冶金焦气孔率及气孔结构影响因素分析

6 2009 年第 32 卷第 3 期 冶金焦气孔率及气孔结构影响因素分析 刘 爽 （攀钢煤化工厂） 摘 要： 通过对焦炭气孔率、气孔壁平均厚度和气孔平均直径等气孔结构参数的测定，分析冶金焦炭气孔率及气孔结构的影响因素，采用改变配煤比、干熄焦和捣固炼焦等工艺可以降低冶金焦炭气孔率，进而提高焦炭反应后强度。 关键词： 焦炭；气孔率；气孔结构 0 引言 焦炭中的气孔是炼焦煤在加热至胶质状态的末期产生的，在形成半焦时定型，并在高温下保持下来。焦炭是高温干馏的固体产物，主要成分是碳，是具有裂纹和不规则的孔孢体（或孔孢多孔体）。衡量孔孢结构主要用气 孔率（气孔结构）来表示，焦炭气孔结构是焦炭热性能重要影响因素之一，改善焦炭气孔率、气孔结构是提高焦炭反应后强度的重要措施。焦炭的气孔结构分析不仅能判别焦炭的质量，而且还能够解释煤的成焦机理，因此研究焦炭气孔率及气孔结构的影响因素，具有重要的现实意义，并指导炼焦生产。 1 气孔结构和气孔率 焦炭多孔体由气孔、气孔壁及微裂纹组成，可用不同大小的气孔分布、气孔壁厚度、气孔比表面等参数来描述气孔结构，焦炭的气孔结构直接影响焦炭的强度、反应性等宏观性质。 焦炭的气孔由煤熔融部分在结焦过程中因气体析出受阻或形成半焦后 继续热解所生成的气孔及微裂隙。气孔率是指气孔体积占焦炭总体积的百分率，由于气孔有开气孔和闭气孔之分，故气孔率也分为显气孔率和总气孔率。 攀钢煤化工厂现在主要采用抽气法和光学显微镜法测定焦炭的气孔率和气孔结构。 本次试验利用焦炭显气孔率测定装置，按照 1984 抽气法测定焦炭显气孔率。 2 冶金焦气孔率及气孔结构影响因素分析 从生产工艺看，如能合理控制结焦过程，也会对气孔率等产生较大影响。配合煤性质是影响焦炭质量的内部因素，是基础；生产工艺是影响焦炭质量的外部因素，是保证。只有合理调节内 因，控制外因才可获得理想焦炭产品。从结焦机理看，在干馏过程中煤质软化熔融膨胀固化收缩成焦这一过程是必经的。在这一过程中，只要配合煤具有良好的熔融性、粘结性，使固体物质空隙填满，固、液体物质充分附着，是可以降低气孔率的。 不同变质程度煤冶金焦气孔率及气孔结构 为了研究不同变质程度煤对冶金焦气孔率及气孔结构参数的影响，选取生产常用配前不同变质程度煤进行 200 焦炉炼焦试验，结果分析见表 1。 由表 1可以看出，不同变质程度煤焦炭显气孔率有明显的规律： 1/3 焦煤和焦瘦煤的显气孔率最大，肥煤最 小，焦煤居中，随着煤质变质程度升高，焦炭显气孔率先降低后升高， 之间，焦炭显气孔率最低。不同变质程度煤炼出的焦炭，通过德国莱卡显微镜观察其气孔结构有一定规律性变化，可将气孔结构分为 2类，肥煤的焦炭多为 图 1），生成的气孔平均直径大，但气孔个数较少，气孔率和显气孔最小； 1/3 焦煤和瘦煤焦炭则呈图 2），多为煤粒之间生成的孔隙，气孔率最大，气孔平均直径也大，孔壁厚度小；焦煤焦炭呈混合态（见图 3），但总体孔壁较厚，气孔率居中。 攀 钢 技 术 7 - 表 1 小焦炉不同变质程度煤和 焦炭质量分析结果 煤种 煤质分析 焦炭质量分析 Y/ 煤种 显气孔率 /% 隆昌 0 80 ，选取了不同部位焦炭进行气孔结构分析，其结果见表 2。 由表 2 可知，炉头焦气孔率最大；两墙焦样的气孔率均低于中间焦样的气孔率，符合焦炉炭化室中焦饼气孔率自炉墙向中心增大的一般规律。炉头焦是泡焦，气孔率最大。根据焦炉层状结焦理论，垂直炭化室沿炉墙至炭化室中心的不同距离，其升温速率不同，离炭化室墙距离近的地方加热速度较快，炭化室中心线加热速率最慢，当结焦一半时煤 8 2009 年第 32 卷第 3 期 表 2 焦炭气孔结构参数 系别 焦样名称 气孔率 /% 气孔平均直 径 / m 气孔壁平均 厚度 / m 显气孔率 /% 配比 1 炉头焦 间焦 墙焦 比 2 炉头焦 间焦 墙焦 比 3 炉头焦 间焦 墙焦 比 4 炉头焦 间焦 墙焦 ：气孔结构数据由辽宁科技大学化工研究所测定。 