當前，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，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)礦和球團礦），具有高溫強度高、還原性能好以及原料適應(yīng)性強等優(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、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)礦和球團礦入爐后會降低高爐的冶煉指標。因此，在全球變暖問題日益嚴重、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、鐵焦和熱壓含碳球團三種?，F(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上。傳統(tǒng)的觀點認為，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，擴大了降低焦比、提高高爐爐身工作效率的理論空間。

例如，當溫度分別為1000℃、900℃、800℃、700℃時可以計算出反應(yīng)（1）達到平衡時的平衡常數(shù)?？梢钥闯鲭S著溫度的降低，間接還原達到的平衡向右移動，使得CO的利用率增加，即操作線橫坐標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/球團礦。含碳球團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氣化反應(yīng)在較低溫度下提前進行，進而降低熱空區(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，用普通焦爐成功生產(chǎn)出含有高鈣配煤的鐵焦，這種鐵焦同時具有高反應(yīng)性和高強度。在高爐中對這種鐵焦進行應(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)焦爐)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53%，抗壓強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爐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。冷態(tài)冶金性能主要是指其冷態(tài)強度，包括抗壓強度和落下強度。熱壓含碳球團的冷態(tài)強度主要與配煤量、配煤粒度、熱壓強度、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、還原冷卻后強度、還原性能、高溫抗壓強度、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，高溫抗壓強度和還原后冷卻強度較高，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，對熱壓含碳球團的進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%，氧化球團的RDI+3.15為90%左右），熱壓含碳球團的還原粉化性能好，還原膨脹率低于2%；與普通氧化球團相比（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)??；熱壓含碳球團還原膨脹后的抗壓強度分別為692N/個和684N/個，遠高于日本鋼鐵行業(yè)對球團礦還原冷卻后的規(guī)定強度（即250N/個）。進一步從還原性能來看，熱壓含碳球團在CO氣氛中，較氧化球團其還原性能好、還原速率快，這主要是由于其在壓制過程中，內(nèi)部細小的鐵氧化物顆粒和碳粉緊密接觸，反應(yīng)過程中分子擴散阻力下降而反應(yīng)面積增加，使得熱壓含碳球團具有良好的還原動力學條件。

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

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

高爐爐料配加熱壓含碳球團軟熔滴落性能的研究結(jié)果顯示，隨著熱壓含碳球團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的配比存在一個合理的范圍，一般認為這一比例不宜超過40%。

對高爐使用熱壓含碳球團的數(shù)學模擬研究結(jié)果顯示，隨著熱壓含碳球團配比的增加，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)顯示當熱壓含碳球團配比由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。