当前，高炉炼铁正朝着高产、低污染、低能耗的方向发展。

为了实现这一目标，以高炉使用含碳复合炉料为代表的一些革新炼铁技术已经投入应用。含碳复合炉料相比于传统的高炉炉料（烧结矿和球团矿），具有高温强度高、还原性能好以及原料适应性强等优势。研究表明，高炉使用一定量的含碳复合炉料可以降低热空区温度，增加产量，降低焦比，高炉热利用效率明显提高，操作性能得到有效改善。

含碳复合炉料符合高炉发展需要

数据统计显示，2010年我国钢铁工业CO₂的排放量占全国化石燃料CO₂总排放量的15%，其中炼铁环节（包括烧结、球团、焦化和高炉炼铁工序）CO₂排放量占整个钢铁生产流程的87%。此外，随着优质富矿资源的减少，烧结和球团的生产面临较大的压力，且质量较差的烧结矿和球团矿入炉后会降低高炉的冶炼指标。因此，在全球变暖问题日益严重、优质矿石焦煤等资源日益紧缺的大背景下，不可避免地要求整个行业积极发展环境友好的低能源消耗技术，一方面可以降低CO₂的排放，另一方面灵活应对优质原料缺乏对钢铁工业发展所带来的压力。

通常，高炉使用的含碳复合炉料主要包括冷固结含碳球团、铁焦和热压含碳球团三种。现阶段，高炉使用含碳复合炉料的研究热点主要集中在铁焦以及热压含碳球团上。传统的观点认为，焦炭的反应性较低时，高炉内部焦炭的熔损程度低，对高炉的透气性有利。但相关研究指出，高炉操作实际上并不要求反应性低的焦炭，相反，随着高质量的炼焦煤日益减少，如何在不降低高炉冶炼指标的前提下，尽可能多地使用普通煤粉来代替焦炭正成为研究的热点。

在高炉冶炼过程中，热空区温度主要取决于焦炭的气化反应，焦炭反应性增加使得气化反应在较低的温度区域即可进行，从而降低了高炉热空区温度。但在提高焦炭反应性的同时，提高矿石的还原性也非常重要，否则只会增加炉顶煤气中CO的浓度，不利于提高焦炭的利用率。含碳复合炉料由于在压制过程中其内部的煤粉与铁矿粉接触紧密，并且其内部存在碳的气化和铁氧化物还原的耦合反应，使得其还原性能好。

为提高高炉反应效率，可以以里斯特操作线图来说明如何控制操作水平（如图所示）。在维持热空区温度不变（A→B）的情况下，为了更好地提高炉内反应效率，有必要使操作线（图中的AP线）向W点移动。同时，也可以降低热空区温度（B→C），使得W点向右移动，从而提高CO的利用率。通常情况下，A→B可以采取改善烧结矿还原性和合理布料制度等措施。入炉原料如烧结矿还原性的提高，合理布料制度可以使煤气流分布更加合理均匀，从而加强间接还原反应，提高CO利用率和炉身工作效率等，使操作线AP绕P点向右转动（此时W点并未移动）。B→C可以采取提高焦炭反应性、使用含碳复合炉料等措施。含碳复合炉料的还原性能良好，并且其在热处理过程中的预还原度高，从而降低了入炉原料中的O/Fe。同时，铁焦的气化反应温度下降，使得热空区的温度下降，煤气中CO浓度显著提高，这使得间接还原反应的平衡发生移动。表现在操作线上，即W点向右移动。W点的向右移动，扩大了降低焦比、提高高炉炉身工作效率的理论空间。

例如，当温度分别为1000℃、900℃、800℃、700℃时可以计算出反应（1）达到平衡时的平衡常数。可以看出随着温度的降低，间接还原达到的平衡向右移动，使得CO的利用率增加，即操作线横坐标O/C增加，操作线右移，同样从叉字曲线上来看，浮氏体间接还原达到平衡时温度的降低，也使得气相组分中CO的相对含量减少。

含碳复合炉料的制备流程及其冶金性能

高炉炼铁通常是以焦炭为燃料和还原剂，在高温下将含铁块状物料还原为液态生铁的过程。传统的高炉炼铁主要入炉原料为焦炭、烧结矿/球团矿。含碳球团是铁矿粉和煤混合制成的入炉原料，介于焦炭和烧结造块之间；铁焦和预还原烧结矿是有一定还原率的金属化炉料，分别介于焦炭-金属铁、烧结造块-金属铁之间，属于新型炼铁原料。而含碳复合炉料主要包括铁焦、含碳球团等。

铁焦是煤和铁矿石事先粉碎、混合、成型后，用连续式干馏炉加热，将其中的铁矿石还原成金属铁、煤碳化结焦的含碳复合炉料，以此大幅提高弱黏结煤和低品位铁矿石的使用。高炉使用铁焦可使碳气化反应在较低温度下提前进行，进而降低热空区的温度。为大幅削减高炉生产中的二氧化碳排放量，节省能源以及使用劣质普通煤和低品位矿石提高资源的应对能力，改善高炉内铁矿石还原反应效率，铁焦被认为是一种新的高炉炼铁炉料。目前，日本对铁焦的研究比较深入，国内的研究相对较少。

