堆密度和结焦速率对捣固焦炭结构性能的影响翻译讲述

1、堆密度和结焦速率对捣固冶金焦炭结构性能的影响摘要：通过碳化中试规模可移动墙壁梢炉中的商业混煤得到的焦炭样品被用来研究评估堆密度和结焦速率对焦炭质量结构的影响。使用焦炭反应后强度，气体吸附技术，光学显微术，X射线衍射分析研究了焦炭样品。结果表明增加炉体密度，加快结焦速率会导致反应后强度提高，这个现象归因于在塑性阶段增强了煤颗粒粘附性和可塑性。表面积，总孔隙度，空隙面积和细胞壁的测量结果表明，在高堆密度和加快结焦速率的事件下会导致空隙结构发展受限，从而焦炭少孔。焦堆密度的增加导致了焦炭的形成增长，并且提高了结晶程度。然而，低反应性碳的比例和结晶程度的降低会增加焦化率，在更快的结焦速率下，一个限制归

2、因于缺乏足够的时间。此外，反应后强度范围和结构特性的减少，焦炭质量的均匀性随着堆密度和焦化率的提高而提高。研究发现反应后强度与微晶高度和煤炭形态发展呈正相关。与文献报道相反，反应后强度与表面积负相关，然而，所有孔隙大小的重要性是由反应后强度与孔隙之间呈正相关表明。1 .引言焦炭在高炉中起着骨架支撑、供热、和还原剂的作用，所以焦炭是高炉炼铁的重要原料。由于环境法规更加严格，煤炭短缺，希望降低煤炭消耗，这些驱使着高炉焦炭的理化性能发展。高炉技术的发展必须努力识别和控制影响焦炭质量的因素。焦炭在高炉内的降解程度取决于气化条件，如温度，气体组成，焦炭颗粒大小，以及焦炭其他的物理化学性质。恒量焦炭质量的

3、主要措施是其在高温下的机械强度，因为这个属性表明了高炉内焦炭的降解程度，从而影响焦炭允许气态和熔融产品流动渗透的能力。众所周知，高温机械强度和热强度是由ASTM标准D5341定义的反应后强度。反应后强度高表明焦炭的质量好（降解低），反之亦然。普遍认为，焦炭的结构特性如焦炭形态，焦炭的表面积以及化焦炭的化学性质影响焦炭的反应后强度。除了改变混合煤的特性之外，焦炭的结构特性也会被焦化条件所控制，例如结焦时间，温度和炉体密度。许多研究的目的是了解焦化条件对焦炭的反应后强度和在炉壁上膨胀的焦床施加的压力的影响，但是很少有学术研究专注于透彻了解焦化条件对焦炭微观结构和微观组织的影响。因此，焦炭反应后强度

4、与焦炭性质之间的联系认识不足。焦炭的微观结构如总孔隙度，孔径分布，孔壁厚度和孔形状表示物理和空间关系，而微观组织指的是焦炭基体，用结晶程度和光学组织组分发展程度表示。在炼焦过程中，煤结构中的基本结构相互定向并加入形成分子取向域。在这些多环芳煌组分下外围碳原子的密度会影响对氧化性气体的反应性，与这一致的是大部分区域是不活泼的，因为它们的大部分碳原子位于平面内，因此不容易与氧化性气体接触。虽然普遍认识是焦炭的形态和表面积影响反应后强度，但是有不一致的文献中关于每一个属性是如何影响反应后强度。例如，在一项研究中，使用了几个焦炭样品，一个从具有高膨胀性和流动性的混煤得到的焦炭被发现不是最不活泼，尽管表

