焦炭热性质是反映焦炭在高炉中行为特性的重要指标。在加入高炉的物料中，矿石、溶剂在炉身以下高温区均已变为熔融，甚至是液体状态，只有焦炭到风口前还保持着固体状态，以保证高炉料柱的透气性。
焦炭灰成分是影响焦炭热性质的重要因素，焦炭的灰成分不仅破坏了焦炭微观结构，还影响其热反应速度。开展对灰成分影响焦炭热性质机理的研究，探索改变或控制灰成分在工业生产上的应用，对准确预测和科学评价焦炭质量具有重要意义。
1 矿物质对焦炭溶损反应的影响
1.1 焦炭灰分中矿物质的种类及存在形式
焦炉炼焦时，焦炭中的灰分是由炼焦煤带入的，由于炼焦煤资源的不同，不同地域或时间段的焦炭其灰成分有较大差别。但其重要的成分种类却相对固定，焦炭灰分中的矿物质元素主要有Si、A1、Fe、Ca、Mg，次要有Ba、Ti、K、Na，微量有Mn、V等，在灰分中的含量分别＞1%、>0. 1％和＞0.01%。
1.2 不同矿物质对焦炭溶损反应的影响及其机理
焦炭中矿物质通过下列两方面对其溶损反应产生影响。
（1）矿物质的存在破坏了焦炭的微观和宏观结构。矿物质微粒破坏焦炭中的石墨化层状结构，从而使其强度降低。同时，较大颗粒的矿物质在焦炭中形成裂纹中心，使焦炭在受到外力（机械力或热应力）时，沿裂纹中心分裂，导致其强度降低。这一方面的作用对焦炭的热强度起破坏作用。
（2）矿物质对焦炭溶损反应的催化作用。焦炭中存在矿物质时，对溶损反应有正、负两种催化作用。正催化作用是指矿物质能加速焦炭溶损反应的进行，提高其反应性。对焦炭的溶损反应主要起正催化作用的矿物质有碱金属、碱土金属、过渡金属等。负催化作用是指矿物质使焦炭溶损反应受到抑制，导致焦炭反应性的降低。对焦炭溶损反应有负催化作用的矿物质有硼、钼、钛等元素的氧化物。硼可降低碳的溶损速度，硼和钼形成硼酸根和钼酸根，它们在无水汽的情况下能与晶格周边的碳原子结合，并堵塞通道，因而产生负催化作用，钛也能抑制焦炭的溶损反应。
2 添加矿物成分改善焦炭热性能的实验
根据矿物质对焦炭热性质的不同影响，可以通过向焦炭喷洒含有矿物质溶液的方法，改善焦炭的热性质。安阳钢铁公司近年来进行了多次实验室研究及工业试验，在此类实验中，B2O3是主要的添加物质。
2.1 实验室研究
2.1.1 实验方法
用一定浓度的添加剂溶液300mL浸泡500g焦炭15min左右，风干后按照国标GB4000-1996进行CRI、CSR检测，实验结果见表1。
表1 实验前后的焦炭质量对比（％）
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添加剂浓度 |
平均值 |
指标对比 |
|
CRI |
CSR |
CRI |
CSR |
|
0 |
28.02 |
63.91 |
- |
- |
|
3.5 |
25.14 |
65.50 |
－2.88 |
1.59 |
|
4.5 |
19.33 |
72.71 |
－8.69 |
8.80 |
2. 1. 2 改质剂对焦炭显微结构的影响
为了更清楚地研究改质剂在焦炭内的分布和作用，利用扫描电镜对喷洒质量分数4％的改质剂前后的焦炭进行了检测，检测结果见图1。
图1 喷洒4％改质剂前后焦炭样（×200倍）的微观结构
从图1可看出，在相同放大倍数的条件下，喷前焦样的孔隙大、密、深，呈现浑圆状，较规则，属于开气孔。而喷洒改质剂后焦炭的孔隙小、少，并且不规则，呈现封闭状。改质剂呈粒状和片状存在于焦炭孔隙中，堵塞了焦炭气孔，或形成雪花状、网络状碳化物，既对反应气体形成了屏蔽，又加强了自身强度。
2.1.3 实验室结果分析
(1) 经改质剂溶液浸泡后，焦炭的CRI降低，CSR升高，且随着改质剂浓度的增加，CRI降低愈多，CSR提高也愈多。
