焦炭质量提升对高炉冶炼的影响分析

张 军 严铁军 席玮城

(武汉平煤武钢联合焦化有限责任公司)

焦炭在高炉冶炼中主要起还原剂、发热剂和料柱骨架的作用[1]。为满足高炉冶炼的要求，武钢对入炉焦炭有以下几个指标要求：固定碳含量高，较好的冷强度M40、M10，较高的热强度，灰分低，硫含量低，水分稳定。在高炉大型化和冶炼低成本的要求下，高炉生产采取了高温、高压、喷吹、富氧等措施强化冶炼生产[2]，而良好的焦炭质量是这些强化冶炼措施的基础。

1 武钢焦炭质量的影响因素

武钢焦化公司共有7座焦炉，包括3座6 m焦炉、2座7 m焦炉、2座7.63 m焦炉，配煤采用筒仓储配一体化工艺，熄焦全部采用干熄焦系统，同时湿熄焦备用。武钢焦炭质量的影响因素主要有以下几个方面：

(1)筒仓配煤的限制。武钢原料煤矿点较多，同一细分煤种存在着不同矿点间的质量差异，原来的堆场混匀可通过多次堆取的方式最大程度地保证细分煤种质量的稳定性。但筒仓储配一体的工艺无法实现不同矿点煤的混匀，配合煤的质量波动较大。

(2)洗煤粒度降低，甚至部分矿点的瘦煤和1/3焦煤颗粒≤1 mm的组分超过50%，给配煤的细度控制带来了一定的难度。

(3)部分煤源紧张，配合煤配比变动比较频繁。

(4)为降低配煤成本，增加了进口煤的使用，同时开发了部分国内煤矿点，新品种煤的部分指标不稳定，如G值、Y值和灰分。

(5)为保证高炉的需求量，焦炉长期超负荷生产，为焦炭质量进一步提升增加了难度。

2 焦炭质量的提升及对高炉冶炼的影响

通过煤种进一步细分、差异化配煤、降低配煤细度、优化加热制度和稳定焦炉生产等措施，保证了焦炭质量的稳步提升，为不断提升高炉冶炼强度、降低高炉焦比创造了条件，从而满足大高炉强化冶炼的需求。

2.1 焦炭质量的提升

武钢焦化公司7.63 m焦炉的焦炭主供炼铁8号高炉，其焦炭指标与8号高炉的冶炼指标有较好的关联性。跟踪了2019-2021年的焦炭指标，其固定碳含量、灰分、硫分、冷强度和热强度均稳步提升。焦炭指标情况如图1～5所示。

图1 焦炭固定碳含量

图2 焦炭冷强度M40

图3 焦炭热强度

图4 焦炭灰分

图5 焦炭硫分

从图1～5可以看出，7.63 m焦炉焦炭固定碳含量和冷强度稳步提升，硫含量稳步降低，焦炭灰分和热强度有所波动。

2019年焦化公司开展了配合煤细度攻关，将配合煤细度由80%逐步降至70%，焦炭热强度有了明显改善，同时为进一步改善焦炭质量，将山西地区高硫焦煤的使用量由18%降至12%，所以焦炭灰分、硫分同时呈明显下降趋势。

2021年因焦煤资源紧张，高硫高灰煤使用量增加到15%，焦炭灰分、硫分出现小幅升高。为降低配煤成本，降低了焦煤用量，大量使用了进口肥煤。年中，焦化配煤由堆场堆取改为筒仓储配一体化工艺，使得配煤的均匀性变差，部分矿点来煤粒度偏小，导致配合煤细度升高。综合以上因素，2021年尤其下半年的焦炭冷强度不断改善的同时，热强度出现了较大幅度波动。

2.2 焦炭质量对冶炼指标的相关性分析

随着焦炭质量指标的不断提升，高炉冶炼指标也在持续提高，对焦炭指标和高炉冶炼指标(焦比、煤比)进行了相关性分析，寻求两者之间的相关度。在较长时间跨度内高炉冶炼情况受入炉焦炭、含铁原料、生产管理和操作水平等多因素影响[3]，为尽量减少除焦炭外的其他因素的影响，选取了连续三个月的数据进行分析，分析结果如图6～11所示，可以看出焦炭质量指标与高炉冶炼指标有明显的相关性。

焦炭固定碳是高炉冶炼主要的还原剂和发热剂，其含量越高，焦炭在风口区燃烧释放的热量越多，在同等冶炼强度下可以降低焦比，即焦炭固定碳和焦比呈负相关性，如图6所示。

焦炭冷强度的作用主要表现在高炉内的块状带，较高的焦炭冷强度可以保证焦炭入炉后在块状带的粒度，提高块状带气窗的透气性，有利于高炉内气流的二次分布，提高矿石间接还原率，从而提高高炉冶炼强度。如图7所示，焦炭冷强度与焦比呈负相关性，且明显弱于焦炭固定碳和焦比的负相关性，其中的22～26、29～31样本出现了两者趋于一致的情况，说明冷强度对焦比的降低存在着边际效应递减规律，在满足高炉冶炼所需最低冷强度的前提下，进一步提高冷强度对高炉冶炼的影响有限。

图6 固定碳对焦比的影响

图7 冷强度M40对焦比的影响

图8 热强度对焦比的影响

图9 灰分对焦比的影响

图10 硫分对焦比的影响

图11 热强度对煤比的影响

图8可以看出，焦炭热强度的提升会显著降低焦比，样本15～18焦炭热强度数日在69%左右徘徊，对应的焦比均偏高；样本23～30热强度指标逐步提升，焦比同时下降，并保持在较低水平。

焦炭的主要工业成分是固定碳和灰分，灰分的升高自然会使固定碳含量降低。灰分与焦比呈比较明显的正相关性，其中焦比的表现有一定的滞后性，如图9所示，可能是随着灰分中的碱性金属在高炉内的不断富集，使得灰分对焦比的影响逐渐增强。

图10中，样本25之前显示硫分与焦比呈比较明显的正相关性，之后因为入炉烧结矿碱度的调整，在一定程度上抵消了焦炭含硫带来的不利影响。

焦炭热强度的影响主要表现在高炉的软熔带，其指标可影响死料柱的透液性，进而影响炉缸活跃度，也会通过影响回旋区的一次煤气流分布而影响高炉炉型，所以焦炭热强度对高炉冶炼能力的提升至关重要。图11中焦炭热强度与高炉煤比表现明显的正相关性，说明提高焦炭热强度在降低焦比的同时，提高了炉缸活跃度，改善了高炉炉型，为高炉增加喷煤量、提高冶炼强度提供了基础。

通过数据相关性分析，可以得出焦炭固定碳、冷强度M40、热强度、灰分、硫分与焦比的相关系数分别为-0.174、-0.008、-0.247、0.060、0.020，热强度与煤比的相关系数为0.108，表明焦炭质量指标对高炉冶炼的影响大小依次为热强度、固定碳、冷强度M40、灰分和硫分。

3 结论

(1)焦炭固定碳、冷强度M40、热强度的提升对降低高炉焦比有利，通过相关系数可知，热强度对高炉焦比的影响要远大于冷强度的影响，灰分、硫分的升高不利于高炉焦比降低。

(2)提升焦炭热强度不仅可以降低高炉焦比，而且还有利于提高高炉喷煤量和高炉冶炼强度，所以在满足一定冷强度指标的前提下应着重于提高焦炭热强度。

(3)降低焦炭灰分不仅降低了高炉焦比，而且提高了焦炭的含碳量。同时要对焦炭灰分的构成重点关注，尤其是要对其中的碱性氧化物含量进行控制。