焦炭反应后强度对高炉的影响（焦炭在高炉中的反应和灰成分对焦炭强度的影响）

文｜汇锦数能-掌上煤焦

1 焦炭作为高炉炼铁的热源、还原剂和骨架作用

焦炭在高温下发生以下反应：

燃烧产生热能：C O2=CO2 ↑ Q ；

发生碳溶反应制造还原剂：

CO2 C=2CO-165.6 MJ

上述反应提供炼铁所需的热能和还原剂。

2 焦炭灰成分中钾、钠对焦炭强度的影响

焦炭带入的碱金属多数是硅酸盐和碳酸盐。在高炉内，碳酸盐分解生成氧化物，硅酸盐则在高炉中被碳还原生成碱金属：

K2SiO3 C=2K SiO2 CO

钾和钠的氧化物分别在815 ℃和1020 ℃还原。金属钾和钠的气化温度分别为766℃和 890℃，在高炉下部被还原而生成的金属钾和钠呈气态，并能与高温区的焦炭、氮化合生成氰化物：

K（气） C（固） 1/2N2（气）= KCN

加速碳溶反应；焦炭中的碱金属钾、钠对焦炭的碳溶反应起正催化作用：其中，钾的催化作用最显著，钾、钠及其氧化物能掺入焦炭的结构，形成嵌入式化合物如：KC8、NaC8，使碳原子之间的键松弛，从而距离增大，使炭结构变形、开裂，加速碳溶反应。上述反应直接降低了焦炭的热态强度。

3 焦炭灰成分中酸、碱氧化物的固相反应对焦炭强度的影响

假设焦炭中的灰成分基本为碱性氧化物或酸性氧化物。碱性氧化物灰分自身的熔点是很高：氧化钙的熔点为 2580 ℃；氧化镁的熔点为2852 ℃，高于酸氧化物的熔点（三氧化二铁的熔点为：1565 ℃；二氧化硅的熔点为：1 723 ℃；三氧化二铝的熔点为：2050 ℃），酸、碱氧化物的熔点都高于高炉炼铁的温度（1480~1 530 ℃）。

因此，无论是碱性氧化物或酸性氧化物在高炉中化学性质比较稳定，不发生氧化还原反应。煤的灰成分主要是二氧化硅、三氧化二铝、氧化钙、氧化镁和三氧化二铁，一般情况下酸性氧化物的含量高于碱性氧化物。酸、碱氧化物在 400~1100 ℃之间就会发生固相反应（表1）。

碱性氧化物与酸性氧化物的比值 {（CaO MgO）/（SiO2 Al2O3）} 在 0.8~1.2 的矿石在炼铁时不需要添加或少添加熔剂，酸、碱氧化物在高温下会发生固相反应，产生自熔性矿石和半自熔性矿石。

酸、碱氧化物在焦炉或高炉中就会发生固相反应，生成低熔点（低于任何单种酸、碱氧化物的熔点）化合物。也就是说，焦炭在高炉中，焦炭灰成分中相互接触的酸、碱氧化物会发生固相反应，在焦体内部形成“液滴”，使焦炭的强度迅速降低。低灰精煤（煤泥）的灰分质点形成焦体的内部微小“液滴”。微“液滴”对焦炭在高炉高温和一定承载压力下，对焦炭强度和块度的破坏是一个“点”。

同样，存在于焦炭中的碱金属钾、钠在焦炭中的分布也是均匀的，对焦炭的碳熔反应也是一个“点”，在高炉环境中循环的钾、钠以气体状态存在，因此对高炉中焦炭的碳溶反应是在裸露的焦炭表面上，对焦炭的碳溶反应因该是一个“面”。不同粒度（50~0.5 mm）的中煤、矸石在焦炭（体）内形成了不同直径的大“液滴”。焦炭灰分的酸/碱氧化物的比值越接近0.8~1.2，焦炭内部的“液滴”直径越大、数量也越多，对焦体、焦炭的强度和块度破坏力越大，它对焦炭的破坏的表现是一个“块”。

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