科创中国

中国高炉炼铁行业的主要矛盾包括：先进的高炉炼铁企业和落后的高炉炼铁企业并存，而且忽视供需关系，大量生产，从而导致供大于求，最终造成成品的价格低廉，经济效益较低。与此同时，我国也作出了相应的对策：从2016年开始陆续颁布了各种为了解决冶金产品过剩问题的相关政策和法案。

铁矿石中的铁氧化物被碳还原的机理较为复杂，一般分为两种方式进行：一种是铁矿石中的铁氧化物直接与碳发生反应，例如含碳球团矿发生还原反应的初始阶段；另一种是通过各自表面反应加和而发生的耦合现象。使用热减重的实验方法研究Fe₂O₃ 的碳热还原反应，在 850-1087 ℃的条件下，研究了影响化学纯Fe₂O₃与超纯不定型碳的混合物发生直接还原反应的因素，其中包括碳的粒度、铁矿石和碳的比例、增速剂和减速剂的剂量等诸多因素，经研究表明：可以通过控制 CO 的含量来控制 Fe₂O₃和碳混合物的还原由体系，碳发生气化反应的速率远小于 Fe₂O₃Fe被还原消耗 CO 的速率，所以碳的气化反应是整个反应的限制性环节；将能够加快碳气化速率的催化剂Li2O 加入混合物中，可以加快整个过程的速率，将能够减慢碳气化速率的抑制剂 Fe S 加入混合物中，可以减慢整个反应的速率，以上研究表明整个反应的限制性环节是碳的气化反应。经研究表明：在 860-1020 ℃的条件下，该反应主要以钛铁矿与石墨接触点的反应为主，在温度高于 1020 ℃时，整个反应的限制性环节是碳的气化反应。氧化锡与碳的反应，发现碳的气化反应是氧化锡的直接还原反应的限制性环节。常见的理论方法来研究两个反应对整个反应速率的影响并判断速率的限制性环节，该模型定义了两个参数β和γ，并用其来表征整个反应体系的特征，固体反应物的尺寸、反应速率常数和相关系数等均会影响这两个参数。

焦炭综合热性能试验模拟高炉内焦炭溶损劣化过程，检测不同反应温度下的溶损速率、等溶损率（25%）后的强度及其随温度的变化。用焦炭综合热性能评价焦炭质量，指导高炉冶炼，可适当降低焦炭CSR指标；煤炭化关联性试验模拟煤热解-成层结焦过程，同步检挥发分析出强度、胶质层的结构和性质、胶质层膨胀压力及料层体积变化。煤炭化关联性指数代替现有炼焦性能评价煤质和指导配煤，可以显著提高炼焦煤质量识别度和配煤炼焦准确度，实现低成本炼焦。

配合煤的化学组成和变质程度确定后，焦炭质量取决于配合煤在焦炉内热解-成层结焦性质，包括生成的胶质体在热解产生气体内压作用下的热稳定性、透气性、流动性和膨胀性。煤炭化关联性试验模拟煤热解-成层结焦过程，同步检挥发分析出强度、胶质层的结构和性质、胶质层膨胀压力及料层体积变化。煤炭化关联性指数代替现有炼焦性能评价煤质和指导配煤，可以显著提高炼焦煤质量识别度和配煤炼焦准确度；采用焦炭反应性（CRI）和反应后强度（CSR）评价焦炭热性能，并认为质量好的焦炭应具有低CRI和高CSR指标，导致配煤炼焦中强黏结性煤配比不断升高。然而，国内外高炉使用的焦炭的CRI和CSR指标有非常大的不同，高CRI和低CSR指标的焦炭也在高炉上使用，证实CRI和CSR试验模拟性并不可靠。焦炭综合热性能试验模拟高炉内焦炭溶损劣化过程，检测不同反应温度下的溶损速率、等溶损率（25%）后的强度及其随温度的变化。用焦炭综合热性能评价焦炭质量，指导高炉冶炼，可适当降低焦炭CSR指标，炼焦多用弱黏结性煤，实现低成本炼焦。该技术的最大优势是最大化利用区域矿产资源，优化资源配置，达到降低生产成本的目标。

