焦炭质量和性质介绍

焦炭质量与性质焦炭是由煤高温干馏后产生的主要固体残留物，了解焦炭质量，首先要了解焦炭的化学性质和物理性能。一、 焦炭的化学元素组成测定焦炭中的元素，主要是测定焦炭中的氧、氮和磷。（一） 碳焦炭是高温干馏残留物，它是由各炼焦煤经配合练成的焦炭，其碳的含量差别不大，是构成焦炭基本气孔壁的主要成分，在干燥无灰基中约占比例为 96.5—97.5%，根据入炉煤的性质不同和炼焦工艺条件不同，所炼出的焦炭其碳的结晶度有着明显的不同，也就是说存在着差别（二） 氢氢元素主要存在焦炭残留挥发份中，含量较少，只有0.5—0.8%，它是随炼焦最终温度变化而变化，其相关系数较大，氢含量的测定是采用燃烧法测定误差较小，故用氢含量作为焦炭成熟程度的标志，可靠性更好一些。（三） 硫焦炭中含硫主要是来自煤料中，当煤料在干馏时，一部分硫化物挥发进入煤气中，只占含硫40—50%，还有50—60%的残留硫仍在焦炭中，煤的结焦率在72—78%之间，故实际生产中焦炭硫的百分数80—90%，这个数为硫的转换系数。煤在结焦过程中，析出的含硫化合物与赤热焦炭作用，结合在碳晶格内的碳硫复合物。焦炭硫含量高低很明显的影响高炉冶铁，若含硫增加01%，将使炼铁焦比增加1.2—2.0%，生铁产量就下降2.0%，因此焦炭的硫分是评定焦炭质量很重要的指标。（四） 磷磷在焦炭中含量约为0.02%很少，但在炼焦过程中，煤料的磷几乎全部残留在焦炭之中，若冶炼低磷铁时，只能采用低磷煤进行炼焦。焦炭除上述四种主要元素外，还有其它元素组成尚有少量的氧和氮。一般不作测定二、 焦炭的工业分析焦炭的工业分析是对焦炭水分、灰分、挥发份和固定碳四项内容的分析，根据某些需要加上全硫和发热值分析。焦炭水分(Mt)作为冶金焦炭供给高炉炼铁生产，焦炭水分波动主要是给高炉入炉焦炭重量的称量造成误差，带来炉况波动，焦炭水分并不会直接影响高炉冶炼，因为在高炉上部(炉喉、炉身处)小于800°C的煤气所含的热量足以将焦炭带来的水分干燥，焦炭水分过大还会将焦粉带入高炉使高炉冶炼时透气性不好，所以保持焦炭水分稳定能为高炉炉温稳定创造条件，一般要求焦炭水分控制在2—3%。(2) 焦炭灰分(Ad)焦炭主要组成是碳和灰分，焦炭占总重量的97.5—98.5%。焦炭含碳愈高则含灰就愈少，在高炉冶铁中灰分是累赘物质，吸收热量变成炉渣排出。也就是说焦炭中的灰分越高，炼铁的焦比就越高。一般焦炭灰分波动1%，高炉的焦比要波动2.5—3.0%，焦炭灰分的高低，主要取决于原料煤的灰分，煤的灰分在炼焦过程中也是完全转入焦炭中，另外在炼焦过程中混入杂志和炼焦不良操作，也会增加焦炭中灰分，炼铁要求焦炭中灰分愈少愈好。(3) 焦炭挥发份(Vd)焦炭挥发份是焦炭被二次加热后，气体析出物的含量，这种含量取决于煤料的变质程度和焦饼最终温度，一般将焦炭挥发份视作焦炉成熟程度的标志。但也不能安全作成熟标志，就是焦饼安全成熟焦炭时的挥发份也含有1.0—1.5%，有时达到2.0%,因为成熟的焦炭它可以吸附CO和02,在式样干燥后，仍全吸收空气水气，这些少量水气也是挥发份。在炼焦过程中，未被挥发出来的C、H化合物是极少的，因为在一定温度下，C、H化合物各种形态必然以挥发份析出，冶金焦新国标规定：VdW1.8%。(4) 焦炭的固定碳(Fc)焦炭的物理性能，焦炭的显微结构和高温下的性能(反应后强度)统称为焦炭的机械力学性能。焦炭的结构煤在高温干馏过程中最终形成焦饼，从炭化室推出时，就有大量裂纹，这些裂纹把焦饼彼此完全分开，形成块状物一焦块，这种焦块就是我们所说的焦炭。成熟的焦炭多呈银灰色或暗黑色的长方形棱状或锥状无规则的多孔体，焦块中有纵、横裂纹，焦块沿纵、横向裂纹分开成焦体，焦体是有不规则分布的气孔和气孔壁构成焦质，其主要成分是碳和矿物质。