高炉炼铁的本质是高温还原性煤气与铁矿石的逆向运动,焦炭作为这一运动的核心支撑者必须具备足够高的热态强度。地处我国西北边陲的新疆因其独特的成煤地质条件和较晚的成煤地质年代,使得新疆炼焦煤焦炭具有非同寻常的高反应性特征(CRI 50%左右),从而导致焦炭热态强度较低(CSR 40%左右),粉化严重,仅能限于100~300m3的小型高炉使用,极难应用于1000m3以上的中大型高炉。因此本文针对新疆炼焦煤及其焦炭的独特性质,根据新疆地区高炉生产实际反馈的对焦炭的高强度(主要指热态强度)要求,提出对新疆煤焦炭的具体研究目标:即利用100%新疆高活性炼焦煤制备出相对低反应性和高热态强度的焦炭(CRI<35%,CSR≥60%),以实现1000m3以上中大型高炉对新疆煤焦炭的高指标和全量化应用。本文首先对焦炭反应性进行论述,针对新疆炼焦煤煤质进行分析,研究新疆单种煤焦炭的反应性,结合新疆煤的成煤期和炼焦煤的形成原因,初步确定影响新疆煤焦炭反应性的根本原因。根据焦炭特异性原因分析,研究、开发、尝试多种改质剂对新疆炼焦煤进行改质设计,并通过实验室2kg改质炼焦试验和工业焦炉10kg改质炼焦试验,对改质剂的预期作用效果进行试验验证。同时借助煤的热分析、扫描电子显微镜和X射线衍射对试验研发的高强度改质剂的改质作用机理进行深入研究和分析。原因分析表明,新疆炼焦煤芳香环的缩合度低是导致新疆炼焦煤焦炭反应性高的根本原因。试验结果表明,新型高强度改质剂HSM(High Strength Modifier)对新疆煤具有很好的改质作用,与新疆煤共炭化,可以显著降低新疆煤焦炭的反应性,焦炭反应后强度也明显升高,焦炭CRI<35%,CSR≥60%,焦炭质量完全可以满足1000m3以上中大型高炉对新疆煤焦炭的高指标和全量化应用。改质机理研究表明,高强度改质剂对煤的热解影响主要集中在炭化高温段(700℃以上)与缩合芳环游离键的化学键合作用,其化学键合作用可以极大地减少固有缩聚的杂乱无章构建,使得原子重构的碳微晶层片直径更大,结构更加有序、规则和稳定,层片边缘不稳定碳原子数目因而减少,碳原子结构缺陷也相应减少,从而使碳活性点大大减少,焦炭反应性则显著降低。另外,高强度改质剂在高温氧化条件下会有一定的熔融黏附作用,在一定程度上也会阻碍焦炭的氧化。研究表明半焦收缩阶段碳原子的成键和排布才是决定焦炭质量(高温反应性)的根本因素,并非传统观点认为的光学组织类型。