焦粒在高炉中的应用：提升效率与降低成本

冶金焦（即高炉焦）在高炉稳定运行中起着关键作用。高炉焦典型粒径为30-60毫米（部分高炉采用40-80毫米），是生铁生产成本的主要组成部分。高成本的原因在于焦炉生产高炉焦过程中会产生大量小粒级焦炭，即焦粉（-10毫米）和焦粒（10-30毫米）。焦粉通常全部用于烧结厂的矿粉烧结。早期综合钢厂几乎不使用焦粒，多外售他人。20世纪60年代，V.I.洛金诺夫教授建议将焦粒与烧结矿混合装入高炉。尽管该想法经试验验证成功，但初期在高炉使用焦粒仍遭遇阻力。

如今，将焦粒作为部分铁矿负荷装入高炉，替代部分高炉焦，已被公认为成熟技术，且焦粒混合装料几乎成为标准做法。焦粒用量高度依赖其可得性。部分钢铁企业已实现月均焦粒消耗量超过100公斤/吨铁。欧洲多座高炉的年度统计指标分析显示，焦粒入炉的替代系数接近1.0。

焦粒混合装料的操作原理

常规高炉炼铁中，铁质负荷（块矿、烧结矿、球团）与高炉焦分层装料。焦粒通常与铁质负荷混合装入。将焦粒加入高炉铁质负荷层可：①有效利用焦化过程中产生的低价值副产品；②降低高炉焦消耗；③提高高炉产量；④优化高炉冶炼气体动力学状况；⑤因降低生铁成本而改善技术经济指标；⑥减少焦炉焦炭生产，从而降低CO₂排放。图1展示了常规装料与焦粒混合装料的对比。

图1 常规装料与焦粒混合装料对比

多项研究表明，焦粒混合装料改善了软熔层透气性及直接还原。高炉运行实践证明，焦粒混合可节约焦炭并提高产量，但其机理直到近年才逐渐明确。降低焦比主要有三方面原因：①改善高炉“干燥区”气体渗透性；②改善铁质负荷还原条件；③因焦粒反应性较高，保护冶金焦在炉腹免受溶解损失反应侵蚀。

近期研究发现，少量焦粒混入铁质负荷可改善还原动力学、降低还原剂消耗、提升气液渗透性。焦粒作为常规高炉焦的替代品，其利用影响铁焦层厚度比及透气性，且因高炉而异。焦粒在低、高温下与负荷的相互作用均重要。若焦粒装入量超过最优值，未反应焦粒会下降至高炉下部，在炉腹堆积堵塞枯焦区，导致生铁质量下降、产量降低，高喷吹煤率下影响更严重。理想情况下，焦粒应在聚结带前完全反应。图2展示了无焦粒与有焦粒高炉运行对比。

图2 无焦粒与有焦粒高炉运行对比

一项关于烧结矿/焦层厚度及烧结-焦粒混合料在1100-1600℃下气体渗透性的研究表明：降低烧结矿/矿石层厚度可减小压降。在1400克烧结矿中混入90克焦粒，可使1400℃时的压降从380毫米水柱降至约50毫米水柱。结论是：高比例焦粒混合装料技术能改善聚结带气体渗透性。

另一研究利用离散元法模拟焦粒入炉前在装料系统中的偏析与径向分布，发现装料斗中焦粒质量的圆周平衡是影响分布的关键因素，在料钟尖端加装稳定器可有效防止焦粒偏析。

多座高炉研究了焦粒-矿石混合装料对还原过程的影响，发现直接还原在聚结带得到促进、在炉腹受到抑制，从而改善炉腹加热。焦粒对焦比的影响取决于焦粒与高炉焦的特性。研究区分了焦粒作为还原剂和床层间隔物的双重角色，发现焦粒粒径使其主要在矿石层中被消耗以再生CO气体，保护高炉焦免受降解，改善床层渗透性。焦粒因溶解损失反应被优先消耗的程度取决于其粒径。图3展示了常规装料与焦粒混合装料在高炉中的对比。

图3 高炉中常规装料与焦粒混合装料对比

高比例用焦粒替代高炉焦虽理想，但过量使用会导致未反应焦粒进入高炉下部，堵塞枯焦区和炉腹。数学模型与实验研究表明：焦粒率低时，焦粒完全被气化反应消耗，透气性变好；焦粒率过高时，焦粒未完全气化，残留高炉下部导致焦炭填料床压降增加。高炉操作经验表明，焦粒利用超过一定最优浓度会影响炉腹排渣能力，导致冶炼速率下降、产量降低。

