湘钢焦炭热性能控制技术研究及应用

彭永根，周云花，祁美良，项 茹，宋子逵

（1.华菱湘钢技术质量部，湖南 湘潭 411101；2.宝钢股份中央研究院（青山），湖北 武汉 430080）

焦炭是高炉冶炼的主要燃料，可作为料柱骨架、还原剂、热源和渗碳剂，焦炭质量的好坏影响着燃料比和高炉的稳定运行[1]。近年来，高炉普遍采用富氧喷吹煤粉技术来降低吨铁焦炭消耗，使得焦炭在高炉中的停留时间延长，受到的降解作用加剧。为了保证高炉具有良好的透气性、透液性，对焦炭质量提出了更高的要求，特别是焦炭的热性能（反应性CRI 及反应后强度CSR）。多年的高炉操作经验表明，焦炭的热性能一旦出现频繁波动，将会给高炉炉况带来许多不利影响。因此为了保证高炉的稳定运行，除了要求焦炭具有较好的热性能外，更重要的是热性能的稳定性。

华菱湘钢焦化厂（简称湘钢）配套4 座4.3 m 顶装焦炉、2 座6 m 顶装焦炉，年产焦炭约230 万t，采用全干熄焦工艺。其自产焦炭热性能指标波动较大，2016 年热性能稳定性合格率仅74%，是影响高炉生产的重要原因之一。本文就湘钢焦炭热性能影响因素及其控制应用进行了探讨，现介绍如下。

1 影响焦炭热性能的主要因素

1.1炼焦煤质量

炼焦煤的性质主要指变质程度、黏结性及胶质体性质。通常来说，变质程度低的炼焦煤所得焦炭的反应性高，随着变质程度的加深，所得焦炭的反应性逐渐降低；相同变质程度的炼焦煤，黏结性较强时所得焦炭的反应性较低。

1.2炼焦工艺

提高炼焦终温可降低焦炭的反应性。在结焦终了时采取焖炉等措施，可以提高焦炭的成熟度，使焦炭显微结构向各向异性程度高的方向转变，焦炭的反应性略有下降。另外，增加装煤堆密度、调整装炉煤的粒度组成均可使焦炭气孔分布均匀，也有降低焦炭反应性的效果；采用干熄焦可以避免湿熄焦过程中水汽对焦炭气孔表面的活化反应，有助于降低焦炭反应性。

1.3焦炭显微结构

焦炭显微结构（光学组织）与反应性直接相关。各种光学组织按反应性由大到小的排序依次是：各向同性结构、细粒镶嵌结构、粗粒镶嵌结构、纤维和片状结构、惰性结构[2]。

影响焦炭反应性的另一个结构参数是焦炭的比表面积，虽然焦炭中孔径小于10 μm 的气孔占比较小，但其比表面积占比最大，因此对焦炭反应性的影响较大。

1.4焦炭灰成分

煤灰成分中的金属氧化物对焦炭反应性有催化作用，金属氧化物含量增加，焦炭反应性增大，其中K、Na 的作用较大。焦炭中的K2O、Na2O 质量分数一般很少，仅0.1%～0.3%；但在高炉中由于碱循环作用，焦炭吸附的K2O、Na2O质量分数可达3%以上，导致焦炭被破坏。焦炭中的SiO2、B2O3有抑制CO2反应性的作用，尤以B2O3更明显[2]。

综合以上分析，在备煤和炼焦工艺一定的前提下，控制焦炭热性能的关键是控制炼焦煤的质量。

2 焦炭热性能的控制技术

2.1焦炭显微结构调节技术

焦炭显微结构是指将焦炭用偏光反光显微镜在油浸或干物镜下（放大倍数400 倍～600 倍）所观测到的气孔壁结构，主要由各向同性结构、粗粒镶嵌结构、细粒镶嵌结构、纤维结构、片状结构和惰性结构组成，焦炭的热性能指标主要由这几类显微结构的组成决定。焦炭显微结构的组成与炼焦煤的煤化程度、胶质体质量和数量有关。通常情况下，不同炼焦煤煤种形成的焦炭光学显微结构组成也不同，见表1。

