焦炭作为高炉的主要燃料，不但起着发热剂和还原剂的作用，还作为渗碳的碳源和料柱的骨架。焦炭在高炉内的还原作用主要取决于焦炭的反应性。一般认为，焦炭反应性（CRI）与焦炭反应后强度（CSR）存在负相关性，这就涉及到焦炭在高炉内的料柱骨架作用，因此焦炭的反应性对高炉冶炼有着重要的影响。在高炉炼铁发展的不同时期，由于冶炼条件和炼焦工艺的差异，出现了不同的高炉操作和配煤炼焦技术，人们对焦炭反应性与高炉冶炼之间关系的认知程度也在逐步加深。在当前高炉冶炼技术日益完善、焦比逐渐降低、优质焦煤稀缺的情况下，正确认识焦炭反应性对高炉冶炼过程的影响变得尤为重要。
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焦炭的产生与应用
早期的高炉使用木炭作为燃料和还原剂，随着炼铁业的发展，高炉所需木炭的数量增多，用于生产木炭的森林资源日益短缺，大片森林遭到破坏，并且由于木炭的强度较低，高炉的大型化发展和生铁产量的提高也受到了限制。为使高炉炼铁摆脱木炭资源的限制，人们试图利用煤作为高炉还原剂来代替木炭，但由于鼓风能力差，煤中磷、硫含量高以及挥发分过多等因素的限制，用煤代替木炭的想法未能实现。18世纪初期，Darby提出用焦炭作为还原剂进行高炉冶炼，但由于焦炭中硫含量偏高，没有取得成功。此后，经过选用低硫煤炼制焦炭用于高炉冶炼，成功地冶炼出了合格生铁，从此高炉炼铁进入了一个崭新的时代。
由于焦炭中所含有害成分含量高、反应性低等原因极大地限制了高炉冶炼的进一步发展。为克服焦炭的这些缺点，当时主要是通过选煤炼焦来解决，即选用那些有害成分少，且能获得较好反应性焦炭的炼焦煤进行生产。此种方法虽然能够取得较好的生产效果，但对炼焦用煤的要求较为严格。另外，就是通过加大高炉的鼓风量来改善焦炭的反应条件，但当时的鼓风技术还仅限于水力鼓风。鉴于以上原因，焦炭的应用并没有使高炉炼铁得到较快的发展。18世纪中叶，随着瓦特蒸汽机的发明，高炉鼓风由传统的水力鼓风变成以蒸汽机为主的机械鼓风，机械鼓风的应用使高炉进风量增大，炉温升高，高炉内焦炭的反应条件得到了改善，焦炭变得更加适合高炉冶炼，并且由于焦炭的强度高于木炭，为高炉大型化的发展和生铁产量的提高奠定了良好基础。
进入20世纪，随着高炉炼铁规模的日益扩大，完全以低灰低硫单种煤炼焦的生产方式已不能满足高炉冶炼的需求，配煤炼焦成为解决优质炼焦煤短缺的重要手段。当时配煤手段主要是通过对配合煤成分分析，而后限定灰分、挥发分、硫分等指标。这些配煤方法虽然对配煤整体质量的评价存在一定的局限性，但仍然具有一定的意义，并且作为评价配煤质量的主要指标沿用至今。由于配合煤所得的焦炭反应性要好于单种煤，所以在一定程度上解决了焦炭反应性较低的问题。20世纪中后期，随着第二次世界大战的结束，世界的生铁产量再一次得到了飞跃式的发展。
1960年世界生铁产量达到2.5亿吨，此时的高炉也达到了2000m3，高风温、精料、富氧、喷吹等技术得到较为广泛的应用，高炉焦比也从1000
kg以上降到600kg左右，高炉利用系数大约提高了1倍。随着高炉冶炼技术的进步，对焦炭质量要求的认知程度也上升到了一个新的水平，焦炭的热态性质成为研究的重点，对焦炭反应性的研究也出现了定量的测定指标。在当前资源短缺，环保意识日益增强的情况下，对焦炭反应性与高炉冶炼的关系做出正确的分析和评价意义重大。
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焦炭反应性的高低与高炉冶炼
2.1
低反应性焦炭的提出
多年来，低反应性焦炭有利于高炉冶炼的观念一直为大多数研究者所支持。焦炭的反应性低，反应开始温度高，可使高炉内间接还原区扩大，有助于间接还原的发展；焦炭反应性和可燃性越低则其在风口区的反应越慢，风口前形成的焦炭燃烧区的横断面积大，可使炉料的下降运动更加均匀。如果焦炭的反应性高，反应开始温度低，则在较低的温度下就与二氧化碳反应生成一氧化碳，此时生成的一氧化碳还来不及与铁矿石还原就随高炉煤气逸出炉外，造成资源的浪费。另外，高反应性焦炭在较低的温度下就开始反应，其对应的高温强度势必会有所降低，使高炉内的透气性受到破坏，不利于高炉顺行。据统计表明，焦炭的反应性每提高1%，焦比增高l
