焦炭的用途工作原理

高炉冶炼早期以木炭为主，而后使用了无烟煤，再到后来的高炉几乎都使用焦炭做燃料，并使用喷吹技术，从风口喷吹的燃料已占全部燃料用量的10—30%，有的达到了40%，用作喷吹的燃料主要有无烟煤和天然气。

一、焦炭在高炉中的作用焦炭在高炉中有一下几个方面的作用：1.发热剂：焦炭在风口前燃烧放出热量而产生高温，它使高炉内各种化学反应得以进行，并使渣、铁熔化。

高炉冶炼所消耗的热量70—80%是由焦炭燃烧来提供的。

2.还原剂：焦炭中的固定碳C和它燃烧后产生的CO、H2与铁矿石中的各级氧化物反应后，将铁还原出来。

铁矿石还原所需的还原剂几乎全部由燃料所供给。

3.料柱骨架：高炉内的铁矿石和熔剂下降到高温区时，全部软化并熔化成液体，而焦炭则既不软化也不熔化，所以它可以作为高炉内料柱的骨架来支撑上部的炉料。

焦炭在高炉料柱中约占整个体积的三分之一至二分之一，焦炭又是多孔的固体，同时它又起着改善料柱透气性的作用。

二、焦炭的物理性质焦炭的物理性质包括机械强度、筛分组成和气孔度等，其中最主要的是机械强度。

1.机械强度焦炭的机械强度主要是指焦炭的耐磨性和抗冲击的能力，其次是抗压强度。

它是重要的质量指标。

焦炭的机械强度对高炉冶炼十分重要：若机械强度不好，在焦炭运转的过程中和在炉内下降的过程中，由于炉料与炉料之间、炉墙之间相互摩擦挤压，会导致焦炭破裂而产生大量的粉末，在高炉冶炼过程中，这些粉末将渗入初渣中，增加初渣的粘度，降低了初渣的流动性，增加了煤气通过初渣带上升的阻力，最终造成炉况不顺，炉缸堆积，风口烧坏等事故。

目前我国各厂测定焦炭强度的方法是转鼓试验。

转鼓的测定有两种：大转鼓和小转鼓。

以小转鼓为好。

小转鼓是由钢板制成的无穿心轴的密封圆筒转鼓，鼓内径和鼓内宽皆为1000mm，鼓壁厚6—8mm，内壁每隔90度焊角钢（100*50*10mm）一块，共焊接四块。

试验时取50公斤大于60mm的焦炭试样装入鼓内，以25转每分的转速转100转。

转完后用直径40mm和直径10mm的圆孔筛筛分，以大于40mm的焦炭占焦炭试样的重量百分数作为破碎强度指标，以小于10mm的焦炭占焦炭试样的百分数作为耐磨强度指标。

对于中型高炉用焦炭M40在60—70%，大型高炉M40在75%以上。

M10均应小于9%为好。

焦炭的抗压强度一般在9.81—14.71MPA，而高炉炉缸的实际压力只有0.294—0.490MPA，但焦炭在炉内高温作用下，强度会有明显的降低并产生碎裂。

由于焦炭的强度指标是在常温、无化学作用的情况下测定的，所以它不能真正代表焦炭在高炉内的实际强度，因此鉴定焦炭的强度（特别是高温下的强度）的合理方法尚待进一步研究。

