當(dāng)前，高爐煉鐵正朝著高產(chǎn)、低污染、低能耗的方向發(fā)展。

為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，以高爐使用含碳復(fù)合爐料為代表的一些革新煉鐵技術(shù)已經(jīng)投入應(yīng)用。含碳復(fù)合爐料相比于傳統(tǒng)的高爐爐料（燒結(jié)礦和球團(tuán)礦），具有高溫強(qiáng)度高、還原性能好以及原料適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)勢。研究表明，高爐使用一定量的含碳復(fù)合爐料可以降低熱空區(qū)溫度，增加產(chǎn)量，降低焦比，高爐熱利用效率明顯提高，操作性能得到有效改善。

含碳復(fù)合爐料符合高爐發(fā)展需要

數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示，2010年我國鋼鐵工業(yè)CO₂的排放量占全國化石燃料CO₂總排放量的15%，其中煉鐵環(huán)節(jié)（包括燒結(jié)、球團(tuán)、焦化和高爐煉鐵工序）CO₂排放量占整個鋼鐵生產(chǎn)流程的87%。此外，隨著優(yōu)質(zhì)富礦資源的減少，燒結(jié)和球團(tuán)的生產(chǎn)面臨較大的壓力，且質(zhì)量較差的燒結(jié)礦和球團(tuán)礦入爐后會降低高爐的冶煉指標(biāo)。因此，在全球變暖問題日益嚴(yán)重、優(yōu)質(zhì)礦石焦煤等資源日益緊缺的大背景下，不可避免地要求整個行業(yè)積極發(fā)展環(huán)境友好的低能源消耗技術(shù)，一方面可以降低CO₂的排放，另一方面靈活應(yīng)對優(yōu)質(zhì)原料缺乏對鋼鐵工業(yè)發(fā)展所帶來的壓力。

通常，高爐使用的含碳復(fù)合爐料主要包括冷固結(jié)含碳球團(tuán)、鐵焦和熱壓含碳球團(tuán)三種。現(xiàn)階段，高爐使用含碳復(fù)合爐料的研究熱點主要集中在鐵焦以及熱壓含碳球團(tuán)上。傳統(tǒng)的觀點認(rèn)為，焦炭的反應(yīng)性較低時，高爐內(nèi)部焦炭的熔損程度低，對高爐的透氣性有利。但相關(guān)研究指出，高爐操作實際上并不要求反應(yīng)性低的焦炭，相反，隨著高質(zhì)量的煉焦煤日益減少，如何在不降低高爐冶煉指標(biāo)的前提下，盡可能多地使用普通煤粉來代替焦炭正成為研究的熱點。

在高爐冶煉過程中，熱空區(qū)溫度主要取決于焦炭的氣化反應(yīng)，焦炭反應(yīng)性增加使得氣化反應(yīng)在較低的溫度區(qū)域即可進(jìn)行，從而降低了高爐熱空區(qū)溫度。但在提高焦炭反應(yīng)性的同時，提高礦石的還原性也非常重要，否則只會增加爐頂煤氣中CO的濃度，不利于提高焦炭的利用率。含碳復(fù)合爐料由于在壓制過程中其內(nèi)部的煤粉與鐵礦粉接觸緊密，并且其內(nèi)部存在碳的氣化和鐵氧化物還原的耦合反應(yīng)，使得其還原性能好。

為提高高爐反應(yīng)效率，可以以里斯特操作線圖來說明如何控制操作水平（如圖所示）。在維持熱空區(qū)溫度不變（A→B）的情況下，為了更好地提高爐內(nèi)反應(yīng)效率，有必要使操作線（圖中的AP線）向W點移動。同時，也可以降低熱空區(qū)溫度（B→C），使得W點向右移動，從而提高CO的利用率。通常情況下，A→B可以采取改善燒結(jié)礦還原性和合理布料制度等措施。入爐原料如燒結(jié)礦還原性的提高，合理布料制度可以使煤氣流分布更加合理均勻，從而加強(qiáng)間接還原反應(yīng)，提高CO利用率和爐身工作效率等，使操作線AP繞P點向右轉(zhuǎn)動（此時W點并未移動）。B→C可以采取提高焦炭反應(yīng)性、使用含碳復(fù)合爐料等措施。含碳復(fù)合爐料的還原性能良好，并且其在熱處理過程中的預(yù)還原度高，從而降低了入爐原料中的O/Fe。同時，鐵焦的氣化反應(yīng)溫度下降，使得熱空區(qū)的溫度下降，煤氣中CO濃度顯著提高，這使得間接還原反應(yīng)的平衡發(fā)生移動。表現(xiàn)在操作線上，即W點向右移動。W點的向右移動，擴(kuò)大了降低焦比、提高高爐爐身工作效率的理論空間。

