高炉大喷煤等新技术应用,及全氧高炉炼铁技术和高炉喷吹焦炉煤气技术的发展,使高炉的焦比大幅降低,从而使焦炭的机械负荷和化学反应负荷增加,对焦炭性能提出了更高的要求。与此同时,这些新技术的应用会使高炉煤气成分发生重大变化,其中H2O含量增加对焦炭的反应行为和强度的影响应引起重视。本文采用几种典型炼焦煤定向制备不同微观结构焦炭,综合运用光学显微镜、扫描电镜、热重分析仪及多种理化性能和力学性能检测方法,开展了CO2和H2O条件下焦炭微观结构演变行为及其对强度影响研究,以期揭示高炉中焦炭微观结构演变对其宏观性能影响规律,为新工艺下焦炭的选择及焦炭宏观性能调控提供参考依据。首先,综合运用光学显微镜、拉曼光谱及压汞仪等检测手段,研究了溶损过程焦炭光学组织、孔隙结构和物理化学结构演变规律。结果表明,CO2和H2O对不同光学组织的溶损作用具有选择性,光学组织反应性越高溶损后结构差别越小,与CO2条件相比,H2O对反应性越低光学组织的选择性越强。相同反应率下,随CO2-H2O气体中H2O含量增加焦炭平均孔径降低,比表面积增加,孔径分布峰值对应的孔径向低数值侧移动。CO2气体中添加H2O后能够促进小孔的生成,但随H2O含量促进作用逐渐减弱。气化反应加速了芳环的裂解,使富氢程度参数增加。CO2的气化能力低于H2O,对活化能低的官能团选择性强,反应后芳构化程度参数增加幅度更大。H2O对有序结构的选择性更强,使H2O反应后焦炭结构的有序性低于CO2条件。采用热重法研究了焦炭光学组织、粒度和H2O含量对焦炭气化反应特性的影响。去除气孔与灰催化影响后光学组织的反应性是各向同性和破片结构反应性最高,细粒和中粒镶嵌结构反应性适中,粗粒镶嵌、流动型和残炭结构的反应性最低。光学组织以各向同性、细粒镶嵌和破片结构为主的焦炭在较低温度能够达到高的反应速率,气化反应行为受焦炭粒度影响小；以粗粒镶嵌、流动型和残炭结构为主的焦炭气化反应速率随温度升高缓慢增加,达到最大反应速率需更高温度,降低焦炭粒度能够明显促进气化反应的进行。CO2-H2O条件下,随H2O含量增加焦炭气化反应的起始反应温度降低,气化反应速率加快,达到最大反应速率温度降低。与CO2相比,H2O对粗粒镶嵌、流动型和残炭结构等反应性低光学组织的溶损作用更强。采用纳米压痕方法表征焦炭光学组织微区力学性能,结合抗拉强度实验,研究了反应条件、孔隙结构和温度等因素对不同微观结构焦炭宏观性能的影响。中粒和粗粒镶嵌结构显微强度最高,细粒镶嵌结构次之,残炭结构最低。气化反应后焦炭不同光学组织承受的最大载荷和弹性模量均降低,与CO2相比,相同反应率下,粗粒镶嵌结构和残炭结构与H2O反应后焦炭中微孔数量较多,光学组织结构均匀,显微强度较高。CO2和H2O反应后细粒镶嵌结构的显微强度差别不大。相同反应率下,CO2-H2O气体中随H2O含量增加焦炭抗拉强度逐渐升高,焦炭强度对小孔敏感度高,小孔数量越多焦炭抗拉强度越高。相比CO2条件,随H2O含量焦炭气孔壁强度提高,抗变形能力增强。保温温度在1000～1300℃间,焦炭高温抗拉强度随反应率增加和温度升高而降低,与常温条件相比高温抗拉强度略高于常温条件。模拟传统高炉、全氧高炉和喷吹焦炉煤气高炉的煤气条件,研究了焦炭微观结构演变及其与宏观性能关系。相对传统高炉,全氧高炉和喷吹焦炉煤气条件下焦炭反应率增加、转鼓强度降低,煤气中H2O增加促进小孔生成,保护焦炭气孔壁结构,一定程度上抑制焦炭的粉化。同时H2O促进了中粒和粗粒镶嵌结构气化反应,由于该光学组织强度高、抗气化能力强,反应后相对含量的减少会造成焦炭强度降低。针对全氧高炉和喷吹焦炉煤气高炉焦炭气化反应行为特点,建议生产或试验中可以选择中粒、粗粒镶嵌结构含量较高焦炭,提高抗气化能力,抑制焦炭溶损保证高炉顺行。