从最近日本高炉操作看对焦炭质量的期待
2005-03-04 00:00 来源： 我的钢铁 作者：mysteel
摘要：根据以往有关焦炭质量和高炉操作之间关系的研究，对大型高炉今后在高生产率、低焦比条件下稳定操作所要求的焦炭质量执行了分析，同时对新一代炼焦工业（SCOPE212）的期待及其所具有的能满足上述大型高炉操作所要求的焦炭质量和特征进行了介绍。
关键词：焦炭质量 SCOPE21 大型高炉 高生产率 低焦比
0 前言
随着最近10年高炉向大型化和操作人员合理化的方向发展，日本钢铁行业炼铁部门开发了许多应对这种发展的技术，如大量使用廉价低品位原燃料的技术、延长高炉和焦炉寿命的措施、采用大喷煤比操作进行节能和降成本的技术，钢铁厂废弃物再利用技术和环保技术等。
在考虑到日本能源状况的情况下，毫无疑问高炉法仍将是比其他炼铁工艺更好的炼铁法。但是，随着中国钢铁的迅速发展，原燃料供求的不平衡、原燃料品位的下降，加之随着焦炉的老化，焦炭生产能力不足的问题越来越明显。在这种情况下，为达到节能和降低成本的目标，迫切要求高炉采用降低还原剂（RAR）消耗、降低焦比（CR）的操作技术，尤其是要采用稳定高炉生产的操作技术。
为解决这些课题，有必要根据原燃料质量对高炉内反应的影响进行定量评价，优化从原料到铁水质量等一系列生产工序，确立在临界RAR（低CR）下稳定高炉生产的操作技术。
我们着眼于高炉下部的反应，尤其是焦炭质量对炉内透气性和透液性的重要影响，并根据以往有关高炉内部解析的见解，对今后高炉操作所要求的焦炭质量进行了分析。尤其是对新一代焦炉（SCOPE21）的期待进行了介绍。
1 根据解体调查结果分析高炉下部焦炭的行为
1.1 焦炭质量对高炉操作的影响
从20世纪60年代到70年代前期，各钢铁公司的高炉容积从1000m3扩大到接近3000 m3，在高炉大型化的进程中，频繁发生由于炉料分布不均匀导致炉内气沟形成等操作故障，造成软融带变得脆弱和焦炭变化，因此焦炭质量的重要性已引起炼铁工作者的重视。
另一方面，根据当时的高炉解体调查结果，明确了高炉存在着软融带以及焦炭在高炉下部包括在炉缸中心死料柱和风口回旋区的填充机理。1977年在对新日铁名古屋厂1号高炉（第二代炉役、2518 m3）进行停风时采用氮气冷却法替代以往的打水冷却，冷却后进行了炉体解体调查。它是按照炉径方向的不同位置对炉内高度方向（以出铁口为基准：距离风口平面3.6m）焦炭的平均粒度和mm粉化率的状况进行调查。
从炉身上段和中段（距离出铁口20-14m）焦炭的平均粒度下降，但从炉身上段到下段（距离出铁口14-9m）焦炭的平均粒度基本不变，即使是在炉径方向，也几乎没有差别。从炉身下段到风口上方（距离出铁口9-4m）焦炭的平均粒度迅速减小，但在风口以下处几乎没有发生变化。另一方面，-10mm粉率从炉身上段到中段沿高炉方向几乎没有产生差别，但在炉中心部和中间部沿炉径方向的-10mm粉率在5%以下，只有炉墙部的粉率呈高值在20%以上。从炉身中段到下段沿炉径方向各位置中的-10mm粉率基本相同，但有逐渐增大的趋势，从炉身下段到风口上方-10mm粉率迅速增加，在此以下区域的粉率与风口上方的粉率基本相同。
在软融带区域中，焦炭冷态强度从碳素溶解反应活跃的1000-1400℃区域的炉身下段开始下降，但平均粒度没有发生变化。在风口回旋区上方区域中的焦炭冷态强度从1400-1600℃的软融带下面开始有所上升。不仅焦炭的平均粒度迅速减小，而且粉率迅速增加。由于焦炭的粉化率对炉下部的透气性和透液性有很大影响，因此人们已认识到焦炭强度的重要性。