5、现出更好的光学各向异性，与普遍持有的观点相反，溶液损失的焦炭反应性随着各向异性的增加而降低。据最近的一个研究报道，光学结构是决定焦炭反应性的一个重要特性，但是没有微孔结构重要。此外，尽管实际意义是用同样性质的焦炭供应高炉，但是文学报告表明在整个焦化室内的焦炭反应后强度有广泛分布。据报道可以增加堆密度和结焦速率来提高焦炉内焦炭反应后强度的均匀性。然而提高堆密度和结焦速率对焦炭沿焦炉中心到焦炉墙体的微观组织和微观结构变化的影响缺乏足够的研究，对焦炭反应后强度和焦炭性能之间的联系缺少理解。以前的研究表明增强焦炭反应后强度的同时降低焦炭反应后强度沿焦炉宽的变异性具有可能性，在一定程度上我们收到了启发，

6、我们试图进一步了解堆密度和结焦速率对焦炭孔隙结构和碳基沿焦炉宽度变化的影响。鉴于文献报道的不一致，这项研究的目的是了解焦炭反应后强度与其孔结构和碳基之间的经验关系。2 .材料与方法2.1 炼焦操作用一个18英寸宽可移动炉墙的中试规模梢炉将商业混煤碳化，分三组进行捣固炼焦，其中AB两组在除堆密度不同的相似条件下进行焦化操作，A组的堆密度为926kg/m3,B组的堆密度为996kg/m3。第三组的焦化条件与A组相似，但结焦速率更快。水分是捣固炼焦的煤料之间的粘结剂，因此才能将煤捣实成煤饼。然后将成型的煤饼装载进焦炉。净结焦时间是从指从装煤开始至塑性区域中心形成裂纹再固化的时间，而焦炉周转时间为总的

7、焦化时间。为了研究堆密度对对焦炭性能的影响，运行AB两组进行对比；运行AC两组可以研究结焦速率对焦炭性能的影响。完整收集每一个炼焦操作的指状焦炭来评价指状焦炭沿轴线的增量。2.2 样品制备每一个指状焦炭沿着其长度从中心裂缝开始到炉墙为止切成50毫米长的切片来表征焦炭。该焦炭大约200毫米长，并取得了其中四段切片，这四段切片以从中心裂缝到到它们中点位置的距离来区分，从中心裂缝开始的距离分别是25,75,125,175毫米。每个切片根据当前所用技术分析，粉碎成粒径为2.8-4.7毫米的具有代表性的样品。与50毫米的增量用于焦炭表征不同，用来测试焦炭反应后强度的样品是用从焦线开始到花菜状为止的75毫

8、米长的部分。然后将这些部分组合起来制作一个增量为75毫米的总试样。进一步的准备和测试都以ASTMD5341规定为依据。75毫米段测得的焦炭反应后强度的数据运用二三阶多项式函数可以推断50毫米段的焦炭反应后强度。这些拟合曲线的r2值的范围是从1.000到0.998。在本文中只讨论50毫米段的焦炭反应后强度数值，也就是以从中心裂缝到中点位置的25,75,125,175毫米的焦炭为代表。2.3 分析步骤用微晶学ASAP-2020氮气吸附法来测定表面积。将一个重量为1-2g的样品在脱气真空下以大约110c的温度下加热14小时来除去吸附的水分。为了量化氮气吸附并获取有关孔的信息，将样品在液氮温度(101

9、.3kPa77.35K)和在0.16至13.4磅的压力下进行操作。在BET方程的基础上将氮气吸附的测量量转化为表面积。通过水银浸泡得到总的孔隙率。利用波义耳法来测定当前环境下的颗粒体积，利用阿基米德原理来测定总体积。对于光学显微镜，样品用LecoPR-15压进安装在小球里并用Leco-AP-60磨光器磨光。用配有X-Y平台、反射光照明和Leica图像分析套件的Zeiss显微镜来研究每一个样品，用40X油浸物镜扫描样品。对于每个样品，采用60张图像并使用ImageJ和Leica程序进行分析。使用ImageJ分析图像是为了获得平均孔面积。ImageJ在每个图像中分配一个特征的亮度值以此来表达白色范

