焦炭質(zhì)量和性質(zhì)介紹

焦炭質(zhì)量與性質(zhì)焦炭是由煤高溫干餾后產(chǎn)生的主要固體殘留物，了解焦炭質(zhì)量，首先要了解焦炭的化學性質(zhì)和物理性能。一、 焦炭的化學元素組成測定焦炭中的元素，主要是測定焦炭中的氧、氮和磷。（一） 碳焦炭是高溫干餾殘留物，它是由各煉焦煤經(jīng)配合練成的焦炭，其碳的含量差別不大，是構成焦炭基本氣孔壁的主要成分，在干燥無灰基中約占比例為 96.5—97.5%，根據(jù)入爐煤的性質(zhì)不同和煉焦工藝條件不同，所煉出的焦炭其碳的結晶度有著明顯的不同，也就是說存在著差別（二） 氫氫元素主要存在焦炭殘留揮發(fā)份中，含量較少，只有0.5—0.8%，它是隨煉焦最終溫度變化而變化，其相關系數(shù)較大，氫含量的測定是采用燃燒法測定誤差較小，故用氫含量作為焦炭成熟程度的標志，可靠性更好一些。（三） 硫焦炭中含硫主要是來自煤料中，當煤料在干餾時，一部分硫化物揮發(fā)進入煤氣中，只占含硫40—50%，還有50—60%的殘留硫仍在焦炭中，煤的結焦率在72—78%之間，故實際生產(chǎn)中焦炭硫的百分數(shù)80—90%，這個數(shù)為硫的轉換系數(shù)。煤在結焦過程中，析出的含硫化合物與赤熱焦炭作用，結合在碳晶格內(nèi)的碳硫復合物。焦炭硫含量高低很明顯的影響高爐冶鐵，若含硫增加01%，將使煉鐵焦比增加1.2—2.0%，生鐵產(chǎn)量就下降2.0%，因此焦炭的硫分是評定焦炭質(zhì)量很重要的指標。（四） 磷磷在焦炭中含量約為0.02%很少，但在煉焦過程中，煤料的磷幾乎全部殘留在焦炭之中，若冶煉低磷鐵時，只能采用低磷煤進行煉焦。焦炭除上述四種主要元素外，還有其它元素組成尚有少量的氧和氮。一般不作測定二、 焦炭的工業(yè)分析焦炭的工業(yè)分析是對焦炭水分、灰分、揮發(fā)份和固定碳四項內(nèi)容的分析，根據(jù)某些需要加上全硫和發(fā)熱值分析。焦炭水分(Mt)作為冶金焦炭供給高爐煉鐵生產(chǎn)，焦炭水分波動主要是給高爐入爐焦炭重量的稱量造成誤差，帶來爐況波動，焦炭水分并不會直接影響高爐冶煉，因為在高爐上部(爐喉、爐身處)小于800°C的煤氣所含的熱量足以將焦炭帶來的水分干燥，焦炭水分過大還會將焦粉帶入高爐使高爐冶煉時透氣性不好，所以保持焦炭水分穩(wěn)定能為高爐爐溫穩(wěn)定創(chuàng)造條件，一般要求焦炭水分控制在2—3%。(2) 焦炭灰分(Ad)焦炭主要組成是碳和灰分，焦炭占總重量的97.5—98.5%。焦炭含碳愈高則含灰就愈少，在高爐冶鐵中灰分是累贅物質(zhì)，吸收熱量變成爐渣排出。也就是說焦炭中的灰分越高，煉鐵的焦比就越高。一般焦炭灰分波動1%，高爐的焦比要波動2.5—3.0%，焦炭灰分的高低，主要取決于原料煤的灰分，煤的灰分在煉焦過程中也是完全轉入焦炭中，另外在煉焦過程中混入雜志和煉焦不良操作，也會增加焦炭中灰分，煉鐵要求焦炭中灰分愈少愈好。(3) 焦炭揮發(fā)份(Vd)焦炭揮發(fā)份是焦炭被二次加熱后，氣體析出物的含量，這種含量取決于煤料的變質(zhì)程度和焦餅最終溫度，一般將焦炭揮發(fā)份視作焦爐成熟程度的標志。但也不能安全作成熟標志，就是焦餅安全成熟焦炭時的揮發(fā)份也含有1.0—1.5%，有時達到2.0%,因為成熟的焦炭它可以吸附CO和02,在式樣干燥后，仍全吸收空氣水氣，這些少量水氣也是揮發(fā)份。