摘要
我国政府在第 75 届联合国大会指出中国 CO2排放力争于 2030 年达峰，并争取在2060 年实现碳中和。中国钢铁行业 CO2排放量仅次于电力、建筑行业，约占全国 CO2排放总量10%以上，是我国第三大CO2排放行业。钢铁行业约70%的能源消耗及80%的 CO2排放量来源于炼铁系统。发展高炉富氢冶炼技术是降低炼铁系统能耗及 CO2排放的方法之一。高炉软熔滴落带内存在焦-铁-渣体系多相共存的复杂物理化学反应，关系炉况的稳定顺行。焦炭在该区域的强度、粒度、溶蚀行为等演变过程，直接影响其骨架作用，关系着高炉的透气透液性能，进而影响高炉的各项技术经济指标。针对富氢高炉而言，焦炭在炉内的骨架作用依旧不可或缺。 为探明富氢高炉块状带焦炭气化溶损行为与软熔滴落带焦炭熔融渣铁作用行为演变。本文首先研究了焦炭富氢气化行为，主要涉及N2-CO-CO2-H2-H2O气氛下，不同H2O含量、气化温度条件下对于焦炭气化前后的微观结构（孔隙结构、孔隙参数、微晶结构）以及宏观性能（气化失重量、直径变化率、抗压强度)的变化规律。其次，探究了气化后焦炭在炉渣中的溶蚀行为，考察了焦炭气化程度、初渣中FeO含量、反应时间等条件对富氢气化后焦炭在炉渣中溶蚀行为影响规律，以及溶蚀过程中焦炭微观结构与失重率的变化过程。主要结论如下： 焦炭富氢气化行为中，900℃至1200℃范围下反应气体中H2O含量0%至20%，温度和H2O含量的增加会明显增加焦炭气化率，1100℃和1200℃时H2O含量的增加对焦炭的劣化更严重；温度和H2O含量的增加也会加剧焦炭的微观结构的破坏，包括增加小孔和微孔的数量和孔径，以及形成超大孔和焦炭凹陷等现象，同时会增加气化后焦炭孔隙参数中的孔隙率和孔隙平均面积，尤其在900℃和1100℃下影响更大；温度和H2O含量的增加会降低焦炭的抗压强度，由未反应时的32.38 Mpa降低至1200℃H2O20%时的22.72 Mpa，抗压强度的下降是因为气化后焦炭孔隙率和孔隙平均面积的上升和晶体结构膨胀造成焦炭粉化导致的；对气化后焦炭的XRD图谱进行分峰拟合发现，温度和H2O含量的提高使焦炭XRD图谱中002峰的峰型由“矮胖型”逐渐转化为“高瘦型”，并且可以促进焦炭堆叠高度和结晶有序度的提升，以及高斯拟合曲线中石墨结构峰面积占比的增加。 气化后焦炭与炉渣的溶蚀行为中，随着焦炭气化程度的提高，焦炭与炉渣的溶蚀失重率也增加。炉渣溶蚀对焦炭外部形貌影响大，对内部孔隙结构影响小。焦炭气化程度的增加会使外表面孔隙结构劣化，炉渣通过孔隙进入焦炭内部与焦炭反应，增大了反应面积，导致溶蚀失重率的增加。高炉富氢冶炼后，H2O含量的增加会促使焦炭气化程度的提高，进一步加剧焦炭的溶蚀。溶蚀反应会改变焦炭的微晶结构，增加焦炭的堆叠高度和石墨结构峰在拟合曲线中的面积，提高焦炭的结晶有序度。炉渣中FeO含量和反应时间的增加会提高焦炭的溶蚀失重率。炉渣中FeO含量为5%时，焦炭与炉渣的溶蚀反应主要发生在焦炭表面，对内部结构的恶化影响较小，当FeO增加至20%时，炉渣会从焦炭表面孔隙侵蚀入焦炭内部与焦炭发生反应，增大溶蚀失重率。
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