焦炭是高爐冶煉的重要原料,，在高爐內(nèi)同時(shí)發(fā)揮鐵水滲碳劑,、發(fā)熱劑、還原劑和料柱骨架的作用,。因此,，對(duì)焦炭質(zhì)量的要求也是多方面的,。高爐煉鐵既要保證高爐爐況順行，又要保證較低的燃料比,。而這兩方面的要求往往相互矛盾,。從維持高爐下部的正常氣、固,、液,、粉四相對(duì)流運(yùn)動(dòng)出發(fā)，焦炭應(yīng)具有較高的熱強(qiáng)度,，而且高爐噴煤比越高,，要求焦炭的熱強(qiáng)度越高。而從能量利用的角度出發(fā),，則希望焦炭有較高的反應(yīng)性,。焦炭反應(yīng)性越高，熱保存區(qū)溫度越低,，浮氏體間接還原反應(yīng)的平衡點(diǎn)越向右移,，煤氣中CO的濃度與平衡濃度的差值增大，從而既增大了降焦?jié)摿?，又有利于高爐增產(chǎn),。因此,，高爐對(duì)焦炭質(zhì)量的要求是熱強(qiáng)度高，同時(shí)反應(yīng)性也高,。
業(yè)界追求“雙高”焦炭
生產(chǎn)同時(shí)滿足反應(yīng)性和熱強(qiáng)度要求的“雙高”焦炭,，是日本多年來的追求。日本最初采用的方法是降低炭化溫度和延長炭化時(shí)間,，隨后應(yīng)用了SCOPE21的綜合煉焦新工藝,，同時(shí)開展了向配煤中添加富CaO煤的研究，最近若干年來則集中研究了用鐵礦石作為催化劑的“雙高”焦炭制備方法,。這種“雙高”焦炭傳統(tǒng)上稱為鐵焦,。所謂鐵焦，是向煉焦配煤中添加一定比例的鐵礦石,，通過炭化得到的含有金屬鐵的一種焦炭,。由于金屬鐵對(duì)C+CO2=2CO反應(yīng)具有催化作用，鐵焦的反應(yīng)性明顯高于普通焦炭,。
將鐵焦與鐵礦石混裝入爐用于煉鐵,，其意義歸納起來有以下幾點(diǎn)：一是能夠較好地滿足高爐對(duì)焦炭性能的矛盾要求（前提條件是不降低對(duì)作為料柱骨架的大塊焦的性能要求，而且鐵焦的冷態(tài)強(qiáng)度和熱強(qiáng)度必須與常規(guī)焦炭基本相當(dāng)）,。二是擴(kuò)大降低焦比的潛力,，有利于提高高爐生產(chǎn)率。三是因?yàn)榕浼拥蔫F礦石在煉焦過程中已還原成金屬鐵,，也有降低焦比和提高產(chǎn)量的作用,。四是有利于合理利用煉焦煤資源。
鐵焦制備方法各有優(yōu)劣
鐵焦的制備方法目前主要有兩種：
一種是日本JFE公司的熱壓塊—豎爐法,，這種方法是將含有少量黏結(jié)劑的鐵礦石和煉焦配煤的混合物加熱到一定溫度,，用壓塊機(jī)制成一定形狀的團(tuán)礦，然后裝入豎爐型反應(yīng)器中進(jìn)行干餾,，最后制得形狀規(guī)整的鐵焦產(chǎn)品,。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是可以多配鐵礦石（鐵礦石配比最高可達(dá)30%），鐵焦的熱性質(zhì)較好,。但其缺點(diǎn)是工藝流程復(fù)雜,，單體裝置生產(chǎn)率低且難以大型化。而為了和大型高爐匹配,，須要將鐵焦的生產(chǎn)能力擴(kuò)大50倍,，這樣就會(huì)給車間總圖布置、生產(chǎn)組織帶來很多問題,。