焦块裂纹的多少和焦体结构决定着焦炭的粒度和焦炭的机械强度，它也和焦炭的高温性能有密切关系。1、 焦炭裂纹度焦饼在焦炉内垂直于炉墙的裂纹为纵裂纹，而平行于炉墙的裂纹叫横裂纹，它的形成有两种机理作用。一是取决于最大收缩系数，在裂纹为纵裂纹，而平行于炉墙的裂纹叫横裂纹，它的形成有两种机理作用。二是取决于大致在600—700°C之间的收缩系数的差，在焦饼中间正以这种机理为主。裂纹度的产生除上述两种机理外主要是在500—600C温度区内焦炭蠕变性和500炭中裂纹中心的产生。焦块单位面积上的裂纹总长度称之为裂纹度。2、 焦炭的气孔率焦炭中的气泡是在胶质状态末期形成的，焦炭气孔的大小不同可分为三个等级如：大气孔、宏观气孔、微观气孔。焦炭的气孔率是指气孔体积与总体积比的百分数，是由焦炭的真密度和视密度计算出来的视密度气孔率二(1 )X100%真密度式中：焦炭真密度为1.7—2.2，视密度为0.87—1.103、 焦炭的显微结构焦炭的显微结构孔和孔壁的显微组分焦质体内碳的形态。焦炭孔壁碳的形态，分于无定形碳和石墨碳之间，排列没有规则的定形碳的结构为各向同性，石墨碳呈现层状结构为各向异性。因此说焦炭的石墨化程度越高碳的结构排列就愈有规则，各向异性组分就愈高。经显微组分发现挥发份为35%，含氧量超过6%的煤，所炼出的焦炭显微组分几乎全部为各向同性，其中挥发份与中强粘性煤所炼出的焦炭具有较多的粗粒镶嵌和纤维组份，这种焦炭的机械强度和反应性都是较好的。焦炭的粒度焦炉生产出的焦炭，经过筛焦系统分级后，应达到CB1996—2003标准，焦炭块度种类要求即：>40mm大块焦， >25mm大中块焦，25—40mm中块焦各级产品具有不同粒度组成。高炉用主要是＞25mm的冶金焦率就是＞25mm粒度焦炭占焦炭试样总重的百分数为冶金焦，余下的为冶金的焦末含量指标。（三） 焦炭的机械强度焦炭的机械强度是冶金焦物理性能的最重要指标，评定焦炭机械性能多种试验方法，目前大都选择转鼓试验。采用米库姆焦炭在转鼓内破坏的机理：焦炭在任何机械力作用下，所发生的焦炭粒度组成的变化，都是由两个互不相干的过程引起的，即磨损和因冲击而沿裂纹破坏成小块，这时由于焦炭中原来就产生的裂纹所造成的，而不是焦炭质体断裂成为小块，因为焦炭在转鼓内撞击时，最大应力也不大于12N,而焦炭抗拉强度一般要达到150N,两者相差很大，所以说无裂纹焦炭在鼓内是不会断裂的。米库姆转鼓测定得到的两个指标：M10、M40（或M25）确定很好地表示焦炭的耐磨性强度和抗碎强度，也就是我们称之为焦炭机械强度。M10、和M40两个指标既是两个互不相干的因素过程造成的,又是有相关联的,因为一方面是因存的裂纹而破碎成小块时可能小于10mm的，也就作为M10考核了，另一方面，因转鼓试验结果得到各粒度级的焦炭总和必须等于100%，则M10波动大了，必然会影响m40指标。影响米库姆转鼓测定的准确性的因素：（1） 焦炭水分过大能使焦粉粘在大块焦上，影响M10、和M40指数失真,所以要求试验应将焦样水分控制在5%以下。（2） 转鼓检验焦炭质量是一种经验性的方法，从试验取样、称量、入鼓、出鼓、筛分等操作方法都应在严格规定的条件下进行结果才真实可靠，所以存在着不同操作人员是有误差的。（3） 对块度相对较小，耐磨性又差的焦炭M10、和M40指标也会失真。四、焦炭的物理化学性质焦炭的物理化学性质有两项指标表示，即：焦炭的反应性和焦炭的反应后强度，这两项指标都影响高炉生产，在冶金焦炭质量新标准中规定：一级冶金焦CRIW30%,CSR255%.（一） 焦炭的反应性（CRI）焦炭在高温条件下与CO2和水蒸气相作用的能力称焦炭的反应性，用CRI表示，也称作焦炭的热强度。