典型炼焦煤成焦界面结合特性及其焦炭高温强度的研究.pdf

收稿日期:基金项目:国家自然科学基金资助项目()中国五矿科技专项计划资助项目()作者简介:夏婧()本科生 .通讯作者:刘 洋 硕士/讲师 .典型炼焦煤成焦界面结合特性及其焦炭高温强度的研究夏 婧 刘 洋 郑亚杰 武振宇 徐国忠曲艳婷 刘 冰 白金锋(辽宁科技大学化工学院 中冶焦耐工程技术有限公司 唐钢美锦(唐山)煤化工有限公司)摘 要 焦炭的界面结合对提高焦炭质量有十分重要的作用 实验选用五种炼焦煤分别配入弱粘结性的 贫瘦煤进行坩埚焦实验 随着煤料粒度增大和贫瘦煤含量增加 炼焦煤界面结合指数下降 肥煤自身黏结性好 界面结合指数影响较小 而/焦煤和焦煤则影响较大同时分别完成了 煤和 煤与 贫瘦煤的共炭化实验 表明随着界面结合指数的提高焦炭的高温热性能得到了较好改善 相应地 微晶结构更加规整 碳层堆积高度和碳网平面直径增大关键词 炼焦煤 界面结合 焦炭反应性 抗压强度 高温溶损文献标识码:文章编号:()().)./.随着我国钢铁行业的快速发展 绿色高效冶炼技术逐渐推行 对高炉冶金焦性能提出更高的要求 焦炭质量受多种因素影响 如配煤工艺、炼焦工艺和熄焦工艺等 但本质上仍由炼焦 冶 金 能 源 煤的性质决定 炼焦煤的结焦性由其变质程度和微观结构决定 不同的显微组分具有不同的微观结构特征 最终体现为不同的物理性质、化学性质和工艺性能 目前仅凭炼焦煤的传统常规指标已经不能全面准确地评价单一煤种无法准确地指导配煤生产 也无法确保焦炭质量始终稳定 所以在国内优质炼焦煤资源短缺的情况下 如何调整配煤结构 提高不同煤种间的相互结合能力 稳定焦炭质量已成行业学者们研究的重点关于不同炼焦煤结合能力的研究 大多集中在两种或多种原料成焦界面结合方面 在界面结合指数对焦炭高温热性能的影响方面鲜有报道 因此 建立焦炭界面结合指数与其高温热性能的关系对制备高质量冶金焦至关重要文章针对国内某焦化厂炼焦生产用煤添加贫瘦煤后焦炭界面结合的变化情况 深入剖析炼焦煤成焦机理 通过炼焦煤黏结性能的差异 获得不同种炼焦煤热解过程中的相互作用关系 并对不同界面结合能力的焦炭进行反应性、反应后强度和抗压强度等分析 以及高温溶损性能的评价 探寻界面结合能力与焦炭性能之间的系统性联系 以此为炼焦煤合理利用、优化配煤结构提供一定的理论支持 实验部分 实验原料选择国内某焦化厂六种炼焦煤作为实验原料 进行炼焦煤煤质分析 如表 所示 焦炭界面结合指数的测定称取、和 各 分别与 混合均匀后 装入刚玉坩埚 进行两种煤的坩埚焦共炭化实验 和 混合制成的焦炭命名为 其他焦炭均以此种方式命名 在焦炉炉墙达到 时 将刚玉坩埚放入 试验焦炉中 后温度升至 随后恒温 取出焦炭冷却后烘干制成焦炭光片 将制备好的焦炭光片放在偏光显微镜下 放大 倍后观察焦炭的结合状况 把焦炭界面的结合状态分为有明显痕迹的结合和呈沟槽状界面的不结合在焦炭光片上随机选取 个不重叠视域进行观测 用目镜中的标尺先测得总长度 然后分别测定 每个样品测定四次以上 取其算术平均值 具有结合状态界面的百分数 即为焦炭界面结合指数焦炭界面结合指数 结合界面长度总长度()焦炭高温性能及强度实验 焦炭的反应性实验称取粒度在 焦炭试样 在 条件下干燥 并装入加热炉内 在高纯保护下设定不同热处理终温 并在达到此温度时恒温 将热处理后的焦炭进行反应性和反应后强度的研究 以反应失去的质量占反应前的质量的百分数作为反应性 将反应后焦样进行转鼓实验 用 方孔筛筛分 以筛上物的质量占入鼓总质量的百分数作为反应后强度 焦炭高温抗压强度实验将焦炭制成直径 、高 的圆柱体 放入压力测试仪中 通入高纯 保护 以 /分别升至不同热处理温度 并在此温度下恒温处理 后 通过压力实验机检测焦炭试样的抗压强度表 炼焦煤的常规煤质分析煤样名称工业分析/胶质层指数/焦煤 肥煤 肥煤 焦煤 焦煤 贫瘦煤 冶 金 能 源 焦炭高温溶损反应实验实验选取粒度 焦炭试样 在 条件下干燥 并装入高温反应炉内 当炉温达到 时 