饼中心温度在 200 左右。由于随着炭化过程进展，特别是中心部位较靠近炉墙部位的煤料升温速度减缓，单位时间内产生的胶质体减少，煤料间膨胀性能变差，煤料颗粒之间的间隙缺少足够的胶质体予以充分填充，导致焦炭气孔率增大，气孔平均直径增大，气孔壁平均厚度变薄。 干法熄焦和湿法熄焦的影响 为了研究干法熄焦和湿法熄焦不同熄焦方式对焦炭气孔率及气孔结构参数的影响，选取了相同结焦时间、相同配煤比的干熄焦和湿熄 焦焦炭进行气孔结构分析，测定数据见表 3。 由表 3 可见 ,干熄焦的气孔率要明显小于湿熄焦。这是因为采用湿熄焦时，熄焦水将红焦急剧冷却，在焦炭内部结构中造成很大的热应力，形成网状裂纹，气孔率增高，且容易裂成小块。同时湿熄焦过程中水与红焦产生水煤气反应，使焦炭表面的球状组织破坏，焦炭内部气孔、裂纹增多。 捣固炼焦和顶装炼焦的影响 表 3 不同熄焦方式焦炭气孔结构参数数据比较 熄焦 方式 气孔 率 /% 气孔平均直径 / m 气孔壁平均厚度 / m 显气孔率 /% 湿熄焦 熄焦 了研究捣固和顶装炼焦工艺对焦炭气孔率及气孔结构参数的影响，在 200 焦炉进行了捣固和顶装炼焦试验，配煤比见表 4。并进行了焦炭气孔结构参数测定，结果见表 5 和图 4、 5。 由表 5 和图 4、图 5 可见，采用捣固炼焦工艺比顶装得到焦炭的气孔率和气孔平均直径明显降低，气孔壁平均厚度增大。这是因为捣固炼焦工艺煤料经捣实后，堆密度可由散装煤的 t/高到 t/利于提高煤料的粘结性。其原因是：煤料堆密度增加，煤粒间接触致 密，间隙减小 28% 33%，使捣固煤饼中煤颗粒间距缩小，因此在结焦过程中煤料的胶质体很容易在不同性质的煤粒表面均匀分布浸润，煤粒间隙越小，填充间隙所需的胶质体液相产物的数量也相对越少，即可以使较少胶质体液态产物均匀分布在煤粒表面上，进而在炼焦过程中，在煤粒之间形成较强的界面结合。在煤粒间隙减小情况下，炼焦过程中产生的干馏气体不易析出，煤料的膨胀压力增加，从而增加煤粒的接触面积，有利于煤热解产物的游离基和不饱和化合物进行缩合反应。同时热解产物的气体中带自由基的原子团或热分解的中间产物便有更充分的时间相互作用， 产生稳定的、分子量适度的物质，增加胶质体内不挥发的液相产物，结果使胶质体不仅数量增加，而且还变得稳定，气孔率降低，气孔壁变厚，气孔平均直径减小。攀 钢 技 术 9 - 表 4 捣固和顶装炼焦配煤比 项目 巴焦 贵州 格焦 隆昌 广元 郊区 华坪 瘦煤 配比 1 15 25 25 25 10 配比 2 24 14 10 10 10 18 14 表 5 捣固和顶装焦炭气孔结构参数比较 配比 炼焦方式 气孔率 /% 气孔平均直径 / m 气孔壁平均厚度 / m 配比 1 捣固 1 装 1 比 2 捣固 2 装 2 ：气孔结构数据由辽宁科技大学化工研究所测定。 图 4 捣固焦气孔结构 图 5 顶装焦气孔结构 3 结论 （ 1）焦炭气孔率随单种煤变质程度高低有规律性变化： 1/3 焦煤和焦瘦煤的显气孔率最大，肥煤最小，焦煤居中，随着煤质变质程度升高，焦炭显气孔率先降低后升高， 之间，焦炭显气孔率最低。 （ 2）肥煤的焦炭多为 S 型气孔，生成的气孔平均直径大，但气孔个数较少，气孔率和显气孔最小； 1/3 焦煤和瘦煤焦炭则呈 A 型气孔，多为煤粒之间生成的孔隙，气孔率最大，气孔平均直径也大，孔壁厚度小；焦煤焦炭呈混合态，但总体孔壁较厚，气孔率居中。 （ 3）焦炭距离炭化室不同部位焦炭的气孔率及气孔结构不同。炉头焦是泡焦，气孔率最大；两墙焦样的气孔率