高炉炉腹枯焦区模拟研究显示，空隙率比焦炭粒径更重要。枯焦区低空隙率导致热气体穿透深度降低，形成低温区。细粉产生及堆积不利于渗透性枯焦区。高炉下部焦粉会增加压降，其增量大于焦粒在聚结带降低的压降，导致全炉压降总体上升。

上述发现明确指出：存在焦粒最优用量，超量使用不仅边际效益递减，还会引发高炉运行异常，阻碍生产。

焦粒与铁质负荷混合装料的效果

改善透气性

透气性由鼓风量和炉柱压降控制。鼓风量恒定时，降低压降即可改善透气性。床层渗透性是高炉操作最关键因素之一。高炉产量提升需更大鼓风量，从而需要足够的气体渗透性。气体渗透性决定还原气流向，进而影响产量。焦粒加入铁质负荷可降低压降。

焦粒混合装料在高炉干燥区具有透气性优势。焦粒加入对气体渗透性有正面影响，但低混合比时效果不显著。铁质负荷中掺入约10%和20%焦粒，高炉产量可分别提升1.5%和2.5%。

某高炉分两阶段对比研究：第一阶段常规装料无焦粒，第二阶段铁质负荷混焦粒。两阶段矿石量相同。结果显示，高炉煤气压力跳跃随焦粒量增加而增大波动。焦粒比例提高使高炉运行更平稳，产量提升，主因是高炉焦消耗减少。因炉煤气分布更均匀、运行更平稳，煤气加热还原能力得到充分利用。

另一大量焦粒混矿研究表明：焦粒加入矿石层防止了高炉下部透气性恶化。推断常规高炉焦因焦粒选择性溶解损失反应而在下部保持大块，焦粒混装使聚结层渗透性良好。

关于矿石-焦粒负荷层性质的研究采用两种混层法：改变层高增加层数，以及改变矿层中焦粒量。发现随层高降低（层数增加）压降减小，层数超3层时压降峰值消失。焦粒量增加使压降迅速下降。认为烧结矿与焦粒界面发生渗碳，金属熔融边界处气体主要通过焦粒及周围通道，维持填料层渗透性。虽普遍认为负荷层空隙率越大渗透性越高，但气体动力学研究发现：焦粒混入虽降低空隙率，但渗透性优于无焦粒常规装料。故研究负荷渗透性需同时考虑空隙率与空隙结构。

焦粒加入矿石层可降低聚结带气体阻力，因混合焦粒在矿石层中形成新的空隙。

还原动力学

高炉铁质负荷主要含Fe₂O₃和Fe₃O₄。从矿石中除去氧称还原。高炉工艺基于铁质负荷还原行为。还原速率和程度直接影响产量。高炉热备区温度与焦炭布德反应（C+CO₂=2CO）起始温度大致一致，涉及强吸热反应。布德反应控制炉内整体反应。若能降低热备区起始温度，FeO-Fe还原反应（FeO+CO=Fe+CO₂）平衡浓度向高CO利用率方向移动，提高炉顶CO利用率，降低还原剂消耗。

更高铁氧化物还原率有利于提高产量。实验分析900-1200℃铁氧化物还原表明，控速步骤为碳氧化。还原分两阶段：Fe₃O₄→FeO较快，FeO→Fe较慢。终末阶段FeO经碳还原时，因生成发来石渣（FeO·SiO₂），还原速率进一步下降。“还原滞后”现象特别发生在铁质负荷软熔期间及之后。实验观察证实：高温（>1100℃）下无焦粒铁质负荷出现“还原滞后”，混焦粒则无此现象。为达更高还原度，焦粒粒径应与铁质负荷相当或更小。

软熔行为

矿石开始软化熔融的区域称聚结带。软熔是物理现象，聚结带位置、形状及气流相关的化学变化对高炉运行影响重大。较薄聚结带利于降低压降、改善渗透性，可通过软熔温差小的铁质负荷实现，也可通过焦粒混合调节。高温实验发现：焦粒混合使软化温度升高86℃、熔化温度升高15℃，软熔温差收窄71℃，表明形成更薄聚结带。