在煉焦過程中，未被揮發(fā)出來的C、H化合物是極少的，因為在一定溫度下，C、H化合物各種形態(tài)必然以揮發(fā)份析出，冶金焦新國標規(guī)定：VdW1.8%。(4) 焦炭的固定碳(Fc)焦炭的物理性能，焦炭的顯微結構和高溫下的性能(反應后強度)統(tǒng)稱為焦炭的機械力學性能。焦炭的結構煤在高溫干餾過程中最終形成焦餅，從炭化室推出時，就有大量裂紋，這些裂紋把焦餅彼此完全分開，形成塊狀物一焦塊，這種焦塊就是我們所說的焦炭。成熟的焦炭多呈銀灰色或暗黑色的長方形棱狀或錐狀無規(guī)則的多孔體，焦塊中有縱、橫裂紋，焦塊沿縱、橫向裂紋分開成焦體，焦體是有不規(guī)則分布的氣孔和氣孔壁構成焦質(zhì)，其主要成分是碳和礦物質(zhì)。焦塊裂紋的多少和焦體結構決定著焦炭的粒度和焦炭的機械強度，它也和焦炭的高溫性能有密切關系。1、 焦炭裂紋度焦餅在焦爐內(nèi)垂直于爐墻的裂紋為縱裂紋，而平行于爐墻的裂紋叫橫裂紋，它的形成有兩種機理作用。一是取決于最大收縮系數(shù)，在裂紋為縱裂紋，而平行于爐墻的裂紋叫橫裂紋，它的形成有兩種機理作用。二是取決于大致在600—700°C之間的收縮系數(shù)的差，在焦餅中間正以這種機理為主。裂紋度的產(chǎn)生除上述兩種機理外主要是在500—600C溫度區(qū)內(nèi)焦炭蠕變性和500炭中裂紋中心的產(chǎn)生。焦塊單位面積上的裂紋總長度稱之為裂紋度。2、 焦炭的氣孔率焦炭中的氣泡是在膠質(zhì)狀態(tài)末期形成的，焦炭氣孔的大小不同可分為三個等級如：大氣孔、宏觀氣孔、微觀氣孔。焦炭的氣孔率是指氣孔體積與總體積比的百分數(shù)，是由焦炭的真密度和視密度計算出來的視密度氣孔率二(1 )X100%真密度式中：焦炭真密度為1.7—2.2，視密度為0.87—1.103、 焦炭的顯微結構焦炭的顯微結構孔和孔壁的顯微組分焦質(zhì)體內(nèi)碳的形態(tài)。焦炭孔壁碳的形態(tài)，分于無定形碳和石墨碳之間，排列沒有規(guī)則的定形碳的結構為各向同性，石墨碳呈現(xiàn)層狀結構為各向異性。因此說焦炭的石墨化程度越高碳的結構排列就愈有規(guī)則，各向異性組分就愈高。經(jīng)顯微組分發(fā)現(xiàn)揮發(fā)份為35%，含氧量超過6%的煤，所煉出的焦炭顯微組分幾乎全部為各向同性，其中揮發(fā)份與中強粘性煤所煉出的焦炭具有較多的粗粒鑲嵌和纖維組份，這種焦炭的機械強度和反應性都是較好的。焦炭的粒度焦爐生產(chǎn)出的焦炭，經(jīng)過篩焦系統(tǒng)分級后，應達到CB1996—2003標準，焦炭塊度種類要求即：>40mm大塊焦， >25mm大中塊焦，25—40mm中塊焦各級產(chǎn)品具有不同粒度組成。高爐用主要是＞25mm的冶金焦率就是＞25mm粒度焦炭占焦炭試樣總重的百分數(shù)為冶金焦，余下的為冶金的焦末含量指標。（三） 焦炭的機械強度焦炭的機械強度是冶金焦物理性能的最重要指標，評定焦炭機械性能多種試驗方法，目前大都選擇轉鼓試驗。