1.2 焦炭发生粉化的位置和发展机理
武田等人根据千叶厂1号高炉的解体调查结果，研究了焦炭在炉内产生粉化的机理，并将焦炭发生粉化的位置以风口上方3.5m附近为界限分为两个区域，一个是造成焦炭产生体积破坏的区域，其产生的主要原因是在界限上方因碳素溶解反应和碱的作用造成焦炭劣化所致；另一个是造成焦炭产生表面磨损的区域，它是由于伴随着界限以下的焦炭燃烧和碳素溶解反应，使焦炭运动活跃，导致了焦炭产生表面磨损。
焦炭在高炉内发生粉化的主要区域是炉下部滴下带和风口回旋区内，焦炭的破坏形态可分为体积破坏和表面磨损这两类。尤其是，焦炭的劣化和粉化是因以下3个反应而产生：a.CO2引起的气化反映；b.焦炭和溶融FeO的接触产生还原反应；c.焦炭和溶融金属的接触产生渗碳反应。作为对焦炭表面磨损产生影响的主要因素是a和c，对焦炭体积破坏产生影响的主要因素是b。根据上述分析可以推定在炉下部滴下带由于a-c的反应，焦炭会发生体积破坏和表面磨损；在风口回旋区内由于a的反应，焦炭会发生表面磨损；焦炭由于体积破坏和表面磨损，结果就产生了粉化。在风口回旋区内焦炭几乎不会因c的反应而产生劣化，在炉缸中心死料柱内焦炭要经过很长时间才会发生劣化。除此之外，H2O产生的气化速度比CO2更快的影响也是不可忽视的。虽然有关这种影响已从焦炭粉化的机理方面进行了研究，但仍不够完善。
关于b的反应，笠井等人和砂原等人进行了研究。笠井等人对焦炭与溶融FeO的反应量对焦炭劣化量（粒径减小、粉化发生量）的影响进行了基础调查。还有的研究对CO2气化后产生焦炭劣化的差异进行了比较研究，指出溶融FeO和焦炭的反应是一种反应界面面积小的局部表面反应，且反应层薄，它与反应界面积大且形成厚的劣化层的CO2气化反应不同。在溶融FeO和焦炭的反应过程中，虽然粉的发生率低，但粉容易发生细化，提高焦炭的冷态强度有助于抑制粉的细化。
2 在高炉大型化和大喷煤比操作情况下焦炭质量和高炉操作的关系
2.1 炉身上部的透气性和焦炭质量的关系
关于炉身部的透气性和焦炭质量的关系人们了解的很少。这是因为包括还原粉化在内的烧结矿的粒度对炉身部透气性起着支配作用的缘故。还有的研究认为焦炭粒度的上升反而会助长高炉边缘的煤气流。为确保炉身部的透气性，有必要对装料方式进行研究，或加大装入中心部焦炭的粒径，或采用促进粒度偏析的装料方法。
2.2 软融带附近的反应和焦炭质量的关系
焦炭的冷态强度是指在常温下的焦炭强度，严格说来它不是指在高炉内温度下或炉内气氛温度下的焦炭温度。根据上述认识对焦炭强度指标进行了研究，提出了（CSR）焦炭反应后强度这一指标，强度指标考虑到了在软融带附近（1000℃以上、CO2富集）的焦炭的气化反应。使用CSR不同的焦炭在实际高炉中进行了试验，确认了在CRS低时会发生入炉料下降异常的现象，从而认识到了CSR指标的重要性。但是，有的钢铁公司并没有把这一指标作为管理指标进行测定，因此对这一指标进行再评价是今后的课题。
另外，最近作为降低RAR的手段，提出了使用高反应性焦炭的方法。使用这种焦炭通过降低高炉保存带温度，可以使W点（方铁矿——铁还原平衡点）向煤气利用率高的一侧移动。使用高反应性焦炭提高高炉内反应效率的技术有助于减少碳酸气体的发生量。但是，由于热保存带温度会下降，因此有必要从烧结矿被渊源性的角度出发对该技术进行同步研究。
2.3 炉下部的反应性和焦炭质量的关系