另一種方法是日本新日鐵公司的傳統(tǒng)室式煉焦?fàn)t法,，曾在大型焦?fàn)t上做過工業(yè)性試驗(yàn)。它是將破碎到合適粒度的鐵礦石添加到配合煤的運(yùn)輸皮帶機(jī)上,，沒有設(shè)置專門的混勻設(shè)備,，而是在8條皮帶機(jī)的轉(zhuǎn)運(yùn)過程中實(shí)現(xiàn)配合煤與鐵礦石的均勻混合,。焦?fàn)t的裝煤方式為頂裝，熄焦方式為濕法,。為了防止配煤中鐵礦石對(duì)煉焦室硅磚爐壁的侵蝕破壞,，將爐壁溫度控制在1070℃左右。工業(yè)試驗(yàn)結(jié)果顯示,，鐵焦的冷強(qiáng)度符合實(shí)際高爐生產(chǎn)的要求，推焦作業(yè)順利,，沒有發(fā)生爐墻侵蝕現(xiàn)象,。雖然鐵礦石配比很低，只有6.5%,，但鐵焦的熱性質(zhì)仍然不夠理想（CRI=48.8%,，CSR=16.3%）。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是可以利用傳統(tǒng)的煉焦設(shè)備生產(chǎn)鐵焦,，產(chǎn)量大,，工藝成熟；缺點(diǎn)是鐵礦石配比較低,，而且熱性能較差,。
國內(nèi)武漢科技大學(xué)的思路也是采用傳統(tǒng)煉焦工藝生產(chǎn)鐵焦，但旨在通過系統(tǒng)的基礎(chǔ)研究和工藝研究,，在較高鐵礦石配比條件下生產(chǎn)出性能滿足高爐煉鐵要求的鐵焦產(chǎn)品,。為此，他們?cè)?kg實(shí)驗(yàn)室焦?fàn)t中進(jìn)行了鐵焦制備工藝的優(yōu)化研究,，試驗(yàn)參數(shù)包括：煉焦配煤中的低階煉焦煤配比和鐵礦石配比,，鐵礦石粒度，裝入煤的堆積密度,，煉焦溫度制度等,。
試驗(yàn)使用的煉焦用煤為配合煤，煤樣用雙輥破碎機(jī)粉碎,，然后過3mm的篩子,，細(xì)度不低于90%。向煉焦配煤中添加的3種鐵礦粉為加拿大精礦粉,、澳大利亞FMG粉和鄂西高磷鐵礦粉,，分別簡稱為加礦、澳礦和鄂西礦,。這3種礦粉中,，加礦的含鐵品位最高，對(duì)配合煤黏結(jié)性有不利影響的脈石含量最低,，不含結(jié)晶水,，而且其粒度分布也比較合理,。因此，在相同添加量和相同煉焦工藝條件下,，加礦鐵焦的各項(xiàng)性能均是最好的,。目前，實(shí)驗(yàn)室鐵焦的最佳性能如下：M25=85.07%,，M10=9.13%,，CSR=21.63%，CRI=64.07%,，其冷強(qiáng)度與寶鋼集團(tuán)八鋼公司高爐生產(chǎn)中使用的焦炭基本相當(dāng)（M25=91.1%,，M10=7.4%），而熱強(qiáng)度超過了新日鐵公司工業(yè)焦?fàn)t生產(chǎn)的鐵焦（CSR=16.3%,，CRI=48.8%）,。
鐵焦混裝加快還原反應(yīng)
鐵焦與鐵礦石混裝入爐，一方面因?yàn)楸舜司o密接觸而增加了反應(yīng)面積,；另一方面由于鐵焦氣化反應(yīng)的進(jìn)行消耗CO2而生成CO,，使得鐵焦周圍局部地區(qū)的還原勢(shì)增加，緊挨鐵焦的鐵礦石的CO擴(kuò)散通量增大,。鐵礦石反應(yīng)界面CO濃度升高,，從而加快還原反應(yīng)速度，一定時(shí)間內(nèi)的鐵礦石還原度增大,，這樣相應(yīng)減少了高爐下部氧化鐵的直接還原量,。
實(shí)驗(yàn)研究表明，900℃下,，有鐵焦時(shí)燒結(jié)礦的60min還原度比沒有鐵焦時(shí)增加了3.8個(gè)百分點(diǎn),，有鐵焦時(shí)球團(tuán)礦的60min還原度比沒有鐵焦時(shí)增加了1.28個(gè)百分點(diǎn)，僅是燒結(jié)礦還原度增加幅度的1/3,。按照GB/T 13241—1991測(cè)試的燒結(jié)礦和球團(tuán)礦的還原性分別為96.35%和79.98%,。因此，相對(duì)于燒結(jié)礦加鐵焦的情形,，球團(tuán)礦還原過程中的CO2生成速率較小,，CO濃度提高的幅度相應(yīng)也較低。這可能是混入鐵焦改善球團(tuán)礦還原性的效果趕不上混入燒結(jié)礦的原因,。