C+CO=2COC+HO=CO+H222通常用焦炭和CO反应后气体中CO和CO百分浓度的函数R,CO生产速22率，C、CO的反应速率以及反应一定时间后焦炭消耗量占焦炭试样的百分比表示。2目前高炉冶炼对焦炭的反应性十分关注，故在《冶金焦炭》新国标中列为其中，要求CRI%I级焦为W30%,IIW35%。焦炭在高炉冶炼过程中的几点：（1）焦炭反应性愈低,在风口回旋区与鼓风反应愈慢,回旋区断面积就增大,炉料下降更均匀。（2） 焦炭反应性愈高，在较低温度下就与CO反应，得不到有效利用。2（3） 焦炭反应性高最主要的是在高炉中，下部焦炭要经受CO以及铁氧化物2等作用，即产生碳熔反应和焦炭龟裂，结果耐磨性大大降低，形成焦粉进入炉渣中，降低炉渣流动性，使炉内料柱的透气性降低，这就说明：高炉容积愈大，对焦炭的反应性要求愈低，一般要求CRI<35%。（二） 焦炭的反应后强度（CSR）焦炭的反应后强度是高炉下部焦炭反应后性能的要求，通常将反应后强度指标称之为热强度。从生产实践证明：焦炭的反应性与反应后强度有着较好的相关关系是：反应性高的焦炭孔孢壁碳熔损大，其反应后强度低；通俗的说：就是焦炭的反应性愈高，则反应后强度就愈低。焦炭反应后强度与高炉内处于软融带强度相一致，它在与高炉下部的透气性有着良好的相关性，一般来说反应性高的焦炭其冷态转鼓指数M就差，反之，10反应性低的焦炭M就好。若反应性相近似值的焦炭，冷态转鼓强度高，反应后10强度也高。（三） 高炉冶炼对焦炭质量的要求焦炭在高炉冶炼过程中，起着发热剂、还原剂和支撑炉料的三大作用，故此对焦炭的质量要求是：1. 固定碳（C）碳含量要高，即灰分和挥发分要低。2．有害的杂质硫、磷含量要低。耐磨和抗碎强度要好。反应性要低，反应后强度要高。

5．水份要低而稳定。满足上述要求，可以保证高炉生产达到高产、优质、低耗，还可有效提高利用系数，冶炼强度高，焦比低得到低硫、磷的优质的生铁。五、 冶金焦炭的质量标准（GB1996—2003）种类大块（〉40mm） 大中块（〉25mm）中块（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机抗 II《76.0《88械碎III《72.0《83M10I<7.5<7.0强耐 1<8.5<8.5度磨 III<10.5<10.5反应性CRI %I<30I<35I/反应后强度CSR%I<55I<50I/挥发份Vdaf%<1.8水份Mt %4.0±15.0±2>12焦末含量 %才4.0才5.0>12该标准是冶金焦国家最新标准，其中增加了CRI和CRS两项指标;水份指标作参考指标,企业内部可制订内控指标.对焦炭的质量控制对焦炭的质量控制，这里主要是针对冶金焦炭的质量控制。这对钢铁企业中的高炉炼铁是非常重要的，因为钢铁企业中的焦化厂所进行煤干馏得到的焦炭主要是供给高炉炼铁用的，高炉炼铁对冶金焦的质量要求本文在前面已明确阐述。对焦炭的质量控制，也就是对不利焦炭质量的因素的控制，深层研究也就是对作为炼焦炭的煤和炼焦工艺过程有关因素的控制。（一）影响冶金焦炭质量的因素（1）配合煤的成份和性质对焦炭质量的影响配合煤的成份和性质决定了焦炭中的固定（C）、灰份（Vdt）、硫份（Sed）攻磷份（P）的含量。而焦炭的块度和强度在很大程度上是取决于原料煤的成份和性质。配合煤是由各种单种煤配制而成，也就是说原料煤的成份和性质决定了配合煤的成份和性质。如：配合煤中的硫份和灰份低，说明单种煤的硫份和灰份低，所炼出的焦炭的硫份和灰份也低。比如：在配合煤中增加高挥发份，低变质程度的气煤所炼出的焦炭细长，块度小，若在配合煤中增加焦煤和瘦煤，炼出的焦炭就会使收缩裂纹减少，块度增大。