采用米庫姆焦炭在轉鼓內(nèi)破壞的機理：焦炭在任何機械力作用下，所發(fā)生的焦炭粒度組成的變化，都是由兩個互不相干的過程引起的，即磨損和因沖擊而沿裂紋破壞成小塊，這時由于焦炭中原來就產(chǎn)生的裂紋所造成的，而不是焦炭質(zhì)體斷裂成為小塊，因為焦炭在轉鼓內(nèi)撞擊時，最大應力也不大于12N,而焦炭抗拉強度一般要達到150N,兩者相差很大，所以說無裂紋焦炭在鼓內(nèi)是不會斷裂的。米庫姆轉鼓測定得到的兩個指標：M10、M40（或M25）確定很好地表示焦炭的耐磨性強度和抗碎強度，也就是我們稱之為焦炭機械強度。M10、和M40兩個指標既是兩個互不相干的因素過程造成的,又是有相關聯(lián)的,因為一方面是因存的裂紋而破碎成小塊時可能小于10mm的，也就作為M10考核了，另一方面，因轉鼓試驗結果得到各粒度級的焦炭總和必須等于100%，則M10波動大了，必然會影響m40指標。影響米庫姆轉鼓測定的準確性的因素：（1） 焦炭水分過大能使焦粉粘在大塊焦上，影響M10、和M40指數(shù)失真,所以要求試驗應將焦樣水分控制在5%以下。（2） 轉鼓檢驗焦炭質(zhì)量是一種經(jīng)驗性的方法，從試驗取樣、稱量、入鼓、出鼓、篩分等操作方法都應在嚴格規(guī)定的條件下進行結果才真實可靠，所以存在著不同操作人員是有誤差的。（3） 對塊度相對較小，耐磨性又差的焦炭M10、和M40指標也會失真。四、焦炭的物理化學性質(zhì)焦炭的物理化學性質(zhì)有兩項指標表示，即：焦炭的反應性和焦炭的反應后強度，這兩項指標都影響高爐生產(chǎn)，在冶金焦炭質(zhì)量新標準中規(guī)定：一級冶金焦CRIW30%,CSR255%.（一） 焦炭的反應性（CRI）焦炭在高溫條件下與CO2和水蒸氣相作用的能力稱焦炭的反應性，用CRI表示，也稱作焦炭的熱強度。C+CO=2COC+HO=CO+H222通常用焦炭和CO反應后氣體中CO和CO百分濃度的函數(shù)R,CO生產(chǎn)速22率，C、CO的反應速率以及反應一定時間后焦炭消耗量占焦炭試樣的百分比表示。2目前高爐冶煉對焦炭的反應性十分關注，故在《冶金焦炭》新國標中列為其中，要求CRI%I級焦為W30%,IIW35%。焦炭在高爐冶煉過程中的幾點：（1）焦炭反應性愈低,在風口回旋區(qū)與鼓風反應愈慢,回旋區(qū)斷面積就增大,爐料下降更均勻。（2） 焦炭反應性愈高，在較低溫度下就與CO反應，得不到有效利用。2（3） 焦炭反應性高最主要的是在高爐中，下部焦炭要經(jīng)受CO以及鐵氧化物2等作用，即產(chǎn)生碳熔反應和焦炭龜裂，結果耐磨性大大降低，形成焦粉進入爐渣中，降低爐渣流動性，使爐內(nèi)料柱的透氣性降低，這就說明：高爐容積愈大，對焦炭的反應性要求愈低，一般要求CRI<35%。（二） 焦炭的反應后強度（CSR）焦炭的反應后強度是高爐下部焦炭反應后性能的要求，通常將反應后強度指標稱之為熱強度。從生產(chǎn)實踐證明：焦炭的反應性與反應后強度有著較好的相關關系是：反應性高的焦炭孔孢壁碳熔損大，其反應后強度低；通俗的說：就是焦炭的反應性愈高，則反應后強度就愈低。焦炭反應后強度與高爐內(nèi)處于軟融帶強度相一致，它在與高爐下部的透氣性有著良好的相關性，一般來說反應性高的焦炭其冷態(tài)轉鼓指數(shù)M就差，反之，10反應性低的焦炭M就好。若反應性相近似值的焦炭，冷態(tài)轉鼓強度高，反應后10強度也高。（三） 高爐冶煉對焦炭質(zhì)量的要求焦炭在高爐冶煉過程中，起著發(fā)熱劑、還原劑和支撐爐料的三大作用，故此對焦炭的質(zhì)量要求是：1. 固定碳（C）碳含量要高，即灰分和揮發(fā)分要低。2．有害的雜質(zhì)硫、磷含量要低。耐磨和抗碎強度要好。反應性要低，反應后強度要高。

