冶金焦(metallurgical   coke)

供冶金用的焦炭，包括高炉焦、铸造焦、铁合金焦等。钢铁工业是冶金焦的最大用户，在钢铁工业所用的焦炭中，约90％是用于高炉炼铁的高炉焦。

高炉焦的作用与质量要求   冶金焦在高炉中可作为发热剂、还原剂和高炉料柱骨架。高炉炼铁所消耗的热量中，70％～80％来自焦炭和喷吹燃料；所需还原剂主要是由焦炭和喷吹燃料所提供的CO和C；焦炭在料柱中大约占有1／3～1／2的体积，它的粒度比矿石大，自身气孔率高，在高温下不软化也不熔化，所以它对改善料柱透气性和透液性有重要作用，特别是在高炉下部高温区，矿石已软化、熔化的情况下焦炭的作用就更大。因此，焦炭质量对高炉冶炼影响很大。对它的要求主要指化学成分、物理性质和热态物理化学性质三个方面。

化学成分   焦炭的化学成分包括固定碳、灰分、硫、磷、挥发分和水分等，高炉冶炼对它们的要求各不相同：

(1)固定碳要高。固定碳高，焦炭的发热量大，提供的还原剂也多，故可降低高炉焦比。

(2)灰分要低。因为焦炭灰分中70％～80％是SiO₂+Al2O₃，灰分高，固定碳则低，同时也会降低焦炭的耐磨强度和热强度。灰分高则造渣需加石灰石多，渣量大，故焦比升高。一般灰分每降低1％，焦比可降低2％，产量增加3％。焦炭灰分量在炼焦过程中不能去除，它取决于焦炭配煤的含灰量，故灰分高的煤可以通过洗煤降低其灰分。

(3)含硫量要低。在一般原料条件下，高炉冶炼过程中总硫量的一半以上是由焦炭带入的，它对生铁含硫量有很大影响。焦炭含硫高，需要相应提高渣碱度以加强脱硫，故石灰石量增加，渣量升高，焦比增加。一般焦炭含硫每升高0．1％，焦比升高1．2％～2．0％，产量下降2％。焦炭中的硫有硫化物、硫酸盐和有机硫3种形态，其中有机硫占67％～75％，硫化物的硫占18％～25％，硫酸盐中的硫占3％～8％。通过洗煤可以去除一部分硫化物和硫酸盐，而有机硫可去除10％～30％，因此，控制煤的含硫量和配煤比是控制焦炭含硫的基本途径。

(4)含磷量要低。焦炭一般含磷不高，焦炭中的磷主要取决于煤中的含磷量。

(5)挥发分要适当。焦炭挥发分是指焦炭重新加热到900℃±20℃时，以气态产物析出的百分含量。它可以标示焦炭的成熟程度。挥发分过高，说明焦炭不够成熟，不耐磨，在高炉里易生成焦粉，从而降低料柱透气性。挥发分过低，说明焦炭过火，往往裂纹深而易碎。一般挥发分要求不大于1．2％。

(6)水分要稳定不宜过高。焦炭水分的波动往往引起炉温的波动，给炉况稳定带来困难。焦炭水分同熄焦操作和焦炭块度有关。块度小，比表面积大，吸附水分多。

除上述成分要求外，在一些情况下，对焦炭灰分中的K₂O和Na₂O等碱金属化合物含量也应注意。它们含量高时，会在炉内循环富集和破坏焦炭强度，引起炉墙结瘤和炉况不顺。在某些情况下，灰分往往是碱金属的重要来源。

