基于高炉大型化的焦炭质量管理

高炉大型化是钢铁行业的总趋势，是降低成本和环境污染的必然途径，同时也是国家进行钢铁行业宏观调控的重要举措。高炉的大型化对焦炭质量的稳定提高提出了新的要求，同时也成为企业炼焦工作者需要解决和追求的目标。

一、基于高炉大型化的焦炭

质量管理的背景

随着钢铁工业的发展，高炉已由过去的几百立方米发展到现今的４０００立方米以上的大容积高炉，由于高炉容积日趋增大和风口喷煤量的逐渐增多，焦炭在高炉中的停留时间随之增长，焦炭在高炉中的劣化条件有所改变，再加上经济转轨过程中煤源出现了种种复杂的不易应付的局面，致使提高焦炭质量成为炼焦企业的一项经常性的紧迫任务，这无疑对焦炭质量有进一步的要求，各钢铁厂对不同容积高炉进行风口焦性质检测分析对比，以确定不同容积的高炉对焦炭质量的要求。

一是焦炭的质量要与高炉的炉容相匹配。实验研究和生产实践表明，与３００ｍ３高炉所用焦炭相比，２５００ｍ３高炉所用焦炭的抗碎强度Ｍ４０平均高出３．１％，反应后强度ＣＳＲ平均高出６．５％。同时，与３００ｍ３高炉的风口焦相比，２５００ｍ３高炉的风口焦反应性ＣＲＩ明显偏高，而反应后强度ＣＳＲ明显偏低。２５００ｍ３高炉风口焦平均粒度为３６．１ｍｍ，３００ｍ３高炉平均为４２ｍｍ。这说明焦炭在大容积高炉中，从炉顶到风口的劣化降级程度要远高于小容积高炉，所以大高炉用焦炭不仅要有足够的冷态强度，还要有与高炉容积相配的热态强度。

二是焦炭的热态性能与高炉技术指标相配比。随着喷煤水平的提高，入炉焦比不断降低，焦炭在高炉内停留时间加长，焦炭负荷增大了，这就对焦炭质量提出了更高的要求，通过对不同喷煤水平下的入炉焦和相应的风口焦的粒度组成、转鼓强度对比分析发现，随着煤比的提高，入炉焦比降低，风口焦与入炉焦平均粒度的差值呈增加趋势。这是由于随着煤比的提高和入炉焦比的降低，焦炭在高炉内劣化时间和程度有所增加的缘故。因此在保证焦炭灰分、硫分含量及冷态强度的前提下，要根据不同煤比，相应控制焦炭的反应性及反应后强度，只

基于高炉大型化的

焦炭质量管理

有焦炭热态性能得以改善，才能进一步提高高炉煤比，从而降低焦比，使生产成本降低，产生巨大的经济效益。

三是焦炭质量高低与提升高炉产能相匹配。焦炭灰分越低越好，灰分每降低ｌ％，炼铁焦比可降低２％，渣量减少２．７％－２．９％，高炉增产约２．０％－２．５％，硫分每增加０．１％，熔剂和焦比将分别增加２％，高炉产量则降低２％－５％。焦炭水分重要的是要稳定，否则将引起高炉炉况的波动，并给焦炭转鼓指标带来误差，另外焦炭水分大、在其外表面会裹上一层焦粉，这层细小的焦粉在后面的工序运行中难于去除，若进入高炉，将使炉况产生波动。

二、基于高炉大型化的焦炭质量

管理的必要性

一是扩大炼焦煤资源。焦煤和肥煤是炼焦用煤的基础煤种，开展炼焦配煤必须要保证一定比例的焦煤和肥煤，否则将不能保证焦炭质量符合要求。但是焦煤和肥煤又是炼焦用煤的紧缺煤种。焦炭中的硫对炼铁工序来说是有害物质，可使铁质变脆，影响铁水质量，配合煤硫分过高，将影响后续煤气脱硫工序的压力，影响煤气含硫量从而影响后续工序。因此高硫煤的配加比例一直受到各炼焦企业的控制和关注。开展高硫煤应用研究可扩大炼焦煤资源，缓解焦煤和肥煤的紧张局面。

