劉志立 王愛(ài)愛(ài) 趙健鑫

(華北理工大學(xué)以升創(chuàng)新教育基地，河北 唐山 063200)

1 原料對(duì)焦炭熱性能的影響

影響焦炭熱性能最主要的因素之一是原料的性質(zhì)，而煤變程度和灰分含量又是原料煤最主要的性質(zhì)。

1.1 煤變程度

煤按變質(zhì)程度由低到高可分為泥炭、褐煤、煙煤和無(wú)煙煤，其物理特征、化學(xué)組成和工藝性能等均有不同的呈現(xiàn)狀態(tài)[1]。

張代林[2]等研究了坩堝焦熱性能和揮發(fā)分與坩堝焦CRI值的關(guān)系。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，煤鏡質(zhì)組的平均最大反射率與揮發(fā)分含量的增大使得坩堝焦的CRI 值呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)，即其反應(yīng)性可在某點(diǎn)取得最小值，此時(shí)焦炭的熱性能較好。

張文成[3]等對(duì)梅山焦炭反應(yīng)性、反應(yīng)后強(qiáng)度和配煤質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行了試驗(yàn)分析，結(jié)果表明，在配煤揮發(fā)分小于27%時(shí)，焦炭反應(yīng)后強(qiáng)度都處在小于65%的較低水平，焦炭反應(yīng)性大于28%；在揮發(fā)分大于29%時(shí)，焦炭反應(yīng)后強(qiáng)度基本處于大于65%的范圍內(nèi)，焦炭反應(yīng)性小于26%。由此可見(jiàn)，若使焦炭的反應(yīng)性較低、反應(yīng)后強(qiáng)度較高、熱性能最佳，應(yīng)把配煤揮發(fā)分控制在27%～29%。

1.2 灰分

煤中包含有一定的無(wú)機(jī)鹽和氧化物等無(wú)機(jī)礦物質(zhì)成分，這些經(jīng)過(guò)高溫處理后因不能燃燒而殘留下來(lái)的礦物質(zhì)被稱為灰分[4]。陳啟厚[5]的研究表明，焦炭的反應(yīng)性隨原料中灰分含量的增加而有所升高，并且當(dāng)灰分含量處在8.5%～9.5%時(shí)焦炭的反應(yīng)性處于較好水平。

根據(jù)焦炭灰中的堿金屬對(duì)焦炭熱強(qiáng)度的催化作用，張文成[3]認(rèn)為灰分對(duì)焦炭熱強(qiáng)度的影響較大，焦炭灰分含量過(guò)高時(shí)會(huì)引起焦炭熱強(qiáng)度顯著降低。

2 煉焦溫度對(duì)焦炭熱性能的影響

加熱速度的提高會(huì)使反應(yīng)速度和堿金屬在焦炭上的吸附速度均變快，反應(yīng)性提高，反應(yīng)后強(qiáng)度降低[6]。

韓曉楠[7]等通過(guò)測(cè)定在不同溫度下溶損反應(yīng)后的焦炭熱性能指標(biāo)來(lái)綜合評(píng)價(jià)焦炭的熱態(tài)性能。在900℃、1000℃、1100℃、1200℃的反應(yīng)溫度下測(cè)量四種工業(yè)焦炭溶損反應(yīng)后的CRI 值和CSR 值，實(shí)驗(yàn)表明，低溫下4種焦炭的反應(yīng)速率較慢，CRI 值都較??；反應(yīng)溫度的升高，焦炭的反應(yīng)性、反應(yīng)速率和CRI 值均逐漸增大，而且反應(yīng)溫度越高焦炭CRI 值的增幅越大。這說(shuō)明反應(yīng)溫度可較大程度上對(duì)焦炭的反應(yīng)性產(chǎn)生影響，在單一下溫度測(cè)得的焦炭熱性能數(shù)據(jù)不能全面地反映焦炭的熱態(tài)性能。

