6 2009 年第 32 卷第 3 期 冶金焦氣孔率及氣孔結(jié)構(gòu)影響因素分析 劉 爽 （攀鋼煤化工廠） 摘 要： 通過對焦炭氣孔率、氣孔壁平均厚度和氣孔平均直徑等氣孔結(jié)構(gòu)參數(shù)的測定，分析冶金焦炭氣孔率及氣孔結(jié)構(gòu)的影響因素，采用改變配煤比、干熄焦和搗固煉焦等工藝可以降低冶金焦炭氣孔率，進(jìn)而提高焦炭反應(yīng)后強度。 關(guān)鍵詞： 焦炭；氣孔率；氣孔結(jié)構(gòu) 0 引言 焦炭中的氣孔是煉焦煤在加熱至膠質(zhì)狀態(tài)的末期產(chǎn)生的，在形成半焦時定型，并在高溫下保持下來。焦炭是高溫干餾的固體產(chǎn)物，主要成分是碳，是具有裂紋和不規(guī)則的孔孢體（或孔孢多孔體）。衡量孔孢結(jié)構(gòu)主要用氣 孔率（氣孔結(jié)構(gòu)）來表示，焦炭氣孔結(jié)構(gòu)是焦炭熱性能重要影響因素之一，改善焦炭氣孔率、氣孔結(jié)構(gòu)是提高焦炭反應(yīng)后強度的重要措施。焦炭的氣孔結(jié)構(gòu)分析不僅能判別焦炭的質(zhì)量，而且還能夠解釋煤的成焦機理，因此研究焦炭氣孔率及氣孔結(jié)構(gòu)的影響因素，具有重要的現(xiàn)實意義，并指導(dǎo)煉焦生產(chǎn)。 1 氣孔結(jié)構(gòu)和氣孔率 焦炭多孔體由氣孔、氣孔壁及微裂紋組成，可用不同大小的氣孔分布、氣孔壁厚度、氣孔比表面等參數(shù)來描述氣孔結(jié)構(gòu)，焦炭的氣孔結(jié)構(gòu)直接影響焦炭的強度、反應(yīng)性等宏觀性質(zhì)。 焦炭的氣孔由煤熔融部分在結(jié)焦過程中因氣體析出受阻或形成半焦后 繼續(xù)熱解所生成的氣孔及微裂隙。氣孔率是指氣孔體積占焦炭總體積的百分率，由于氣孔有開氣孔和閉氣孔之分，故氣孔率也分為顯氣孔率和總氣孔率。 攀鋼煤化工廠現(xiàn)在主要采用抽氣法和光學(xué)顯微鏡法測定焦炭的氣孔率和氣孔結(jié)構(gòu)。 本次試驗利用焦炭顯氣孔率測定裝置，按照 1984 抽氣法測定焦炭顯氣孔率。 2 冶金焦氣孔率及氣孔結(jié)構(gòu)影響因素分析 從生產(chǎn)工藝看，如能合理控制結(jié)焦過程，也會對氣孔率等產(chǎn)生較大影響。配合煤性質(zhì)是影響焦炭質(zhì)量的內(nèi)部因素，是基礎(chǔ)；生產(chǎn)工藝是影響焦炭質(zhì)量的外部因素，是保證。只有合理調(diào)節(jié)內(nèi) 因，控制外因才可獲得理想焦炭產(chǎn)品。從結(jié)焦機理看，在干餾過程中煤質(zhì)軟化熔融膨脹固化收縮成焦這一過程是必經(jīng)的。在這一過程中，只要配合煤具有良好的熔融性、粘結(jié)性，使固體物質(zhì)空隙填滿，固、液體物質(zhì)充分附著，是可以降低氣孔率的。 不同變質(zhì)程度煤冶金焦氣孔率及氣孔結(jié)構(gòu) 為了研究不同變質(zhì)程度煤對冶金焦氣孔率及氣孔結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響，選取生產(chǎn)常用配前不同變質(zhì)程度煤進(jìn)行 200 焦?fàn)t煉焦試驗，結(jié)果分析見表 1。 