表1 焦炭显微结构组成与炼焦煤煤种的关系

对焦炭反应后强度与焦炭各光学显微结构的关系进行了实验研究，见图1。

图1 焦炭反应后强度与焦炭各显微结构的关系

由图1 可知：焦炭反应后强度与粗粒镶嵌结构含量的线性相关性较强，呈正相关；与纤维、片状、各向同性结构含量呈负相关；与惰性结构无相关性；与细粒镶嵌结构含量有一定的相关性，呈负相关。因此，提高焦炭反应后强度的重点是调节粗粒镶嵌结构、纤维结构、片状结构以及各向同性结构含量。

2.2炼焦煤精细分类技术

单种炼焦煤的精细分类决定了配合煤质量的稳定性，即焦炭质量的稳定性，以单种炼焦煤成焦显微结构和单种炼焦煤小焦炉焦炭热性能指标相结合的分类技术比传统分类方法更精细。根据该分类技术建立了新的细化分类标准，见表2。

表2 不同炼焦煤精细化分类指标标准

由表2 可知，单种炼焦煤可以分为五大类15 小类，其中主焦煤分5 小类，肥煤分5 小类，1/3 焦煤分2 小类，气煤分1 小类，瘦煤分2 小类。

2015 年国内某钢铁企业焦化厂实施炼焦煤精细分类前后，焦炭反应后强度稳定性对比见图2。由图2可知，实施炼焦煤精细分类后焦炭热性能波动大幅降低。

图2 实施炼焦煤精细分类前后焦炭热性能波动对比

2.3配煤结构优化技术

2.3.1 配煤结构中不同单种煤对焦炭热性能的影响

配煤时应明确不同炼焦煤对焦炭热性能的影响程度，这样当热性能改变时，可以明确需调整的煤种或矿点。五大煤种和细化煤种对焦炭热性能的影响分别见图3、图4。由图3、图4 可知，五大煤种中的主焦煤和肥煤对焦炭热性能影响最大；对焦炭热性能影响由大到小的主焦煤等级依次为1 类主焦、2 类主焦、3类主焦，肥煤等级依次为1 类肥煤、2 类肥煤、3 类肥煤。因此，在配煤结构中影响焦炭热性能的关键煤种是主焦煤和肥煤，其煤种等级不同，影响程度也不同。

图3 五大煤种对焦炭热性能的影响

图4 细化煤种对焦炭热性能的影响

2.3.2 热性能预测模型和配煤结构优化技术

通过分析研究近几年来湘钢4.3 m 焦炉和6 m 焦炉的配煤结构、焦炭显微结构与焦炭热性能的关系，确定了1 类主焦+1 类肥煤配比及焦炭重点显微结构与焦炭热性能的相关性，分别见图5、图6。

图5 1 类主焦+1 类肥煤配比对焦炭热性能的影响

图6 焦炭重点显微结构与焦炭热性能的关系

将焦炭显微结构中各类结构数据与焦炭热性能用minitab 软件进行回归分析，建立了热性能预测模型，见式（1）：

在煤种细化分类的基础上，焦炭CSR 若要达到65%以上，1 类主焦+1 类肥煤质量分数需达到25%以上，其中1 类主焦质量分数必须达到15%以上，1 类肥煤质量分数必须达到10%以上；焦炭显微结构中粗粒镶嵌结构的体积分数需达到25%以上，纤维结构+片状结构+各向同性结构的体积分数需控制在10%以下。