胡文佳[8]通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，終溫為500℃和600℃是焦炭氣孔結(jié)構(gòu)發(fā)展的關(guān)鍵階段。在950℃時(shí)，肥煤形成的氣孔結(jié)構(gòu)比氣煤、焦煤的氣孔結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)。

3 堿金屬對(duì)焦炭熱性能的影響

我國(guó)對(duì)于堿金屬對(duì)焦炭熱性能方面影響的研究始于上世紀(jì)80年代。呂桂雙等[9]根據(jù)宣鋼高爐堿害嚴(yán)重的問(wèn)題，在焦炭表面吸附濃度不同的Na2CO3和K2CO3，在900～1200℃等距設(shè)定四個(gè)溫度點(diǎn)，分別測(cè)定焦炭的CRI 值和CSR 值。結(jié)果表明：升高溫度和增加焦炭中堿金屬濃度會(huì)引起焦炭的反應(yīng)后強(qiáng)度變差，反應(yīng)性變高。

陳煥杰等[10]對(duì)焦炭進(jìn)行增堿處理并分析堿金屬對(duì)焦炭冶金性能的影響，發(fā)現(xiàn)增加含堿量對(duì)焦炭氣化反應(yīng)起促進(jìn)作用，焦炭反應(yīng)強(qiáng)度降低。

鄭朋超等[11]對(duì)此做了更為具體的定量分析。他們通過(guò)模擬高爐內(nèi)焦炭同時(shí)受K 和Na 蒸汽影響的實(shí)際情況，發(fā)現(xiàn)在K和Na 在不同比例條件下焦炭結(jié)構(gòu)和熱性能存在變化。結(jié)果表明，堿金屬的比例達(dá)到3%時(shí)就會(huì)破壞焦炭結(jié)構(gòu)，而且隨著鉀蒸汽比例的提高，焦炭粉末也會(huì)增多。這表明鉀蒸汽對(duì)焦炭結(jié)構(gòu)造成了巨大破壞。當(dāng)K 和Na 的質(zhì)量比為3:7時(shí)，焦炭的反應(yīng)性最高，反應(yīng)后強(qiáng)度最低。

4 焦炭結(jié)構(gòu)對(duì)其焦炭熱性能的影響

4.1 顯微結(jié)構(gòu)

焦炭顯微組分對(duì)焦炭熱性能的影響與堿金屬的存在與否有關(guān)。在堿金屬不存在的情況下，焦炭溶損反應(yīng)中各向同性、絲炭和破片的反應(yīng)速度最高，其次是鑲嵌結(jié)構(gòu)[12]。加堿侵蝕對(duì)焦炭各向同性結(jié)構(gòu)破壞作用較小，而對(duì)鑲嵌結(jié)構(gòu)和流動(dòng)結(jié)構(gòu)破壞作用較強(qiáng)。因此可得，焦炭的各向異性效應(yīng)強(qiáng)的焦炭熱性能就越好[13]。

4.2 氣孔結(jié)構(gòu)

焦炭屬于一種多孔材料，氣孔結(jié)構(gòu)參數(shù)也會(huì)影響其熱性能。焦炭與CO2反應(yīng)時(shí)，焦炭氣孔率會(huì)上升，大氣孔變多、氣孔數(shù)目減少。早期研究結(jié)果顯示，由于碳溶反應(yīng)的深入，焦炭各氣孔穿通，反應(yīng)的比表面積降低，氣孔率大于44%時(shí)，氣孔率增加焦炭反應(yīng)性有所下降。

有關(guān)學(xué)者[14]也研究了焦炭氣孔的光學(xué)性質(zhì)與焦炭熱性能之間的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，提高焦炭各向異性程度會(huì)增強(qiáng)反應(yīng)后氣孔壁的減薄效果。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，原料、煉焦溫度、堿金屬以及焦炭結(jié)構(gòu)等對(duì)焦炭熱性能均存在著不同程度的影響，根據(jù)以上分析，應(yīng)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。