kg,
CO利用率降低0.5%。糜克勤指出，对于反应开始温度较低的高反应性焦炭，会使间接还原与直接还原混合还原区的入口温度降低，直接还原度上升，焦比升高，对应的变化趋势见图1。
图1
焦炭开始溶损温度对高炉内直接还原度和焦比的影响
鉴于以上原因，炼焦和冶金界普遍认为，高反应性焦炭不利于高炉冶炼的顺利进行，并且形成了降低焦炭反应性可以降低高炉焦比、减少焦炭破损程度的学术思想，并用该学术思想指导炼焦生产和高炉操作。
2.2
高反应性焦炭的提出
与低反应性焦炭相比，一些研究者认为高反应性焦炭同样适合高炉冶炼。洛杰·路瓦松等认为反应性较高焦炭的冶炼效果不一定不好。如当时的法国焦炭，尽管不同焦炭之间的反应性差异较大，但同样应用于高炉生产中。他认为在高炉内的温度分布存在一个自动调节过程，即高炉内热量分布与直接还原和间接还原是相互制约、互成比例的，通常不会发生变化。而内藤诚章则明确提出高反应性焦炭更加适合高炉冶炼，并给出理论依据。他认为与传统高炉炉身的工作效率相比，现代化高炉炉身的工作效率已经达到了很高水平，再以低反应性焦炭来提高炉身工作效率的意义已不是很大，尤其是在当前铁矿石具有较好还原性的条件下，利用高反应性焦炭完全可以取得较好的冶炼效果。他以Rist操作线中W点（化学平衡限制点）的变化和高炉炉顶煤气利用率的变化（A→B→C
)为主要依据进行了分析。他认为，通过改变矿石的还原性可提高高炉煤气的利用率，即高炉炉顶操作点由A向B移动；当矿石的还原性较好时，再配加高反应性焦炭则可通过改善铁矿石还原的化学平衡条件（W→W'
)进一步提高高炉煤气的利用率，即高炉操作线（WP）的顶点再由B向C移动，从而提高高炉利用效率，使高炉操作线的斜率减小，燃料消耗降低，如图2所示。
图2
高炉提高反应效率的技术
图3
富钙焦煤混入比与高炉吨铁还原剂碳素消耗率的关系
2002年，野村诚治等人通过在配煤中添加富钙煤的办法生产出高反应性焦炭，在日本北海制铁所室兰厂的2号高炉上进行了4个月的冶炼试验，对应富钙焦煤混入比与吨铁还原剂碳素消耗率的变化趋势如图3所示。从图3可看出，随着混煤中富钙煤加入量的增多，吨铁还原剂碳素消耗率呈现出下降的趋势。经统计表明，使用高反应性焦炭可使高炉的还原剂碳素消耗率降低l0kg/tFe
。
综上所述，不同时期的研究者对焦炭反应性的要求有着不同的见解和观点。虽然二者都是基于高炉内焦炭的还原作用对焦炭反应性进行的评价，却得到了不同的结果，这主要是对于高炉体系的认识还不够全面清晰。但有一点特别值得重视，就是焦炭的高温强度对现代化大型高炉的顺行是非常重要的，同样值得提出的是，这里所指的高温强度与焦炭反应后强度（CSR）还是有所区别的。
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不同反应性焦炭生产的研究
为获得不同反应性能的焦炭，广大炼焦工作者也进行了大量的研究，下面对不同反应性焦炭的生产技术简单概述。
3.1
低反应性焦炭生产的研究
传统炼焦生产中为保证焦炭的质量，主要是通过在配煤中多添加粘结性较好的焦煤和肥煤来提高焦炭中各向异性的程度，通常焦煤和肥煤在配煤中的配入量高达50％以上。此配煤方法在优质炼焦煤充足时取得了较好的生产效果，但在当前优质焦煤短缺的情况下，若仍以此方法配煤炼焦，则会大大增加焦炭的生产成本，因此出现了通过改变炼焦工艺或使用添加剂来降低焦炭反应性的技术手段。降低焦炭反应性的炼焦工艺主要包括捣固工艺、煤预热和煤调湿技术、配型煤技术等，这些工艺能够保证在不改变配煤水平的条件下，提高焦炭质量，降低焦炭反应性。但这些炼焦工艺必须有配套的处理设备，会增加焦炭的生产工序和成本。
添加钝化剂降低焦炭反应性与改变炼焦工艺降低焦炭反应性相比，具有成本低，能耗小等优点。目前通过添加钝化剂降低焦炭反应性的加入方法主要有两种：一种是在配煤中添加，另一种是通过焦炭表面吸附。焦炭表面吸附方式又可分为煮沸、喷洒和浸泡3种。钝化剂降低焦炭反应性主要基于以下机理：钝化剂能够改变气化界面的表面积和活化点的数量，进而改变焦炭气化反应的动力学条件。钝化剂能够吸附在焦炭表面，阻塞二氧化碳进入焦炭内部的通道，并且高温时在焦炭表面形成屏蔽保护膜。另一种理论则认为焦炭在加入钝化剂后，焦炭的光学组织会发生改变，从而使焦炭的反应性降低。