以前有的研究认为，喷煤会使焦炭在高炉下部发生粉化和焦粉堆积变得严重，从而导致高炉透气性变差。风口回旋区内是焦粉产生的源头和焦粉产生的主要区域，关于风口回旋区内焦炭发生粉化的机理等仍有许多不明之处。山口等人采用燃烧炉对风口回旋区内焦炭发生粉化和粉煤燃烧的关系进行了调查，在大喷煤比的情况下，焦炭发生粉化的量增加，这是由于风口回旋区内的O2会使焦炭产生气化，结果焦炭的劣化部分不会消失，从而导致因CO2而产生的气化反应量增加，提高焦炭的反应性有助于防止焦炭发生粉化。另外，笠井等人也进行了相同的试验，指出使用反应性高的焦炭可以抑制焦炭发生粉化。武田等人采用小型燃烧炉进行了试验，结果表明随着喷煤量的增加，焦炭发生粉化的量会增加。清水等人在实际高炉上进行了喷煤比为200kg/t的试验，并对炉缸中心死料柱中间部焦炭粉化率的变化进行了调查，指出在喷煤比提高到110kg/t的过程中焦炭的粉化率会急剧增加。但是，他们认为即使在大喷煤比的情况下，焦粉大部分是在炉上部发生的。佐藤等人通过热态模型的燃烧实验和模型计算，对粉煤燃烧时焦炭的反应行为进行了评价，并对风口前氧化区和风口回旋区深处的碳素溶解反应区的反应量差异进行了推定，结果认为，缩小风口前氧化区后消除焦炭劣化层的能力会下降，从而导致焦炭粉化量增加。
还有的对焦炭冷态强度（DI）和反应性（CRI）与风口回旋区内焦炭发生粉化的关系进行了研究，他们认为，如果只从风口回旋区来看，使用高反应性焦炭可以减小劣化层的厚度。另一方面，从炉中部到炉上部焦炭的冷态强度当然也是很重要的，最好是使用基质强度高的焦炭，而且高反应性焦炭有助于减少焦炭的粉化量。但是，由于普通冶金用焦炭的DI和CRI具有相反的关系，两者的相互作用决定了焦炭的粉化量。在实际生产中大部分高炉都实施大喷煤操作，并通过使用冷态强度高的焦炭，减少焦炭的粉化发生量。
2.4 高炉大型化和焦炭质量的关系
随着高炉容积的扩大，焦炭在炉内承受的负荷和冲击力会增大，焦炭的劣化会变得厉害。大竹等人根据高炉容积和高炉休风时从风口部取样焦炭的抗压强度的关系，指出高炉越大，焦炭的抗压强度越低。原口等人根据高炉容积和高炉解体调查结果，研究了高炉容积和炉内焦炭粒径下降率（入炉的焦炭粒径——风口部取样焦炭粒径/入炉焦炭粒径）的关系，指出高炉越大，焦炭的粒径下降率越大。根据上述见解可以认为，随着高炉的大型化应使用冷态强度（DI）高的焦炭。
3 大型高炉高生产率低焦比操作所要求的焦炭质量
3.1 高炉高利用系数低焦比操作的焦炭质量
从日本国内的高炉来看，随着高炉利用系数的提高，喷煤比会下降，但中国宝钢和韩国浦项的高炉不仅做到高的利用系数，而且喷煤比高达200kg/t。作为高喷煤比操作时的主要课题之一是高矿/焦下的高炉稳定操作技术，它受原燃料质量，尤其是受原燃料的强度和粒度的影响。1999年君津2号高炉通过提高烧结矿和焦炭的冷态强度，实现高的喷煤比操作，宝钢和浦项由于焦炭的冷态强度（DI=87-89）高，因此做到高利用系数和高喷煤比操作。
3.2 从炉内现象看高生产率低焦比操作的焦炭质量
以下就大型高炉高生产率、低焦比操作时根据炉内现象所提出的焦炭质量要求进行介绍。
随着高炉的大型化，作为表示风口中心平面的风口回旋区空间所占面积的指标之一，即炉缸有效断面积比例（π×（炉缸直径/2）2-π×（炉缸直径/2-风口回旋区深度（假设为1.5m））2）/(π×（炉缸直径/2）2)缩小了。上述指标的缩小会使炉下部入炉料下降区域相对缩小，从而导致溶解能力下降和传热不足，炉缸中心死料柱有可能变得不活跃。