物理性能  对于冶金焦，其物理性能主要指机械强度和粒度。

(1)机械强度要好。焦炭的机械强度主要指其耐磨性能和抗撞击性能。机械强度差的焦炭，在炉内生成大量焦粉，恶化高炉料柱的透气性；特别是在高炉中下部，大量焦粉的存在会促使炉瘤形成，恶化炉渣流动性，造成炉缸堆积和风口、渣口大量破损等事故。因此，焦炭的机械强度是评价焦炭质量的重要指标。对焦炭强度的要求还随高炉容积的扩大而提高。测定焦炭机械强度的方法有米库姆(Micum)转鼓试验，松格林大转鼓试验，以及其他测试方法。各种试验方法及其特点列于表1中。测定焦炭强度大多采用米库姆小转鼓，它比松格林大转鼓反应灵敏，操作方便；小转鼓结构如图米库姆转鼓结构示意图所示。试验方法为每班或每昼夜从焦炭流中采样20份，总质量300kg，水分要求小于5％。将其混匀，用孔径60mm的圆孔筛进行筛分，取筛上试样50kg装入鼓内，以25r／min的速度转100转，然后将焦炭放出，再用孔径40mm和10mm的圆孔筛进行筛分，以大于40mm焦炭的质量百分数作为抗碎强度指标，即为M40，以小于10mm焦炭的质量百分数作为耐磨强度指标，即为M10。但是，这些检测方法有时还不能确切地预示焦炭强度与高炉操作之间的定量关系，因为这些方法还不能反映焦炭在炉内因受化学和高温作用而引起的破碎。新的方法正在研究中。表2列出各国高炉对焦炭的机械强度要求。

(2)粒度合适且均匀。适当的粒度是改善料柱透气性和下部料柱透液性的重要条件。粒度过大不利于冶金焦的合理利用，因此近年来入炉焦炭粒度下限有所降低。特大高炉用焦炭粒度以40～80mm为宜，1700m³以下高炉可降到20mm，一般以25～50mm为宜，小高炉可考虑焦炭粒度下限为15mm，但一般以20～40mm为宜。焦炭粒度的均匀性对强化高炉冶炼也有重要影响，据一般经验，原则上是最大粒度与最小粒度之比为2：1，若焦炭上下限粒度差别很大，最好采用分级入炉的办法。

热态物理化学性能   焦炭在热态下受各种物理化学作用后所产生的性能变化。高炉取样研究的结果表明，焦炭在入炉后，由于受到加热和各种物理化学作用，它的粒度、强度、气孔率、真密度、含碱金属量、灰分和反应性等都有很大变化，不同于入炉前测定的结果。因此，除冷态性能外，对于焦炭的热态物理化学性能必须加以研究并提出要求。在这方面还没有统一的标准。焦炭的热态物理化学性能主要指：焦炭的反应性、可燃性、抗碱性和热转鼓强度。

(1)反应性。指焦炭在高温下同CO₂反应生成CO的能力。测定反应性的方法较多，但基本的有两种：以一定数量和粒度的焦炭在恒温下于CO₂气流中反应一定时间的失重率(％)表示；用反应前后CO和CO₂在气体中的份额表示，即反应性=CO／(CO₂+0．5CO)×100％。焦炭反应性高会降低焦炭强度，因为气化反应的发展会使焦炭内部气孔壁减薄，加速焦炭破损；导致高炉直接还原区扩大和直接还原度升高，因为直接还原反应FeO+C=CO+Fe是由FeO+CO=CO₂+Fe和CO₂+C=2CO两步反应构成；还会引起高炉煤气化学能利用的降低，因为CO₂+C=2CO反应的发展将导致煤气中CO₂浓度降低和CO浓度升高；此外，还可能导致风口循环区的缩短。所以高炉炼铁要求焦炭的反应性低些好。但是，对反应性还没有规定统一的检测方法和考核指标。焦炭反应性受下列因素影响：焦炭气孔率高，则反应性强；结焦温度高、时间长，则焦炭石墨化程度增加，反应性降低；配煤中强黏结性煤和低挥发分煤比例大时，生成的焦炭不仅常规强度好，其反应性也低。此外，外界温度和气氛成分对C+CO₂=2CO反应也有很大影响，但这与焦炭的自身结构没有关系。

