及焦块在块状带阶段承受的压力具有一定是模拟性。但经块状带以后，焦块要经历碳溶反应和越来越高温度的热作用。按M40的检测过程，该指标不再有模拟性。M10标志冷态耐磨强度，它对焦块处于高炉块状带阶段，焦块与焦块、焦块与矿石、焦块与炉壁之间，在自上而下移动中的磨损有良好的模拟性。但当焦块行至块状带底部，温度超过850时，由于开始发生微弱的碳溶反应，M10就逐渐失去了模拟性。鞍山热能研究院与鞍山钢铁公司通过长期对入炉焦、风口焦及其它高炉冶炼技术经济指标的研究，提出不同容积高炉对焦炭质量指标的要求1，见表1.1。表1.1 不同容积高炉对焦炭质量指标的要求高炉容积M40%M10%Ad%1000m3级75778.08.214.518002500m3级78807.57.813.54000m3级85866.06.512.0这一指标的提出对指导炼铁及炼焦生产起到了积极作用。应当指出，为了追求更高的经济效益，进一步改善焦炭强度是一项重要手段。（3）焦炭的CO2反应性CRI与反应后强度CSR焦炭的CO2反应性CRI与反应后强度CSR是反映其热态性能的重要指标，其测定是取一定质量一定粒度的焦块从常温升温至一定温度，通CO2气体反应一定时间，再经I型转鼓后，分析其失重比率和筛分组成。反应性CRI是焦炭反应前后的失重比率，反应后强度CSR是反应后焦炭经I型转鼓一定转数后，大于某一粒度焦块的比率。这两个指标的测试，在一定程度上模拟了焦炭在高炉中的碳溶反应条件。生产统计表明每提高CSR1个单位，焦比下降0.41.5kg，产量增加0.6%左右。这是由于CO2反应后强度好，使得炉腹部分焦炭空隙度高，既有利于气流分布也使铁水易于渗透进入炉缸。至于焦比的降低，是由于高CSR值往往低反应性，使得炉身上部CO2反应减弱，CO利用率高所致。（4）焦炭的抗碱性与光学组织焦炭的光学组织是借助于偏光显微镜，根据焦炭微观结构的尺寸、光学特性的不同而人为划分的。一般分为各向同性、细粒镶嵌、粗粒镶嵌、流动状、片状、基础各向异性、类丝+破片等。对这几种结构进行赋值并求和得到焦炭的光学组织指数，用以表征焦炭的各向异性程度。焦炭光学组织指数可以作为焦炭抗碱性评价的参考性指标。焦炭光学组织主要取决于煤质特性，还与炼焦条件有关。一般来说，焦炭光学各向异性组织含量高，冷态强度好，CSR值也高，高炉冶炼指标也较好，国外大高炉用焦就属这种情况。宝钢采用型块配煤、干熄焦、大容积焦炉等技术生产的焦炭各向同性组分较高，CSR较国外焦炭低，但冷态强度很好，高炉冶炼指标也达到世界先进水平。（5）焦炭的其它指标焦炭热性能还有高温热转鼓、高温热强度等，这些指标从不同角度来说明焦炭对高炉冶炼的影响。1.1.2 冶金焦炭在高炉中的作用冶金焦作为高炉炼铁炉料的一个重要组成部分，其作用主要有三：提供热能；作为还原剂；作为支撑料柱的疏松骨架，保持良好的透气性。（1）提供热能。高炉冶炼过程需消耗大量的热量，这些热量主要来自于焦炭的燃烧。（2）作为还原剂。高炉中铁矿石的还原，主要是通过间接还原和直接还原实现的，不论间接还原还是直接还原都是通过CO来实现的，还原剂的作用就是不断地为还原反应提供必须的CO，因此作为还原剂应具有良好的气化反应能力。（3）作为料柱骨架。高炉生产要求料柱有良好是透气性、透液性，使炉料正常下降矿石充分还原，否则极易引起炉况不顺、炉缸堆积、风口烧坏。作为高炉骨架材料的冶金焦在风口区以上应能始终保持块状，从而使块间保留有一定的空隙度，因此焦炭必须具有较高的强度，特别是要具有良好的热态强度。