尤其是在高生产率、低焦比损伤情况下，从稳定炉料下降的观点来看，必须确保炉下部的透气性和透液性；从确保出铁出渣稳定的观点来看，必须确保炉缸的透液性。因此，提高焦炭粒度是不可或缺的。但是，为提高焦炭生产率，焦炉采取了提高干馏温度的手段，这样会导致焦炭粒度的下降，难以同时满足焦炭的生产率和强度的要求。因此，作为提高装入炉缸中心死料柱的焦炭粒度和强度的方法，人们对焦炭中心装入法寄予了很大的希望。除此之外，调整筛子网目，提高块焦的粒度，将筛子的大量的小块焦装入炉内的方法也是很重要的。
另外，为确保炉缸中心死料柱内的透气性和透液性，不仅要提高焦炭质量，还要提高烧结矿质量，其中还包括对烧结矿的还原率和渣的流动性进行研究。
4 低品位燃料大量使用技术的开发经过和质量改善情况
4.1 煤预处理技术的开发
为降低铁水成本，日本充分利用廉价煤资源，除了改进配煤技术外，还积极开发煤的预处理技术。具体说来有煤的调湿技术、粉煤的成型技术以及采用煤的破碎选择技术提高焦炭的冷态强度。将提高焦炭冷态强度的部分转向到增加非煤焦煤的使用，大幅度提高了非炼焦煤的使用比例，降低了还原剂的成本。
4.2 降低煤水分改善焦炭质量技术的例子
1983年煤水分控制技术已在实际焦炉上采用。1992年DAPS（Dry-cleaned and Agglomerated Precompaction System）技术开始应用于实际焦炉，在煤的水分为3%-4%的情况下，非炼焦煤的使用比例达到40%-50%左右。
根据煤水分和松装比重的关系可知，提高煤的松装比重可以提高焦炭的冷态强度（DI）。尤其是采用DAPS技术记性粉煤成型时，焦炉的石墨粘着量减少，当水分为2%时，焦炉生产率达到了130%。
灵活应对资源的变化是炼铁工作者的使命。日本钢铁业在最近10年对廉价劣质原燃料的使用问题进行了激烈的争论。这是因为在钢铁生产量增加不可期盼的过程中，为了生存而进行的努力所致。在今后世界高品位原燃料日益枯竭的过程中，使用低品位原燃料技术将是首选技术。
5 对SCOPE21的期待
日本焦炉的寿命自投产开始后平均为32年。最长炉岭已接近39年，随着焦炉炉体的老化加快，在最近10年内焦炉将依此寿终正寝。另一方面，世界钢产量急剧增加，在这种情况下，炼焦煤资源的供给更加紧张。在迫切希望进一步扩大资源量丰富的非炼焦煤使用的同时，可以预计日本从中国进口的焦炭量将大幅度减少。在这种资源状况和强烈要求减少CO2排放的情况下，对炼铁工艺的要求是增大低品位原料的使用比例、减少还原剂消耗（降低焦比）、稳定高生产率操作。新一代焦炉，即SCOPE21是实现上述要求的最好方法。它具有如下特征：
1） 新一代焦炉是一种资源灵活使用的生产工艺，它能对低品位原料进行改质，生产出高品位的焦炭。尤其是在炼焦煤日益枯竭的状况下，它至少能使用50%以上的非炼焦煤。
2） SCOPE21是一种节能（降低成本）的工艺。由于CO2等问题的困扰，因此节能问题将是今后重要的课题。首先，在最大限度做到焦炉节能的同时，根据焦炭质量最佳化的要求，重要的是对从焦化原料到高炉冶炼的整个节能工艺进行最佳设计。
3） 为满足未来的高炉低焦比（高喷煤比）操作的需要，SCOPE21能提供高品位焦炭。根据世界低焦比操作实绩和此次整理的炉内焦炭质量劣化机理的判断，可以推算在对高炉大型化和高生产率要求日益强烈的情况下，焦炭冷态强度将比以往显得更加重要。为确保炉下部的透气性和透液性，必须优化焦炭和矿石（烧结矿）质量的组合。
4） SCOPE21的寿命将比现有焦炉寿命长。控制焦炉寿命的主要因素是炭化室炉壁的强度。为延长焦炉寿命，重要的是要对炉体设备和操作进行设计，其中包括耐火砖的构造设计和燃料管理在内，以保证焦炉操作的稳定性。
