许海法 毛晓明 胡德生
我国高炉燃料结构大多为炉顶层装冶金焦搭配风口喷吹煤粉的结构，其中焦炭的成本占铁水燃料成本的绝大部分。降低铁水的燃料成本，传统的思路主要是降低高炉燃料消耗或降低焦炭的配煤成本。对于大多数高炉操作而言，高炉的燃料消耗在已形成的操作理念下已达到较低的程度，很难进一步下降。对于降低配煤成本而言，一方面，大家担心配煤成本的下降影响焦炭质量，导致高炉顺行和喷煤受影响；另一方面，高炉需要什么样的焦炭，至今尚未达成一个反映高炉实际情况的、被行业普遍认可又不过剩的质量标准，甚至部分文献表达了与焦炭热性能现有评价截然相反的观点，也影响了焦炭配煤成本的控制。
本文通过采用热重试验和新日铁焦炭热强度的检测方法对不同反应性燃料的互补性进行了研究，然后模拟高炉实际升温制度和气氛，研究不同反应性的燃料在高炉内各自的强度变化，通过熔滴试验探讨了价格便宜的高反应性燃料的装入方式，提出了冶金焦搭配少部分高反应性燃料的燃料结构形式，以便使用部分高反应性燃料替代冶金焦来降低铁水燃料成本。
1 试验过程
试验原料有冶金焦、高反应性焦、兰炭块和烧结矿各一种，3种燃料的冶金性能及成分见表1。试验采用热重试验、新日铁焦炭热强度的检测方法及熔滴试验。
两种燃料不同比例混合后的热重试验结果。
研究者采用热重法研究了冶金焦和其他两种燃料之间的交互作用，把冶金焦与高反应性焦、兰炭块磨成粉后(100目)按照不同的比例混合在纯CO2气氛下进行气化反应。图1为冶金焦与高反应性焦不同比例混合后的热重试验结果。
若两种燃料之间没有交互作用，则不同比例混合物的气化量连线应为直线。由图1可知，混合后的气化量显著大于其加权气化量，尤其是当高反应性焦加入量较少时，偏差最大。这说明两种不同反应性的燃料混合后，与CO2的反应更多地受高反应性燃料的支配。将冶金焦与兰炭块混合后在热重纯CO2气氛下的结果也证实了上述结果。
固定失重下两种燃料混合后的失重和强度变化。
对于不同的高炉生产实绩而言，焦炭进入风口回旋区时其失重大约在20%～30%。参考新日铁焦炭热强度的检测方法，将两种焦炭各100g混匀后放入反应管内，在1100℃纯CO2气体条件下气化，当燃料气化失重约30%时中断试验，分拣各单种燃料检测各自的失重量和反应后强度。表2和表3分别为冶金焦与高反应性焦和兰炭块各100g混合后固定失重热强度检测结果(因设备精度问题，失重难以准确控制在30%，此外产生了少量粉末未归集) 。
从表2、表3可知，在固定失重的条件下，冶金焦分别与高反应性焦和兰炭块混合后失重量大幅减少，远远低于平均值，因而其强度得到了保护。这说明不同反应性的焦炭若混合使用，存在着CO2的抢夺性，高反应性的焦炭可以保护低冶金焦使其相对“钝化”，冶金焦强度得到保护。同时，比较兰炭和高反应性焦炭的反应后强度可知，兰炭的熔损反应更多地聚焦于表面，因而尽管其失重严重，但强度相对更好一点。
高炉块状带条件下冶金焦与其他燃料的交互作用。
研究者模拟高炉冶炼条件，参考新日铁焦炭热强度的检测方法，分别检测冶金焦、高反应性焦、兰炭块及冶金焦与高反应性焦、冶金焦与兰炭块混合物在块状带的熔损和强度变化，试验条件见表4，试验结果见表5、表6。
由表5、表6可知，对于冶金焦而言，与高反应性焦或者兰炭块混合后，其失重量仅仅为单独试验时的一半左右，其对应的强度也得到了保护。
高反应性燃料装料方式及使用效果比较。
上述试验证明了冶金焦搭配部分高反应性燃料，能够减少冶金焦在高炉内的熔损反应，保护其强度。研究者对高反应性燃料与烧结矿是层装还是混装进行了试验探索。根据常规的熔滴试验方法，研究者将100g燃料与450g烧结矿混匀后装入熔滴炉内进行熔滴性能检测，与常规上下层各50g燃料、中间层450g烧结矿的熔滴性能进行了比较。
图2为高反应性燃料(50g)与烧结矿(450g)分别混装与层装的熔滴试验S值比较。高反应性燃料与烧结矿混装更有助于降低料柱的压差，尤其是高反应性焦炭与烧结矿混装后在熔融区间的压差为0，其S值亦为0，远小于层装条件下的S值。
按照混装的概念，研究者对配加和不配加高反应性焦的烧结矿的熔滴性能进行了检测，具体装料形式和熔滴性能结果见表7、表8。
从表8可知，在总用焦量一定的条件下，冶金焦配加少部分的高反应性焦后，烧结矿的熔滴性能明显改善，表现为压差降低，软熔带变薄。
2 结果与讨论
对于焦炭的反应性，常规认识是焦炭反应性低、熔损起始温度高更好，以便炉身间接还原充分发展，提高煤气利用率，部分研究者甚至研究了焦炭的钝化措施。但近十几年来，自日本提出高反应性、高强度焦炭的思路后，国内不少研究者提出了降低焦炭熔损反应起始温度、提高焦炭反应性的观点，认为高反应性焦可以降低高炉热储备区温度，促进高炉内铁氧化物的还原，达到降低炼铁燃料消耗并减少CO2排放的目的。该观点的理由是基于Rist 操作线和“叉子”曲线。由于Rist 操作线和“叉子”曲线仅仅解释了使用高反应性焦的热力学平衡条件更好，因而部分学者提出了使用高反应性焦的前提条件是烧结矿具有良好的还原性和良好的煤气分布。
事实上，评估提高焦炭反应性能否降低燃料消耗的唯一条件是炉顶煤气利用率是否得到提高。煤气利用率低、燃料消耗高的高炉，从高炉的物料平衡和热平衡计算来看，焦炭在风口气化相对较多，因而，其高炉内的CO绝对量以及还原势相对煤气利用率高的高炉更能够满足热力学平衡条件，人为地提高焦炭的反应性，其实是不必要的，甚至是适得其反。从某种程度上讲，提高炉料的还原性和优化煤气分布的确是提高煤气利用率的关键，但这与焦炭的反应性可能关系不大。
相对来说，传统的观念追求焦炭反应性低、熔损起始温度高的方向更有理论依据，所欠考虑的是不同高炉内焦炭的熔损量波动并不是太大，而新日铁发布的检测方法导致不同的焦炭熔损量差别很大，因而强度差别也会很大。
降低铁水燃料成本，可否从新的思路来考虑？冶金焦搭配少量低价、反应性高的燃料，让熔损反应消耗低价燃料，既能保证冶金焦的强度，又能提高含铁炉料进入软熔带区域的金属化率，尽管煤气利用率可能不会得到提高。
按照这一思路，高反应性的燃料使用量不宜超过焦炭的熔损量，即小于20%的冶金焦量。此外，从熔滴性能来看，高反应性焦比兰炭块更好。