3 单种炼焦煤研究及质量改善

3.1单种炼焦煤研究

湘钢炼焦煤矿点达20 多个，其中主焦煤和肥煤矿点最多，主焦与肥煤成焦显微结构及焦炭热性能见表3。

表3 主焦与肥煤成焦显微结构及焦炭热性能

由表3 可知，湘钢主焦煤中缺乏优质1 类主焦，其中质量相对较好的有低硫1#主焦、高硫1#主焦，低硫2#主焦中只有热性能达到了1 类主焦质量要求；从成焦显微结构看，11 个主焦中纤维结构含量都比较高，说明其混有的瘦煤比例偏高；低硫1#肥煤是1类强肥煤，粗粒镶嵌结构含量高，热性能好，是唯一的骨干优质肥煤；低硫2#肥煤和高硫1#肥煤属2 类肥煤；低硫3#肥煤属3 类肥煤，粗粒镶嵌结构含量少，热性能差。

3.2主焦煤质量改善

主焦煤是中等变质程度的煤种，单独炼焦时可生成热稳定性良好的胶质体，生成的焦炭强度高、块度大、耐磨性好。主焦煤在配煤结构中可以起到骨架作用与缓和收缩应力作用，可以提高焦炭机械强度，是骨干煤种之一。但主焦煤属优质稀缺资源，价格很高，而且是混煤现象最严重的煤种。

从2017 年开始，湘钢常规矿点主焦煤质量逐步改善，并引进优质新矿点主焦煤，2017 年—2019 年主焦煤反应后强度指标变化情况见图7。

从图7 可以看出，随着主焦煤质量的整体提升，2017 年—2019 年主焦煤所得焦炭反应后强度明显逐年改善。

图7 2017 年—2019 年主焦煤反应后强度指标变化情况

4 生产配煤结构优化及应用效果

4.1生产配煤结构优化

为进一步提高焦炭热性能，湘钢对生产配煤结构进行优化调整，重点调整主焦煤中的优质主焦和肥煤，主焦、肥煤优化前后配比见表4。

表4 主焦、肥煤优化前后配比（质量分数） %

由表4 可知，湘钢主焦煤总配比质量分数在35%左右，肥煤总配比质量分数在25%左右，在总配比不变的情况下，主要对细化煤种配比进行优化调整：减少主焦煤中质量差且波动较大的国内低硫1 类、2 类主焦和高硫3 类主焦配比，增加特高硫1 类主焦配比，并引进进口低硫1 类主焦；肥煤中高硫3 类肥煤逐步减少至不配用，增加低硫3 类肥煤配比。

4.2生产应用效果

在炼焦煤原料质量逐步优化，尤其是主焦煤质量改善的条件下，通过煤场精细化分类堆放，生产配煤结构逐步调整优化，使得湘钢焦炭质量改善，尤其是焦炭反应后强度（CSR≥64%）和稳定率。2016 年—2020年焦炭热性能和稳定率的变化趋势见图8。

图8 2016 年—2020 年焦炭热性能和稳定率的变化趋势

由图8 可知，焦炭反应后强度逐渐从65.6%提高到67%以上，稳定率逐渐从74.1%提高到97%以上。

5 结 论

5.1影响焦炭热性能的主要因素有炼焦煤质量、炼焦工艺、焦炭显微结构和焦炭灰成分，其中决定焦炭热性能的关键因素是炼焦煤质量。

5.2调节焦炭显微结构中的粗粒镶嵌结构、纤维结构、片状结构及各向同性结构技术，单种炼焦煤成焦显微结构和单种炼焦煤小焦炉焦炭热性能指标相结合的煤种精细分类技术，以及影响焦炭热性能关键煤种（主焦煤和肥煤）的确定，是焦炭热性能控制技术的关键。

5.3用焦炭显微结构中各类结构含量与焦炭热性能相关关系建立了热性能预测模型，对相应显微结构和相应煤种配比进行量化：焦炭热性能CSR 若要达到65%以上，配煤结构中1 类主焦质量分数需＞15%，1类肥煤质量分数需＞10%，焦炭显微结构中粗粒镶嵌结构的体积分数需达到25%以上，纤维结构+片状结构+各向同性结构的体积分数需控制在10%以下。

5.4在主焦煤质量改善和煤种精细分类的基础上，以焦炭热性能预测模型为依据，逐步形成了以优质低硫主焦和优质高硫主焦搭配的生产配煤结构，焦炭热性能指标和稳定率得以明显改善。