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：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。三是因為配加的鐵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。它是將破碎到合適粒度的鐵礦石添加到配合煤的運輸皮帶機(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)運過程中實現(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)試驗結(jié)果顯示，鐵焦的冷強(qiáng)度符合實際高爐生產(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實驗室焦?fàn)t中進(jìn)行了鐵焦制備工藝的優(yōu)化研究，試驗參數(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，加礦鐵焦的各項性能均是最好的。目前，實驗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，一方面因為彼此緊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。
實驗研究表明，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，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，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。
實驗研究了溫度對球團(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·℃?？紤]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，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，爭取盡快實現(xiàn)高爐鐵焦混裝新工藝的實際應(yīng)用。