焦炭在高炉冶炼过程中起着发热剂、还原剂、渗碳剂和料柱骨架等作用,是高炉生产无法替代的核心燃料。焦炭在高炉行程中由于机械破坏、热应力、溶损反应和渣铁侵蚀等其强度和粒度都在下降,且焦炭溶损反应是导致其在高炉中下部碎裂和粉化的主要原因。锌在高炉内的循环富集及对高炉焦炭的危害已逐步得到证实,但其对焦炭热态性能劣化的作用机制尚不明确。本文采用液相吸附法研究锌在高温下对焦炭溶损反应的影响机理,通过主曲线拟合法探究锌对焦炭气化反应动力学模型及参数的影响规律,并结合XRD、BET、扫描电子显微镜和光学显微镜多维度分析了富锌反应后焦炭微晶结构、孔结构、显微结构和光学组织的演变特征。研究内容主要有以下几个结论:首先,焦炭反应性研究发现锌吸附于焦炭上对焦炭的气化反应具有催化作用,但不同温度下催化效果差异较大。采用多浓度梯度定量解析富锌量和催化作用的相关性,结果表明随着锌吸附量增多,催化作用加强,但加强的幅度会减小,且在Zn吸附量达到1.17%后,反应性随锌量的增加而增加的趋势并不明显,焦炭的催化作用可能存在极限值。其次,采用非等温方法研究了锌对焦炭气化反应动力学的影响规律。结果表明对于在不同升温速率下的反应,锌对焦炭气化反应的影响规律一致,即随着富锌量的增加,焦炭气化反应逐渐向低温区移动,气化反应的剧烈程度增加,气化反应时间提前。采用主曲线拟合法分析了吸附锌前后焦炭气化反应的反应机理函数,结果表明富锌后焦炭气化反应过程满足核收缩模型,并采用等转化率法验证了曲线拟合法选用机理函数的准确性。通过模型拟合方法得到的动力学参数发现,随着锌吸附量的增多,焦炭的表观活化能明显降低,但指前因子也逐渐减小,表明在锌对焦炭气化反应催化中存在着动力学补偿效应。再次,本文从多个维度探究锌对焦炭溶损反应的作用机制,研究发现锌对焦炭溶损反应催化作用的本质是锌对焦炭碳结构的催化具有选择性,使原本反应活性较低的各向异性的反应性增大。与此同时,碳基质的加速消耗使得焦炭微孔中大量的封闭孔被打开,孔壁的坍塌使得部分微孔合并连通,从而为锌蒸汽、CO₂向焦炭内部的扩散和碳基质与CO₂的接触提供有利条件,反应被进一步加剧。并且更为剧烈的宏观孔连通使得焦炭孔壁变薄,孔径不均匀度增大,焦炭内部犹如一个超级贯穿孔,形成较多裂纹和蜂窝状洞室,焦炭强度大幅降低。最后,锌的催化机理可用电子循环接受理论来解释,且通过Materials studio软件的计算证明了电子循环接受理论在锌对焦炭气化反应催化的适用性,即锌对焦炭溶损反应的催化作用主要归因于锌促进了电子的转移,加速了酮基的分解。此外,在锌的存在体系下酮基分解所需的能量降低,酮基更容易分解,从而增大了焦炭的反应活性。