以 /的流量通入 设定不同热处理温度 在达到此温度并恒温 后 分别升温至 通入流量 /的 恒温反应 后用 冷却至室温 通过焦炭的失重量可以得到该温度下的碳转化率 结果与讨论 典型炼焦煤界面结合能力的研究 炼焦煤粒度对焦炭界面结合指数的影响将五种炼焦煤分别配入 在 、和 粒度下研究焦块的界面结合指数 结果如图 所示图 不同粒度焦炭的界面结合指数在相同粒度条件下 以 炼制的焦块为例 和 焦炭的界面结合指数较高 分别为 和 和 焦炭的界面结合指数相差不大分别为 和 焦炭的界面结合指数最小为 因为肥煤在热解过程中会释放出大量胶质体 胶质体流动性好 对惰性物颗粒包裹能力强 界面结合指数相对较高随着煤料粒度增大 所得焦块的界面结合指数都呈现下降趋势 其中 焦炭粒度分别为 、和 时 界面结合指数分别为 、和 当粒度从 增大到 界面结合指数降低较少 当粒度增大到 以后 界面结合指数有明显下降 这主要是因为在热解过程中 煤料粒度小 煤粒之间空隙相对较小 接触面积大 胶质体更容易填充煤粒间的空隙 在成焦时 煤颗粒连接紧密 焦炭结合度高 贫瘦煤含量对焦炭界面结合指数的影响实验研究了炼焦煤粒度在 之间 配入量为、和 时 五种炼焦煤界面结合指数的变化规律 结果如图 所示图 不同惰性物含量焦炭的界面结合指数随着 配入量增加 五种炼焦煤焦块的界面结合指数均呈降低趋势 的配入量从 提高到 时 、和 焦炭的界面结合指数分别降低了 个百分点、个百分点、个百分点、个百分点和 个百分点 当 配入量从 增加到 时 、和 焦炭的界面结合指数分别降低了 个百分点、个百分点、个百分点、个百分点和 个百分点 当贫瘦煤配入量高于 时 热解过程中产生的胶质体难以将煤颗粒有效地粘结到一起 炼焦煤界面结合能力降低 所以在配煤炼焦时 贫瘦煤的配入量要适中将粒度在 之间的 与 以不同比例配煤炭化后的焦炭进行显微镜观察 方案()中间偏左部分焦炭结合效果较好 有明显的界面结合 方案()虽有部分大孔 但中部 被 煤大部分包裹 方案()脱落界面 冶 金 能 源 多 界面连接处较少 焦炭孔隙率最大 随着 配比的提高 热解过程中产生的胶质体减少焦炭的界面结合能力减弱 焦炭孔隙增多 炼焦煤焦炭界面结合能力对焦炭高温性能研究 界面结合能力与焦炭热态性能的关系将粒度在 之间的 和 分别添加 后进行 焦炉炼焦实验 对 和 焦炭在 热处理后焦炭界面结合指数和热态性能进行测定随着热处理温度升高 和 焦炭的界面结合指数逐渐升高 而反应性 降低 如图 所示 和 焦炭的界面结 合 指 数 分 别 从 时 的 和 提高到 时的 和 同时 分别从 时的 和 降低到 时的 和 其中 从 升高到 时 界面结合指数的显著提升使得焦炭反应性明显下降 随着界面结合指数提高 焦炭的反应后强度较为明显的增加如图 所示 和 焦炭的 分别从 时的 和 增加到 时的 和 在 时焦炭的反应后强度亦有明显增加 但在 反应后强度曲线趋于平缓、增加较少随着热处理温度升高 焦炭的石墨化程度升高 焦炭的微观结构趋于规整 碳网层结构致密 煤颗粒间连接紧密 焦炭界面结合指数提高 从而减少了孔隙面积 降低了二氧化碳的扩散能力 导致两种焦炭反应性下降 同时 更多地保留了焦炭原有碳骨架结构 反应后强度增高 界面结合能力与焦炭高温抗压强度的关系实验在 对 和 焦炭恒温热处理后 进行抗压强度测定 随着热处理温度的升高 和 焦炭界面结合指数和抗压强度均呈上升趋势 实验结果如图 所示当温度从 提高到 时 焦炭的抗压强度从 提高到 焦炭的抗压强度从 提高图 不同热处理温度焦炭的反应性和界面结合指数曲线图 不同热处理温度焦炭的反应后强度和界面结合指数曲线图 不同热处理温度焦炭的抗压强度曲线到 焦炭在各个温度下抗压冶 金 能 源 强度都高于 焦炭 两种焦炭的抗压强度和反应后强度反映出相同特性 即在 有一个显著的提升 较高的热处理温度 使焦炭微孔结构趋于规整 碳层平面排列整齐 煤料间结合程度高 抵抗外力作用强 抗压强度数值相对较高在 时 和 焦炭的抗压强度曲线如图 