现代高炉工艺最突出的特征是从风口喷吹燃料，近年来以喷吹煤粉为主，且喷吹量日益增大。在这种大量喷煤、低焦比的高炉操作时，焦炭的工作条件严重恶化，这就对焦炭质量提出更苛刻的要求，尤其是满足高炉的第三个作用显得至为重要。1.1.3 高炉炼铁对冶金焦炭性能的要求冶金焦炭在高炉中要承受强烈的机械破坏作用和高温热应力，要求焦炭有足够的冷态强度。不同容积的高炉对冷态性能的要求也不同。国家标准中焦炭的等级是根据焦炭的冷态性能来划分的。国内外大型高炉一般要求焦炭的冷态性能指标M4076%，M109%。由于焦炭在高炉中要经受强烈的碳溶反应，要求焦炭具有较好的热态性能。该指标已越来越被炼铁技术人员所重视。目前，国内外大、中型高炉所用焦炭的热态性能指标要求：反应性CRI35%，反应后强度CSR48%。对于300m3左右的高炉，一般认为CRI40%，CSR40%即可满足要求2。1.2 冶金焦炭在高炉中的劣化过程和劣化因素1.2.1 焦炭在高炉中的劣化过程块状带：在高炉内1000以下，焦炭处于块状带时，由于受到一定的机械作用，块度略有降低。在800以上温度区，碳溶反应开始发生，但反应程度低，对焦炭质量影响不大。软融带：温度在10001300左右。碳溶反应剧烈，溶损可达3040%，焦炭结构受到破坏，块度急剧下降，耐磨性显著降低。滴落带：焦炭处于1350以上的高温，此处碳溶反应已经减弱，对焦炭的破坏主要来自不断滴落的液渣和液铁的冲刷。风口回旋区：焦炭承受2000以上高温和快速旋风的撞击作用，并发生剧烈燃烧，焦炭迅速粉化。1.2.2 焦炭在高炉中的劣化因素焦炭在高炉中的劣化受以下因素的影响：（1）机械破坏作用机械破坏作用主要集中在块状带，焦炭受到相互撞击、磨损及承受上载炉料的压力。焦炭因在入炉前经辗转运送和从料钟落下，在块状带受到相互撞击、磨损，很容易开裂变成较小块焦，同时也增加焦炭的稳定性，但开裂只使块度减小，不会影响焦炭结构；如焦块不存在裂纹或已经过整粒，则该过程对焦炭质量的影响不大。对于焦炭在块状带承受的压力，原北京钢铁学院杨永宜曾对日本一高炉（4185m3）进行计算，得出焦炭在高炉承受最大静压力约为0.0735Mpa。即使在开炉前，焦炭承受的最大压力也只有0.13Mpa，而现代冶金焦耐压强度一般都在56Mpa，远超过计算值。这说明，单纯的机械力不是焦炭劣化的主要因素。至于焦炭在高炉块状带以下，焦炭除承受机械力外还遇到叠加的其它劣化因素时，机械力对焦炭劣化才起推波助澜的作用。（2）碳溶反应碳溶反应包括焦炭与CO2反应、焦炭与H2O反应两部分。焦炭与CO2反应（C+CO2=2CO）。该反应使焦炭结构松散，强度下降。焦炭与H2O反应（C+H2O=CO+H2）。随着富氧喷煤技术的发展，煤气中的H2含量显著增加。在1300时H2参与还原反应生成H2O，相当一部分H2O与焦炭反应，焦炭结构受到破坏。（3）焦炭的气孔结构和显微结构组成焦炭是多孔体脆性材料。其气孔参数与其机械强度和CO2反应性均有一定关系。焦炭在高炉内的气孔变化，与CO2反应密切相关。但大量研究发现，不同焦炭的气孔参数差别并不十分显著，且缺少严谨的规律性。焦炭不同显微结构的反应性不同，对焦炭劣化的影响程度不同。（4）灰分和碱金属焦炭中灰份高不仅影响高炉产量，增加造渣原料的成本和提高焦比，还促使焦炭在高炉中劣化。灰分高，焦炭的反应性上升，反应后强度下降。碱对焦炭的劣化作用由三种原因导致：K、Na与焦炭层片形成层间化合物，导致气孔壁疏松，裂纹增多，机械强度下降；碱金属对碳溶反应有催化作用，使焦炭反应性大幅度增高；碱金属还能降低碳溶反应的开始反应温度和激烈反应温度。