2.筛分组成焦炭的筛分组成是用筛分试验的方法来测量焦炭的粒度组成，计算各级粒度焦炭重量与焦炭总量的百分比。

高炉大量使用熔剂性烧结烧结矿以来，矿石的粒度普遍降低，使焦炭和烧结矿间的粒度差别扩大，这很不利于料柱透气性的改善。

实践证明在大、中型高炉上使用25—40mm的中块焦炭是可行的。

从焦炭生产方面来看：在焦炭产品中，25—40mm的中块焦炭仅占14—15%，所以，适度降低入炉焦炭的粒度对于合理利用焦炭也是一项有意义的措施。

3.气孔度焦炭的气孔度表示在全部焦炭体积中气孔所占的体积百分数。

高炉冶炼用焦炭的气孔度大约在45—53%之间。

气孔度高可以改善焦炭的反应性能，但过高时气孔壁薄，会影响焦炭的强度，目前对冶金焦炭的气孔度还没有具体要求。

三、焦炭的化学性质焦炭的化学性质通常是以焦炭的工业分析来表示的。

工业分析的内容包括：固定碳、灰分、硫分、挥发分和水分的含量，除水分外其它组成均以干焦基础来计算。

1.固定碳和灰分焦炭中固定碳含量应尽量高，灰分含量应尽量低。

这是因为焦炭中的固定碳含量愈高，焦炭的发热量愈大，还原剂愈多，愈有利于降低焦比。

焦炭中固定碳的含量的高低，主要影响来自灰分。

固定碳的含量一般通过计算方法求得：C（固定）＝100—（灰分+挥发分+有机物）焦炭中的灰分不仅对固定碳含量影响较大，而且会导致焦炭的耐磨强度降低，粉末增加。

灰分的主要成分是酸性的SIO2和AL2O3,它们约占灰分总量的80%以上，灰分增加势必导致熔剂耗量和渣量的增加，使焦比升高，产量下降。

2.硫和磷在高炉冶炼中，有80%左右的硫是由焦炭带入的，因此降低焦炭中的含硫量对降低生铁含硫起着很大的作用。

控制煤的含硫量和合适的配煤比是控制焦炭含硫量的基本途径。

焦炭中一般含磷很少。

3.挥发分挥发分是炼焦过程中未分解挥发完的有机物质，主要是碳、氢、氧及少量的硫和氮。

当焦炭进入高炉再次加热到850—900摄氏度以上时，就以H2、CH4、N2等气体形式挥发出来。

挥发分本身对进入高炉冶炼并无影响，但它是一个表示焦炭成熟程度的指标。

正常情况下挥发分的含量一般在0.7—1.2%之间，含量过高的焦炭不够成熟，夹生焦多，这种焦炭强度差，进入高炉后易碎裂产生粉末，影响料柱透气性。

而含量过低则表示结焦过大，这种焦炭裂纹多，极脆，对高炉冶炼不利。

4.水分焦炭中的水分是在打水熄焦时渗入的，通常为2—6%。

焦炭中的水分在高炉上部即可蒸发完毕，对高炉冶炼没有影响。

但要求焦炭中的水分含量稳定，因为焦炭都是按重量入炉的，水分的波动必定会引起干焦量的波动，终于导致炉缸热制度的波动。

四、焦炭的物理化学性质焦炭的物理化学性质包括焦炭的燃烧性和反应性两个方面。

焦炭的燃烧性是指焦炭与氧在一定的温度条件下反应生成CO2的速度。

也即燃烧速度，其反应式为：C+O2=CO2焦炭的反应性是指焦炭在一定的温度下和CO2作用，生成CO的反应速度，其反应式为：C+CO2=2CO在一定温度下，这两个反应速度愈快则表示焦炭的燃烧性和反应性愈好，它们对高炉冶炼的影响还有待于进一步研究。

一般来说焦炭的燃烧性和反应性主要取决于焦炭的结构、块度和气孔度，而焦炭的结构基本是由原煤成分、炼焦工艺决定的。

块度大，气孔度低，堆比重大和灰分高的焦炭燃烧性和反应性较差；相反，如果焦炭的块度小而合适，气孔度高，堆比重不大而含水量、灰分又低的焦炭其燃烧性和反应性都较好。

五、焦炭的生产流程现代焦炭的生产过程分为：洗煤、配煤、炼焦和产品处理等工序。

洗煤就是将原煤在炼焦之前先进行洗选的过程，其目的是降低煤中所含的灰分和洗除煤中的其它杂志。

配煤是将各种结焦性能不同的煤经过洗选后，按一定比例配合进行炼焦，其目的是在保证焦炭质量的前提下，扩大炼焦煤的使用范围，合理利用国家资源，并尽可能多的得到一些化工产品。

