对焦炭热性能影响因素的分析

刘志立 王爱爱 赵健鑫

(华北理工大学以升创新教育基地，河北 唐山 063200)

1 原料对焦炭热性能的影响

影响焦炭热性能最主要的因素之一是原料的性质，而煤变程度和灰分含量又是原料煤最主要的性质。

1.1 煤变程度

煤按变质程度由低到高可分为泥炭、褐煤、烟煤和无烟煤，其物理特征、化学组成和工艺性能等均有不同的呈现状态[1]。

张代林[2]等研究了坩埚焦热性能和挥发分与坩埚焦CRI值的关系。结果发现，煤镜质组的平均最大反射率与挥发分含量的增大使得坩埚焦的CRI 值呈现出先减小后增大的趋势，即其反应性可在某点取得最小值，此时焦炭的热性能较好。

张文成[3]等对梅山焦炭反应性、反应后强度和配煤质量指标进行了试验分析，结果表明，在配煤挥发分小于27%时，焦炭反应后强度都处在小于65%的较低水平，焦炭反应性大于28%；在挥发分大于29%时，焦炭反应后强度基本处于大于65%的范围内，焦炭反应性小于26%。由此可见，若使焦炭的反应性较低、反应后强度较高、热性能最佳，应把配煤挥发分控制在27%～29%。

1.2 灰分

煤中包含有一定的无机盐和氧化物等无机矿物质成分，这些经过高温处理后因不能燃烧而残留下来的矿物质被称为灰分[4]。陈启厚[5]的研究表明，焦炭的反应性随原料中灰分含量的增加而有所升高，并且当灰分含量处在8.5%～9.5%时焦炭的反应性处于较好水平。

根据焦炭灰中的碱金属对焦炭热强度的催化作用，张文成[3]认为灰分对焦炭热强度的影响较大，焦炭灰分含量过高时会引起焦炭热强度显著降低。

2 炼焦温度对焦炭热性能的影响

加热速度的提高会使反应速度和碱金属在焦炭上的吸附速度均变快，反应性提高，反应后强度降低[6]。

韩晓楠[7]等通过测定在不同温度下溶损反应后的焦炭热性能指标来综合评价焦炭的热态性能。在900℃、1000℃、1100℃、1200℃的反应温度下测量四种工业焦炭溶损反应后的CRI 值和CSR 值，实验表明，低温下4种焦炭的反应速率较慢，CRI 值都较小；反应温度的升高，焦炭的反应性、反应速率和CRI 值均逐渐增大，而且反应温度越高焦炭CRI 值的增幅越大。这说明反应温度可较大程度上对焦炭的反应性产生影响，在单一下温度测得的焦炭热性能数据不能全面地反映焦炭的热态性能。

胡文佳[8]通过实验发现，终温为500℃和600℃是焦炭气孔结构发展的关键阶段。在950℃时，肥煤形成的气孔结构比气煤、焦煤的气孔结构发达。

3 碱金属对焦炭热性能的影响

我国对于碱金属对焦炭热性能方面影响的研究始于上世纪80年代。吕桂双等[9]根据宣钢高炉碱害严重的问题，在焦炭表面吸附浓度不同的Na2CO3和K2CO3，在900～1200℃等距设定四个温度点，分别测定焦炭的CRI 值和CSR 值。结果表明：升高温度和增加焦炭中碱金属浓度会引起焦炭的反应后强度变差，反应性变高。

陈焕杰等[10]对焦炭进行增碱处理并分析碱金属对焦炭冶金性能的影响，发现增加含碱量对焦炭气化反应起促进作用，焦炭反应强度降低。

郑朋超等[11]对此做了更为具体的定量分析。他们通过模拟高炉内焦炭同时受K 和Na 蒸汽影响的实际情况，发现在K和Na 在不同比例条件下焦炭结构和热性能存在变化。结果表明，碱金属的比例达到3%时就会破坏焦炭结构，而且随着钾蒸汽比例的提高，焦炭粉末也会增多。这表明钾蒸汽对焦炭结构造成了巨大破坏。当K 和Na 的质量比为3:7时，焦炭的反应性最高，反应后强度最低。

4 焦炭结构对其焦炭热性能的影响

4.1 显微结构

焦炭显微组分对焦炭热性能的影响与碱金属的存在与否有关。在碱金属不存在的情况下，焦炭溶损反应中各向同性、丝炭和破片的反应速度最高，其次是镶嵌结构[12]。加碱侵蚀对焦炭各向同性结构破坏作用较小，而对镶嵌结构和流动结构破坏作用较强。因此可得，焦炭的各向异性效应强的焦炭热性能就越好[13]。

4.2 气孔结构

焦炭属于一种多孔材料，气孔结构参数也会影响其热性能。焦炭与CO2反应时，焦炭气孔率会上升，大气孔变多、气孔数目减少。早期研究结果显示，由于碳溶反应的深入，焦炭各气孔穿通，反应的比表面积降低，气孔率大于44%时，气孔率增加焦炭反应性有所下降。

有关学者[14]也研究了焦炭气孔的光学性质与焦炭热性能之间的关系。实验发现，提高焦炭各向异性程度会增强反应后气孔壁的减薄效果。

5 结语

综上所述，原料、炼焦温度、碱金属以及焦炭结构等对焦炭热性能均存在着不同程度的影响，根据以上分析，应在适宜温度和适量碱金属含量的条件下，选择煤变程度适中、灰分含量较低的煤。