（5）高温热应力国内外高炉解剖结果表明，焦炭质量劣化始于炉身下部，炉腹以下焦炭质量迅速降低，至回旋区则又一次明显劣化。在高炉内1300以上区域，除塔式结构外围区域，其他部位CO2浓度已很低，碳溶反应已不显著，热劣化可能是焦炭劣化的又一个重要因素。1.3 改善冶金焦炭质量的途径1.3.1我国焦炭质量现状我国焦炭灰分普遍在13%15%之间，只有宝钢、首钢在13%以下，而国外焦炭灰分一般不超过12%，而且普遍在10.5%以下。国外焦炭M40达80%90%，M10为5.5%7.5%。除宝钢以外，我国焦炭M40一般在75%80%之间，M10一般在7.5%8.5%之间1。焦炭质量差极大地影响了高炉冶炼指标。表现为高炉利用系数低，风口焦平均粒度小。对容积较大的高炉影响更大。这类质量较差的焦炭更不适于高炉富氧大煤量喷吹强化操作，这是炼铁和焦化工作者的共同认识。1992年以后各企业采取了调整配煤等技术措施，使焦炭质量有了不同程度的提高。1.3.2 我国炼焦煤资源状况对焦炭质量的影响我国煤炭储量丰富，煤种齐全，但炼焦煤资源紧缺仍是一个长期存在的紧迫问题。由于炼焦煤开采强度远大于其它煤种，致使我国煤炭探明储量中炼焦煤的比例呈逐年下降趋势。如何合理地利用和保护我国炼焦煤资源是实现煤炭工业和冶金工业可持续发展的一个重要课题。我国炼焦煤各煤种储量所占比例不协调，粘结性好的焦煤、肥煤不但数量少，而且灰、硫偏高，可洗性差。低灰硫的焦煤、肥煤极少。这就限制了我国炼焦配煤中强粘结性煤的配用量，世界上发达国家强粘结性煤在炼焦配煤中的比例占60%65%以上，而我国却只有50%左右，不得不多配一些储量丰富，低灰低硫的气煤等粘结性较弱的煤，以弥补优质炼焦煤的缺口，也略微降低焦炭的灰分和硫分。尽管各主要焦化厂在配煤研究中做了大量工作，因受煤资源和洗煤技术及能力的限制，加之各厂普遍没有建立新的炼焦技术，我国焦炭质量自90年代以来就总体而言，改观不大。由于高炉大型化和富氧大煤量喷吹强化冶炼操作，焦比较大幅度下降，焦炭在高炉内停留时间加长，受到机械、热、CO2溶损和碱侵蚀等破坏作用更加剧烈。焦炭必须具有在焦比下降的情况下，仍能保持较好的料层透气、透液性能。因此，必须结合我国焦炭质量现状和煤炭资源特点研究开发提高焦炭质量的工艺技术，满足高炉冶炼的需要。1.3.3 改善焦炭质量的技术措施我国焦炭质量主要问题是灰分高和强度差（包括机械强度和反应后强度）。特别是容积2000m3以上大高炉使用灰分高、强度差的焦炭严重影响高炉技木经济指标。（1）开展配煤试验炼焦煤的性质是决定焦炭质量的基本因素。所以，选择适当的炼焦煤及其配比是提高焦炭质量的首要措施。1992年前后，国内许多钢铁企业通过配煤试验研究，适当多配优质炼焦煤，焦炭质量都有不同程度的提高。因此，如何合理地利用山西等地的优质炼焦煤，是保护我国炼焦煤资源和保证煤炭企业和冶金企业可持续发展的重要问题，应引起足够重视，应加强炼焦煤的洗选和合理利用优质炼焦煤，使我国冶金焦质量上一个新台阶。随着对煤、焦炭性质和成焦机理的深入研究，以及不断总结配煤试验和生产实践经验，人们相继提出了许多预测焦炭强度的方法。鞍山热能院曾与鞍钢、酒钢、莱钢、八钢等焦化厂合作研究，分别提出了用配煤的挥发分与粘结指数、挥发分与胶质层厚度、挥发分与惰性组分，镜质组反射率与惰性组分等指标预测焦炭强度方法。这些方法在生产上应用，对提高焦炭强度和经济效益都取得了一定成效。