捣固焦在大容积高炉上的应用分析与探讨

段宝兴，黄进凯，杨金花

（临沂恒昌焦化股份有限公司，山东 临沂 276013）

捣固焦在国内外2200 m3以下中小高炉炼铁方面的应用已非常普及。随着优质炼焦煤资源的日益紧缺，优质冶金焦炭的成本也在不断提高，近年来，国内拥有2200 m3以上大高炉的钢铁企业纷纷投入大量的人力物力，对在大容积高炉上推广应用捣固焦进行了广泛深入的研究实践，取得了比较理想的应用效果，形成和总结了较为成熟的工艺路线和实践经验。本文从钢-焦一体化角度出发，立足技术先进可靠、经济高效可行，对捣固焦应用于2200 m3以上大高炉的相关具体问题进行了理论分析、企业实用情况考察和试验研究，取得了比较理想、符合预期的研究成果。

1 理论研究

1.1 焦炭在高炉运行中的作用分析

焦炭在高炉炼铁运行中的作用分析见表1。

表1 焦炭在高炉炼铁中的作用分析

表1 所述的4 种作用中，供热的主导作用不会改变，还原剂和渗碳功能不会有较大变化，那么在高喷吹比条件下，焦炭的骨架作用会显得更加突出，高炉大型化后，料柱高度增加，炉料的压缩率提高了，透气性变差了，相应的焦炭强度质量要求也越来越高[1]。

1.2 高炉对焦炭质量的要求

《高炉炼铁工艺设计规范》（GB 50427—2008）中明确了不同炉容级别的高炉对焦炭质量的要求，具体见表2。目前，国内大多铁厂对焦炭强度指标的要求普遍高于GB 50427—2008，实际炼铁高炉对焦炭强度的标准要求：大型高炉M4082%～90%、M105%～6%、CRI≤25%、CSR≥65%，一般高炉M4078%～82%、M106%～7%、CRI≤28%、CSR≥62%。

表2 不同炉容高炉对焦炭质量要求

1.3 焦炭质量变化对炼铁的影响

焦炭质量变化对炼铁的影响见表3[2-3]。

从表3 可以看出，焦炭M10变化对炼铁的影响相比其他指标更显著，所以冶金行业更关注M10的变化。

表3 焦炭质量变化对炼铁的影响

1.4 各因素对炼铁的影响

国内外冶金行业的基本共识是高炉炼铁应以精料为基础，各种因素对高炉炼铁的影响占比大致为：精料技术占70%，操作水平占10%，现代化管理水平占10%，设备作业水平占5%，外界因素占5%。

在高冶炼强度、高喷吹煤比条件下，焦炭质量变化对高炉指标的影响率在35%左右[4-5]。一些大型高炉出现运行失常问题，大多情况是焦炭质量恶化或成分波动大，而高炉操作没有进行及时合理的调整所造成。

1.5 大高炉使用捣固焦技术经济分析及实例

焦炭质量要适应高炉大型化发展，有以下途径：通过洗煤降低煤炭的灰分和硫分，从而降低焦炭的灰分和硫分；采用干法熄焦降低焦炭水分；提高主焦煤配比和采取综合技术装备，改善焦炭的M40、M10以及CRI、CSR 等指标。在技术装备一定的情况下，扩大焦煤和肥煤配比是大部分焦化企业提高焦炭强度的有效途径和常用方法[6]，这必将对稀缺的焦、肥煤资源形成旺盛需求，将进一步加剧钢铁配套焦化厂与独立焦化企业竞购焦、肥煤的激烈程度[7]。从技术角度讲，提高焦炭质量来满足炼铁要求是可行的，但要与经济效益相结合，找出最佳操作点，同时还要考虑煤源的供应条件，企业、焦炉的客观情况，科学、合理地与钢厂对接。

应该科学评价捣固焦对炼铁的影响[8]：捣固焦比顶装焦在高炉内反应性低、发热量低、产生CO 量少，使得燃料比上升、铁矿石间接还原度降低、铁产量下降[9]；但总体来讲，同等配煤条件下，捣固焦指标比顶装焦指标要好。涟钢、国丰等企业高炉100%使用捣固焦，生产指标得到改善(焦比降低、产量升高)[10]；天钢等一批企业按一定比例使用捣固焦炼铁，有一定的经济效益。以上成功实例说明，在炼焦配煤方案合理的情况下生产的捣固焦可以应用到铁厂大高炉上，并且会取得一定的经济效益。

据了解，近年来湖南某钢铁企业的3200 m3高炉全部使用捣固焦进行炼铁生产，取得了较为理想的管理成果和经济效益，其捣固焦配煤技术方案和顶装焦基本近似，生产的焦炭质量完全可满足高炉生产要求，高炉炉况稳定，钢焦一体化效益显著[10]。