由表 1可以看出，不同變質(zhì)程度煤焦炭顯氣孔率有明顯的規(guī)律： 1/3 焦煤和焦瘦煤的顯氣孔率最大，肥煤最 小，焦煤居中，隨著煤質(zhì)變質(zhì)程度升高，焦炭顯氣孔率先降低后升高， 之間，焦炭顯氣孔率最低。不同變質(zhì)程度煤煉出的焦炭，通過德國萊卡顯微鏡觀察其氣孔結(jié)構(gòu)有一定規(guī)律性變化，可將氣孔結(jié)構(gòu)分為 2類，肥煤的焦炭多為 圖 1），生成的氣孔平均直徑大，但氣孔個數(shù)較少，氣孔率和顯氣孔最?。?1/3 焦煤和瘦煤焦炭則呈圖 2），多為煤粒之間生成的孔隙，氣孔率最大，氣孔平均直徑也大，孔壁厚度??；焦煤焦炭呈混合態(tài)（見圖 3），但總體孔壁較厚，氣孔率居中。 攀 鋼 技 術(shù) 7 - 表 1 小焦?fàn)t不同變質(zhì)程度煤和 焦炭質(zhì)量分析結(jié)果 煤種 煤質(zhì)分析 焦炭質(zhì)量分析 Y/ 煤種 顯氣孔率 /% 隆昌 0 80 ，選取了不同部位焦炭進(jìn)行氣孔結(jié)構(gòu)分析，其結(jié)果見表 2。 由表 2 可知，爐頭焦氣孔率最大；兩墻焦樣的氣孔率均低于中間焦樣的氣孔率，符合焦?fàn)t炭化室中焦餅氣孔率自爐墻向中心增大的一般規(guī)律。爐頭焦是泡焦，氣孔率最大。根據(jù)焦?fàn)t層狀結(jié)焦理論，垂直炭化室沿爐墻至炭化室中心的不同距離，其升溫速率不同，離炭化室墻距離近的地方加熱速度較快，炭化室中心線加熱速率最慢，當(dāng)結(jié)焦一半時煤 8 2009 年第 32 卷第 3 期 表 2 焦炭氣孔結(jié)構(gòu)參數(shù) 系別 焦樣名稱 氣孔率 /% 氣孔平均直 徑 / m 氣孔壁平均 厚度 / m 顯氣孔率 /% 配比 1 爐頭焦 間焦 墻焦 比 2 爐頭焦 間焦 墻焦 比 3 爐頭焦 間焦 墻焦 比 4 爐頭焦 間焦 墻焦 ：氣孔結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)由遼寧科技大學(xué)化工研究所測定。 餅中心溫度在 200 左右。由于隨著炭化過程進(jìn)展，特別是中心部位較靠近爐墻部位的煤料升溫速度減緩，單位時間內(nèi)產(chǎn)生的膠質(zhì)體減少，煤料間膨脹性能變差，煤料顆粒之間的間隙缺少足夠的膠質(zhì)體予以充分填充，導(dǎo)致焦炭氣孔率增大，氣孔平均直徑增大，氣孔壁平均厚度變薄。 干法熄焦和濕法熄焦的影響 為了研究干法熄焦和濕法熄焦不同熄焦方式對焦炭氣孔率及氣孔結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響，選取了相同結(jié)焦時間、相同配煤比的干熄焦和濕熄 焦焦炭進(jìn)行氣孔結(jié)構(gòu)分析，測定數(shù)據(jù)見表 3。 由表 3 可見 ,干熄焦的氣孔率要明顯小于濕熄焦。這是因為采用濕熄焦時，熄焦水將紅焦急劇冷卻，在焦炭內(nèi)部結(jié)構(gòu)中造成很大的熱應(yīng)力，形成網(wǎng)狀裂紋，氣孔率增高，且容易裂成小塊。同時濕熄焦過程中水與紅焦產(chǎn)生水煤氣反應(yīng)，使焦炭表面的球狀組織破壞，焦炭內(nèi)部氣孔、裂紋增多。 