四个亮点和优势，1下层焦炭采用了溶损后的焦炭，当铁矿石熔化后，渣铁流过下层溶损后的焦炭层时，焦炭中的灰分会进入到渣铁中，这样可以研究下层焦炭的灰分对炉渣成分的影响。

2采用了多种反应性不同的焦炭，这样可以研究焦炭的反应性对矿焦耦合反应的影响。

3反应气体不断地通过铁矿石层，并与其发生还原反应，因为还原反应的速率是不断变化的，所以产生气体的成分也是不断变化的，即溶损上层焦炭气体的成分也是不断变化的，这样的气体成分更加符合高炉生产中的实际情况，对上层焦炭进行转鼓，再测得焦炭反应在CSL 后的强度（CSRCSL），CSRCSL 可以更加科学地评价在高炉实际生产中焦炭的反应后强度。

4气体分析仪和高精度电子天平等设备，可以实时监测实验中的

数据变化，再通过对所得数据的处理和计算可以得到矿焦耦合反应的图像，该图像可以清晰地将实验的反应过程分为三个部分，其中包括间接还原反应、耦合还原反应和熔融还原反应，再通过对数据的进一步处理和计算可以得到铁矿石的还原度和焦炭的失碳率，这样可以更加科学地反映出在高炉实际生产中铁矿石的还原度和焦炭的失碳率。

焦炭在高炉中的作用有发热剂、还原剂、料柱骨架和铁水渗碳，其中，铁水渗碳为不利作用。随着高炉冶炼技术的发展，喷吹燃料等技术逐渐成熟并且在高炉中广泛应用，使得焦炭在高炉中作为发热剂和还原剂的作用已经被部分取代，只有焦炭在高炉中作为料柱骨架的作用没有被取代，所以焦炭在高炉中作为料柱骨架的作用显得尤为突出。在高炉滴落带以下，焦炭作为唯一以固体形态存在的炉料对高炉的透气性和炉况的顺行至关重要，所以，要求焦炭在热态条件下具有一定的强度和粒度。为此，一些相关的学者开发出了一些评价焦炭热性质的实验方法，其目的在于模拟焦炭在高炉中的溶损行为和程度，并且模拟计算出焦炭在高炉中发生碳素溶损反应后的强度，最终来指导高炉的实际生产。

焦炭是炼焦工艺为高炉炼铁生产的一种多孔碳质固体块状材料，其性能涉及焦炭在高炉内的功能和质量两个方面。焦炭的功能是指其在高炉内起料柱骨架作用、发热剂、还原剂和渗碳剂时应该具有的属性，如化学组成、机械强度、粒度组成、物理化学性质和热性能等；焦炭质量是指焦炭在高炉内发挥作用的程度和持久性的度量，通过参数化和赋值判断焦炭性能变化对高炉冶炼的主要技术经济指标的影响程度。使用不同的原料煤并采用不同的制焦温度可以生产出性质和用途不同的两种焦炭，分别为高温焦炭和低温焦炭。其中，大部分高温焦炭被用作高炉冶炼所需的高炉焦炭，一小部分被用作生产铁合金所需的铁合金焦炭，还有一小部分被用作冲天炉熔铁所需的铸造焦炭。

该成果的技术覆盖面广，可应用于冶金、化工等部门。其中，煤炭化关联性试验指标跟焦炭质量有非常强的相关性，基于煤炭化关联性系数建立了焦炭质量预测模型，提高了模型的准确性和实现了模型的通用性，能够一定程度替代小焦炉试验，指导生产，减少试验流程。焦炭热性能新评价方法，为扩大区域炼焦煤资源指明了方向，避免了性能过剩，在行业内具有独创性，解决了炼焦-高炉炼铁全流程的资源配置及高效利用问题。为焦化及炼铁工作者对炼焦煤和焦炭提供了的新认识、新思路和新方法，因此该研究成果极具推广价值。