炼焦是将配合好的煤粉，装入炼焦炉的碳化室，在隔绝空气的条件下通过两侧的燃烧室加热干馏，再经过一定的时间，最后获得质量合格的冶金焦。

焦炭产品处理是将由炉内推出的炽热的焦炭经喷水熄火或干熄火后，进行筛分分级，获得不同粒度的焦炭产品，分别送往高炉和烧结等用户。

六、炼焦用煤煤按其生成的地质年代的长短可分为：泥煤、褐煤、烟煤及无烟煤四种。

用于炼焦的主要是烟煤。

烟煤根据地质年代的长短和变质程度的高低，可分为：长焰煤、气煤、肥煤、焦煤、瘦煤及贫煤六种。

1.长焰煤长焰煤的结焦性很差，无法在现代焦炉中成焦，如在配煤中配入量较多，碳的耐磨性就很差。

2.气煤气煤在加热时可得到较多的胶质体，但此类胶质体的热稳定性差，易分解。

由半焦转成焦炭时，产生大量的挥发分，因此生产出来的焦炭收缩大、裂纹多，块度小且易碎。

在配煤中适度增加气煤，可提高化学副产品的产量，增加焦炭收缩，有利于推焦。

3.焦煤焦煤具有中等胶质层和中等可燃基挥发分。

加热时可生成热稳定性好的胶质体。

多数焦煤在单独炼焦时，都可以获得块度大、裂纹少、耐磨性好的焦炭。

但单独炼焦时，推焦困难，不利于对炉墙的保护，并且由于焦煤储量不多，从提高焦炭的强度和节约焦煤的角度出发，只能在配煤中适度加入焦煤。

4.肥煤肥煤在加热时能产生大量的胶质。

单独使用这种煤炼焦时，生产出来的焦炭融熔性好，但容易产生较多的横向裂纹，易碎，生成小焦块等。

由于它具有很强的粘结性，可粘结一部分弱粘结性煤，所以它是配煤中的重要成分。

5.瘦煤瘦煤的变质程度较高，挥发分低，加热时胶质体数量少，一般瘦煤能结焦，但块度大裂纹少，不耐磨。

配煤中加入少量瘦煤可以提高焦炭的块度。

6.贫煤贫煤的变质程度较瘦煤高，有挥发分而无胶质和粘结性，配入少量贫煤可以做瘦化剂。

以上几种煤在实际生产中一般不单独使用，而是几种煤配合使用。

这就是配煤炼焦。

一般要求是：配煤中灰分的含量不高于10—12%，硫不大于1.0—1.2%；挥发分在25—30%；胶质层厚度为15—20mm。

配煤中一般增加焦煤减少气煤可以提高焦炭的转鼓强度。

七、喷吹燃料从风口向高炉中喷吹燃料目前已被大量使用，喷吹燃料可分为气体燃料、液体燃料和固体燃料三种。

气体燃料有天然气、焦炉煤气等，液体燃料有重油、焦油等，固体燃料有无烟煤和烟煤。

各国的燃料资源不同，喷吹的燃料也不同，我国的喷吹燃料以无烟煤为主，也有喷吹天然气的，或采用以无烟煤为主配加少量烟煤进行喷吹的。

八、生铁去硫硫是危害生铁质量的主要有害因素。

如何提高冶炼过程中的脱硫效率，获得优质生铁是高炉冶炼的主要任务之一。

在一定原燃料条件下，充分发挥炉渣的脱硫能力是冶金工作者努力的方向。

高炉中的硫全部是由炉料带入的，炉内的硫大约有70—80%来自燃料（它包括焦炭和煤粉），其余为矿石、熔剂等所带入。

硫在不同炉料中以不同的形态存在，焦炭和煤粉中的硫主要以有机硫的形势存在，少量的以硫酸盐和硫化物的形式存在。

硫酸盐和硫化物存在于燃料的灰分中。

天然矿石和熔剂中的硫以硫铁矿形态存在，也有以硫酸盐的形态存在的。

烧结矿和球团矿中的硫以硫化物的形态存在。

硫是影响钢铁质量的主要因素。

因为钢中含有超过规定限量的硫，会使钢产生热脆性，在轧钢或锻造过程中，钢材易出现裂纹。

铸造生铁中含有过量的硫，则易使铸件产生热脆性，同时还降低了铁水铸造时的填充性能。

因此国家规定制钢生铁含硫量不大于0.07%，铸造生铁含硫量不大于0.06%，超过此含量的生铁均为号外生铁即废品。

所以，尽量降低生铁中的含硫量是冶炼优质生铁的关键，也是冶金工作者努力的目标。

九、硫的还原高炉中的硫主要来自于矿石、石灰石、焦炭等炉料中，矿石和石灰石中的硫主要以黄铁矿和硫酸盐等形式存在，酸性烧结矿、球团矿中主要为FES，自熔性烧结矿和球团矿中还含有cas。

焦炭中的硫包括有机硫、硫化物和硫酸盐，后两者存在于灰分中。

焦炭中的硫是高炉内硫的主要来源。

炉料在下降过程中，焦炭含硫量逐渐减少，到达风口时约有四分之一已气化，其余的在风口前燃烧生成so2进入煤气。

煤气中的硫大部分为h2s，小部分为其它形势存在。

煤气上升途中经过滴落带、软熔带和块状带，所含的硫大部分又被渣、铁和炉料所吸收，在炉内形成硫的循环，小部分硫随煤气溢出炉外。

少部分进入铁中以fes的形式存在，部分以cas的形式进入渣中。