（2）配型煤炼焦 配型煤炼焦工艺可改善焦炭M40l3个百分点，M10l4个百分点，反应后强度l5个百分点，由于该技术效果显著且容易在现有生产厂实施，所以日本已广泛采用并已向其它国家输出。鞍山热能院先后与宝钢、包钢、鞍钢、马钢和淮阴市冶金工业公司焦化厂等单位合作，开展配型煤炼焦研究工作，改善了焦炭质量。当包钢配煤中配入7%10%的东胜煤时，配型煤工艺比常规工艺对焦炭质量有较大幅度的改善。淮阴焦化厂配型煤炼焦工艺工业炉孔试验，当焦煤配入量降低15%20%，气煤配人量增加15%18%条件下，所得焦炭质量与常规生产方案的焦炭质量相比，M40增加2%3%，M10改善了1.0%0.5%，并为淮阴焦化厂选定一套简化的配型煤炼焦工艺。配型煤炼焦工艺对于粘结性较差挥发分较高的配煤改善效果更明显，因此，配型煤炼焦工艺很适合我国国情，既可用于老厂改造，也可用于新建焦化厂的配套备煤工艺。（3）选择粉碎选择粉碎工艺是将炼焦煤的粉碎与筛分或风力分离相结合，按煤种和岩相组成分别粉碎成不同粒度，既能消除大颗粒和将惰性组分细粉碎，又能防止活性组分过细粉碎，使炼焦装炉煤粒度组成合理，以提高煤的结焦性和减少焦炭裂纹。选择粉碎工艺在煤粒分离方法上有机械筛分和风力筛分两大类。与机械筛分相比，风力筛分不仅有单机生产能力大、投资低、电能消耗少、运行可靠等优点，而且风力筛分既可以像机械筛分一样把大颗粒煤分出，又可以把密度大的惰性组分和灰分高的煤分出，使之粉碎得更细，从而消除或减少裂纹中心，提高焦炭强度。风力选择粉碎工艺可使焦炭M40提高l4个百分点，M10降低l2个百分点，反应后强度提高l4个百分点。风力选择粉碎工艺技术是苏联开发的煤加工准备新工艺，已建成的三套工业生产装置一直正常主产。该技术已出口印度。前苏联的这项技术只适于水分小于9%的原料煤，而我国各焦化厂炼焦煤水分一般都在10%以上，不适于此工艺。为此，鞍山热能院与本钢合作开展了适合我国炼焦煤特点的煤调湿一风力选择粉碎联合工艺研究。我国炼焦配煤中难粉碎的气煤配比较高，风力选择粉碎工艺非常适合这一煤质特点。风力选择粉碎与煤调湿结合，不但可以提高焦炭质量，降低炼焦耗热量，还可以节约粉碎耗电。因此，在取得成功经验后应在有条件的或新建焦化厂中推广。（4）装炉煤水分控制、煤预热装炉煤水分控制（日本称“煤调湿”即CMC）是把装炉煤水分调整稳定在相对较低的水平（一般为5%6%），既可以达到增加效益的目的，又不致因水分过低而引起焦炉和回收系统操作困难。日本采用煤调湿技术可使焦炭M40提高l2个百分点，M10下降13个百分点。煤调湿装置的主要设备为湿煤干燥机和废气除尘器。调湿工艺基本上都是直接利用废热或余热锅炉发生的蒸汽为热源，与湿煤进行直接或间接换热。我国洗精煤脱水不好，炼焦装炉煤水分一般较高，达10%12%。按11%计，如果通过调湿将煤水分降至6%，则水分降低的幅度为5个百分点，是日本的1.6倍多，则效果会更加明显。煤预热是将煤预热到150250，该工艺可改善焦炭M40l6个百分点、M1025个百分点、反应后强度110个百分点。但该工艺因装炉困难，焦炉损坏较快等问题，近年来工业应用较少。（5）捣固炼焦工艺炼焦煤在炉外捣固，使堆密度增加到9501150kg/m3。一般可改善焦炭M4016个百分点，M1024个百分点，反应后强度16个百分点。多年来鞍山热能院对宝钢、鞍钢、本钢、马钢等厂的生产用煤和多用大同煤，多用东胜煤进行了200kg焦炉的捣固炼焦试验。19851988年针对华东地区气煤储量多，与马钢焦化厂合作，结合该厂的生产煤料可多用10%20%的高挥发分煤，采用相同配比捣固焦炭M40提高46个百分点，M10改善1.52.0个百分点。