5．水份要低而穩(wěn)定。滿足上述要求，可以保證高爐生產(chǎn)達到高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、低耗，還可有效提高利用系數(shù)，冶煉強度高，焦比低得到低硫、磷的優(yōu)質(zhì)的生鐵。五、 冶金焦炭的質(zhì)量標準（GB1996—2003）種類大塊（〉40mm） 大中塊（〉25mm）中塊（25-40mm）I<12.0灰份Ad%II<13.0III<15.0I<0.60硫份Sed%I<0.8I<1.0MM4025-i I三80.0三92機抗 II《76.0《88械碎III《72.0《83M10I<7.5<7.0強耐 1<8.5<8.5度磨 III<10.5<10.5反應性CRI %I<30I<35I/反應后強度CSR%I<55I<50I/揮發(fā)份Vdaf%<1.8水份Mt %4.0±15.0±2>12焦末含量 %才4.0才5.0>12該標準是冶金焦國家最新標準，其中增加了CRI和CRS兩項指標;水份指標作參考指標,企業(yè)內(nèi)部可制訂內(nèi)控指標.對焦炭的質(zhì)量控制對焦炭的質(zhì)量控制，這里主要是針對冶金焦炭的質(zhì)量控制。這對鋼鐵企業(yè)中的高爐煉鐵是非常重要的，因為鋼鐵企業(yè)中的焦化廠所進行煤干餾得到的焦炭主要是供給高爐煉鐵用的，高爐煉鐵對冶金焦的質(zhì)量要求本文在前面已明確闡述。對焦炭的質(zhì)量控制，也就是對不利焦炭質(zhì)量的因素的控制，深層研究也就是對作為煉焦炭的煤和煉焦工藝過程有關因素的控制。（一）影響冶金焦炭質(zhì)量的因素（1）配合煤的成份和性質(zhì)對焦炭質(zhì)量的影響配合煤的成份和性質(zhì)決定了焦炭中的固定（C）、灰份（Vdt）、硫份（Sed）攻磷份（P）的含量。而焦炭的塊度和強度在很大程度上是取決于原料煤的成份和性質(zhì)。配合煤是由各種單種煤配制而成，也就是說原料煤的成份和性質(zhì)決定了配合煤的成份和性質(zhì)。如：配合煤中的硫份和灰份低，說明單種煤的硫份和灰份低，所煉出的焦炭的硫份和灰份也低。比如：在配合煤中增加高揮發(fā)份，低變質(zhì)程度的氣煤所煉出的焦炭細長，塊度小，若在配合煤中增加焦煤和瘦煤，煉出的焦炭就會使收縮裂紋減少，塊度增大。若在配合煤中配有含無機物礦物質(zhì)增多（也就是所說的灰份）也就會影響焦炭的強度。這說明配合煤的成份和性質(zhì)是由各單種煤的成份和性質(zhì)決定的，除此外，配合煤的粉碎細度也會影響焦炭的強度，粉碎細度影響堆比重，由于煤的結構復雜，所粉碎的細度也不一定一樣，故此對細度的要求不能一概而論（一般要粉碎粒度小于3mm的要控制在80—85%為好，要求細度波動值不應大于1%,可使焦炭質(zhì)量穩(wěn)定）。（2）煉焦加熱制度對焦炭質(zhì)量的影響煉焦加熱制度是影響焦炭質(zhì)量因素之一，而影響焦爐的加熱制度的主要因素是煉焦的加熱速度和結焦末期的溫度，加熱速度和結焦末期的溫度都與結焦時間有關，結焦時間愈短則加熱速度愈快，標準溫度就愈高，而結焦末期溫度也就高。