(2)可燃性。它表示焦炭与氧作用的能力，即C+O₂=CO₂的燃烧速度。各种焦炭的燃烧速度是不相同的，不同的焦炭的着火温度也不相同，气化焦炭为505℃，半焦为395℃，冶金焦为640℃。焦炭的可燃性与焦炭的石墨化程度、气孔率、自由表面的大小、块度和原煤性质等有关。焦炭灰分中的某些组分，起着提高焦炭可燃性的触媒作用。如把铁矿石或高炉炉尘配加到煤料中，结果会使焦炭的可燃性提高，证明铁有触媒作用。灰分中的其他元素如钒等也有触媒作用。

(3)抗碱性。指焦炭抵抗因碱金属侵蚀而碎化的能力。高炉取样调查表明，焦炭强度的降低和含粉量的增加与碱金属含量的增加呈明显的对应关系。因碱金属的存在除对碳的溶损反应起催化作用外，还生成C₈K和C₃₆K等，降低了焦炭的强度。抗碱性的测定还没有统一的方法。根据研究，配煤中增加强黏结性煤和低挥发分煤的比例以及采用配入型煤，采取捣固和干燥预热炼焦等措旋，可以改善焦炭的抗碱性。此外，增大焦炭块度和降低焦炭气孔率对改善其抗碱性都是有利的。

(4)热转鼓强度。指焦炭在700～1500℃高温下的抗冲击性和耐磨性。它们可用热转鼓方法测定，以评价焦炭在高温区的性状。

其他冶金焦    其他冶金用焦包括铸造焦、铁合金焦以及型焦等。

铸造焦   主要用作化铁炉燃料。在化铁炉内，焦炭承受重力、冲击力和摩擦力，故要求有一定的机械强度。化铁炉要求加热均匀，尽可能延长燃烧带，因此，对于大风口化铁炉要采用大块焦，且气孑L率应小些。中国对铸造焦的要求是：转鼓强度M40不小于77％，块度大于60mm或80mm，显气孔率不大于45％。但对于多数小风口化铁炉，则可采用25～40mm或10～25mm的焦炭。化铁炉内不易脱硫，故铸造焦的硫分宜低，规定一级品的平均硫分应小于0．8％。

铁合金焦   主要供冶炼铁合金的埋弧式还原电炉(矿热炉)用的焦炭，它在矿热炉中作为固体还原剂参与还原反应。冶炼不同品种的铁合金对焦炭的要求不同。硅铁合金生产对焦炭的要求是：固定碳含量高、灰分低，这样冶炼时渣量少、电耗低、合金品位高；焦炭反应性好，可使还原反应较充分，可提高单炉产量；焦炭的电阻特别是高温电阻率要大，可提高整个炉料的电阻，增加电极插入深度，反应区扩大，改善热利用率，降低电耗；有适当的强度以免增大粉焦量导致炉况恶化；适宜的块度，一般为8～25mm或10～25mm；水分少而稳定。中国大多数生产铁合金的矿热炉使用高炉焦的筛下焦和气化焦。

型焦     煤料经外力作用和加热干馏形成的具有一定形状的焦炭。型焦的优点是可以大量利用弱黏结性煤和无黏结性煤生产合乎冶炼要求的焦炭。型焦生产是为扩大炼焦煤资源和减少主焦煤用量开辟的重要途径。型焦有热压型焦法和冷压型焦法两种。

型焦的性质因所用的原料和工艺条件的不同而有较大的差异。型焦与常规焦炭的差别是：型焦的形状规则，块度均匀；型焦焦体致密气孔小且分布均匀，整体气孔率低，视密度及堆积密度较大；质量好的型焦抗压强度与合格的常规焦炭相近，抗磨强度也高，但有的耐磨强度较差；型焦的块焦反应性指数较高，反应后强度大都较低。型焦在高炉冶炼中的使用尚在试验阶段。试验证明，在大型高炉冶炼中与全部用高炉焦相比，型焦的配用量不大于50％时，炉料的透气性略有下降，炉尘量增加，但高炉操作正常，炉况顺行，主要技术经济指标与全部使用常规高炉焦时相仿。铸造型焦可以100％代替铸造焦。在熔炼中，可以得到温度较高的铁水，有的可高达1500℃以上，为获得高质量的铸件提供保证。