對焦炭熱性能影響因素的分析

劉志立 王愛愛 趙健鑫

(華北理工大學以升創新教育基地，河北 唐山 063200)

1 原料對焦炭熱性能的影響

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

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[1]。

張代林[2]等研究了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。

張文成[3]等對梅山焦炭反應性、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[4]。陳啟厚[5]的研究表明，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。

根據焦炭灰中的堿金屬對焦炭熱強度的催化作用，張文成[3]認為灰分對焦炭熱強度的影響較大，焦炭灰分含量過高時會引起焦炭熱強度顯著降低。

2 煉焦溫度對焦炭熱性能的影響

加熱速度的提高會使反應速度和堿金屬在焦炭上的吸附速度均變快，反應性提高，反應后強度降低[6]。

韓曉楠[7]等通過測定在不同溫度下溶損反應后的焦炭熱性能指標來綜合評價焦炭的熱態性能。在900℃、1000℃、1100℃、1200℃的反應溫度下測量四種工業焦炭溶損反應后的CRI 值和CSR 值，實驗表明，低溫下4種焦炭的反應速率較慢，CRI 值都較小；反應溫度的升高，焦炭的反應性、反應速率和CRI 值均逐漸增大，而且反應溫度越高焦炭CRI 值的增幅越大。這說明反應溫度可較大程度上對焦炭的反應性產生影響，在單一下溫度測得的焦炭熱性能數據不能全面地反映焦炭的熱態性能。

胡文佳[8]通過實驗發現，終溫為500℃和600℃是焦炭氣孔結構發展的關鍵階段。在950℃時，肥煤形成的氣孔結構比氣煤、焦煤的氣孔結構發達。

3 堿金屬對焦炭熱性能的影響

我國對于堿金屬對焦炭熱性能方面影響的研究始于上世紀80年代。呂桂雙等[9]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。

陳煥杰等[10]對焦炭進行增堿處理并分析堿金屬對焦炭冶金性能的影響，發現增加含堿量對焦炭氣化反應起促進作用，焦炭反應強度降低。

鄭朋超等[11]對此做了更為具體的定量分析。他們通過模擬高爐內焦炭同時受K 和Na 蒸汽影響的實際情況，發現在K和Na 在不同比例條件下焦炭結構和熱性能存在變化。結果表明，堿金屬的比例達到3%時就會破壞焦炭結構，而且隨著鉀蒸汽比例的提高，焦炭粉末也會增多。這表明鉀蒸汽對焦炭結構造成了巨大破壞。當K 和Na 的質量比為3:7時，焦炭的反應性最高，反應后強度最低。

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[12]。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就越好[13]。

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。

有關學者[14]也研究了焦炭氣孔的光學性質與焦炭熱性能之間的關系。實驗發現，提高焦炭各向異性程度會增強反應后氣孔壁的減薄效果。

5 結語

綜上所述，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，根據以上分析，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。