对于高挥发分的气煤类配比较高的炼焦配煤，捣固工艺能显著地改善焦炭强度。（6）配添加剂炼焦配添加剂工艺按添加剂种类可分为配粘结剂、配抗裂剂、配粘结剂和抗裂剂三种工艺。在工业生产上，粘结剂配入量约为3%7%；配粘结剂和抗裂剂时，配入量分别为10%和5%。一般可改善焦炭M40l3个百分点，M10l4个百分点。配粘结剂的焦炭抗碎强度、耐磨强度和反应后强度均得到改善。配焦粉能明显提高焦炭抗碎强度，而耐磨强度、反应后强度也变差。（7）型焦工艺型焦工艺是一种（有添加粘结剂或不添加粘结剂）把结焦性能较差的煤先压成型块，再高温炭化的新炼焦工艺。由于型焦工艺具有能连续生产，污染小、自动化程度高、弱粘结性煤用量可达70%100%，产品型焦块度均匀等优点，很多国家长期投入大量的开发力量。已开发出多种型焦工艺，并用型焦进行了不同规模的高炉冶炼试验。前苏联从50年代初开始研究不加粘结剂的热压型焦工艺，在乌克兰炼焦试验厂建了5t/h的工业试验装置，用多种不同煤料进行长期运转试验，所得型焦强度指标较好，并进行了多次高炉（675m3）冶炼试验，包括型焦配入量为100%的炼铁试验，取得了良好结果。日本从1978年开始开发用60%80%非炼焦煤，经干燥粉碎后与粘结剂混捏成型，然后在竖炉中炭化制取型焦的FCP工艺。1984年建了200td的中试装置，19861987年在4250m3的大高炉上进行了冶炼试验，共用型焦61万t。试验结果表明可以配用20%30%型焦。由于冷压型焦内部结构的不均匀性，其性质与常规焦炭相差较大（如型焦反应后强度较低），若想长期大量地用于高炉冶炼，还需较长时间积累高炉使用型焦的经验，必要时需对高炉操作或型焦配料情况进行深入的研究或调整。30多年来，鞍山热能研究院开发出了气体热载体、固体热载体热压型焦及冷压型焦等工艺技术。先后用大同弱粘煤、充州气煤、双鸭山（七星）长焰煤、东胜不粘煤、鹤壁瘦煤等单种煤或配部分粘结性煤或粘结剂，制得了质量较好的热压或冷压型焦，曾经进行了多次不同规模（最大为3万t/a）的型焦中间试验或工艺试验，部分型焦还做了高炉或冲天炉冶炼试验。热压型焦工艺分别在宁夏、大同和乌达逐步实施，可生产出灰分8%左右的优质冶金焦及铸造焦。（8）乌克兰煤化所开发的直立炉连续层状炼焦新工艺3该工艺主要特点如下：炉顶加煤后用垂直向下的压板以一定的压力推压新加入的一层煤料，从而使装炉煤的堆密度达到9501000kgm3，同时推动处于各个成焦阶段的下层煤（焦）料向下移动200300mm。燃烧室采用水平火道。单独调节各火道的加热温度，以保证处于不同成焦阶段的煤料得到最适合的加热速度，从而最大限度地利用煤料的粘结性，大大扩大不弱粘结性煤的用量。采用炉内干熄焦。该工艺集中了煤预热、捣固装煤、热压焦、干熄焦等技术于一身，是一种从装煤到出焦都在一个封闭的设备中连续进行的高度自动化、无污染的炼焦新工艺。在哈尔科夫炼焦试验厂1.0t/d半工业性试验装置上用以下组分的配煤：气煤70%、肥煤15%、弱粘结煤10%和贫煤5%，可以炼出强度M25为88%89%，M10为6.5%的焦炭，比传统工艺节约70%肥煤和焦煤。由于该工艺可大量使用粘结性较差、挥发分较高的气煤及弱粘煤等，非常适合我国煤炭资源特点，1996年，鞍山热能院与新疆头屯河农场用中国13焦煤在乌克兰哈尔科夫炼焦试验厂连续层状炼焦半工业性试验装置上，进行了炼焦试验，新取煤样在200kg试验焦炉制取的焦炭M40为50.0%、M10为12.0%。在乌克兰的半工业试验装置上制取的焦炭M40为70.2%，M10为7.5%。