焦炭是高炉冶炼的关键，也是价格最高的原料，高炉炼铁一直面临降低焦比的压力。富氧喷煤技术的应用，使高炉焦比大幅度降低，焦炭在高炉中停留时间延长，所受劣化作用增大，对焦炭质量提出更高的要求。而焦炭在高炉中的行为受焦炭质量和高炉操作的双重影响。因此，应对影响焦炭行为的各种因素进行更精准的度量和预测，为改善焦炭质量及降低成本指明方向，以期进一步改善高炉操作，提高高炉炼铁的经济指标。这对缓解钢铁企业的成本压力意义重大。
焦炭在高炉中的作用及变化
焦炭在高炉内有提供热源、还原剂、渗碳剂和起料柱骨架等作用。焦炭中不足1%的碳随高炉煤气逸出，其余全部消耗在高炉中，其大致比例为：风口燃烧占55%～65%，料线与风口间碳溶反应占25%～35%，生铁渗碳占7%～10%，其他元素还原反应及损失占2%～3%。随着高炉冶炼焦比的降低、风口辅助燃料喷吹量的加大，焦炭中的碳在风口燃烧的比例相对减少，而消耗于碳溶反应的比例增加。
在高炉冶炼过程中，随着焦炭逐渐降至高炉的下部，其性质发生了明显的变化。焦炭粒度下降30%，反应性明显增加。这些变化既取决于高炉冶炼，也取决于焦炭质量。随着焦比下降，焦炭与矿石体积比下降，致使料柱中焦炭层厚度和软熔带焦炭层厚度减小。因此，焦炭将承受更长时间的机械、热、化学的破坏，导致焦炭劣化加重，从而产生更多的焦粉。过多的焦粉降低了料柱透气性，也阻碍了熔融金属和渣的有效滴落。
在高炉上部造成焦炭劣化的因素主要是机械冲击和磨损，这与焦炭的冷态机械强度密切相关，而冷态机械强度受焦炭的物理性质（如孔隙性质和气孔率）影响。在软熔带或蓄热带，焦炭的气化导致焦炭劣化并产生焦粉。在气化过程中，溶损反应导致焦炭的碳损耗和表面物质的剥离。随着焦炭温度的升高，由于内应力作用，焦炭中产生裂纹。碱金属的循环也会引起焦粉的产生，源于在焦炭内部形成的催化相和在焦炭中生成的层间化合物的体积膨胀应力。
在高炉下部，高温反应（包括焦炭的石墨化以及焦炭与气体、液态渣和铁的反应）产生焦粉，同时也消耗焦粉。尽管焦粉的产生方式有多种，但其大部分方式都受到焦炭中的碳结构和矿物质的影响。有些焦粉产生的机理是相互关联的（由热作用引起的碳结构变化会影响焦炭中矿物质的行为，反之亦然），二者是促进还是抑制焦粉的产生，取决于其对焦炭机械强度和反应性的净作用。
综上所述，在高炉冶炼过程中，焦炭自上而下主要发生碳溶反应、碱侵蚀、高温热力、风口高速鼓风等降解粉化。同时，碳溶损反应、渗碳反应、焦炭与炉渣反应会消耗所产生的焦粉。从改善高炉透气性角度出发，应尽量降低焦炭反应性、提高反应后强度。但通常焦炭反应性与反应后强度呈负相关，高CSR（反应后强度）焦炭通常是在低CRI（反应性，<20%）条件下测定得到的，受高炉技术参数、操作制度、热平衡和矿石还原性（间接还原度）等因素制约，对焦炭粉化影响最大的碳溶损反应一般为25%～35%。因此，只要焦炭在高炉冶炼过程不产生过量焦粉，就能保证高炉顺行。不宜片面强调过高的CSR，因为焦炭在高炉中实际发生的气化（碳溶）反应往往大于CSR测定时的CRI，而为制取该种高CSR焦炭必然大量配入优质焦煤而升高配煤成本。应针对不同高炉、矿石、喷吹煤量和风温等条件，选择不同质量的焦炭来满足高炉顺行和合理成本的要求。
指标体系的不足及其解决之道
目前表征焦炭质量的指标主要是冷态机械强度（M40、M10）、反应性（CRI）和反应后强度（CSR）。
焦炭冷态机械强度对高炉上部焦炭所受机械冲击和磨损具有较好的模拟或指导。众所周知，焦炭冷态机械强度是焦炭热态性能的基础，也是影响焦炭在高炉中、下部行为的重要指标。M10代表焦炭抗磨损能力，M40代表焦炭的抗碎裂性能。较低的M10指标表明焦炭的抗磨损能力强，有利于高炉稳定与顺行，这也是高炉操作者十分重视该指标的原因。而较高的M40指标表明焦炭不易碎裂成小块而影响高炉的透气、透液性。
干熄焦由于缓慢冷却明显减少了焦炭冷却过程产生应力引起的微裂纹，而且在干熄过程由上而下的运动中，焦炭得到了充分的机械整粒作用使干熄焦的薄弱部分得到消除，所得冶金焦内在质量提高。上述内裂纹、薄弱部分在高炉中、下部受到碳溶反应、热应力作用时，易碎裂为小块焦，影响高炉的透气性，这也是高炉冶炼过程焦炭粒度减小30%的重要原因之一。