所示 在实验前期 两种焦炭的抗压强度曲线上升缓慢 以后 焦炭的碳骨架随着压力的持续输出 抗压强度增大 和 焦炭分别在 和 时抗压强度达到最大值 而后碳骨架结构被破坏 抗压强度急剧下降 由于 和 焦炭在 下焦炭自身界面结合程度不同 最大抗压强度亦有差异 分 别 为 和 且 焦炭的抗压时间比 焦炭的长 说明了 焦炭在高温下抗压能力优于 焦炭图 焦炭 抗压强度曲线 界面结合能力与焦炭高温溶损反应的关系将不同热处理温度下的 焦炭干燥后 选取 粒级的焦炭 在 下通入 研究不同热处理温度后焦炭在 时碳溶损的变化规律不同热处理温度下 焦炭的溶损反应曲线 如图 所示 热处理温度分别为 和 的 焦炭碳转化率分别为 和 随着热处理温度升高 宏观上 焦炭界面结合线增大 煤粒间连接部分增多 微观上 碳微孔结构逐渐趋于规整 使得焦炭的孔结构更密实整齐 减少了焦炭的活性位点 降低了与 的反应能力图 不同热处理温度下的溶损率曲线在不同热处理温度下 焦炭的溶损速率曲线 如图 所示 随着热处理温度升高 焦炭在 之间溶损速率均有降低 焦炭在处理温度为 时 最大溶损速率为 /热处理温度为 时 最大溶损速率为 /这是由焦炭自身界面结合能力决定的 与 相比 处理后的焦炭 界面结合能力强 孔隙率小 骨架强度高 不能轻易通过孔隙快速到达焦炭内部 使得单位时间内 与焦炭的接触面积减小 抗 侵蚀能力强图 不同热处理温度下的溶损速率曲线 结合能力与焦炭微晶结构的关系焦炭的 谱图主要存在 峰和 峰通过对 峰和 峰的比较来探究焦炭样品的石墨化程度 峰表示焦炭微晶中芳香碳层在其排布空间上的定向程度 即碳层平面的堆积高 冶 金 能 源 度和层间距 峰表示其微晶中芳香碳网层直径大小 实验在 下对 焦炭进行了 测定 如图 所示图 不同热处理温度下 曲线随着热处理温度的升高 焦炭 峰变得狭窄且尖锐 说明热处理温度的提高可以改善焦炭微晶结构 使芳香碳网层定向程度趋于有序化 同时 焦炭 峰也有所增加 但不明显 高温处理有利于焦炭芳香结构的聚合 使碳网层平面直径更大 碳层堆积高度增加 焦炭微观碳网层排列越规整 焦炭强度越高 与前文界面结合指数随温度的变化规律一致通过焦炭 谱图进行微晶结构相关参数计算 根据布拉格公式、谢乐公式等计算焦炭的微晶面层间距、碳层堆积高度、碳网直径 芳香片层数和芳香碳层的芳环个数 焦炭不同热处理温度下焦炭界面结合指数与微晶结构参数关系 如图 所示图 界面结合指数与微晶结构参数关系随着焦炭界面结合指数升高 的碳层堆积高度和碳网平面直径均增加 在高温热处理下 碳原子之间的结合能力强 界面结合程度高 使得碳层堆积高度和碳网直径均有提升 形成的碳原子微观结构好 焦炭性能也更好 结论()随着煤料粒度增大 焦炭界面结合指数均减小 当炼焦煤粒度从 增大到 时 焦炭的界面结合指数从 降低到 相对较小的粒度降低了煤粒间的空隙 有利于胶质体的填充 焦炭结合度高()焦炭热处理温度升高 焦炭界面结合指数增大 碳微观结构趋于规整 碳网层结构致密 与 反应能力降低 焦炭反应性降低更多地保留原有骨架结构 反应后强度升高 焦炭热处理温度从 提高到 界面结合指数从 提高到 反应性降低了 个百分点 反应后强度提高了 个百分点 抗压强度从 提高到 ()焦炭界面结合能力提高 强化了焦炭骨架结构 降低了与 反应能力 焦炭碳转化率从 的 降低到 的 抗溶损能力提高 溶损速率曲线同样受到影响 热处理温度升高 焦炭最大溶损速率由 的 /降低到 的 /参考文献 张建良 刘征建 李克江 等“双碳”战略下我国炼铁工业的绿色低碳发展.炼铁 ():邵建男 兰臣臣 张淑会 等 高炉富氢冶炼后焦炭的性能演变研究现状及展望.中国冶金 ():潘林辉 黄胜 时峰 等 气煤替代/焦煤的配煤方案优化试验.中国冶金 ():魏侦凯 炼焦煤焦化关联性与焦炭质量的相关性研究.唐山:华北理工大学:(下转第 页)冶 金 能 源 ().:刘书含 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