2 大容积高炉使用捣固焦炼铁的考察实践

在理论分析的基础上，为了更加准确地了解相关钢铁企业在大容积高炉炼铁过程中实际使用捣固焦的情况，临沂恒昌焦化股份有限公司（简称恒昌焦化）对某钢铁企业大高炉使用捣固焦的情况进行了实地学习考察。A 公司的4.3 m 捣固焦炉定点给该钢铁企业2#2200 m3高炉加工生产焦炭；B 公司5.5 m 捣固焦炉生产的捣固焦专供该钢铁企业1#3200 m3高炉使用，使用情况如下：

（1）该钢铁企业目前有3 座高炉，1#高炉容积3200 m3、2#高炉容积2200 m3、3#高炉容积2800 m3，其中最大的1#高炉从开炉就使用捣固焦炭。

（2）在1#高炉生产过程中，因捣固焦炭供应不足，更换过顶装焦炭，使用方法无特殊改变，效果基本一样。

（3）为了稳定高炉操作，要求焦炭质量相对均匀稳定。焦炭化验指标数据要符合国标要求，同时从配煤用煤入手就要进行细化控制，减少大的波动，不能配入熔融性差、流动度低或含大比例惰性成分的煤种。

（4）捣固焦配煤与顶装焦配煤接近，主要差别在焦煤和1/3 焦煤的调节配比，配合煤挥发分质量分数最好在26%～28%，硫分质量分数控制在0.8%～1.0%。

（5）5.5 m 捣固焦炉炉温控制在1330 ℃以上，根据强化生产需要，可以提高炉温至1370 ℃左右。

（6）生产焦炭质量指标越优越好，因为目前钢焦一体化的控制目标首先是保高炉高产高效，焦炭CRI不高于23%，CSR 不低于70%。如果自产自供有缺口，外采焦炭粒度应满足以下要求：25 mm 以下占比小于8%，25 mm～40 mm 的占比小于20%，40 mm 以上占比应在70%以上。

3 钢铁企业配煤生产实践及恒昌焦化的配煤方案试验

3.1 3 家钢企顶装焦配煤方案的简要比较分析

3.1.1 A 钢企

配煤方案（质量分数）：焦煤45%，肥煤20%，1/3焦煤22%，瘦焦煤13%。其中，结焦性最差的1/3 焦煤来自七五矿和大屯孔庄矿，其小焦炉试验产焦炭热强度都在45%左右。

焦炭指标：灰分质量分数12.4%，硫分质量分数1.01%，M4086.5%，M106.3%，CRI 23.9%，CSR 64.5%，平均粒度49 mm。

3.1.2 B 钢企

正常生产时的配煤方案（质量分数）：焦煤35%，肥煤27%，瘦焦煤15%，1/3 焦煤23%。

限产时（延长结焦时间）的配煤方案（质量分数）：焦煤34%，肥煤22%，瘦焦煤20%，1/3 焦煤16%，气煤8%。

焦炭指标（不考虑灰分和硫分）：M4090%，M106%，CRI 20%，CSR 70%。

正常生产时焦煤和肥煤比例在65%左右，只有在长周期结焦时，才会降低肥煤和焦煤的比例到60%以下，并适当配入气煤，提高挥发分，增加产气量。其中气煤为新安矿煤，1/3 焦煤为大屯、庞庞塔、赵楼、金源矿的优质1/3 焦煤，瘦煤为G 值在40 以上的王家岭和淮北青龙山煤。

3.1.3 C 钢企

配煤方案（质量分数）：焦煤50%，肥煤15%，优质1/3 焦煤27%，瘦焦煤8%，通过调节焦煤和优质1/3焦煤的比例来调整焦炭反应后强度。该厂所用肥煤及焦煤的单种煤小焦炉试验产焦炭热强度在62%～69%，1/3 焦煤单种煤小焦炉试验产焦炭热强度在47%～65%；要求瘦焦煤自身可烧结成熔融性较好的焦炭，单种煤小焦炉试验产焦炭热强度在54%～62%。

从以上3 家钢企配煤方案看，正常生产的顶装焦炉肥煤和焦煤配比之和在60%以上，配入的1/3 焦煤单种煤小焦炉试验产焦炭热强度在40%以上，配合煤中变质程度最高的为瘦（焦）煤，以增强成焦界面的结合。在焦炭反应后强度过优时，配入贫瘦煤和气煤降低炼焦成本。

3.2 恒昌焦化的存煤分析和配煤试验

恒昌焦化建设有ZHJL5552D 型侧装煤捣固焦炉，炭化室高度5.5 m、宽度0.52 m，设计年产焦炭130 万t，主要生产一级及准一级冶金焦、甲醇、煤焦油、粗苯、硫铵，生产的焦炭主要供日钢、沙钢、淮钢、东北特钢等钢厂使用。

恒昌焦化炼焦煤来源及种类见表4。

表4 恒昌焦化炼焦煤来源及种类

恒昌焦化的现场存煤中，光辉焦煤和三河口1/3焦煤是符合选煤要求的，孙村气肥煤是存煤中容惰最好的煤，可以替代部分肥煤及气肥煤，也可替代一定比例的肥煤和气煤。在现场存煤中，小焦炉试验方案的选煤为三河口1/3 焦煤、光辉焦煤、孙村气肥煤和经坊矿贫瘦煤4 种煤种，制定了3 个试验方案（方案1、2、3）。