5） SCOPE21是一种有利于环保的生产工艺。除了对NOX、SOX和煤尘浓度的管理要求高外，最近还强化了对二恶英类污染物排放浓度标准的管理。将排放污染物降到最低程度当然是最理想的，因此SCOPE21是人们寻求的超前工艺。
廖建国
（福建省三钢集团公司科技处 三明 365000）
关键词：焦炭质量 SCOPE21 大型高炉 高生产率 低焦比
0 前言
随着最近10年高炉向大型化和操作人员合理化的方向发展，日本钢铁行业炼铁部门开发了许多应对这种发展的技术，如大量使用廉价低品位原燃料的技术、延长高炉和焦炉寿命的措施、采用大喷煤比操作进行节能和降成本的技术，钢铁厂废弃物再利用技术和环保技术等。
在考虑到日本能源状况的情况下，毫无疑问高炉法仍将是比其他炼铁工艺更好的炼铁法。但是，随着中国钢铁的迅速发展，原燃料供求的不平衡、原燃料品位的下降，加之随着焦炉的老化，焦炭生产能力不足的问题越来越明显。在这种情况下，为达到节能和降低成本的目标，迫切要求高炉采用降低还原剂（RAR）消耗、降低焦比（CR）的操作技术，尤其是要采用稳定高炉生产的操作技术。
为解决这些课题，有必要根据原燃料质量对高炉内反应的影响进行定量评价，优化从原料到铁水质量等一系列生产工序，确立在临界RAR（低CR）下稳定高炉生产的操作技术。
我们着眼于高炉下部的反应，尤其是焦炭质量对炉内透气性和透液性的重要影响，并根据以往有关高炉内部解析的见解，对今后高炉操作所要求的焦炭质量进行了分析。尤其是对新一代焦炉（SCOPE21）的期待进行了介绍。
1 根据解体调查结果分析高炉下部焦炭的行为
1.1 焦炭质量对高炉操作的影响
从20世纪60年代到70年代前期，各钢铁公司的高炉容积从1000m3扩大到接近3000 m3，在高炉大型化的进程中，频繁发生由于炉料分布不均匀导致炉内气沟形成等操作故障，造成软融带变得脆弱和焦炭变化，因此焦炭质量的重要性已引起炼铁工作者的重视。
另一方面，根据当时的高炉解体调查结果，明确了高炉存在着软融带以及焦炭在高炉下部包括在炉缸中心死料柱和风口回旋区的填充机理。1977年在对新日铁名古屋厂1号高炉（第二代炉役、2518 m3）进行停风时采用氮气冷却法替代以往的打水冷却，冷却后进行了炉体解体调查。它是按照炉径方向的不同位置对炉内高度方向（以出铁口为基准：距离风口平面3.6m）焦炭的平均粒度和mm粉化率的状况进行调查。
从炉身上段和中段（距离出铁口20-14m）焦炭的平均粒度下降，但从炉身上段到下段（距离出铁口14-9m）焦炭的平均粒度基本不变，即使是在炉径方向，也几乎没有差别。从炉身下段到风口上方（距离出铁口9-4m）焦炭的平均粒度迅速减小，但在风口以下处几乎没有发生变化。另一方面，-10mm粉率从炉身上段到中段沿高炉方向几乎没有产生差别，但在炉中心部和中间部沿炉径方向的-10mm粉率在5%以下，只有炉墙部的粉率呈高值在20%以上。从炉身中段到下段沿炉径方向各位置中的-10mm粉率基本相同，但有逐渐增大的趋势，从炉身下段到风口上方-10mm粉率迅速增加，在此以下区域的粉率与风口上方的粉率基本相同。
在软融带区域中，焦炭冷态强度从碳素溶解反应活跃的1000-1400℃区域的炉身下段开始下降，但平均粒度没有发生变化。在风口回旋区上方区域中的焦炭冷态强度从1400-1600℃的软融带下面开始有所上升。不仅焦炭的平均粒度迅速减小，而且粉率迅速增加。由于焦炭的粉化率对炉下部的透气性和透液性有很大影响，因此人们已认识到焦炭强度的重要性。
1.2 焦炭发生粉化的位置和发展机理