(2) 浸泡时间愈长，焦炭热性能改善程度愈高。实际上，渗透到焦炭样中的改质剂的量越多，对焦炭热性能的改善效果越好。
(3) 电镜扫描的结果表明，改质剂中的物质能吸附和渗透到焦炭表层，一方面它们能与晶格周边的碳原子结合，填充焦炭晶格空隙，并堵塞通道，阻止二氧化碳向焦炭内层扩散，以此来降低焦炭反应性；另一方面，部分改质剂随焦炭进入炉内后，经过温度变化与其生成化合物，该化合物是氧化性气体的抑制剂，主要是在碳结构中的活化点上吸附稳定的化合物，从而使活化点失活，以使其在焦炭表面形成屏蔽保护膜，来抑制焦炭与二氧化碳的溶损反应。
2.2 工业试验
为了进一步验证焦炭改质剂对焦炭质量的改善效果，我们进行了工业中间试验，通过工业生产中焦炭质量的变化来检验改质剂的功效。
（1）工艺流程。根据实验室的结论，工业现场决定采用向焦炭表面喷洒溶液的工艺方法，通过现场实地勘察，制订出的工艺流程示意图见图2。
图2 喷洒改质剂工艺流程示意图
（2）喷洒方案要点。在筛焦楼后的转运站，采用多喷头立体喷洒方式向焦炭喷洒一定浓度（4.0%）的改质剂溶液，试验期15天，试验结果见表2。
表2 工业性试验前后焦炭质量对比
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试样 |
CRI，％ |
CSR，％ |
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空白样 |
33.61 |
56.05 |
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喷洒样 |
26.40 |
64.29 |
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差值 |
－7.21 |
+8.24 |
注：以上试验结果为多次试验的平均值。
由表2可看到，焦炭经改质剂处理后，热性能（反应性和反应后强度）得到了明显改善。喷洒过改质剂焦炭的CRI较未喷洒改质剂的降低了7. 21%，相对降低值21. 45%；喷洒过改质剂焦炭的CSR较未喷洒改质剂的提高了8. 24%,相对提高值14. 70%。工业试验的结果表明，喷洒改质剂对焦炭质量的提高有明显效果。
3 灰成分研究在炼焦生产中的其他应用方向
除上述利用添加剂改变焦炭灰成分以改善其热性质外，灰成分研究在工业生产中的其他应用方向可包括以下几方面。
(1) 综合评价炼焦煤质量，选择合适的进厂煤源。焦炉炼焦生产中，焦炭中的灰分完全是由炼焦煤带入的，因此通过控制炼焦煤中的灰成分，可有效控制焦炭的灰成分。建立进厂煤灰成分检测制度，以更加科学地评价炼焦煤的性质，选择更适合高炉需求的炼焦煤资源。
(2) 更加准确地预测焦炭质量。炼焦煤的灰分及其组成是影响焦炭质量的重要因素，而这一因素是独立于炼焦煤的工艺性质（如粘结性）的。仅根据配煤质量（配煤比、单种煤工艺性质等）预测焦炭质量，无论是采用工艺指标还是使用煤岩配煤的方法，都是不完全的。在预测焦炭质量特别是其热性质时，应充分考虑焦炭中矿物质及其含量结构的影响。
(3) 优选更加经济、有效的添加剂。通过不同矿物成分或其他物质对焦炭质量影响的研究，开发低成本的高效添加剂，改善焦炭质量。
4 结束语
炼焦煤的灰成分是影响焦炭热性质的重要因素，灰成分对焦炭热性能的影响是通过灰成分对CO2反应性的催化作用来实现的。研究表明，炼焦煤的灰成分可以控制进厂煤的质量，提高预测焦炭质量的准确程度。实验室和工业试验的结果表明，通过向焦炭中添加改质剂可以改善焦炭的热性质。
梁鸿飞（安阳钢铁集团有限责任公司梁鸿飞）
