对焦炭热性能影响因素的分析

关键词：焦炭热性能;影响因素;对策分析

0 引言

对于原料、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，根据具体分析，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[1]。

1 原料对焦炭热性能的影响

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。通过研究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。对我厂焦炭反应性、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。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。

2 炼焦温度对焦炭热性能的影响

在高温下，焦炭和CO2之间的反应是气固相反应，其反应速率取决于化学反应速率和气体扩散速率。反应动力学模型如下：碳（s）+二氧化碳（g）→二氧化碳（g）气体通过气相边界层扩散到固体焦炭表面，或通过反应物外围的灰层扩散到反应界面，在反应界面发生气固反应。反应是吸热的，反应速度会随着炼焦温度的升高和反应界面的膨胀而增加，从而影响焦炭的热性能。

3 碱金属对焦炭热性能的影响

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。其中对焦炭进行增碱处理，会发现增加含碱量对焦炭气化反应起促进作用，所以焦炭反应强度降低。

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。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影响较大。

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。

5 光学组织对表征溶损行为的综合热性能指标的影响

显示燃煤动力行为的组合热性能指标是初始温度Ti、平均溶损反应速率CRR25和溶损反应后强度CSR25。各向异性指标OTI一般被视为光学组织特性的组合指标。对几种焦炭的组合热性能指标分析。Ti初始温度、平均溶损反应率CRR25和溶损反应后强度CSR25与光学各向异性OTI之间的关系見图1、图2和图3。

由于焦炭和CO2之间的溶解反应是一个强吸热过程，初始反应温度Ti对高炉蓄热区的温度有重要影响，从而影响高炉的热平衡。具有中等光学各向异性的焦炭具有较低的初始反应温度（图1），这有利于间接还原的发展，从而有利于高炉操作。然而，一些焦炭（J4）不符合这一规则，这可能与光学组织不能准确描述所有焦炭的基质结构有关。众所周知，光学结构是根据焦炭碳的光学特性和形貌来表征微米尺度上的基体结构，这具有一定的局限性，不能揭示形貌相似的碳的大分子结构的差异，这可能是单个奇点存在的重要原因。这也可以从图2中平均溶损速率CRR25和光学组织之间的关系中得到验证。图3中的J4焦不是奇点，这表明通过光学组织对热强度的描述相对准确。

6 采用不同方法测得的焦炭热性能对比研究

①等温恒失重方法结果与国标方法结果的对比分析。等温恒失重方法采用的测试温度与国标方法一致，均是1100℃，差别在于溶损进程的限定条件不同。国标方法中溶损进程的限定条件为2h，而等温恒失重方法的限定条件为恒失重25%。由于等温恒失重方法是按照高炉的物料平衡计算得到的，可靠性更强;②非等温恒失重方法结果与等温恒失重方法结果的对比分析。非等温恒失重方法采用的焦炭溶损量与等温恒失重方法一致（均为25%），差别在于反应的温度条件不同。等温恒失重方法参考国标方法，采用的测试温度为1100℃;而非等温恒失重方法采用了模拟高炉中焦炭由低温到高温溶损的温度制度，从高炉操作原理来讲，后者的模拟性更强。

7 结束语

综上所述，采用不同方法测得的焦炭反应性各指标之间具有一定的相关性，而反应后强度各指标之间的相关性较差，表明溶损进程和反应温度对焦炭的热强度影响较大。

参考文献：

[1]程欢，刘连继，梁英华，肖洪，陈鹏，郭瑞.光学组织对焦炭综合热性能的影响研究[J].铸造技术，2019，40（12）：1261-1265.

作者简介：

曹晓雯（1985- ），女，河北沧州人，工程师，现从事煤焦及焦化产品分析工作。