對焦炭熱性能影響因素的分析

關鍵詞：焦炭熱性能;影響因素;對策分析

0 引言

對于原料、煉焦溫度、堿金屬以及焦炭結構等對焦炭熱性能均存在著不同程度的影響，根據具體分析，應在適宜溫度和適量堿金屬含量的條件下，選擇煤變程度適中、灰分含量較低的煤[1]。

1 原料對焦炭熱性能的影響

1.1 煤變程度

煤按變質程度由低到高可分為泥炭、褐煤、煙煤和無煙煤，其物理特征、化學組成和工藝性能等均有不同的呈現狀態。通過研究坩堝焦熱性能和揮發分與坩堝焦CRI值的關系，結果發現，煤鏡質組的平均最大反射率與揮發分含量的增大使得坩堝焦的CRI值呈現出先減小后增大的趨勢，即其反應性可在某點取得最小值，此時焦炭的熱性能較好。對我廠焦炭反應性、反應后強度和配煤質量指標進行了試驗分析，結果表明，在配煤揮發分小于27%時，焦炭反應后強度都處在小于65%的較低水平，焦炭反應性大于28%;在揮發分大于29%時，焦炭反應后強度基本處于大于65%的范圍內，焦炭反應性小于26%。由此可見，若使焦炭的反應性較低、反應后強度較高、熱性能最佳，應把配煤揮發分控制在27%～29%。

1.2 灰分

煤中包含有一定的無機鹽和氧化物等無機礦物質成分，這些經過高溫處理后因不能燃燒而殘留下來的礦物質被稱為灰分。焦炭的反應性隨原料中灰分含量的增加而有所升高，并且當灰分含量處在8.5%～9.5%時焦炭的反應性處于較好水平。

2 煉焦溫度對焦炭熱性能的影響

在高溫下，焦炭和CO2之間的反應是氣固相反應，其反應速率取決于化學反應速率和氣體擴散速率。反應動力學模型如下：碳（s）+二氧化碳（g）→二氧化碳（g）氣體通過氣相邊界層擴散到固體焦炭表面，或通過反應物外圍的灰層擴散到反應界面，在反應界面發生氣固反應。反應是吸熱的，反應速度會隨著煉焦溫度的升高和反應界面的膨脹而增加，從而影響焦炭的熱性能。

3 堿金屬對焦炭熱性能的影響

根據宣鋼高爐堿害嚴重的問題，在焦炭表面吸附濃度不同的Na2CO3和K2CO3，在900～1200℃等距設定四個溫度點，分別測定焦炭的CRI值和CSR值。結果表明：升高溫度和增加焦炭中堿金屬濃度會引起焦炭的反應后強度變差，反應性變高。其中對焦炭進行增堿處理，會發現增加含堿量對焦炭氣化反應起促進作用，所以焦炭反應強度降低。

4 焦炭結構對其焦炭熱性能的影響

4.1 顯微結構

焦炭顯微組分對焦炭熱性能的影響與堿金屬的存在與否有關。在堿金屬不存在的情況下，焦炭溶損反應中各向同性、絲炭和破片的反應速度最高，其次是鑲嵌結構。加堿侵蝕對焦炭各向同性結構破壞作用較小，而對鑲嵌結構和流動結構破壞作用較強。因此可得，焦炭的各向異性效應強的焦炭熱性能影響較大。

4.2 氣孔結構

焦炭屬于一種多孔材料，氣孔結構參數也會影響其熱性能。焦炭與CO2反應時，焦炭氣孔率會上升，大氣孔變多、氣孔數目減少。早期研究結果顯示，由于碳溶反應的深入，焦炭各氣孔穿通，反應的比表面積降低，氣孔率大于44%時，氣孔率增加，焦炭反應性有所下降。

5 光學組織對表征溶損行為的綜合熱性能指標的影響

顯示燃煤動力行為的組合熱性能指標是初始溫度Ti、平均溶損反應速率CRR25和溶損反應后強度CSR25。各向異性指標OTI一般被視為光學組織特性的組合指標。對幾種焦炭的組合熱性能指標分析。Ti初始溫度、平均溶損反應率CRR25和溶損反應后強度CSR25與光學各向異性OTI之間的關系見圖1、圖2和圖3。

由于焦炭和CO2之間的溶解反應是一個強吸熱過程，初始反應溫度Ti對高爐蓄熱區的溫度有重要影響，從而影響高爐的熱平衡。具有中等光學各向異性的焦炭具有較低的初始反應溫度（圖1），這有利于間接還原的發展，從而有利于高爐操作。然而，一些焦炭（J4）不符合這一規則，這可能與光學組織不能準確描述所有焦炭的基質結構有關。眾所周知，光學結構是根據焦炭碳的光學特性和形貌來表征微米尺度上的基體結構，這具有一定的局限性，不能揭示形貌相似的碳的大分子結構的差異，這可能是單個奇點存在的重要原因。這也可以從圖2中平均溶損速率CRR25和光學組織之間的關系中得到驗證。圖3中的J4焦不是奇點，這表明通過光學組織對熱強度的描述相對準確。

6 采用不同方法測得的焦炭熱性能對比研究

①等溫恒失重方法結果與國標方法結果的對比分析。等溫恒失重方法采用的測試溫度與國標方法一致，均是1100℃，差別在于溶損進程的限定條件不同。國標方法中溶損進程的限定條件為2h，而等溫恒失重方法的限定條件為恒失重25%。由于等溫恒失重方法是按照高爐的物料平衡計算得到的，可靠性更強;②非等溫恒失重方法結果與等溫恒失重方法結果的對比分析。非等溫恒失重方法采用的焦炭溶損量與等溫恒失重方法一致（均為25%），差別在于反應的溫度條件不同。等溫恒失重方法參考國標方法，采用的測試溫度為1100℃;而非等溫恒失重方法采用了模擬高爐中焦炭由低溫到高溫溶損的溫度制度，從高爐操作原理來講，后者的模擬性更強。

7 結束語

綜上所述，采用不同方法測得的焦炭反應性各指標之間具有一定的相關性，而反應后強度各指標之間的相關性較差，表明溶損進程和反應溫度對焦炭的熱強度影響較大。

參考文獻：

[1]程歡，劉連繼，梁英華，肖洪，陳鵬，郭瑞.光學組織對焦炭綜合熱性能的影響研究[J].鑄造技術，2019，40（12）：1261-1265.

作者簡介：

曹曉雯（1985- ），女，河北滄州人，工程師，現從事煤焦及焦化產品分析工作。