可见该工艺确实能明显地提高焦炭质量。1.4 冶金焦炭热态性能的研究现状1.4.1 焦炭的显微结构及灰中矿物质对其热态性能的影响研究焦炭的热态性能与其显微结构及其所含的矿物质密切相关。焦炭的显微结构包括焦质的显微组分和焦体的孔孢结构两部分。焦炭中的矿物质主要包括SiO2、Al2O3、CaO、MgO、Fe2O3、K2O、Na2O、P2O5等。日本阿不幸弘研究认为，当焦炭的冷态强度一定时，改善焦炭热态性能的炼焦技术应着眼于焦炭光学组织的反应性和反应后强度4。周师庸曾在无碱的条件下（即可忽略碱的影响）测定CO2反应前后各种焦炭显微组分的变化。结果表明，焦炭中各向异性效应愈强，其反应性愈低；各向异型效应愈弱，则反应性愈高。焦炭中各显微组分反应性大小顺序为：各向同性、类丝+破片细粒镶嵌粗粒镶嵌流动状片状结构5，其他研究者6也得到了相同的结论。但是，当焦炭中的碱含量达到一定程度时，其显微结构的反应性顺序会出现逆转7。武钢的研究8认为，在武钢高炉入炉原燃料含碱金属7Kg/t左右的条件下，焦炭在高炉的热稳定性与焦炭的显微结构有明显的相关关系。在有碱害的高炉中，焦炭的CRI、CSR与焦炭组分中的同性组分、惰性组分密切相关，焦炭中的同性、惰性组分提高，则CRI下降，CSR提高。一般认为，焦炭的各向异性程度愈高其抗碱能力愈弱，各向同性的抗碱能力最强。碱金属与焦炭发生“插入”反应，产生内部应力而破坏焦炭的强度。各向异性程度愈高的光学组织抵抗碱催化反应能力愈弱9。通过加碱后焦炭的反应性试验表明，各向异性含量高的焦炭加碱后反应速度的增量比各向异性含量少的焦炭的反应性增量要大得多。焦炭的热态性能与其孔壁厚度密切相关。气孔径较小且均匀的焦炭，虽然孔壁厚度较薄，其冷态强度可能较高，但其CSR可能较低。而对于反应性较高的焦炭，因孔壁受到较剧烈的碳溶反应使孔壁过薄导致CSR明显下降，解决的方法就是通过配煤或捣固等提高装炉堆密度的炼焦工艺，生产孔壁较厚且均匀的焦炭，来弥补反应性高带来的对反应后强度的不利影响10。1983年，鞍山热能研究院在进行八钢配煤炼焦试验中就注意到，八钢炼焦用基础煤-艾维尔沟煤炼制的焦炭，其热态性能与一般中等变质程度炼焦煤炼制的焦炭相比极差，与低变质程度弱粘结性的兖州气煤焦相仿11。其主要原因是：（1）八钢焦炭的显微结构组成中主要以粗粒镶嵌和流动状结构为主，高达60%以上，各向同性及类丝+破片的含量较少。焦炭中某些金属氧化物（K2O、Na2O、CaO、MgO、Al2O3、Fe2O3等）的存在，对焦炭的气化反应产生催化作用。尽管八钢焦炭中K2O+Na2O%的含量较少，但CaO、MgO、Al2O3、Fe2O3的含量还是很多的，不可忽视。英国学者H.Marsh认为：组成焦炭的各向同性组织比异性组织的抗碱性好。各向异性组织的有序碳结构在高温环境里，有利于K、Na等的渗透，形成层间化合物，易产生裂纹。各向同性的无定形碳结构有吸收裂纹的作用12。（2）八钢焦炭的气孔率较高，且孔大壁薄，导致焦炭的比表面积很大，从而使其反应性提高。王五喜、谢克昌等曾作过矿物质对焦炭CO2反应的影响研究，均认为矿物质对焦炭的反应性有着重要的影响。这种影响主要表现在矿物质对焦炭气化反应的催化和抑制作用1314。窦庆增认为，碱对组成焦炭孔壁材料各结构的气化反应的催化作用是不同的。各向同性结构有良好的抗碱性，它的存在可以起到缓解碱的作用15。而Michiharu Hatano研究认为：碱的存在对焦炭显微结构的溶损反应未有明显的选择性16。