焦炭是高爐冶煉的重要原料，在高爐內(nèi)同時發(fā)揮鐵水滲碳劑、發(fā)熱劑、還原劑和料柱骨架的作用。因此，對焦炭質(zhì)量的要求也是多方面的。高爐煉鐵既要保證高爐爐況順行，又要保證較低的燃料比。而這兩方面的要求往往相互矛盾。從維持高爐下部的正常氣、固、液、粉四相對流運(yùn)動出發(fā)，焦炭應(yīng)具有較高的熱強(qiáng)度，而且高爐噴煤比越高，要求焦炭的熱強(qiáng)度越高。而從能量利用的角度出發(fā)，則希望焦炭有較高的反應(yīng)性。焦炭反應(yīng)性越高，熱保存區(qū)溫度越低，浮氏體間接還原反應(yīng)的平衡點(diǎn)越向右移，煤氣中CO的濃度與平衡濃度的差值增大，從而既增大了降焦?jié)摿?，又有利于高爐增產(chǎn)。因此，高爐對焦炭質(zhì)量的要求是熱強(qiáng)度高，同時反應(yīng)性也高。
業(yè)界追求“雙高”焦炭
生產(chǎn)同時滿足反應(yīng)性和熱強(qiáng)度要求的“雙高”焦炭，是日本多年來的追求。日本最初采用的方法是降低炭化溫度和延長炭化時間，隨后應(yīng)用了SCOPE21的綜合煉焦新工藝，同時開展了向配煤中添加富CaO煤的研究，最近若干年來則集中研究了用鐵礦石作為催化劑的“雙高”焦炭制備方法。這種“雙高”焦炭傳統(tǒng)上稱為鐵焦。所謂鐵焦，是向煉焦配煤中添加一定比例的鐵礦石，通過炭化得到的含有金屬鐵的一種焦炭。由于金屬鐵對C+CO2=2CO反應(yīng)具有催化作用，鐵焦的反應(yīng)性明顯高于普通焦炭。
將鐵焦與鐵礦石混裝入爐用于煉鐵，其意義歸納起來有以下幾點(diǎn)：一是能夠較好地滿足高爐對焦炭性能的矛盾要求（前提條件是不降低對作為料柱骨架的大塊焦的性能要求，而且鐵焦的冷態(tài)強(qiáng)度和熱強(qiáng)度必須與常規(guī)焦炭基本相當(dāng)）。二是擴(kuò)大降低焦比的潛力，有利于提高高爐生產(chǎn)率。三是因?yàn)榕浼拥蔫F礦石在煉焦過程中已還原成金屬鐵，也有降低焦比和提高產(chǎn)量的作用。四是有利于合理利用煉焦煤資源。
鐵焦制備方法各有優(yōu)劣
鐵焦的制備方法目前主要有兩種：
一種是日本JFE公司的熱壓塊—豎爐法，這種方法是將含有少量黏結(jié)劑的鐵礦石和煉焦配煤的混合物加熱到一定溫度，用壓塊機(jī)制成一定形狀的團(tuán)礦，然后裝入豎爐型反應(yīng)器中進(jìn)行干餾，最后制得形狀規(guī)整的鐵焦產(chǎn)品。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是可以多配鐵礦石（鐵礦石配比最高可達(dá)30%），鐵焦的熱性質(zhì)較好。但其缺點(diǎn)是工藝流程復(fù)雜，單體裝置生產(chǎn)率低且難以大型化。而為了和大型高爐匹配，須要將鐵焦的生產(chǎn)能力擴(kuò)大50倍，這樣就會給車間總圖布置、生產(chǎn)組織帶來很多問題。
另一種方法是日本新日鐵公司的傳統(tǒng)室式煉焦?fàn)t法，曾在大型焦?fàn)t上做過工業(yè)性試驗(yàn)。它是將破碎到合適粒度的鐵礦石添加到配合煤的運(yùn)輸皮帶機(jī)上，沒有設(shè)置專門的混勻設(shè)備，而是在8條皮帶機(jī)的轉(zhuǎn)運(yùn)過程中實(shí)現(xiàn)配合煤與鐵礦石的均勻混合。焦?fàn)t的裝煤方式為頂裝，熄焦方式為濕法。為了防止配煤中鐵礦石對煉焦室硅磚爐壁的侵蝕破壞，將爐壁溫度控制在1070℃左右。工業(yè)試驗(yàn)結(jié)果顯示，鐵焦的冷強(qiáng)度符合實(shí)際高爐生產(chǎn)的要求，推焦作業(yè)順利，沒有發(fā)生爐墻侵蝕現(xiàn)象。雖然鐵礦石配比很低，只有6.5%，但鐵焦的熱性質(zhì)仍然不夠理想（CRI=48.8%，CSR=16.3%）。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是可以利用傳統(tǒng)的煉焦設(shè)備生產(chǎn)鐵焦，產(chǎn)量大，工藝成熟；缺點(diǎn)是鐵礦石配比較低，而且熱性能較差。
國內(nèi)武漢科技大學(xué)的思路也是采用傳統(tǒng)煉焦工藝生產(chǎn)鐵焦，但旨在通過系統(tǒng)的基礎(chǔ)研究和工藝研究，在較高鐵礦石配比條件下生產(chǎn)出性能滿足高爐煉鐵要求的鐵焦產(chǎn)品。為此，他們在5kg實(shí)驗(yàn)室焦?fàn)t中進(jìn)行了鐵焦制備工藝的優(yōu)化研究，試驗(yàn)參數(shù)包括：煉焦配煤中的低階煉焦煤配比和鐵礦石配比，鐵礦石粒度，裝入煤的堆積密度，煉焦溫度制度等。
