炼焦煤挥发分析出规律对焦炭孔结构的影响_胡文佳.docx

《炼焦煤挥发分析出规律对焦炭孔结构的影响_胡文佳.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《炼焦煤挥发分析出规律对焦炭孔结构的影响_胡文佳.docx（68页珍藏版）》请在得力文库 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、中图分类号： TQ522.16 U D C： _ 论文编号： HBT.G2016-341 密 级： 公 开 石页士学位论文 炼焦煤挥发分析出规律对焦炭孔结构的影响 作者姓名： 胡文佳 学科名称： 化学工稈 研究方向： 棋化工新抟术及下游产品开发 学习单位： 牮北理 T.太学 学制 :2.5年 提交日期： 2015年 11月 30日 申请学位类别： 工程硕士 导师姓名： 梁 英 华 教 授 单位： 华北理工大学 郭 瑞 博 士 单位： 华北理工大学 韩小东 if高工 单位： 唐山市热力公司 论文评阅人： 刘太成教授 单位： 唐山学院 谢全安副教授 单位： 华北理工大学 论文答辩日期： 2016年

2、 02月 28日 答辩委员会主席： 刘大成教授 关键词：焦炭；挥发分；粘结性；气孔结构；数学模型 唐山华北理工大学 2016年 03月 The Effect of Devolatilization Behavior of Coking Coal Volatile Matter on the Pore Structure of Coke Dissertation Submitted to North China University of Science and Technology in partial fulfillment of the requirement for the degree

3、 of Master of Engineering by Hu Wenjia (Chemical Engineering) Professor Liang Yinghua Supervisor: Ph D. Guo Rui Han Xiaodong March, 2016 独 创 性 说 明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含 为获得华北理工大学以外其他教育机构的学位或证书所使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了 明

4、确的说明并表示了谢意。 论文作者签名： &日期： 2016年 03月 3 口 关于论文使用授权的说明 本人完全了解华北理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：已获学位的研究生必须按学校规定提交学位论文，学校有权 保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以将学位论 文的全部或部分内容采用影印、缩印或编入有关数据库进行公开、检 索和交流。 作者和导师同意论文公开及网上交流的时间 : 0自授予学位之曰起 自 年 月 日 起 作者签名 : 签 字 日期 : 2016年 03月 3日 导师签名 : 签 字 日期 : 2016年 03月 3日 摘 要 摘 要 焦炭的气孔结构对其冷态机械强

5、度 （ M4、 M1()和热态性能 （ CRI、 CSR)有 着至关重要的影响，进而影响着高炉冶炼的稳定进行。就此，开展对煤成焦过程中 气孔形成规律的研究，以期为炼焦生产提供理论指导。 选取具有代表性的不同变质程度的炼焦煤：气煤、肥煤、焦煤，并在变质程度 不同的煤样间以 1:1的比例进行配合。在炼焦终温分别为 500 C、 600 C、 800 C、 950 C下，对各单煤及其配合煤炼制坩埚焦。应用图像分析法测量所得焦炭的气孔 结构参数中气孔率、平均孔径、孔径分布，而比表面积应用氮吸附法测量，比较不 同终温下所成焦炭的气孔结构差异。实验结果表明：终温为 500 C、 600 C所 成焦炭 的气

6、孔结构最发达，说明此温度段内是焦炭气孔结构发展的关键阶段。肥煤在 950 C所成焦炭的气孔结构比气煤、焦煤所成焦炭的气孔结构发达，并且单煤与其 配煤在 950 C所成焦炭的气孔结构参数间具有一定加和性。 测定了煤样热解 （ 0 950 C)时的挥发分析出特性（挥发分析出最大失重速率 DTGmax， 0300 C、 300600 C、 600800 C、 800950 C 温度段内挥发分析出 率）、粘结特性（吉氏流动度 LgMF)。运用 SPSS分析软件，对所得高温焦炭的气 孔结构参数与上述特性参数间进行多元线性回归，建立数学模型，分析焦炭气孔结 构形成的影响因素。模型分析表明，煤样热解时的最大

7、失重速率 （ Xi)和吉氏流 动度 （ X2)是影响焦炭气孔结构形成的最关键因素。同时 800 950 C挥发分析出率 (X3)和平均最大镜质组反射率云 max (X6)也有一定影响。结合煤样热解时的粘 结流动与挥发分析出特性建立焦炭气孔参数模型，结果直观、精确度高，对配煤炼 焦生产有很大的指导意义。 图 13幅；表 31个；参 91篇。 关键词：焦炭；挥发分；粘结性；气孔结构；数学模型 分类号： TQ531.2; Abstract The pore structure of coke has a very important influence on the mechanical stren

8、gth (M40, Mi ) and thermal performance (CRI, CSR), and the stability of blast furnace smelting is affected. Thus, this study carried out research on the formation law of coke pore in coking process, to provide the oretical guidance for coke production. Some representative coking coals with different

9、 coal ranks are selected, including gas coal, fat coal and coking coal. Blending was carried out with the ratio of 1:1, among the coals with different degrees of metamorphism. At 500 C, 600 C, 800 C and 950 C crucible coke were made with single coal and blended coal. For the pore stucture parameters