二是提高和稳定焦炭热态强度。从炼焦用煤的煤质分析中可知，高炉所用高硫煤除硫分含量较高外，高硫焦煤的粘结性都达到甚至好于优质焦煤的粘结性。高硫肥煤较普通肥煤除硫分含量稍高外，高硫肥煤的粘结性也好于肥煤。反观普通焦煤，除硫分含量较低外，从粘结性、混煤程度及煤质稳定性来看，都与高硫焦煤有较大的差距。从平均最大反射率和反射率分布图看，高硫焦煤Ｒｍａｘ基本都在１．６％左右，并且各矿点高硫焦煤都比较稳定，煤场粗配时具有良好的重叠性。但普通焦煤混煤情况相当严重，大部分批次普通焦煤镜质组反射率分布图的标准偏差都在０．２以上，且混煤种类多样，各矿点普通焦煤的反射率分布重叠性不好，经煤场粗配后，反射率分布范围进一步加宽，不利于配合煤质量的稳定控制。因此，用部分高硫焦煤替代普通焦煤甚至部分优质焦煤，用高硫肥煤替代部分肥煤，有利于焦炭热态强度指标的稳定和提高。

三是降低配合煤成本。用较低的配合煤成本得到符合高炉质量要求的焦炭是炼焦企业不懈的追求。高硫煤因其硫分较高，为减少对后续工序生产（煤气净化、炼铁、炼钢等）及质量的影响，其配加比例一直受到国内各炼焦企业的严格控制。以采购高硫焦煤为例，高硫焦煤的价格每吨比优质焦煤低２００元左右，比普通焦煤每吨低１００元左右，比肥煤每吨低１５０元左右。因此在保证焦炭硫分达标的情况下，每提高１％的高硫煤配加比例，可降低配合煤成本１－２元／吨煤。按年产４００万吨焦炭计算，可降低配合煤成本４００－８００万元，效益巨大。

三、基于高炉大型化的焦炭质量

管理的措施

一是正确把握现代高炉操作对焦炭质量的要求。高炉内部结构由上至下分炉喉、炉身、炉腰、炉腹、炉缸五段，焦炭从炉顶依次分批装入炉内。高温空气（或富氧空气）由风口鼓入，使焦炭在风口前的回旋区内激烈燃烧。燃烧产生的热能是高炉冶炼过程的主要热源，燃烧反应后生成的ＣＯ作为高炉冶炼过程的主要还原剂。高炉中风口区以上始终保持块状的物料只有焦炭，尤其在滴落带，铁矿石和熔剂都已熔化，此时只有焦炭是对高炉炉料起支撑作用的骨架，并承受着铁水、液渣的冲刷。同时，焦炭在高炉中比其他炉料的堆积密度小，具有很大空隙度，因为焦炭体积占炉料总体积的３５％－５０％左右，所以起到疏松作用，使高炉中上升气体流动阻力小，气流均匀，成为高炉顺行必要条件。高炉焦炭要求一定块度组成和强度指标，就是为了在高炉中有良好的透气性。生铁中的碳全部来源于焦炭。进入生铁中的碳约占焦炭中含碳量的７％－１０％。焦炭中的碳从高炉软融带开始渗入铁内，最后可使生铁的碳含量达到４％左右。

因此，随着高炉的大型化，现代高炉操作对焦炭的质量要求一是焦炭要有较高的耐磨强度和抗碎强度，焦炭在从炉顶下落的过程中不至于因磨损或摔打而破碎，在到达高炉底部时其要保持一定的完整的块度；二是要有较低的反应性和反应后强度。这有这样才能确保焦炭在高炉底部燃烧时，能够保持长时间的完整性，发挥骨架作用，确保高炉操作过程中良好的透气性；三是要有较低的灰分和硫份。焦炭中的灰分和硫份都是有害物质，可能降低铁石质量，腐蚀高炉炉膛。