10、围（最大输出）和黑色范围（零输出）的比例。黑色部分所在的区域和所占比例然后用ImageJ程序来确定和测量。Leica程序用来测量孔轴长度和细胞壁厚度。为了对碳形态定量分析，通过系统地遍历样品，并至少对每个样品在显微镜目镜十字线下的纹理计数500点。碳形态类别得到了确定和分类。样品加湿磨碎并在110c烘箱干燥。BrukerD8Advance型X射线衍射仪用于获得粉碎样品的粉末衍射图案。该衍射仪装配有溶胶-X的固态检测器，并在40千伏和30m凝件下操作的铜X射线管。鉴定峰是通过使用BrukerEVA程序来实现的。在BrukerEVA程序使用布拉格方程计算层间距，通过使用TOP徽件进行Rietvel

11、d精化过程，获得微晶高度。3 .结果与讨论3.1 堆密度对焦炭性能的影响焦炉堆密度的控制是焦化的一个重要方面，因为除其他事项外，它能确保合适的炉体加热制度，并帮助管理施加在炉墙上的膨胀压力，而这些压力会影响焦饼横向收缩的程度。堆密度也会影响焦炭可用于溶损的表面积以及整个炉室焦炭强度变异性。焦炉堆密度可以通过改变煤的水分，煤的粒度，使用堆密度改性剂如油，或者通过装煤方式控制。据报道增加堆密度会导致焦炭反应后强度的提高。在这项研究中，焦炉堆密度从926kg/m3（A组）增加到996kg/m3（B组）。焦炭反应后强度测试表明与文献报道一致焦炉堆密度的增加会提高焦反应后强度。由于堆密度的增加，反应后强

12、度平均值从57.5变为62.9,整体提高了8%文献报告表明，焦炭强度发展依赖于煤粒子附着的程度，因为粒子之间未填充间隙的存在与差焦化条件和高的孔隙率相关联。在高的堆积密度下，结焦产生的干储气体不易析出，煤粒的膨胀压力增加，从而促进颗粒之间的结合。两个指状焦炭表明反应后强度变化的趋势是单向的，从焦线开始增加到花菜状结束，沿焦炉宽度的温度梯度变化。壁附近收集的焦炭经历了较长的均热时间，因此，比在炉中心区域收集的焦炭有更好的结构发展。现有调查表明焦炭的结构依赖于这个炉腔最终温度的不均匀分布，更接近炉墙的焦炭比焦炉中心的焦炭具有更有序的碳结构。也有研究表明，在焦炉内部区域的焦炭反应后强度下降是由于炉墙

13、附近的焦炭过度收缩，导致焦炉内部区域堆密度下降，从而降低了内部区域的反应后强度。通过计算焦炭反应后强度范围来评价堆密度对沿焦炉宽度焦炭质量均匀性的影响。正如预期的那样，炉体密度从926增加到996kg/m3导致沿焦炭指向的反应后强度变化减小，如所示的反应后强度范围从12下降到4.8点。确定了堆密度的增加对反应后强度的作用以及沿焦炭指向反应后强度的变化，指状焦炭结构特征被用来研究这些差异和变化的起源。表面积的测量结果表明，增加堆密度使得可用于溶损的表面积减少。堆密度从926增加到996kg/m3导致指状焦炭长度方向的表面积减少，平均表面积从6.25减到2.47m2/g。堆密度的增加使表面积减少，

14、这表明煤粒间接触致密，间隙减小，表现为孔隙直径为2-50纳米的中孔体积减小。表面积的增加与孔体积的增加存在密切联系。此外，这两个焦化操作沿着焦线到花菜状端有不同的变面积趋势。对于焦炭从较低的堆密度运行，表面积从焦油线开始减小，到一半的时候达到最小，然后增加到花菜状端为止。在花菜状端表面积的急剧增加是由于焦化早期煤层变干坍塌。在低堆密度下，煤饼几乎是完整的，所以干燥时容易破碎。坍塌导致煤堆密度局部减小，从而使得表面积更大。因此，堆密度为926kg/m3的指状焦炭的表面积总变异是5.72点。另一方面，对于较高堆密度下生产的焦炭，具表面积下降，表面积总变异是3.77点。这个趋势说明焦炉堆密度的增加会

