焦炭在白云鄂博矿高炉冶炼中的热态性能变化
王宇1,2，樊莹杰1，柴轶凡1，王艺慈1，罗果萍1，安胜利1
(1. 内蒙古科技大学材料与冶金学院(稀土学院)， 内蒙古 包头 014010；2. 内蒙古包钢钢联股份有限公司炼铁厂， 内蒙古 包头 014010)
摘要：冶金焦炭已经成为现代高炉炼铁技术所需的必备原料之一，被喻为钢铁工业的“基本食粮”，具有重要的战略价值和经济意义。随着低碳时代的来临和大喷煤技术的运用，焦炭的功能逐渐被替代。为了保证炉内的透气性以及透液性，作为高炉软熔带的“百叶窗”，焦炭作为料柱骨架和通道的作用更为突出，因此深入理解焦炭在白云鄂博矿高炉冶炼过程中的热态性能变化对指导白云鄂博矿的高效冶炼至关重要。以从包钢4号高炉中取出的入炉焦与风口焦为研究对象，使用X射线衍射仪、热重立式炉、扫描电镜、能谱仪等分析手段，对比研究了它们的基础特性、灰分的主要物相、反应性(CRI)与反应后强度(CSR)、微观孔隙结构及碱金属的含量及分布，从而得到焦炭在白云鄂博矿冶炼中的热态性能变化。结果表明，高炉中的焦炭在下降过程中发生气化反应，灰分含量提高，挥发分含量降低，SiO2含量显著降低，但是CaO、K2O、Na2O、MgO等碱性氧化物含量有所增加。二次加热前期焦炭发生氮气吸附，质量没有减少反而增加；后期焦炭发生碳气化反应，质量快速下降，风口焦的反应性提高，反应后强度降低。风口焦表面出现了类似蜂窝状的孔隙，且孔隙分布不均匀，特别是被渣铁侵蚀的焦炭基质，其气孔壁变得粗糙，孔隙出现合并。碱金属在风口焦中富集，碱性氧化物含量增加。风口焦石墨碳所对应的(002)衍射峰半峰宽急剧减小，扁平峰消失，峰形尖锐。晶体结构趋向有序，石墨化程度提高。
关键词：焦炭； 白云鄂博矿； 热态性能； 碳气化； 热稳定性
1 引言
白云鄂博矿区是国家重要的战略资源宝库，也是支撑包钢发展的第一资源。截至2019年，白云鄂博矿累计采出铁矿石4亿多吨，包钢累计生产钢材2亿多吨。加大白云鄂博矿高效冶炼的研究力度，是包钢实现企业高质量发展的优势所在、机遇所在、使命所在、责任所在。由于白云鄂博矿中有大量的白云岩、霓石岩和萤石，使得矿物中的氟、磷、钾、钠等炼铁有害元素一直困扰着人们，几十年来有大量的研究围绕着白云鄂博矿展开。
焦炭是由炼焦煤在焦炉中经过高温干馏转化而来，自从1709年Darby首次用焦炭来进行高炉炼铁以来，冶金焦炭已经成为现代高炉炼铁技术所需的必备原料之一，被喻为钢铁工业的“基本食粮”，具有重要的战略价值和经济意义。焦炭在高炉中一直发挥着4大作用：渗碳剂、还原剂、热源以及最重要的作为料柱骨架的作用。随着低碳时代的来临和大喷煤技术的运用，焦炭的前3大功能逐渐被替代。为了保证炉内的透气性以及透液性，作为高炉软熔带的“百叶窗”，其作为料柱骨架和通道的作用更为突出，因此高炉对焦炭质量的要求也越来越高。同时，在钢铁冶金生产工序中，炼铁工序的能耗所占比例最大，在低碳冶金的大环境下，降低焦炭消耗是炼铁节能的主要方向之一。国家主席习近平曾多次强调，要构建起碳达峰、碳中和“1+N”政策体系，持续推进能源、产业结构转型升级，推动绿色低碳技术研发应用，为全球应对气候变化、推动能源转型的努力作出积极贡献。为此，深入了解焦炭在二次加热时的热态性能变化，保证焦炭在高炉中的热稳定性就显得尤为重要，因为它是表征焦炭质量暨焦炭能否在高炉中保证原有颗粒组成和强度的重要特性。
在焦炭二次加热过程中，会出现互相矛盾的两个方面：一方面发生胶质体的固化和焦炭多孔网状结构的坚固化过程；另一方面发生焦炭生成裂纹和其他缺陷(过剩气体和蜂窝)的过程。在二次加热时，如果说多孔网状结构的坚固化过程可以提高焦炭的强度，那么结构缺陷的产生过程就会降低焦炭强度。经过大量的试验研究，学者们总结出促使焦炭在高炉中破坏的因素主要有：机械破坏作用，矿物质、碱金属、热蒸汽以及渣铁的侵蚀作用以及热破坏作用。胡涛研究了矿物质对焦炭热性能的影响，研究结果表明，矿物质对焦炭的溶损反应表现在两个方面，即破坏焦炭的微观结构和对热反应速度的催化作用；张淑会等研究了有害元素对焦炭的影响，研究结果表明，K、Na、Zn和Cl均对焦炭气化反应起催化作用，其中K、Na、Zn的催化机理包括氧传递、层间化合物和电子转移3种理论；高向洲等研究了碱金属及氯化物对包钢焦炭热性能的影响，研究结果表明，单质钾蒸气在焦炭上吸附后，对焦炭热性能的破坏极为严重；陶宏亮等研究了不同FeO含量的炉渣对焦炭侵蚀的影响，研究结果表明，含FeO的炉渣对焦炭冲刷促使焦炭在高炉内劣化，随着炉渣中FeO量增加焦炭受炉渣侵蚀后气孔壁受到的破坏逐渐加剧，焦炭的微观结构受到的破坏加剧。
焦炭是留在高炉下部高温区的唯一固体物质，深入了解焦炭在白云鄂博矿冶炼中二次加热时的热态性能变化对指导白云鄂博矿高效冶炼至关重要，同时，对高炉炼铁过程节能减排和降本增效具有重要意义。
2 精选图表
3 结论
(1)与入炉焦相比，风口焦的灰分含量提高，挥发分含量降低，SiO2含量显著降低，但是CaO、K2O、Na2O、MgO等碱性氧化物含量有所增加。
(2)风口焦石墨碳所对应的(002)衍射峰半峰宽急剧减小，扁平峰消失，峰形尖锐，碳结构有序化程度提高，石墨化程度升高。
(3)二次加热前期焦炭发生氮气吸附，质量不减反增。后期焦炭发生碳气化反应，质量快速下降，风口焦反应性提高，反应后强度降低。
(4)焦炭在高炉中受到热冲击，线膨胀系数增大，裂纹数增多，强度降低。与入炉焦相比，风口焦的孔隙数明显增多，且出现了类似蜂窝状孔隙，并且随着孔隙的不断扩大，出现了孔隙合并的现象。
(5)碱金属提高了焦炭气化反应的速率，并降低焦炭与CO2的开始反应温度，从而提高焦炭的反应性。同时，碱金属中的K、Na在渗入到焦炭基质的过程中附着在焦炭孔壁上并生成含碱的金属盐和层间化合物，导致片层间距增加、体积增大并造成焦炭基体出现微裂纹，机械强度和块度急剧下降。