焦炭的钝化剂种类较多，其中硼酸应用得最多。这是由于硼酸能够较好地吸附在焦炭表面，阻止反应气体向焦炭内部扩散，且硼原子与碳原子的半径非常接近，硼原子在炭中既能形成替代式固溶体，又能与石墨晶体形成镶嵌结构，从而改变焦炭的表面性质，提高焦炭的石墨化程度，降低焦炭反应性。王存政等以硼酸为钝化剂，通过改变钝化剂的浓度和加入方式等手段，研究了硼酸对焦炭钝化的影响。研究表明，焦炭的反应性随硼酸加入明显下降，并且随着硼酸加入量的增多下降程度加大，但焦炭的反应性与钝化剂的加入方式的关系较小。尽管焦炭的钝化技术能够降低焦炭的反应性，但也只限于实验室范围，还很少用于高炉的实际生产中。胡德生等以高炉内二氧化碳浓度分布、温度分布以及高炉内焦炭实际劣化过程为依据，对钝化后焦炭能否适于高炉实际冶炼过程进行讨论后，认为焦炭的钝化技术是值得商榷的。
3.2
高反应性焦炭生产的研究
高反应性焦炭制备思路与低反应性焦炭相反，但途径相同，主要也是通过改变配煤工艺或是在焦炭中添加一些添加剂，只不过此时加入的添加剂是催化剂。在配煤中增加低变质焦煤的配入比例，可以改变焦炭的光学组织，使焦炭的反应性得到改善；降低焦炭的结焦终温可降低焦炭的石墨化程度，增大反应性。上述的炼焦工艺虽然能够提高焦炭的反应性，但对焦炭的强度也会有一定的影响。另一种思路是通过添加催化剂来提高焦炭的反应性。低反应性焦炭支持者认为，高炉内碱金属能够增大焦炭反应性，因此提出了在入炉原料中降低碱金属的含量。而高反应性焦炭支持者恰恰是利用碱金属的催化作用来生产高反应性焦炭。野村诚治等对不同碱金属对焦炭的催化作用进行了研究，根据不同碱金属对焦炭的催化效果得出，含钙氧化物的催化效果较好，且价格较为便宜，可用于实际生产。
4
不同反应性焦炭适用性的讨论
低反应性焦炭的提出和应用，主要是基于低反应性焦炭反应开始温度较高，能够加大高炉间接还原区范围，促进间接还原进行，进而降低焦比。并且由于低反应性焦炭的反应性低，其对应的反应后强度高，能够保证高炉炉内尤其是软熔带具有较好的透气性。但对于当前冶炼条件较好的大型高炉，炉身的工作效率已达到90％以上，再促进高炉内间接还原区的发展意义已不是很大。另外，由于喷煤粉等技术的应用，高炉内焦炭的溶损率通常保持在25％左右，并且高炉内焦炭的高温强度与反应后强度（CSR）还有一定的差距，因此若再用焦炭反应性的高低去衡量焦炭在高炉内的强度，意义也不是很大。
毕学工以现代高炉的实际冶炼条件为依据，对焦炭的质量提出了新的要求。在高炉冶炼条件一定时，矿石的还原效率主要取决于焦炭的反应性和矿石本身的还原性能，也就是说只有在焦炭反应性与高炉内铁矿石还原性之间具有较好的耦合性时才能取得较好的冶炼效果。宇治泽优对焦炭反应性和矿石还原性的关系进行了详细探讨，指出高炉还原效率取决于矿石还原速率与焦炭气化速率的竞争关系，因此与高反应性焦炭配合使用的矿石，还原性必有一定的限制。研究结果表明，在比较使用CRI为30％的普通焦炭和CRI为45％的高反应性焦炭冶炼时，烧结矿的还原性指数JIS-RI为66％是分界点，还原性高于该值使用高反应性焦炭可以提高煤气利用率，降低燃料消耗；而小于该值，由于还原效率的降低，使用反应性较低的焦炭则更有利，如图4所示。
图4
烧结矿还原性（JIS-RI）对于改变CO/
(CO+CO2）以及反应速率的影响
综上所述，对于能够保证炉身工作效率、使用高品质矿石的高炉，选用具有高温强度的高反应性焦炭是完全可行的。
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结语
焦炭反应性与高炉冶炼之间的认知程度对高炉冶炼和炼焦工艺等技术的革新具有重要影响，但由于高炉本身就是一个具有复杂反应的高温反应器，因此不同时期的认识水平也有所不同。在实际生产中为获得较好的生产效果和经济效益，必须根据高炉实际的冶炼条件和人炉矿石的质量来选用反应性适合的焦炭。(转载）
孙 亮
汪 琦 郭
瑞（辽宁科技大学材料与冶金学院，鞍山114051)
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(2013-08-08 08:58:51) 
