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。