辽宁科技大学冶金及新材料交叉学科团队，负责人为王国承教授。团队有专业教师13人，其中教授4人，副教授3人，高级工程师1人，讲师5人。其中，王国承教授、汪琦教授、李静教授和周艳文教授是团队的领军人物。围绕现代钢铁冶金全流程（炼焦→炼铁→炼钢→轧钢→热处理及深加工）以及资源利用和新材料制备领域的基础理论和工艺技术开展研究。以高温过程物理化学为基础，开展“钢铁化学冶金-物理冶金过程物理化学”理论创新研究，包括物质结构（冶金熔体、组织及第二相）与性质关系、过程热力学和动力学。面向“炼焦-炼铁中碳素行为理论及工艺控制”、“高端钢材冶金-轧制-热处理深加工全流程精准控制”、“资源利用和新材料制备的应用基础研究”等三个钢铁行业重要应用领域，开展焦-矿-铁耦合、炼钢-轧钢-热处理及表面工程一体化、冶金资源利用-新材料制备共性理论和方法等一系列方法、工艺和新技术研究。

课题组 主要负责人：汪琦，男，1960年6月1日出生，1982年毕业于鞍山钢铁学院，获得学士学位；1985年毕业于鞍山钢铁学院，获得硕士学位；1998年毕业于东北大学，获得博士学位。1985年参加工作。现任国务院学科评议组成员、九三辽科大总支主委、辽宁科技大学冶金工程学科教授（二级）、博士研究生导师、化学冶金工程辽宁省重点实验室主任。

主要科研项目：

（1）“铁氧化物/碳混合物非等温还原的耦合气-固反应动力学解析”，国家自然科学基金；

（2）“利用菱镁石尾矿和铁精矿合成高炉热风炉用镁铁系蓄热材料反应机理研究”，国家自然科学基金

（3）现代大型高炉用低成本冶金焦炭新技术开发研究，鞍钢。

（4）固体反应过程中双相界面层形成的物理化学(51634004), 国家自然科学基金重点项目。

王国承教授：王国承，男，2008年毕业于北京科技大学冶金物理化学专业。2013年任辽宁科技大学冶金工程系教授。2016年任博士生导师，2019年任教授三级，（2018.06 — 2019.05，科罗拉多矿业学院冶金与材料工程系Colorado School of Mines, Department of Metallurgical and Materials Engineering访问学者，合作教授Sridhar Seetharaman）。中国金属学会炼钢分会委员。

包钢股份2020年1-12月利用该研究成果应用性分类及分组以及配煤模型与焦炭质量预测模型，通过优化配煤结构，合理配煤，在保证焦炭质量的前提下，降低了用煤成本。以2020年包钢股份1月采购价格为不变价格计算每月用煤成本，剔除由于市场变化导致采购价格变化影响用煤成本因素。2020年1-12月每组焦炉的用煤成本与2019年12月每组焦炉的用煤成本的差值为每月吨煤节支额度，2020年1-12月吨煤节支为28.1254元，焦炉共计消耗7302143吨煤，统计2020年节支总额度，实现创节支效益25075.1万元，经济效益非常可观。

高炉内的直接还原反应主要是由焦炭的气化反应和铁矿石的间接还原反应耦合而成的。经大量研究表明，高炉内的直接还原反应与高炉的生产以及热交换有着极其密切的联系。因此，研究矿焦耦合反应（气-固）中不同的铁矿石或焦炭对矿焦耦合反应的影响一直都是冶金工作者的研究热点。然而，在矿焦耦合反应（气-