为了更加真实地模仿大高炉使用焦炭的质量情况，恒昌焦化从外部取得山西肥煤（挥发分质量分数30.4%，硫分质量分数1.03%，G 值90，Y 值20 mm）和山西瘦焦煤（挥发分质量分数15.31%，硫分质量分数0.57%，黏结指数31，Y 值6.6 mm）两种煤样，制定了3个方案（方案4、5、6）。其中，方案4 是基础方案，方案5 主要是用贫瘦煤替代方案4 中的瘦焦煤，方案6 主要是用结焦一般的蒋庄1/3 焦煤替代方案4 中的结焦良好的三河口1/3 焦煤。

6 种配煤方案及其对应的小焦炉模拟试验焦炭质量分析结果见表5。

由于炼焦捣固工艺条件对焦炭热强度的影响较大，通过焦炭热反应性的对比可以更加准确地反映出配合煤的质量情况。根据以往经验值，小焦炉焦炭的热反应性与大焦炉焦炭的热反应性的比值在1.3～1.5[11]，配合煤质量越好，此数值会越小。

考虑到上述方案1—6 配合煤质量较好，比值取1.3，则生产CRI 在23%左右、CSR 在67%左右的焦炭，小焦炉试验焦炭的CRI 在30%以内即可。

表5 的方案4—6 是大比例配入焦煤、肥煤的方案，试验焦炭CRI≤27%，则对应大焦炉生产的焦炭CRI 在20%左右，CSR 在70%左右。方案1、3 则能生产出CRI 为25%和CSR 为65%的大焦炉焦炭。

表5 不同配煤方案和对应小焦炉试验焦炭的分析数据%

以上分析说明，捣固焦只要配煤合适，是可以生产出高热强度且符合大高炉使用的焦炭的[12-13]。

4 加强炼铁行业与炼焦行业合作，完善大容积高炉用焦炭的质量指标评价体系

焦炭CRI 及CSR 是目前对焦炭在高炉中劣化最为严重的碳溶反应的模拟指标[14-15]。该指标越来越受到高炉工作者和炼焦工作者的重视，同时也有越来越多的研究者对其模拟性和有效性表示怀疑。

CRI 和CSR 是在无碱金属条件下测定的，但是高炉中有碱金属的循环和集聚，碱金属集聚到一定量后使焦炭显微组分的反应序列逆转，加之高炉内各段反应温度和二氧化碳浓度不同，过分强调焦炭CRI 和CSR 数值的重要性可能对焦炭质量优劣认识形成误导。以各向同性为主要成分的、由低变质程度气煤所炼制的焦炭和以各向异性为主要成分的、由中变质肥煤、焦煤所炼制焦炭，用国标方法测得的CRI 和CSR值一般相差十分明显，而在有碱金属存在时，两者差别却大大缩小[16]。

国外研究者指出[17]，实验高炉的解剖试验证明在高炉软融带底部的焦炭CSR 远高于该高炉入炉焦常规反应性试验的CSR；常规反应性试验的CSR 对低CRI 焦炭的评价过高，而对高CRI 焦炭的评价过低。

考虑到炼焦煤的合理利用，科学评价焦炭化验数据对实际应用的参考性是非常有意义的。炼焦专业如果没有炼铁专业的支持，要进行某些深层次的工作是相当困难的，只能生产满足炼铁指标要求的焦炭。由于高炉内部的微观动态长期缺乏数据模型支持，炼铁对焦炭的某些指标要求也很难找到科学依据，为了保证高炉生产的顺行，把焦炭质量指标提高到尽可能高的水平，是完全可以理解的。

焦炭质量指标的正确评定和补充修正历来是难度大、进展慢，重要原因之一是炼焦和炼铁两个专业领域相互融合渗透不够、交流支持不够、上下游一体化不充分，深度合作不够。

从国内煤炭资源赋存特点及分布情况看，就山东地区而言，低变质程度的煤源相对丰富，在合理的M40、CRI 和CSR 情况下，不仅要保证高炉的生产顺行，还要扩大煤源选择范围、合理利用当地的优势资源，生产出符合大容积高炉生产需要的高质量焦炭，推动钢铁企业降本增效、低碳低耗、循环发展，真正做到实质性的钢焦一体化。

5 结 语

目前，捣固焦在大容积高炉的使用还有待达成共识，一些企业通过积极探索实践已经取得了良好的使用效果和经济效益。本文分析了大容积高炉用捣固焦的配煤情况，并进行了模拟试验，通过试验结果和大焦炉生产的对比关系，得出5.5 m 捣固焦在配煤比例合适情况下，完全可以生产出符合大容积高炉使用要求的焦炭。但目前焦炭质量评价体系需要炼铁工作者和炼焦工作者共同努力，进一步完善，提出更符合高炉实际的指标要求，避免对焦炭热反应性和热强度的过高要求，这将是极具实际操作意义的工作。