焦炭光学组织对焦炭质量的影响

张凯元

（山西焦化股份有限公司焦化厂，山西 临汾 041606）

焦炭为对煤炭进行再加工的产物，主要应用于炼钢行业。焦炭的质量是高炉冶金的重要保证。但是，影响焦炭质量的因素众多，如何生产出高质量的焦炭需要从根本上开展研究。据统计，影响最终焦炭质量的因素包括有配煤结构、焦炭光学组织等。其中，配煤结构不仅会影响焦炭的质量，而且对于环境保护和产能的提高具有重要意义；焦炭光学组织主要对其冷热强度的参数造成影响[1]。因此，建立预测焦炭质量的模型，并通过确保焦炭光学组织实现对焦炭质量的保证为重要途径。本文重点对焦炭光学组织对焦炭质量的影响开展研究。

1 焦炭光学组织及其质量的测定

1.1 焦炭微观结构的测定

原煤在焦化过程中，由于活性组分和惰性组分会发生相互作用，从而形成了焦炭。在实际生产中，可以通过反光偏光显微镜对焦炭的内部结构进行观察，主要对其气孔壁的形态及其组成进行研究。通过反光偏光显微镜观察到的微观结构俗称为焦炭的光学组织。从微观角度上讲，焦炭的不同光学组织对应的组织形态存在明显差异，即导致焦炭的质量不一。从宏观角度上讲，不同组织形态的焦炭其对应的质量也不同[2]。因此，可以在实际焦化过程中通过某种工艺手段对焦炭的光学组织结构进行调整、控制，从而获得高质量的焦炭。

但是，对于焦炭而言其本体组织形态的差异非常小，导致其光学组织结构的差异也较小。因此，本文重点对典型冶金焦炭的光学组织或其组织形态进行测定。对焦炭光学组织的测定，重点对其各向同性、镶嵌结构总和、基础各向异性、纤维以及片状结构进行测试。为综合对不同焦炭光学组织进行量化分析，采用OTI 指数（各向异性程度）对其进行分析，计算公式如式（1）所示。

式中：fi为不同焦炭所测得光学组织的百分比含量；（OTI）i为对不同光学组织参数的赋值，根据所考核的各向异性程度，设定焦炭光学组织中的各向同性、丝炭、破片以及基础各向异性等参数赋值O 值；将细粒镶嵌参数赋值为1，中粒镶嵌参数赋值为2，粗粒镶嵌赋值为2，纤维片赋值为3，片状组织赋值为4。

综合上述参数设置，针对20 种焦炭光学组织的测定量化结果如表1 所示。

表1 不同焦炭光学组织量化测定结果

分析表1 可知，对于所测定的20 种焦炭而言，镶嵌结构的占比可达71%～77%；而其余的各向同性之和的比例占比约22%。可以说，上述所测定的20种焦炭的微观结构差异较小，及其组织形态结构相对稳定。

1.2 焦炭质量的测定

为焦炭光学组织与焦炭质量之间的关系分析提供支撑，本小节同样针对上述20 种焦炭为研究对象，重点对其冷热态强度值进行测定，从而直接反应焦炭的质量[3]。通过测定得出如下结论：

本文测定的20 种焦炭，其M40值基本维持在91%左右；从整体上讲，所测定的20 种焦炭的冷态强度性能均表现为良好级别；而且，在同样的反应操作后20 种焦炭质量的强度均呈现较小幅度的提升。

2 焦炭光学组织与质量的关系研究

焦炭的冷态强度和热态强度为直接反映其质量的关键参数。因此，本小节将具体通过分析不同光学组织焦炭对应的冷态强度和热态强度之间的差异，进而得出光学组织对焦炭质量的影响机理[4]。

2.1 光学组织对焦炭冷态强度的影响机理研究

从理论上讲，不同光学组织的焦炭其对应的基本化学性质和抵抗外部力量的能力存在较为明显的差异，即所述的冷态强度。焦炭的冷态强度具体可通过M40 和M10 两项参数直接反映。以焦炭光学组织的中粗粒镶嵌结构对M40 和M10 的影响为例研究，具体如图1 所示。

图1 中粗粒镶嵌结构对M40 和M10 的影响

分析图1 中粗粒镶嵌结构对M40和M10参数的影响可知，粗粒镶嵌结构的占比越多，M40含量基本呈现上升的趋势，表现为焦炭的抗碎强度增加；随着粗粒镶嵌结构的占比越多，M10含量基本呈现下降的趋势，表现为焦炭的耐磨强度减小。焦炭较高的抗碎强度和较低的耐磨强度整体上表现为其具有良好的冷态强度。

综上所述，焦炭微观结构中的镶嵌状组织结构越多，其对应的冷态强度越高。

2.2 光学组织对焦炭热态强度的影响机理研究

针对光学组织对焦炭热态强度的影响机理研究，焦炭的热态强度主要通过其CRI 和CSR 两项参数反映[5]。因此，通过研究焦炭的各向异性指数OTI值与其CRI 值和CSR 值之间的关系。具体如图2所示。

图2 各向异性指数OTI 与CRI 和CSR 之间的关系

分析图2 可知，随着焦炭各向异性指数的增加，其对应的CRI 值呈现下降的趋势，而对应的CSR 值呈现逐步增加的趋势。即，随着焦炭光学组织的各向异性参数OTI 值增加对应其内部结构单元的堆积更加机密，其各向异性结构强度越高，越不容易劣化。

3 结语

焦炭作为原煤进行焦化处理后的主要产物，其广泛应用于冶金行业。但是，针对不同的需求所需焦炭的质量要求也不同。因此，在实际生产中根据需求控制焦炭质量的工艺非常重要。本文重点对光学组织与焦炭质量之间的关系进行研究，并总结如下：

1）不同种焦炭之间的光学组织差异较小，说明焦炭的质量处于相对稳定的状态；

2）从微观层面分析，随着焦炭光学组织中的中粗粗粒镶嵌结构的占比增加，表现为焦炭的抗碎强度增加，对应的耐磨强度减小。焦炭较高的抗碎强度和较低的耐磨强度整体上表现为其具有良好的冷态强度。

3）从微观层面分析，随着焦炭光学组织中各向异性程度的增加，其具有较高的热态强度。

综上所述，在实际焦化过程中可增加原煤中瘦煤的含量使最终焦炭中丝炭、破片状组织以及镶嵌组织增加以提升焦炭的质量。