李应海 刘 爽（攀枝花钢铁有限责任公司煤化工厂，攀枝花617022)
焦炭热性能系指反应性及反应后强度，是表征焦炭在高炉（炉身和软融带等处）内与CO2发生反应而脆化的程度。影响焦炭热性能的因素主要有焦炭气孔结构、显微组分和碱金属等。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。衡量焦炭的结构主要用气孔率来表示，它对焦炭反应性和反应后强度有一定的影响，改善焦炭气孔率和气孔结构是提高焦炭反应后强度的一个措施。因此研究焦炭的气孔结构与热强度关系具有重要的现实意义。
1 试验方法
焦炭的气孔是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。测定焦炭气孔率有抽气法、光学显微镜法和图像分析仪法。
1.1 HY-4全自动显微光度计焦炭气孔结构测定方法
HY-4全自动显微光度计测定焦炭气孔结构的具体操作步骤为：选中“焦炭气孔率项”选项后，测定对象为焦炭气孔结构参数。选中该项后，根据在自动测定过程中出现的输入气孔光电信号电压下限值、上限值和输入气孔壁光电信号电压下限值，并返级确认。接着出现输入气孔壁光电信号的电压上限值，此时应输入气孔壁光电信号电压的上限值，输入后按Enter键。
(1) 进行气孔率的自动测定时，不需要将电压信号转换为反射率信号，因此也不需要进行反射率标准片的测定。
(2) 用于焦炭气孔率测定的样品为块光片。由于从焦尾至焦头气孔率逐渐减小，故制样时应找到一块包括焦头、焦中、焦尾的完整焦炭，距焦头固定距离，如5cm处，切取一块，经磨光后作为测定样品。
(3) 焦炭气孔壁光电信号电压的下限值与气孔光电信号电压的上限值可在半自动测定栏中进行人工测定。例如：在仪器放大倍数为400倍的条件下，某焦炭块光片经测定，气孔壁的电压信号一般为70～90mV，故其下限值可确定为50mV，气孔电压信号为5～15mV，故其上限值可确定为20mV。
(4) 进行焦炭气孔率测定时，一般应用低倍物镜，如：用10倍干物镜。
1.2 焦炭显气孔率的测定方法
本试验利用焦炭显气孔率测定装置，按照GB/T4511.1-1984抽气法测定焦炭显气孔率。
1.3 冶金焦热性能测定方法
焦炭热性能指标包括反应性(CRI)和反应后强度(CSR)，试验按照GB/T4000-1996方法进行测定。
2 冶金焦气孔结构参数与热强度的关系
2.1 焦炭气孔结构对热强度的影响
通过研究冶金焦气孔率及气孔结构参数与热强度的关系，对进一步提高焦炭热性能指标，在优化配煤比及合理调整焦炉加热制度等方面具有指导意义，分析、收集工业焦炉的焦炭气孔结构、CRI和CSR，它们之间关系如图1、图2和图3所示。
图2 焦炭气孔平均直径与热性能指标的关系图
图3 焦炭气孔壁平均厚度与热性能指标的关系图
由图1～3可知，对大多数测定结果而言，随着焦炭气孔率和气孔平均直径的增加，CRI增大，CSR下降；随着气孔壁平均厚度的增加，CRI降低，CSR增加。
虽然随着气孔率的增大，反应性增大，但两者的相关性不是太好，主要是焦炭的反应性受焦炭气孔结构和焦炭显微组分共同作用，某种程度上焦炭显微组分对焦炭反应性起主导作用。
2.2 影响冶金焦气孔率及气孔结构的因素
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。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。
(1) 不同变质程度煤的冶金焦气孔结构。为了进一步研究配合煤质量对冶金焦气孔结构参数的影响，选取生产常用的不同变质程度的单种煤进行小焦炉炼焦试验，结果如图4所示。
图4 不同变质程度单种煤焦炭的显气孔率分布图
由图4可直观看出，不同变质程度单种煤焦炭的显气孔率有明显的变化规律：随着煤质变质程度的升高，焦炭显气孔率先降低后升高，镜质组最大反射率Rmax在0. 95%～1. 0%之间煤的焦炭显气孔率最低。
由不同变质程度单种煤所炼出的焦炭，通过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焦煤和瘦煤的焦炭则呈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；焦煤的焦炭呈混合态，但总体孔壁较厚，气孔率居中。
(2) 焦炭距离炭化室不同部位对冶金焦气孔率及气孔结构参数的影响。为了进一步研究焦炭距离炭化室不同部位对冶金焦气孔率及气孔结构参数的影响，选取不同部位的焦炭进行气孔结构分析。
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处，其升温速率不同，离炭化室墙距离近的地方加热速度较快，炭化室中心线处的加热速率最慢，当结焦一半时，煤饼中心温度在200℃左右。随着炭化过程的进展，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。
(3) 干法熄焦和湿法熄焦对焦炭气孔率及气孔结构参数的影响。选取相同结焦时间、相同配煤比的干熄焦和湿熄焦焦炭进行气孔结构测定，分析不同熄焦方式对焦炭气孔率及气孔结构参数的影响，测定数据见表1。
表1 焦炭气孔结构参数数据比较
|
项目 |
气孔率，％ |
气孔平均直径，μm |
气孔壁平均厚度，μm |
显气孔率，％ |
|
湿法熄焦 |
48.34 |
130.72 |
138.33 |
36.3 |
|
干法熄焦 |
46.10 |
147.72 |
174.37 |
35.5 |
从表1可看出，干熄焦的气孔率要明显小于湿熄焦。这是因为湿熄焦时，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，易形成网状裂纹，使气孔率增高，且容易碎裂成小块。同时，在湿熄焦过程中，水与红焦产生水煤气反应，使焦炭表面的球状组织破坏，焦炭内部气孔和裂纹增多。
(4) 捣固炼焦和顶装炼焦对焦炭气孔率及气孔结构参数的影响。为了进一步研究捣固炼焦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 kg小焦炉上进行了捣固和顶装炼焦试验，并进行了焦炭气孔结构参数的测定，试验数据列于表2～4。
表2 捣固和顶装炼焦的配煤比
|
项目 |
巴焦 |
贵州 |
格焦 |
隆昌 |
广元 |
郊区 |
华坪 |
瘦煤 |
|
配比1 |
捣固1
顶装1 |
15 |
－ |
－ |
25 |
25 |
－ |
25 |
10 |
|
配比2 |
捣固2
顶装2 |
24 |
14 |
10 |
10 |
10 |
18 |
14 |
－ |
表3 捣固和顶装炼焦的配合煤和焦炭质量数据
|
项 目 |
配合煤质量 |
焦炭质量,% |
|
Vd,% |
G |
堆密度，t/m3 |
Vd |
CRI |
CSR |
|
配比1
|
捣固1 |
24.84 |
73 |
1.10 |
1.00 |
38.4 |
49.7 |
|
顶装1 |
24.84 |
73 |
0.80 |
1.04 |
41.8 |
41.4 |
|
配比2 |
捣固2 |
23.08 |
76 |
1.00 |
1.22 |
39.0 |
53.5 |
|
顶装2 |
23.08 |
76 |
0.78 |
1.22 |
42.6 |
44.0 |