焦炭反应性（CRI）和反应后强度（CSR）是目前对焦炭在高炉中劣化最为严重的碳溶反应的模拟指标。该指标越来越受到高炉工作者和炼焦工作者的重视，同时也有越来越多的研究者对其模拟性和有效性表示怀疑。国外研究者指出，实验高炉的解剖试验证明在软熔带底部的焦炭I转鼓强度CSR＞80，远高于该高炉入炉焦常规反应性试验的反应后强度CSR68.8。笔者研究表明，常规反应性试验的反应后强度CSR，对低CRI焦炭的评价过高，而对高CRI焦炭的评价过低，见表1。提高焦炭反应性测定温度，低CSR焦炭的反应后强度提高明显，见表2。
焦炭在高温条件下的石墨化行为、焦炭与液态铁或渣的反应、焦炭中矿物质的变化等都会对焦炭的劣化产生极大的影响。然而，目前的焦炭质量指标并不能对上述问题进行有效度量和预测，或者说，目前焦炭质量指标体系尚有较大的不足。
焦炭质量的高低及其对高炉的适应性应以高炉操作平稳顺行为依据。高炉解剖是研究焦炭在高炉中行为的最好方法，但不适用于正常生产高炉。采用高炉操作参数，研究高炉风口焦和炉顶粉尘是解决目前焦炭质量指标体系不足的现实可行方法。通过研究风口焦可以得到焦炭在高炉中劣化的程度及其主要原因，判断焦炭质量是否能够满足高炉冶炼的需求，提出改变焦炭质量的建议。通过研究炉顶粉尘的构成及性质，可以了解粉尘是来源于喷吹的粉煤还是来源于焦炭，从而判断喷吹煤粉量是否适当和高效燃烧。根据焦炭粉尘的性质可以判断焦炭粉化的区位和温度区间，据此提出改善焦炭质量的方向。
科学认识并改善焦炭质量
高炉高效顺行冶炼需要质量与之相配的焦炭。对现有焦炭质量必须有客观全面的认识，焦炭的本质质量应达到高炉冶炼要求并维持稳定，而不是盲目地追求高指标。
首先，根据高炉冶炼技术经济参数、焦炭质量指标和配煤成本、炼焦煤资源保障等对焦炭质量与高炉冶炼的关系作出初步判断，决定是否须要开展改进、优化焦炭质量的研究工作。
其次，从高炉风口焦性质分析研判冶金焦质量是否达到高炉冶炼要求、是否质量过剩或不足，并据此提出改善焦炭质量、降低配煤成本的方向。
再其次，根据高炉炉顶粉尘组成和性质，分析喷吹煤粉量是否合适，喷吹煤种是否须要优化或调整配比。根据焦粉数量及性质，弄清楚产生粉尘的区域和对高炉操作的影响，为炼焦优化配煤和炼焦制度改进提出指导意见。
精细优化配煤是焦炭质量的根本保证。炼焦配煤不仅要根据各炼焦煤的黏结性、结焦性等技术指标控制配煤，保障焦炭的冷热态强度，还要根据各炼焦煤的矿物质组成进行优化配比，控制所得焦炭的矿物组成及石墨化性能，进而控制焦炭在高温条件下的劣化行为。对于参与配煤的特殊炼焦煤，如反应性较高或较低的煤、成煤年代或煤岩特性特别的煤种，配煤时应高度关注，可以采用根据高炉实际碳溶损率进行焦炭反应后强度测定的方式进行评价，避免标准测定方法在这种情况下带来的不客观评价。对于富氧喷煤的大型高炉，焦炭应具有较高的M40（>85%）和较低的M10（<6.5%），但不宜片面追求在低CRI（<20%）指标情况下的高CSR（>70%）指标，一般CRI和CSR分别达到<30%和>60%就能满足高炉冶炼需求。
干熄焦是通过循环惰性气体与红热焦炭逆流换热方式冷却焦炭，明显降低了焦炭内部的热应力，显著减少了焦炭微裂纹，同时焦炭在干熄炉内自上而下的运动去除了焦炭的缺陷，有效提高了高炉入炉焦炭的内在质量。建议焦化企业配套建设干熄焦装置，钢铁企业亦可适当提高干熄焦炭采购价格，实现焦化与炼铁双赢，调动焦化企业建设干熄焦装置的积极性。对于湿熄焦炭，建议加强整粒与筛分，减少焦粉和有缺陷焦炭作为层焦进入高炉带来的不利影响。
捣固炼焦工艺是通过提高装炉煤堆密度的方式改善焦炭质量，提高黏结性较低的煤配比，降低配煤成本。该工艺技术虽然能在一定程度上提高焦炭质量，但不能根本改变焦炭的本质质量。捣固炼焦的配煤结构与顶装炼焦的配煤结构不宜差距过大，否则，焦炭本质质量会有明显下降而影响高炉冶炼。捣固炼焦比较适于适当多配高挥发分煤的情况，而适当多配低挥发分煤时必须保障配煤的黏结性。捣固焦生产应以高炉需求为准则，合理配煤生产捣固冶金焦。