武田等人根据千叶厂1号高炉的解体调查结果，研究了焦炭在炉内产生粉化的机理，并将焦炭发生粉化的位置以风口上方3.5m附近为界限分为两个区域，一个是造成焦炭产生体积破坏的区域，其产生的主要原因是在界限上方因碳素溶解反应和碱的作用造成焦炭劣化所致；另一个是造成焦炭产生表面磨损的区域，它是由于伴随着界限以下的焦炭燃烧和碳素溶解反应，使焦炭运动活跃，导致了焦炭产生表面磨损。
焦炭在高炉内发生粉化的主要区域是炉下部滴下带和风口回旋区内，焦炭的破坏形态可分为体积破坏和表面磨损这两类。尤其是，焦炭的劣化和粉化是因以下3个反应而产生：a.CO2引起的气化反映；b.焦炭和溶融FeO的接触产生还原反应；c.焦炭和溶融金属的接触产生渗碳反应。作为对焦炭表面磨损产生影响的主要因素是a和c，对焦炭体积破坏产生影响的主要因素是b。根据上述分析可以推定在炉下部滴下带由于a-c的反应，焦炭会发生体积破坏和表面磨损；在风口回旋区内由于a的反应，焦炭会发生表面磨损；焦炭由于体积破坏和表面磨损，结果就产生了粉化。在风口回旋区内焦炭几乎不会因c的反应而产生劣化，在炉缸中心死料柱内焦炭要经过很长时间才会发生劣化。除此之外，H2O产生的气化速度比CO2更快的影响也是不可忽视的。虽然有关这种影响已从焦炭粉化的机理方面进行了研究，但仍不够完善。
关于b的反应，笠井等人和砂原等人进行了研究。笠井等人对焦炭与溶融FeO的反应量对焦炭劣化量（粒径减小、粉化发生量）的影响进行了基础调查。还有的研究对CO2气化后产生焦炭劣化的差异进行了比较研究，指出溶融FeO和焦炭的反应是一种反应界面面积小的局部表面反应，且反应层薄，它与反应界面积大且形成厚的劣化层的CO2气化反应不同。在溶融FeO和焦炭的反应过程中，虽然粉的发生率低，但粉容易发生细化，提高焦炭的冷态强度有助于抑制粉的细化。
2 在高炉大型化和大喷煤比操作情况下焦炭质量和高炉操作的关系
2.1 炉身上部的透气性和焦炭质量的关系
关于炉身部的透气性和焦炭质量的关系人们了解的很少。这是因为包括还原粉化在内的烧结矿的粒度对炉身部透气性起着支配作用的缘故。还有的研究认为焦炭粒度的上升反而会助长高炉边缘的煤气流。为确保炉身部的透气性，有必要对装料方式进行研究，或加大装入中心部焦炭的粒径，或采用促进粒度偏析的装料方法。
2.2 软融带附近的反应和焦炭质量的关系
焦炭的冷态强度是指在常温下的焦炭强度，严格说来它不是指在高炉内温度下或炉内气氛温度下的焦炭温度。根据上述认识对焦炭强度指标进行了研究，提出了（CSR）焦炭反应后强度这一指标，强度指标考虑到了在软融带附近（1000℃以上、CO2富集）的焦炭的气化反应。使用CSR不同的焦炭在实际高炉中进行了试验，确认了在CRS低时会发生入炉料下降异常的现象，从而认识到了CSR指标的重要性。但是，有的钢铁公司并没有把这一指标作为管理指标进行测定，因此对这一指标进行再评价是今后的课题。
另外，最近作为降低RAR的手段，提出了使用高反应性焦炭的方法。使用这种焦炭通过降低高炉保存带温度，可以使W点（方铁矿——铁还原平衡点）向煤气利用率高的一侧移动。使用高反应性焦炭提高高炉内反应效率的技术有助于减少碳酸气体的发生量。但是，由于热保存带温度会下降，因此有必要从烧结矿被渊源性的角度出发对该技术进行同步研究。
2.3 炉下部的反应性和焦炭质量的关系