例如，當(dāng)溫度分別為1000℃、900℃、800℃、700℃時可以計算出反應(yīng)（1）達(dá)到平衡時的平衡常數(shù)。可以看出隨著溫度的降低，間接還原達(dá)到的平衡向右移動，使得CO的利用率增加，即操作線橫坐標(biāo)O/C增加，操作線右移，同樣從叉字曲線上來看，浮氏體間接還原達(dá)到平衡時溫度的降低，也使得氣相組分中CO的相對含量減少。

含碳復(fù)合爐料的制備流程及其冶金性能

高爐煉鐵通常是以焦炭為燃料和還原劑，在高溫下將含鐵塊狀物料還原為液態(tài)生鐵的過程。傳統(tǒng)的高爐煉鐵主要入爐原料為焦炭、燒結(jié)礦/球團(tuán)礦。含碳球團(tuán)是鐵礦粉和煤混合制成的入爐原料，介于焦炭和燒結(jié)造塊之間；鐵焦和預(yù)還原燒結(jié)礦是有一定還原率的金屬化爐料，分別介于焦炭-金屬鐵、燒結(jié)造塊-金屬鐵之間，屬于新型煉鐵原料。而含碳復(fù)合爐料主要包括鐵焦、含碳球團(tuán)等。

鐵焦是煤和鐵礦石事先粉碎、混合、成型后，用連續(xù)式干餾爐加熱，將其中的鐵礦石還原成金屬鐵、煤碳化結(jié)焦的含碳復(fù)合爐料，以此大幅提高弱黏結(jié)煤和低品位鐵礦石的使用。高爐使用鐵焦可使碳?xì)饣磻?yīng)在較低溫度下提前進(jìn)行，進(jìn)而降低熱空區(qū)的溫度。為大幅削減高爐生產(chǎn)中的二氧化碳排放量，節(jié)省能源以及使用劣質(zhì)普通煤和低品位礦石提高資源的應(yīng)對能力，改善高爐內(nèi)鐵礦石還原反應(yīng)效率，鐵焦被認(rèn)為是一種新的高爐煉鐵爐料。目前，日本對鐵焦的研究比較深入，國內(nèi)的研究相對較少。

新日鐵首先研究了鐵焦，用普通焦?fàn)t成功生產(chǎn)出含有高鈣配煤的鐵焦，這種鐵焦同時具有高反應(yīng)性和高強(qiáng)度。在高爐中對這種鐵焦進(jìn)行應(yīng)用試驗發(fā)現(xiàn)，熱空區(qū)溫度下降，高爐還原燒結(jié)礦的還原劑用量減少。

JFE研發(fā)的鐵焦(CIC)生產(chǎn)工藝是將70%的煤粉與30%的鐵精礦粉混合、預(yù)熱并熱壓后，再經(jīng)過豎爐(非普通工業(yè)焦?fàn)t)碳化，形成含有焦炭與部分還原鐵的含碳復(fù)合爐料。鐵焦的CRI（焦炭反應(yīng)性）達(dá)53%，抗壓強(qiáng)度約為普通焦炭的兩倍，其中鐵的還原率超過70%。

HPC(Hyper coal)是通過熱提取的方法而得到的只含有極少量灰分的煤，具有較高的黏結(jié)性。在配煤中使用這種添加劑可以生產(chǎn)出高強(qiáng)度鐵焦。研究結(jié)果表明，在配煤中添加0.5%的HPC能明顯提高焦炭強(qiáng)度。

新日鐵研發(fā)的鐵焦實際應(yīng)用于高爐生產(chǎn)，具有較好的降低還原劑效果。但該技術(shù)存在以下不足：在配煤時配加高鈣煤，對焦炭反應(yīng)性的提高很有限。而且，高鈣煤來源有限；鐵焦的熱強(qiáng)度低，在高爐內(nèi)大量使用時可能會影響透氣性；煤粉與鐵礦粉混合和焦?fàn)t溫度控制等使得鐵焦生產(chǎn)工藝相對更為復(fù)雜；對原料煤的要求較高，會增加生產(chǎn)成本。

相比而言，JFE開發(fā)的含碳復(fù)合爐料技術(shù)具有較大的優(yōu)越性，可使用低級煤作原料，使用獨(dú)立的豎爐生產(chǎn)，生產(chǎn)和產(chǎn)量可靈活控制，產(chǎn)品的反應(yīng)性相對更高，強(qiáng)度比普通焦炭高約一倍，具有較好的應(yīng)用前景。但是，將含碳復(fù)合爐料實際應(yīng)用于高爐煉鐵生產(chǎn)時需解決復(fù)合爐料的結(jié)構(gòu)和成分優(yōu)化、復(fù)合爐料的碳化和還原、高爐布料和操作制度優(yōu)化等問題。