15、提高焦炭质量的均匀性。由于焦炭是一个相对高的孔隙率的材料，大孔（孔隙50纳米孔径）是重要的结构特征，表明氧化性气体可进入焦炭其中并与之发生气化反应。为了考虑所有孔隙大小，测量了焦炭总孔隙度。总孔隙度，用体积分数表示，受针对性地减少固体自带的施加在颗粒上的压力的影响。堆密度从926增加到996kg/m3导致了总孔隙度从49.6%降到44.1%。从焦油线到花菜状端，堆密度的增加导致了在焦油线的总孔隙度大幅下降，从21.5下降到3点。然而必须提到的是，926kg/m3的指状焦炭焦油线的总孔隙度（64.5%）可能是异常的或错误的。不管这个错误的数据点，随着焦炉堆密度的增加总孔隙度会下降。平均孔隙面积减

16、小与总孔隙减小和堆密度增大密切相关。在低堆积密度下得到的焦炭的平均孔面积为759平方微米，而对于在较高的堆积密度下得到的焦炭的平均孔面积为653平方微米。总孔隙度的减少意味着有限的膨胀，抑制毛孔扩大，大概是高堆密度使得煤层紧凑。3.2 结焦速率对焦炭性能的影响结焦速率由焦炉宽度和装煤到炉中心线胶质体再凝固的时间长度共同决定。结焦速率用每小时碳化的煤的宽度（毫米）来表示。在这项研究中，改变结焦速率，从15.57毫米/小时（A组）变为16.52毫米/小时（C组），借此来研究结焦速率对焦炭质量的影响。焦炭反应后强度测试表明提高结焦速率会导致总的反应后强度提高，反应后强度平均值从57.5增加到59.2

17、。之前的研究报告说明反应后强度随结焦速率的提高而增大，这与观察到的反应后强度增量一致。快速焦化提高可塑性，通过炼焦过程中间相阶段更宽的塑性区表现。逻辑上，提高可塑性会被认为允许纹理域的发展，从而形成的碳反应性低。对于这两种焦化速率，反应后强度沿指状焦炭的长度方向增加，虽然指状焦炭末端的结焦速率更快，但反应后强度增量变平。因为在指状焦炭末端，两组的反应后强度相似。该结果还表明，增加结焦速率提高整个炉宽焦炭质量的均匀性。在较慢结焦速率下得到的焦炭反应后强度范围是12,而在较快结焦速率下的反应后强度范围是9.3cAmamotO艮道通过增加结焦速率改善焦炭品质的均匀性，并且将这种改善归因于早期循环中碳

18、化区域过度收缩抑制裂隙生成，从而防止炉室内部区域反应后强度降低。结焦速率的增加也会使焦炭平均表面积降低。以较慢和较快结焦速率得到的指状焦炭表面积分别是6.25m2/g和1.50m2/go然而，两个焦化操作在指状焦炭长度方向上有不同的表面积趋向。以结焦速率为15.57毫米/小时得到的指状焦炭表面积从焦油线减小，中途达到最小，朝向花菜状端增加。反之，以较快的结焦速率得到的指状焦炭通常具有表面积从焦油线到花菜状端减小的趋势，尽管内部具有最大值和最小值。表面积的趋势差异表明结焦速率既会影响沿指状焦炭长度方向的表面积范围，也会影响表面积分布。类似于表面积，结焦速率的提高会使总孔隙度降低，总孔隙度的降低伴随着平均孔隙面积减少。4 .结论通过采用类似的焦化条件同时改变堆积密度来评估焦炉堆积密度对焦炭性能的影响，即把堆积密度从926变为996kg/m3o相似的，把结焦速率从15.57变为16.52毫米/小时来研究结焦速率对焦炭性能的影响。我们得