随着炼铁技术发展,高炉趋于大型化,喷煤比逐步提高,对焦炭质量提出了更高的要求。容积大于5000 m~3大型高炉的出现,给焦炭质量带来前所未有的挑战。深入研究焦炭在大型高炉内的劣化机理对于高炉炼铁技术发展、焦炭性能指标评价,以及炼焦煤资源保护都具有重要的理论和现实意义。本论文在高炉中修期间对高炉软熔带、滴落带、风口区、炉缸和死料柱取样,采用显微分光光度计、X射线衍射仪、热重分析仪、质谱仪等现代表征方法对焦炭在高炉内的结构变化规律与劣化机理进行系统研究;结合反应动力学分析,研究了焦炭与CO2、块矿粉、烧结矿粉和球团矿粉的反应特征,并从反应表观活化能角度解释了造成不同焦炭基质劣化差异的原因,确立了反应动力学方程。通过以上研究得出如下结论:5800 m~3大型高炉由于容积大于中小型高炉,导致有害元素在高炉内累积严重,风口鼓风作用无法吹透料柱,渣铁在炉缸部位分布不均,炉缸中心焦炭与边缘焦炭的表观形貌,焦粉含量,气孔内炉渣含量,石墨化程度,微观组织形貌,劣化机理都有显著差异。焦炭进入高炉后,随着炉料的下移光学各向异性结构消失,焦炭的微晶结构向石墨化转变。焦炭微晶结构的堆高Lc由8.69 nm增加至23 nm,平均单元数由25层增加至65层。由于大型高炉容积大,不同位置焦炭的石墨化程度和转化速度存在显著差异;（1）软熔带和滴落带部位,焦炭的表层结构气化严重,气化性和还原性增强。大型高炉内的有害元素排出困难,Na,K,P和Zn在高炉内累积加剧。焦炭通过有害元素催化碳溶损和渣铁侵蚀的方式劣化;（2）风口区部位,由于大型高炉炉缸直径大,高炉鼓风很难吹透炉缸中心。渣铁主要侵蚀焦炭的表层结构,氧化性气体侵蚀焦炭的气孔壁而形成孔洞。焦炭表层呈现片结构状剥离气孔壁,残留的灰分会在气孔内团聚。风口焦炭内部结构先后经历高温灰分析出,O2侵蚀气孔壁,炉渣溶蚀,剥离瓦解等过程,最终被消耗;（3）死料柱部位,焦粉堆积,焦炭内部填充了大量炉渣,大粒径焦炭含量较高,焦炭形貌棱角分明,无铁水侵蚀痕迹。死料柱焦炭最终因石墨化而导致强度降低,外加炉渣侵蚀和炉料的挤压作用瓦解;（4）炉缸边缘部位,焦粉含量低,焦炭内部炉渣含量较少,大粒径焦炭含量较低,焦炭表层出现大量铁水侵蚀形成的沟壑,部分焦炭被侵蚀成片状结构。炉缸边缘部位焦炭主要通过铁水渗碳作用方式瓦解、消耗。无论是死料柱焦炭还是炉缸边缘焦炭,最终都被铁水消耗,焦炭的灰分会与炉渣融合,排出高炉;在界面反应过程中焦炭的灰分析出会阻碍渣铁和气体侵蚀焦炭。焦炭基质的性质是影响焦炭在高炉内劣化速率的主要因素。焦炭基质受到碳溶损反应与矿粉溶蚀时,低质量焦炭基质消耗速度比高质量焦炭快。焦炭基质在受到高温热作用时,低质量焦炭基质的石墨化变化程度更大。不同性质的焦炭基质的反应难易程度与构成焦炭基质的分子化学结构相关。低质量焦炭基质的化学稳定性低,因此结构容易打破,反应容易进行。高质量焦炭基质的稳定性高,打破化学键结构时需要消耗较高的能量,化学反应相对难进行。碳溶损和矿石溶蚀焦炭的反应动力学表明:低质量焦炭的反应表观活化能低,高质量焦炭的反应表观活化能高。造成高炉内不同焦炭质量劣化速率的不同的原因是由于反应表观活化能不同。焦炭与CO2发生溶损反应时,在800～1350℃范围内化学反应控制为限制性环节。焦炭与烧结矿粉、球团矿粉和块矿粉还原反应时,在950～1150℃范围内化学反应为限制性环节;当温度超过1150℃后,扩散反应为限制性环节。矿石与焦炭反应具有明显的阶段性,矿石分步骤被还原成单质铁。烧结矿和球团矿相比与块矿更加容易被还原。