新日铁首先研究了铁焦，用普通焦炉成功生产出含有高钙配煤的铁焦，这种铁焦同时具有高反应性和高强度。在高炉中对这种铁焦进行应用试验发现，热空区温度下降，高炉还原烧结矿的还原剂用量减少。

JFE研发的铁焦(CIC)生产工艺是将70%的煤粉与30%的铁精矿粉混合、预热并热压后，再经过竖炉(非普通工业焦炉)碳化，形成含有焦炭与部分还原铁的含碳复合炉料。铁焦的CRI（焦炭反应性）达53%，抗压强度约为普通焦炭的两倍，其中铁的还原率超过70%。

HPC(Hyper coal)是通过热提取的方法而得到的只含有极少量灰分的煤，具有较高的黏结性。在配煤中使用这种添加剂可以生产出高强度铁焦。研究结果表明，在配煤中添加0.5%的HPC能明显提高焦炭强度。

新日铁研发的铁焦实际应用于高炉生产，具有较好的降低还原剂效果。但该技术存在以下不足：在配煤时配加高钙煤，对焦炭反应性的提高很有限。而且，高钙煤来源有限；铁焦的热强度低，在高炉内大量使用时可能会影响透气性；煤粉与铁矿粉混合和焦炉温度控制等使得铁焦生产工艺相对更为复杂；对原料煤的要求较高，会增加生产成本。

相比而言，JFE开发的含碳复合炉料技术具有较大的优越性，可使用低级煤作原料，使用独立的竖炉生产，生产和产量可灵活控制，产品的反应性相对更高，强度比普通焦炭高约一倍，具有较好的应用前景。但是，将含碳复合炉料实际应用于高炉炼铁生产时需解决复合炉料的结构和成分优化、复合炉料的碳化和还原、高炉布料和操作制度优化等问题。

热压含碳球团是将具有一定热塑性的煤粉和含铁粉料加热到一定的温度在热状态下再压块，利用煤的黏结性将铁矿粉结成块，最终得到块状的热压含碳球团。冷态冶金性能主要是指其冷态强度，包括抗压强度和落下强度。热压含碳球团的冷态强度主要与配煤量、配煤粒度、热压强度、热压时间等因素有关。炼铁原料的高温冶金性能主要包括还原粉化性能、还原膨胀性能、还原冷却后强度、还原性能、高温抗压强度、软熔滴落性能等。好的炼铁原料其还原性能好，还原粉化程度低，还原膨胀率小，高温抗压强度和还原后冷却强度较高，且具有良好的软熔滴落性能，使得在冶炼过程中高炉透气性好，焦比降低，生产率高。

在实验室条件下，对热压含碳球团的进行还原粉化和还原膨胀实验研究，研究发现：相比较于普通烧结矿和球团矿的还原粉化性能而言（普通烧结矿的RDI+3.15为70%~80%，氧化球团的RDI+3.15为90%左右），热压含碳球团的还原粉化性能好，还原膨胀率低于2%；与普通氧化球团相比（RSI约为10%以上），还原膨胀程度极低，这是由于热压含碳球团在还原过程中内部碳的还原以及挥发分的挥发使其具有较高的孔隙率，因而还原膨胀指数小；热压含碳球团还原膨胀后的抗压强度分别为692N/个和684N/个，远高于日本钢铁行业对球团矿还原冷却后的规定强度（即250N/个）。进一步从还原性能来看，热压含碳球团在CO气氛中，较氧化球团其还原性能好、还原速率快，这主要是由于其在压制过程中，内部细小的铁氧化物颗粒和碳粉紧密接触，反应过程中分子扩散阻力下降而反应面积增加，使得热压含碳球团具有良好的还原动力学条件。

高温抗压强度能更好的体现炉料在高温还原状态下抵抗压碎破裂的能力，高温强度高，炉料透气性好，更有利于高炉操作顺行。

针对高温强度的研究结果显示，当还原温度超过700℃时，热压含碳球团的抗压强度明显优于氧化球团的抗压强度，最低时的高温抗压强度高于450N/个，而氧化球团的高温抗压强度约为200N/个。若用相对强度来表示，则随着还原的进行，热压含碳球团的抗压强度变化明显小于氧化球团。

高炉炉料配加热压含碳球团软熔滴落性能的研究结果显示，随着热压含碳球团配比的增加可以使综合炉料的软熔带温度区间变窄，软熔带位置下降，明显改善炉料的透气性能。但研究结果显示，综合炉料中热压含碳球团的配比存在一个合理的范围，一般认为这一比例不宜超过40%。

对高炉使用热压含碳球团的数学模拟研究结果显示，随着热压含碳球团配比的增加，生铁产量增加而渣量减少，焦比大大降低，整体的还原剂消耗呈下降趋势，数据显示当热压含碳球团配比由0增加到30%时，与常规操作相比，热空区的温度下降了约200℃，焦比降低112.5kg/吨铁(29.2%)，总还原剂降低20kg/吨铁(3.8%)，这就为实现低温、低碳高炉炼铁成为可能。