若在配合煤中配有含无机物矿物质增多（也就是所说的灰份）也就会影响焦炭的强度。这说明配合煤的成份和性质是由各单种煤的成份和性质决定的，除此外，配合煤的粉碎细度也会影响焦炭的强度，粉碎细度影响堆比重，由于煤的结构复杂，所粉碎的细度也不一定一样，故此对细度的要求不能一概而论（一般要粉碎粒度小于3mm的要控制在80—85%为好，要求细度波动值不应大于1%,可使焦炭质量稳定）。（2）炼焦加热制度对焦炭质量的影响炼焦加热制度是影响焦炭质量因素之一，而影响焦炉的加热制度的主要因素是炼焦的加热速度和结焦末期的温度，加热速度和结焦末期的温度都与结焦时间有关，结焦时间愈短则加热速度愈快，标准温度就愈高，而结焦末期温度也就高。通过生产实践研究表明：当加快结焦速度时，可使煤在干馏过程中使焦质体的流动性增加，炼出较好而坚固的焦炭，这是好的一面，但是加快结焦速度，也会使焦炭收缩裂纹增加，焦炭的块度变小，强度降低，这又是不利的一面。我国设计的1X55孔大型6米焦炉设计的结焦时间为19小时，若结焦时间小于设计结焦时间1小时，贝U大块焦（＞40mm粒度）就降低约6%左右，当然不同的配煤比也有所不同。加快加热速度时，中块冶金焦（25—40mm）就会增加，但平均焦炭的块度也下降了。6米焦炉设计结焦时间为19小时，在炼焦过程中焦炭在20小时才真正的成熟，大于20小时后，焦炭在炭化室中保温阶段。（宝钢炼焦工艺，同样6米大容积焦炉是采用结焦时间21小时，火落温度控制实际上就是控制炼焦加热速度和结焦末期的温度方法。）通过提高结焦，末期的温度，可以增加焦炭的耐磨强度（M）同时也可以10减少小于10mm的焦末的产率，但是必须要考虑到在此同时也会减小焦炭的块度，因此造成焦炭最终收缩增加，小裂纹增多，块度变小，整个抗碎强度M降低。10因此，炼焦工艺要求必须要制定合理的加热制度，执行过程中必须要稳定，不可以波动太大，使成熟的焦炭有尽可能小的磨损和得到尽可能大的块度，来保证焦炭强度的质量指标。（3）煤料在焦炉炭化室内的堆比重对焦炭质量的影响影响炭化室内煤料的堆比重,也是影响焦炭质量因素之一，其因素很多，如：堆比重是取决于设计炭化室的高度，装煤操作方式，煤料在炭化室里的形状，配煤的细度和水等都能影响堆比重。对影响焦炭质量而言，增加炭化室内煤料的堆比重，可以使煤料在干馏过程紧密结合，由此获得机械强度较高的焦炭，使M%上升M%下降。当今，国内外炼焦工艺增加装煤的堆比重的方式有：进行煤4010干燥预热或增设煤调湿工艺，增加配型煤工艺，捣固炼焦，采用高炭化室大容保积焦炉，提高加煤速度等都能增加装炉煤的堆比重，达到改善和提高焦炭质量的目的。从上述分析三大因素影响冶金焦炭质量的原因，针对不利焦炭质量的因素是作为炼焦生产工艺控制焦炭质量的原则和手段，以达到提高焦炭质量目的。三、提高焦炭质量的其它途径提高焦炭质量除了主要从炼焦工艺的主要因素着手，还要从其它方面，如对干馏后的焦炭提高强度指标来保证焦炭质量进一步提高。（一）焦炭整粒对焦炭进行整粒，使经进一步整粒的冶金焦块度趋于均匀转鼓强度也相应的提高，进入高炉后，可以改善炉料的透气性，有利于高炉增产和降低焦比。实践证明冶金焦的粒度并不是愈大愈好，在国外和国内的一些厂家反复试验应用粒度大于80mm或100mm普通焦炭高炉生产焦比要上升，采用小于80mm的冶金焦,焦比就下降，若高炉采用经整粒后的25mm—75mm的冶金焦，使高炉焦比大大降低。所采用整粒方法就是用切焦机对大于80mm以上的焦块进行破碎。经切焦机破碎的焦炭机械强度明显得到提高。（二）干熄焦目前，各国公认干熄焦炭优于湿熄焦炭。我国于上世纪80年代宝钢首家从日本引进干熄焦装置，现在这项技术已在本世纪初在国内