通過生產(chǎn)實踐研究表明：當加快結焦速度時，可使煤在干餾過程中使焦質(zhì)體的流動性增加，煉出較好而堅固的焦炭，這是好的一面，但是加快結焦速度，也會使焦炭收縮裂紋增加，焦炭的塊度變小，強度降低，這又是不利的一面。我國設計的1X55孔大型6米焦爐設計的結焦時間為19小時，若結焦時間小于設計結焦時間1小時，貝U大塊焦（＞40mm粒度）就降低約6%左右，當然不同的配煤比也有所不同。加快加熱速度時，中塊冶金焦（25—40mm）就會增加，但平均焦炭的塊度也下降了。6米焦爐設計結焦時間為19小時，在煉焦過程中焦炭在20小時才真正的成熟，大于20小時后，焦炭在炭化室中保溫階段。（寶鋼煉焦工藝，同樣6米大容積焦爐是采用結焦時間21小時，火落溫度控制實際上就是控制煉焦加熱速度和結焦末期的溫度方法。）通過提高結焦，末期的溫度，可以增加焦炭的耐磨強度（M）同時也可以10減少小于10mm的焦末的產(chǎn)率，但是必須要考慮到在此同時也會減小焦炭的塊度，因此造成焦炭最終收縮增加，小裂紋增多，塊度變小，整個抗碎強度M降低。10因此，煉焦工藝要求必須要制定合理的加熱制度，執(zhí)行過程中必須要穩(wěn)定，不可以波動太大，使成熟的焦炭有盡可能小的磨損和得到盡可能大的塊度，來保證焦炭強度的質(zhì)量指標。（3）煤料在焦爐炭化室內(nèi)的堆比重對焦炭質(zhì)量的影響影響炭化室內(nèi)煤料的堆比重,也是影響焦炭質(zhì)量因素之一，其因素很多，如：堆比重是取決于設計炭化室的高度，裝煤操作方式，煤料在炭化室里的形狀，配煤的細度和水等都能影響堆比重。對影響焦炭質(zhì)量而言，增加炭化室內(nèi)煤料的堆比重，可以使煤料在干餾過程緊密結合，由此獲得機械強度較高的焦炭，使M%上升M%下降。當今，國內(nèi)外煉焦工藝增加裝煤的堆比重的方式有：進行煤4010干燥預熱或增設煤調(diào)濕工藝，增加配型煤工藝，搗固煉焦，采用高炭化室大容保積焦爐，提高加煤速度等都能增加裝爐煤的堆比重，達到改善和提高焦炭質(zhì)量的目的。從上述分析三大因素影響冶金焦炭質(zhì)量的原因，針對不利焦炭質(zhì)量的因素是作為煉焦生產(chǎn)工藝控制焦炭質(zhì)量的原則和手段，以達到提高焦炭質(zhì)量目的。三、提高焦炭質(zhì)量的其它途徑提高焦炭質(zhì)量除了主要從煉焦工藝的主要因素著手，還要從其它方面，如對干餾后的焦炭提高強度指標來保證焦炭質(zhì)量進一步提高。（一）焦炭整粒對焦炭進行整粒，使經(jīng)進一步整粒的冶金焦塊度趨于均勻轉鼓強度也相應的提高，進入高爐后，可以改善爐料的透氣性，有利于高爐增產(chǎn)和降低焦比。實踐證明冶金焦的粒度并不是愈大愈好，在國外和國內(nèi)的一些廠家反復試驗應用粒度大于80mm或100mm普通焦炭高爐生產(chǎn)焦比要上升，采用小于80mm的冶金焦,焦比就下降，若高爐采用經(jīng)整粒后的25mm—75mm的冶金焦，使高爐焦比大大降低。所采用整粒方法就是用切焦機對大于80mm以上的焦塊進行破碎。經(jīng)切焦機破碎的焦炭機械強度明顯得到提高。（二）干熄焦目前，各國公認干熄焦炭優(yōu)于濕熄焦炭。我國于上世紀80年代寶鋼首家從日本引進干熄焦裝置，現(xiàn)在這項技術已在本世紀初在國內(nèi)