熱壓含碳球團(tuán)是將具有一定熱塑性的煤粉和含鐵粉料加熱到一定的溫度在熱狀態(tài)下再壓塊，利用煤的黏結(jié)性將鐵礦粉結(jié)成塊，最終得到塊狀的熱壓含碳球團(tuán)。冷態(tài)冶金性能主要是指其冷態(tài)強(qiáng)度，包括抗壓強(qiáng)度和落下強(qiáng)度。熱壓含碳球團(tuán)的冷態(tài)強(qiáng)度主要與配煤量、配煤粒度、熱壓強(qiáng)度、熱壓時間等因素有關(guān)。煉鐵原料的高溫冶金性能主要包括還原粉化性能、還原膨脹性能、還原冷卻后強(qiáng)度、還原性能、高溫抗壓強(qiáng)度、軟熔滴落性能等。好的煉鐵原料其還原性能好，還原粉化程度低，還原膨脹率小，高溫抗壓強(qiáng)度和還原后冷卻強(qiáng)度較高，且具有良好的軟熔滴落性能，使得在冶煉過程中高爐透氣性好，焦比降低，生產(chǎn)率高。

在實驗室條件下，對熱壓含碳球團(tuán)的進(jìn)行還原粉化和還原膨脹實驗研究，研究發(fā)現(xiàn)：相比較于普通燒結(jié)礦和球團(tuán)礦的還原粉化性能而言（普通燒結(jié)礦的RDI+3.15為70%~80%，氧化球團(tuán)的RDI+3.15為90%左右），熱壓含碳球團(tuán)的還原粉化性能好，還原膨脹率低于2%；與普通氧化球團(tuán)相比（RSI約為10%以上），還原膨脹程度極低，這是由于熱壓含碳球團(tuán)在還原過程中內(nèi)部碳的還原以及揮發(fā)分的揮發(fā)使其具有較高的孔隙率，因而還原膨脹指數(shù)小；熱壓含碳球團(tuán)還原膨脹后的抗壓強(qiáng)度分別為692N/個和684N/個，遠(yuǎn)高于日本鋼鐵行業(yè)對球團(tuán)礦還原冷卻后的規(guī)定強(qiáng)度（即250N/個）。進(jìn)一步從還原性能來看，熱壓含碳球團(tuán)在CO氣氛中，較氧化球團(tuán)其還原性能好、還原速率快，這主要是由于其在壓制過程中，內(nèi)部細(xì)小的鐵氧化物顆粒和碳粉緊密接觸，反應(yīng)過程中分子擴(kuò)散阻力下降而反應(yīng)面積增加，使得熱壓含碳球團(tuán)具有良好的還原動力學(xué)條件。

高溫抗壓強(qiáng)度能更好的體現(xiàn)爐料在高溫還原狀態(tài)下抵抗壓碎破裂的能力，高溫強(qiáng)度高，爐料透氣性好，更有利于高爐操作順行。

針對高溫強(qiáng)度的研究結(jié)果顯示，當(dāng)還原溫度超過700℃時，熱壓含碳球團(tuán)的抗壓強(qiáng)度明顯優(yōu)于氧化球團(tuán)的抗壓強(qiáng)度，最低時的高溫抗壓強(qiáng)度高于450N/個，而氧化球團(tuán)的高溫抗壓強(qiáng)度約為200N/個。若用相對強(qiáng)度來表示，則隨著還原的進(jìn)行，熱壓含碳球團(tuán)的抗壓強(qiáng)度變化明顯小于氧化球團(tuán)。

高爐爐料配加熱壓含碳球團(tuán)軟熔滴落性能的研究結(jié)果顯示，隨著熱壓含碳球團(tuán)配比的增加可以使綜合爐料的軟熔帶溫度區(qū)間變窄，軟熔帶位置下降，明顯改善爐料的透氣性能。但研究結(jié)果顯示，綜合爐料中熱壓含碳球團(tuán)的配比存在一個合理的范圍，一般認(rèn)為這一比例不宜超過40%。

對高爐使用熱壓含碳球團(tuán)的數(shù)學(xué)模擬研究結(jié)果顯示，隨著熱壓含碳球團(tuán)配比的增加，生鐵產(chǎn)量增加而渣量減少，焦比大大降低，整體的還原劑消耗呈下降趨勢，數(shù)據(jù)顯示當(dāng)熱壓含碳球團(tuán)配比由0增加到30%時，與常規(guī)操作相比，熱空區(qū)的溫度下降了約200℃，焦比降低112.5kg/噸鐵(29.2%)，總還原劑降低20kg/噸鐵(3.8%)，這就為實現(xiàn)低溫、低碳高爐煉鐵成為可能。