综上所述，在矿物质对反应性的影响不显著时，焦炭的各显微组分的反应性顺序应为各向同性、类丝+破片细粒镶嵌粗粒镶嵌流动状片状结构。而当矿物质对反应性的影响不可忽略时，则焦炭的各显微组分的CO2反应难易，研究者们的观点倾向于各向同性、类丝+破片结构的抗碱性优于各向异性结构。无论什么情况，焦体孔孢结构（气孔率、孔壁厚度、孔径大小及孔径分布等）对焦炭热态性能的影响是肯定的。因此，改善八钢焦炭的热态性能，应该主要研究在矿物质的不同影响下，寻找合理的焦炭显微结构组成。1.4.2 原料煤的煤质及配煤添加物对焦炭热态性能的影响研究影响焦炭热性质的因素有煤的变质程度、流动度、惰性组分含量和灰分中的碱性物含量等。国外有研究17认为，焦炭的反应性随煤阶（即变质程度）和有机惰性物的增加而降低，达到最小值后，又随煤阶和有机惰性物的增加而升高；焦炭的反应后强度则随煤阶和惰性物的增加而升高，达到最大值后，又随煤阶和惰性物的增加而降低。煤的流动度也是影响焦炭热性质的重要因素。最大流动度增加使焦炭反应后强度增加，反应性降低18,19,20。煤中含有一定数量的惰性物可能对焦炭的反应后强度有利。Hara21发现焦炭反应后强度随煤化程度和惰性组分的增加有一最佳值，有研究22认为，煤中惰性组分含量在20%左右时，其焦炭的反应性最低。其它研究14,23,24也注意到煤中含有一定数量的惰性组分对焦炭的热性质有利。此外，煤中的灰分和灰成分也影响焦炭的热态性能。各国在预测焦炭反应性时都意识到必须考虑煤中矿物质的催化作用，但因研究工作的深浅程度不同，所采用的指标各异18,23,24,25。一般以灰中碱性氧化物与酸性氧化物的比值为参数，称为碱性指数。其中比较完善的是加拿大Price提出的碱度指数MBI26，不过该指数仅将煤中矿物质分为正催化和负催化两大类，而在每类中并未考虑不同矿物质的催化作用程度不同。配煤添加物主要包括：（1）活性物：煤焦油、煤焦油沥青、石油沥青、塑料、橡胶等有很好粘结性的热塑性物质。（2）惰性物：无烟煤贫煤、半焦、焦粉、延迟焦、铁粉、矿粉等无粘结性物质。近年来，八钢曾经进行过配用石油延迟焦改善焦炭质量的研究，发现配入石油延迟焦后，焦炭的反应性CRI、反应后强度CSR值均提高。宝钢炼铁厂曾用软沥青作为型煤粘结剂进行过型煤炼焦试验，发现随着型煤中软沥青添加率的增加，焦炭的反应后强度有较大提高27。鞍山热能研究院1987年完成的鞍钢多用高挥发份煤的捣固炼焦试验证实，东北地区气煤的捣固效果显著。焦炭冷强度可提高2.42.9个百分点，其反应性基本不变，而反应后强度却有大幅度提高28。由于焦炭在高炉内的气化溶损反应主要在1100以上进行，该反应以扩散控制为主，即与炉内CO2气体的浓度、压力等有关。因此日本研究者们认为，炼焦时多配入高挥发份弱粘结性煤，以提高焦炭的反应性，使焦炭与CO2的反应控制在焦炭外表面进行，可减少扩散进入焦体内层的CO2量，从而降低焦炭强度劣化的速度。试验证明，高挥发份弱粘结性煤的配入量在20%左右，效果良好。济钢做过配用添加物的炼焦试验研究表明29：将一定量的沥青作为添加剂炼焦，不仅能起粘结作用，而且可以使煤料中的煤不同程度地改质，促进各向异性碳发展，从而增加了它们容纳惰性组分的能力，同时对气孔分布及加固气孔壁起一定的作用；在粘结性较充裕的煤料中，添加较大量的瘦化剂如焦粉，可使气孔率降低。对于平均气孔壁厚度增大，气孔平均直径减小有一定的作用。但焦粉加入后的交界面容易存在裂隙，这些裂隙不仅影响强度，而且往往是反应时的薄弱环节。因此，焦粉加入量以不大于3%，粒度小于0.2mm为宜。1.