以前有的研究认为，喷煤会使焦炭在高炉下部发生粉化和焦粉堆积变得严重，从而导致高炉透气性变差。风口回旋区内是焦粉产生的源头和焦粉产生的主要区域，关于风口回旋区内焦炭发生粉化的机理等仍有许多不明之处。山口等人采用燃烧炉对风口回旋区内焦炭发生粉化和粉煤燃烧的关系进行了调查，在大喷煤比的情况下，焦炭发生粉化的量增加，这是由于风口回旋区内的O2会使焦炭产生气化，结果焦炭的劣化部分不会消失，从而导致因CO2而产生的气化反应量增加，提高焦炭的反应性有助于防止焦炭发生粉化。另外，笠井等人也进行了相同的试验，指出使用反应性高的焦炭可以抑制焦炭发生粉化。武田等人采用小型燃烧炉进行了试验，结果表明随着喷煤量的增加，焦炭发生粉化的量会增加。清水等人在实际高炉上进行了喷煤比为200kg/t的试验，并对炉缸中心死料柱中间部焦炭粉化率的变化进行了调查，指出在喷煤比提高到110kg/t的过程中焦炭的粉化率会急剧增加。但是，他们认为即使在大喷煤比的情况下，焦粉大部分是在炉上部发生的。佐藤等人通过热态模型的燃烧实验和模型计算，对粉煤燃烧时焦炭的反应行为进行了评价，并对风口前氧化区和风口回旋区深处的碳素溶解反应区的反应量差异进行了推定，结果认为，缩小风口前氧化区后消除焦炭劣化层的能力会下降，从而导致焦炭粉化量增加。
还有的对焦炭冷态强度（DI）和反应性（CRI）与风口回旋区内焦炭发生粉化的关系进行了研究，他们认为，如果只从风口回旋区来看，使用高反应性焦炭可以减小劣化层的厚度。另一方面，从炉中部到炉上部焦炭的冷态强度当然也是很重要的，最好是使用基质强度高的焦炭，而且高反应性焦炭有助于减少焦炭的粉化量。但是，由于普通冶金用焦炭的DI和CRI具有相反的关系，两者的相互作用决定了焦炭的粉化量。在实际生产中大部分高炉都实施大喷煤操作，并通过使用冷态强度高的焦炭，减少焦炭的粉化发生量。
2.4 高炉大型化和焦炭质量的关系
随着高炉容积的扩大，焦炭在炉内承受的负荷和冲击力会增大，焦炭的劣化会变得厉害。大竹等人根据高炉容积和高炉休风时从风口部取样焦炭的抗压强度的关系，指出高炉越大，焦炭的抗压强度越低。原口等人根据高炉容积和高炉解体调查结果，研究了高炉容积和炉内焦炭粒径下降率（入炉的焦炭粒径——风口部取样焦炭粒径/入炉焦炭粒径）的关系，指出高炉越大，焦炭的粒径下降率越大。根据上述见解可以认为，随着高炉的大型化应使用冷态强度（DI）高的焦炭。
3 大型高炉高生产率低焦比操作所要求的焦炭质量
3.1 高炉高利用系数低焦比操作的焦炭质量
从日本国内的高炉来看，随着高炉利用系数的提高，喷煤比会下降，但中国宝钢和韩国浦项的高炉不仅做到高的利用系数，而且喷煤比高达200kg/t。作为高喷煤比操作时的主要课题之一是高矿/焦下的高炉稳定操作技术，它受原燃料质量，尤其是受原燃料的强度和粒度的影响。1999年君津2号高炉通过提高烧结矿和焦炭的冷态强度，实现高的喷煤比操作，宝钢和浦项由于焦炭的冷态强度（DI=87-89）高，因此做到高利用系数和高喷煤比操作。
3.2 从炉内现象看高生产率低焦比操作的焦炭质量
以下就大型高炉高生产率、低焦比操作时根据炉内现象所提出的焦炭质量要求进行介绍。
随着高炉的大型化，作为表示风口中心平面的风口回旋区空间所占面积的指标之一，即炉缸有效断面积比例（π×（炉缸直径/2）2-π×（炉缸直径/2-风口回旋区深度（假设为1.5m））2）/(π×（炉缸直径/2）2)缩小了。上述指标的缩小会使炉下部入炉料下降区域相对缩小，从而导致溶解能力下降和传热不足，炉缸中心死料柱有可能变得不活跃。
尤其是在高生产率、低焦比损伤情况下，从稳定炉料下降的观点来看，必须确保炉下部的透气性和透液性；从确保出铁出渣稳定的观点来看，必须确保炉缸的透液性。因此，提高焦炭粒度是不可或缺的。但是，为提高焦炭生产率，焦炉采取了提高干馏温度的手段，这样会导致焦炭粒度的下降，难以同时满足焦炭的生产率和强度的要求。因此，作为提高装入炉缸中心死料柱的焦炭粒度和强度的方法，人们对焦炭中心装入法寄予了很大的希望。除此之外，调整筛子网目，提高块焦的粒度，将筛子的大量的小块焦装入炉内的方法也是很重要的。