二是正确采取改善焦炭质量的技术措施。焦炭质量主要问题是灰分含量高和强度差（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

将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

择适当的炼焦煤及制定合理的配煤方案

是提高焦炭质量的首要措施。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。典型的预测方法主要有挥发份

与粘结指数、胶质层厚度、惰性组分之

间的关系等焦炭质量预测方法。各种预测方法的研究和生产实践，对提高焦炭质量，降低配合煤成本发挥了巨大作用。

（２）配型煤炼焦。配型煤炼焦工艺可改善焦炭抗碎强度１％－３％，耐磨强度１％－４％，反应后强度ｌ％－５％，配型煤炼焦工艺首先由日本开始采用并向中国等国家输出，此炼焦工艺对于提高焦炭质量方面效果显著并且易于实施。国内诸多企业都先后与鞍山焦耐院进行合作，开展了配型煤炼焦技术的应用和研究。配型煤炼焦工艺对于粘结性较差挥发分较高的配煤对焦炭质量的改善效果更明显，因此，配型煤炼焦工艺的广泛应用既可用于老厂改造，也可用于新建焦化厂的配套备煤工艺。

（３）选择性粉碎。配合煤的粉碎工艺有先配后粉、先粉后配、选择性粉碎等工艺过程。先粉后配工艺因其设备投资大，工艺流程复杂，基本不被采用。先配后粉工艺因流程简单，投资较少，是我国配合煤粉碎的主要工艺，但是先配后粉工艺有其缺点，无法根据煤的粘结性进行不同粒度的粉碎。一般来说，粘结性好的煤要求粗粉碎，但因粘结性好的煤易于粉碎从而粉碎成较小的粒度；相反粘结性相对较差的煤要求细粉碎，但因粘结性相对较差的煤难以粉碎从而得不到细粉碎，从而影响了配合煤的粘结性。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，使炼焦入炉煤粒度组成合理，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。风力筛分选择粉碎工艺有单机生产能力大、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。但是纯风力筛分工艺对于水分高于１０％的配合煤粉碎并不适合，因此鞍山焦耐院与一些炼焦企业合作开发了煤调湿和风力选择粉碎工艺的联合工艺。先通过煤调湿装置把配合煤水分降低到７￣９％，然后采用风力筛分选择粉碎，从而实现提高焦炭质量的目的

。

（４）煤调湿工艺。煤调湿工艺是把配合煤水分在装炉炼焦前调整到一个相对比较低的水平，一般为６％－７％，研究表明，煤调湿技术可使焦炭抗碎强度提高１％－２％，耐磨强度下降１％－３％。配合煤水分含量相对较低不但可以节约炼焦能源，降低炼焦成本，增加经济效益，而且研究表明配合煤煤水分含量６％－７％时堆密度较大，使配合煤在装炉后堆密度相对较大，有利于提高焦炭质量。另一方面，较低的装炉煤水分减少了焦化废水产生量，具有重要的环保意义。煤调湿装置的主要设备为湿煤干燥机和废气除尘器。煤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。

（５）捣固炼焦工艺。炼焦煤在炉外捣固，使堆密度增加到９５０－１１５０ｋｇ／ｍ３，一般可改善焦炭抗碎强度１￣６％，耐磨强度２％－４％，反应后强度１％－６％。捣固炼焦工艺因在炉外捣固，堆密度增加，配合煤的粉碎细度可以达到９０％以上。捣固炼焦工艺在多用于配煤结构以高挥发、弱粘结性煤为主的配合煤，且所炼焦炭质量明显提高。对于在目前优质炼焦煤紧缺的情况下，扩大炼焦煤源，降低炼焦企业炼焦配煤成本具有重要意义。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。

焦炭在高炉中起到了提供热源、还原剂和骨架的作用，焦炭质量尤其是焦炭热性质好坏对于高炉操作及铁水质量具有重要作用，我们期待着两者能有一个新的更好的融合。