試驗(yàn)使用的煉焦用煤為配合煤，煤樣用雙輥破碎機(jī)粉碎，然后過3mm的篩子，細(xì)度不低于90%。向煉焦配煤中添加的3種鐵礦粉為加拿大精礦粉、澳大利亞FMG粉和鄂西高磷鐵礦粉，分別簡稱為加礦、澳礦和鄂西礦。這3種礦粉中，加礦的含鐵品位最高，對配合煤黏結(jié)性有不利影響的脈石含量最低，不含結(jié)晶水，而且其粒度分布也比較合理。因此，在相同添加量和相同煉焦工藝條件下，加礦鐵焦的各項(xiàng)性能均是最好的。目前，實(shí)驗(yàn)室鐵焦的最佳性能如下：M25=85.07%，M10=9.13%，CSR=21.63%，CRI=64.07%，其冷強(qiáng)度與寶鋼集團(tuán)八鋼公司高爐生產(chǎn)中使用的焦炭基本相當(dāng)（M25=91.1%，M10=7.4%），而熱強(qiáng)度超過了新日鐵公司工業(yè)焦?fàn)t生產(chǎn)的鐵焦（CSR=16.3%，CRI=48.8%）。
鐵焦混裝加快還原反應(yīng)
鐵焦與鐵礦石混裝入爐，一方面因?yàn)楸舜司o密接觸而增加了反應(yīng)面積；另一方面由于鐵焦氣化反應(yīng)的進(jìn)行消耗CO2而生成CO，使得鐵焦周圍局部地區(qū)的還原勢增加，緊挨鐵焦的鐵礦石的CO擴(kuò)散通量增大。鐵礦石反應(yīng)界面CO濃度升高，從而加快還原反應(yīng)速度，一定時間內(nèi)的鐵礦石還原度增大，這樣相應(yīng)減少了高爐下部氧化鐵的直接還原量。
實(shí)驗(yàn)研究表明，900℃下，有鐵焦時燒結(jié)礦的60min還原度比沒有鐵焦時增加了3.8個百分點(diǎn)，有鐵焦時球團(tuán)礦的60min還原度比沒有鐵焦時增加了1.28個百分點(diǎn)，僅是燒結(jié)礦還原度增加幅度的1/3。按照GB/T 13241—1991測試的燒結(jié)礦和球團(tuán)礦的還原性分別為96.35%和79.98%。因此，相對于燒結(jié)礦加鐵焦的情形，球團(tuán)礦還原過程中的CO2生成速率較小，CO濃度提高的幅度相應(yīng)也較低。這可能是混入鐵焦改善球團(tuán)礦還原性的效果趕不上混入燒結(jié)礦的原因。
實(shí)驗(yàn)研究了溫度對球團(tuán)礦還原和鐵焦氣化耦合反應(yīng)的影響，結(jié)果顯示，隨著反應(yīng)溫度升高，混合試樣的總失重逐漸增大。失重—溫度曲線的特點(diǎn)是反應(yīng)進(jìn)行到一定時間以后，曲線逐漸趨于平緩，溫度低時的時間較長，溫度高時的時間較短。隨著反應(yīng)溫度升高，球團(tuán)礦的還原度增大，鐵焦的氣化率也增加，但還原度增加的幅度遠(yuǎn)小于氣化率增加的幅度，表明氣化生成的CO沒有完全消耗于球團(tuán)礦的還原上。
為了深入了解混入鐵焦對燒結(jié)礦還原過程的影響，研究人員應(yīng)用氣體分析儀測定了尾氣中的CO、CO2濃度隨時間的變化情況。結(jié)果顯示，對于500g燒結(jié)礦和15g鐵焦的混合試樣，還原進(jìn)行到1h時煤氣中CO濃度達(dá)到27%，CO2濃度為16.72%，CO為38.24%，略高于煤氣的37%初始CO，但隨后很快會低于初始CO，即煤氣的實(shí)際還原勢超過初始還原勢。75g、25g和15g 3種鐵焦用量的CO、CO2濃度曲線交叉點(diǎn)所對應(yīng)的時間分別為3min、22min和35min，時間越短，意味著煤氣還原勢更早地超過初始還原勢。而隨著鐵焦混入量的增多，反應(yīng)1h時的CO濃度明顯增大而CO2濃度逐漸減小。由此可以看出，增加鐵焦用量能夠促進(jìn)鐵焦氣化和燒結(jié)礦還原的耦合反應(yīng)。
鐵焦混裝改善指標(biāo)促減排
研究人員在初渣試驗(yàn)爐中研究了鐵焦混裝對爐料初渣形成過程的影響。結(jié)果顯示，在綜合爐料中混入鐵焦將使熔融區(qū)間（即試樣壓縮40%到開始滴落的溫度差）大幅度收窄，最多從319℃減少到0℃。
在綜合爐料中混入鐵焦將使高爐軟熔帶的透氣性大幅度改善：最大壓差從8.48kPa降低到0.10kPa，透氣性指數(shù)K值從610.9kPa·℃下降到49.3kPa·℃。考慮到軟熔帶的壓降占高爐總壓降的60%以上，因此，采用鐵礦石與鐵焦混裝入爐工藝對高爐穩(wěn)定順行，改善利用系數(shù)、焦比、煤比、燃料比等經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)，降低生產(chǎn)成本等都將起到積極的作用。
研究人員又對鐵焦混裝工藝的節(jié)能減排效果進(jìn)行了理論分析，從熱力學(xué)角度計算證實(shí)，此工藝具有大約10kg/t鐵的降焦?jié)摿痛蠹s29kg/t的CO2減排潛力。
下一步，研究人員將創(chuàng)造條件開展工業(yè)性試驗(yàn)，爭取盡快實(shí)現(xiàn)高爐鐵焦混裝新工藝的實(shí)際應(yīng)用。