另外，为确保炉缸中心死料柱内的透气性和透液性，不仅要提高焦炭质量，还要提高烧结矿质量，其中还包括对烧结矿的还原率和渣的流动性进行研究。
4 低品位燃料大量使用技术的开发经过和质量改善情况
4.1 煤预处理技术的开发
为降低铁水成本，日本充分利用廉价煤资源，除了改进配煤技术外，还积极开发煤的预处理技术。具体说来有煤的调湿技术、粉煤的成型技术以及采用煤的破碎选择技术提高焦炭的冷态强度。将提高焦炭冷态强度的部分转向到增加非煤焦煤的使用，大幅度提高了非炼焦煤的使用比例，降低了还原剂的成本。
4.2 降低煤水分改善焦炭质量技术的例子
1983年煤水分控制技术已在实际焦炉上采用。1992年DAPS（Dry-cleaned and Agglomerated Precompaction System）技术开始应用于实际焦炉，在煤的水分为3%-4%的情况下，非炼焦煤的使用比例达到40%-50%左右。
根据煤水分和松装比重的关系可知，提高煤的松装比重可以提高焦炭的冷态强度（DI）。尤其是采用DAPS技术记性粉煤成型时，焦炉的石墨粘着量减少，当水分为2%时，焦炉生产率达到了130%。
灵活应对资源的变化是炼铁工作者的使命。日本钢铁业在最近10年对廉价劣质原燃料的使用问题进行了激烈的争论。这是因为在钢铁生产量增加不可期盼的过程中，为了生存而进行的努力所致。在今后世界高品位原燃料日益枯竭的过程中，使用低品位原燃料技术将是首选技术。
5 对SCOPE21的期待
日本焦炉的寿命自投产开始后平均为32年。最长炉岭已接近39年，随着焦炉炉体的老化加快，在最近10年内焦炉将依此寿终正寝。另一方面，世界钢产量急剧增加，在这种情况下，炼焦煤资源的供给更加紧张。在迫切希望进一步扩大资源量丰富的非炼焦煤使用的同时，可以预计日本从中国进口的焦炭量将大幅度减少。在这种资源状况和强烈要求减少CO2排放的情况下，对炼铁工艺的要求是增大低品位原料的使用比例、减少还原剂消耗（降低焦比）、稳定高生产率操作。新一代焦炉，即SCOPE21是实现上述要求的最好方法。它具有如下特征：
1） 新一代焦炉是一种资源灵活使用的生产工艺，它能对低品位原料进行改质，生产出高品位的焦炭。尤其是在炼焦煤日益枯竭的状况下，它至少能使用50%以上的非炼焦煤。
2） SCOPE21是一种节能（降低成本）的工艺。由于CO2等问题的困扰，因此节能问题将是今后重要的课题。首先，在最大限度做到焦炉节能的同时，根据焦炭质量最佳化的要求，重要的是对从焦化原料到高炉冶炼的整个节能工艺进行最佳设计。
3） 为满足未来的高炉低焦比（高喷煤比）操作的需要，SCOPE21能提供高品位焦炭。根据世界低焦比操作实绩和此次整理的炉内焦炭质量劣化机理的判断，可以推算在对高炉大型化和高生产率要求日益强烈的情况下，焦炭冷态强度将比以往显得更加重要。为确保炉下部的透气性和透液性，必须优化焦炭和矿石（烧结矿）质量的组合。
4） SCOPE21的寿命将比现有焦炉寿命长。控制焦炉寿命的主要因素是炭化室炉壁的强度。为延长焦炉寿命，重要的是要对炉体设备和操作进行设计，其中包括耐火砖的构造设计和燃料管理在内，以保证焦炉操作的稳定性。
5） SCOPE21是一种有利于环保的生产工艺。除了对NOX、SOX和煤尘浓度的管理要求高外，最近还强化了对二恶英类污染物排放浓度标准的管理。将排放污染物降到最低程度当然是最理想的，因此SCOPE21是人们寻求的超前工艺。
廖建国
（福建省三钢集团公司科技处 三明 365000）