固）中不同的铁矿石或焦炭对矿焦耦合反应的影响规律尚不完全清晰，还有待进一步研究。

本成果研究内容采用辽宁科技大学自主研发的软熔滴落实验装置，选取一种或多种铁矿石分别与不同的焦炭作为实验试样，并将上层焦炭进行溶损反应制成溶损后焦炭备用，然后在矿焦耦合反应的条件下，通过精密电子天平来实时检测并通过计算机来计算出实验反应物的失重速率、通过气体分析仪来实时检测实验装置中气体的成分比例并通过计算机来计算出软熔滴落过程的特征参数来检测单种铁矿石和混合铁矿石的还原行为、软熔滴落性能以及焦炭的热性能，以此来研究不同的铁矿石或焦炭对矿焦耦合反应的影响。成果评价内容更加贴合高炉的实际生产情况，所以能够更加贴合实际地评价铁矿石和焦炭的性能，从而能够更加准确地指导高炉的实际生产，以获得更高的经济效益，同时也能够节约能源，以达到保护环境的目的。

该研究成果促进钢铁联合企业健康可持续发展，将会对区域经济产生巨大的带动作用。项目的开展符合我国产业政策和技术发展趋势，满足市场需求，对我国国民经济的稳定发展具有重要意义，为国家资源安全及经济可持续发展提供了重要保障。

合作方式：技术开发 辽宁科技大学团队

乙方负责该项目技术开发，生产培训，生产监控，产品品管。其它由甲方负责(包括设备投资，物料采购，产品销售，产品配送，财务管理等)

各方保留每月审核该项目财务运营的权力，如对财务收支，损益有疑问，有权提出查证原始单据核对帐目。

技术，市场保密合作期内未经项目合作各方同意，任何人不得将技术及市场内容转让，不得与项目合作双方以外的合作方进行合作或为他人谋取利益，不得将技术泄密。违者项目合作方有权没收责任方相关收益，并追究责任方的经济法律责任。

焦炭综合热性质实验内容和方法

焦炭 CRI 和 CSR 实验被提出的目的是模拟焦炭在高炉中温度为900-1300 ℃范围内的软融带部位的溶损劣化程度，利用焦炭 CRI 和 CSR 指标的高低来分析和判断焦炭经过这个部位的破坏程度对高炉上部透气性、高炉下部和死料堆的透液性、炉况顺行和炉缸工作状况的影响。不同 CRI 和 CSR 指标的焦炭能够在高炉中正常使用，意味着焦炭 CRI 和 CSR 实验的模拟性存在着一定的问题。主要表现在：（1）焦炭 CRI 实验的模拟性焦炭与 CO₂ 的反应性可以用反应的快慢（反应速率，时间-1）或多少（规定反应时间内的溶损率，%）来表征。炭 CRI 作为反应性指标反映的是小焦块在1100 ℃下与 CO₂ 反应 2 小时后的质量变化，并不能真实反映高炉中焦炭的溶损劣化程度和溶损劣化行为。例如，高炉中焦炭溶损反应不仅仅发生在 1100 ℃时，而是发生在一定的温度范围内；焦炭溶损率不仅受所能提供 CO₂量的限制，而且依赖于高炉的冶炼条件（焦比和直接还原度），在不同的高炉冶炼条件下，焦炭溶损率会有一定的差别，范围大约在 20-30%，只有在此溶损率范围内才与焦炭 CRI指标有一定的依赖关系。（2）焦炭 CSR 实验的模拟性焦炭 CSR 指标除了与 CRI 呈负相关以外，还与焦炭物理性质（基质强度、气孔结构）有关，但焦炭 CSR 指标不能分辨出 CRI 和物理性质的贡献程度。为了弥补焦炭 CRI 和CSR 实验模拟性的不足，并考虑到焦炭反应性对高炉还原过程和热工制定的影响，而提出了焦炭综合热性质观念及其模拟实验方法。

焦炭综合热性质按辽宁科技大学汪琦教授发明的专利技术“焦炭反应性和反应后热处理性的检测方法及其装置（CN101825548B）”中规定的相关内容进行。