實(shí)驗(yàn)研究了溫度對(duì)球團(tuán)礦還原和鐵焦氣化耦合反應(yīng)的影響,，結(jié)果顯示，隨著反應(yīng)溫度升高,，混合試樣的總失重逐漸增大,。失重—溫度曲線的特點(diǎn)是反應(yīng)進(jìn)行到一定時(shí)間以后，曲線逐漸趨于平緩,，溫度低時(shí)的時(shí)間較長,，溫度高時(shí)的時(shí)間較短,。隨著反應(yīng)溫度升高，球團(tuán)礦的還原度增大,，鐵焦的氣化率也增加,，但還原度增加的幅度遠(yuǎn)小于氣化率增加的幅度，表明氣化生成的CO沒有完全消耗于球團(tuán)礦的還原上,。
為了深入了解混入鐵焦對(duì)燒結(jié)礦還原過程的影響,，研究人員應(yīng)用氣體分析儀測(cè)定了尾氣中的CO、CO2濃度隨時(shí)間的變化情況,。結(jié)果顯示,，對(duì)于500g燒結(jié)礦和15g鐵焦的混合試樣，還原進(jìn)行到1h時(shí)煤氣中CO濃度達(dá)到27%,，CO2濃度為16.72%，CO為38.24%,，略高于煤氣的37%初始CO,，但隨后很快會(huì)低于初始CO，即煤氣的實(shí)際還原勢(shì)超過初始還原勢(shì),。75g,、25g和15g 3種鐵焦用量的CO、CO2濃度曲線交叉點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間分別為3min,、22min和35min,，時(shí)間越短，意味著煤氣還原勢(shì)更早地超過初始還原勢(shì),。而隨著鐵焦混入量的增多,，反應(yīng)1h時(shí)的CO濃度明顯增大而CO2濃度逐漸減小。由此可以看出,，增加鐵焦用量能夠促進(jìn)鐵焦氣化和燒結(jié)礦還原的耦合反應(yīng),。
鐵焦混裝改善指標(biāo)促減排
研究人員在初渣試驗(yàn)爐中研究了鐵焦混裝對(duì)爐料初渣形成過程的影響。結(jié)果顯示,，在綜合爐料中混入鐵焦將使熔融區(qū)間（即試樣壓縮40%到開始滴落的溫度差）大幅度收窄,，最多從319℃減少到0℃。
在綜合爐料中混入鐵焦將使高爐軟熔帶的透氣性大幅度改善：最大壓差從8.48kPa降低到0.10kPa,，透氣性指數(shù)K值從610.9kPa·℃下降到49.3kPa·℃,。考慮到軟熔帶的壓降占高爐總壓降的60%以上,，因此,，采用鐵礦石與鐵焦混裝入爐工藝對(duì)高爐穩(wěn)定順行，改善利用系數(shù),、焦比,、煤比,、燃料比等經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)，降低生產(chǎn)成本等都將起到積極的作用,。
研究人員又對(duì)鐵焦混裝工藝的節(jié)能減排效果進(jìn)行了理論分析,，從熱力學(xué)角度計(jì)算證實(shí)，此工藝具有大約10kg/t鐵的降焦?jié)摿痛蠹s29kg/t的CO2減排潛力,。
下一步,，研究人員將創(chuàng)造條件開展工業(yè)性試驗(yàn)，爭取盡快實(shí)現(xiàn)高爐鐵焦混裝新工藝的實(shí)際應(yīng)用,。