搗固煉焦和頂裝煉焦的影響 表 3 不同熄焦方式焦炭氣孔結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)據(jù)比較 熄焦 方式 氣孔 率 /% 氣孔平均直徑 / m 氣孔壁平均厚度 / m 顯氣孔率 /% 濕熄焦 熄焦 了研究搗固和頂裝煉焦工藝對焦炭氣孔率及氣孔結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響，在 200 焦?fàn)t進(jìn)行了搗固和頂裝煉焦試驗，配煤比見表 4。并進(jìn)行了焦炭氣孔結(jié)構(gòu)參數(shù)測定，結(jié)果見表 5 和圖 4、 5。 由表 5 和圖 4、圖 5 可見，采用搗固煉焦工藝比頂裝得到焦炭的氣孔率和氣孔平均直徑明顯降低，氣孔壁平均厚度增大。這是因為搗固煉焦工藝煤料經(jīng)搗實后，堆密度可由散裝煤的 t/高到 t/利于提高煤料的粘結(jié)性。其原因是：煤料堆密度增加，煤粒間接觸致 密，間隙減小 28% 33%，使搗固煤餅中煤顆粒間距縮小，因此在結(jié)焦過程中煤料的膠質(zhì)體很容易在不同性質(zhì)的煤粒表面均勻分布浸潤，煤粒間隙越小，填充間隙所需的膠質(zhì)體液相產(chǎn)物的數(shù)量也相對越少，即可以使較少膠質(zhì)體液態(tài)產(chǎn)物均勻分布在煤粒表面上，進(jìn)而在煉焦過程中，在煤粒之間形成較強的界面結(jié)合。在煤粒間隙減小情況下，煉焦過程中產(chǎn)生的干餾氣體不易析出，煤料的膨脹壓力增加，從而增加煤粒的接觸面積，有利于煤熱解產(chǎn)物的游離基和不飽和化合物進(jìn)行縮合反應(yīng)。同時熱解產(chǎn)物的氣體中帶自由基的原子團或熱分解的中間產(chǎn)物便有更充分的時間相互作用， 產(chǎn)生穩(wěn)定的、分子量適度的物質(zhì)，增加膠質(zhì)體內(nèi)不揮發(fā)的液相產(chǎn)物，結(jié)果使膠質(zhì)體不僅數(shù)量增加，而且還變得穩(wěn)定，氣孔率降低，氣孔壁變厚，氣孔平均直徑減小。攀 鋼 技 術(shù) 9 - 表 4 搗固和頂裝煉焦配煤比 項目 巴焦 貴州 格焦 隆昌 廣元 郊區(qū) 華坪 瘦煤 配比 1 15 25 25 25 10 配比 2 24 14 10 10 10 18 14 表 5 搗固和頂裝焦炭氣孔結(jié)構(gòu)參數(shù)比較 配比 煉焦方式 氣孔率 /% 氣孔平均直徑 / m 氣孔壁平均厚度 / m 配比 1 搗固 1 裝 1 比 2 搗固 2 裝 2 ：氣孔結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)由遼寧科技大學(xué)化工研究所測定。 圖 4 搗固焦氣孔結(jié)構(gòu) 圖 5 頂裝焦氣孔結(jié)構(gòu) 3 結(jié)論 （ 1）焦炭氣孔率隨單種煤變質(zhì)程度高低有規(guī)律性變化： 1/3 焦煤和焦瘦煤的顯氣孔率最大，肥煤最小，焦煤居中，隨著煤質(zhì)變質(zhì)程度升高，焦炭顯氣孔率先降低后升高， 之間，焦炭顯氣孔率最低。 （ 2）肥煤的焦炭多為 S 型氣孔，生成的氣孔平均直徑大，但氣孔個數(shù)較少，氣孔率和顯氣孔最?。?1/3 焦煤和瘦煤焦炭則呈 A 型氣孔，多為煤粒之間生成的孔隙，氣孔率最大，氣孔平均直徑也大，孔壁厚度??；焦煤焦炭呈混合態(tài)，但總體孔壁較厚，氣孔率居中。 （ 3）焦炭距離炭化室不同部位焦炭的氣孔率及氣孔結(jié)構(gòu)不同。爐頭焦是泡焦，氣孔率最大；兩墻焦樣的氣孔率