10、 of coke, the porosity, average pore size and pore size distribution were measured by image analysis, and the specific surface area was measured by nitrogen adsorption method. The pore stucture of coke under the different final temperature were compared. Experimental results show that, the coke whic

11、h was made at 500 C , 600 C has the most developed pore stucture， indicating that 500 600 C is the key stage for the development of coke pore structure. At 950 C , the coke which was made with fat coal has more developed pore strcuture than the coke which was made with gas coal, fat coal. The pore s

12、tructure parameters of coke have a additivity, this coke were made with single and blending coal. The caking property and volatile release characteristics of testing coal sample were tested. Test parameters include maximum weight loss rate (DTGmax), Gieseler fluidity (LgMF) and volatile matter yield

13、 in different temperature section (0 300 C , 300 600 C , 600 800 C , 800 950 C ) . Multiple linear regression was performed among the above parameters and mathematical model was established by SPSS analysis software, to analyze the factors affecting the formation of coke pore. The model analysis sho

14、ws that DTGmax (Xi) and LgMF (X2) are the most important factors for the pore structure. And the average maximum reflectance of vitrinite Rmx and the percentage of volatile matter in 800 950 C have a certain influence. The prediction model of coke pore structure has intuitive results and high accura

15、cy. It has a great guiding significance for coke production. Figure 13; Table 31; Reference 91 Keywords: coke, volatile matter, caking properties, porosity structure, mathematical model Chinese books catalog: TQ531.2 目 次 弓丨 g . 1 第 1章文献综述 . 2 1.1焦炭的性能指标与高炉冶炼 . 2 1.1.1焦炭在高炉中的变化与作用 . 2 1.1.2焦炭性能指标的影响因

16、素 . 4 1.2孔结构与焦炭性能 . 6 1.2.1孔结构对焦炭冷态性能的影响 . 6 1.2.2孔结构对焦炭热态性能的影响 . 7 1.3焦炭孔形成机理 . 8 1.3.1炼焦煤成焦过程 . 8 1.3.2烟煤热解过程的成孔行为 . 8 1.4炼焦煤挥发分析出规律对焦炭孔结构影响课题提出的意义 . 11 第 2章实验部分 . 12 2.1研究内容及实验方案 . 12 2.1.1研究内容 . 12 2.1.2实验方案 . 12 2.2实验设备 . 16 2.3实验用煤的性质分析 . 16 2.3.1煤质分析 . 16 2.3.2煤岩分析 . 17 2.4煤的粘结性指标分析 . 18 2.5煤

17、的挥发分析出特征分析 . 20 2.6焦样的制备 . 23 第 3章煤成焦后孔结构分析 . 25 3.1炼焦煤成焦过程中孔结构的变化 . 25 3.2炼焦煤最终成焦后孔结构的差异 . 29 3.2.1单种煤 950 C成焦后的孔结构差异 . 29 3.2.2配合煤 950 C成焦后的孔结构差异 . 30 3.3小结 . 32 第 4章焦炭气孔模型的建立 . 33 4.1微米级气孔模型的建立 . 33 4.1.1模型参数的选择 . 34 4.1.2回归模型的建立 . 35 4.1.3回归模型的检验 . 41 4.1.4回归模型分析 . 43 4.2纳米级气孔模型的建立 . 44 4.2.1模型参

18、数的选择 . 44 4.2.2回归模型的建立 . 45 4.2.3回归模型的检验 . 47 4.2.4回归模型的分析 . 48 4.3 /H吉 . 48 50 参考文献 . 52 if . 57 导师简介 . 58 作者简介 . 59 学位论文数据集 . 60 焦炭是高炉冶炼必不可少的原料，其性能直接影响料柱的透气性、透液性以及 炉内其他状况 1。焦炭作为炉内软熔带以下高温区唯一的固态物质，承载着炉内的 机械负荷，抵抗各种物理破坏和化学侵蚀 2_3，为此要求焦炭要具有 良好的冷、热 态性能。 焦炭是一种碳质多孔材料，孔结构对焦炭性能有至关重要的影响。焦炭的气孔 壁显微强度影响其冷态强度 （ M

19、1Q、 M4Q)，而且气孔率 W、 不同级别气孔的分布以 及气孔的圆度 5、气孔的形状和彼此的连接方式等也都会影响焦炭的冷态强度。 同时研究表明 7_9，焦炭的气孔结构与其热性能密切相关。焦炭气孔率和平均孔径 増大，使焦炭在高炉中的碳溶反应变得更加剧烈，破坏了焦炭的气孔结构，加剧了 焦炭在高炉中的劣化程度，使焦炭的热态强度降低。因此，焦炭的气孔结构是其宏 观性能好坏的决定性因素之一，有必要对煤成焦过程中气孔结构的形成规律进行研 究。但研究表明煤成焦过程中气孔结构发生剧烈变化，主要集中在热塑性阶 段。此阶段内煤的粘结特性和挥发分析出特征，构成了煤成焦过程中孔形成、发展 和融并的主要影响因素。而塑

20、性阶段内形成的气、液、固三相共存的胶质体又和煤 的粘结特性和挥发分析出紧密相关，而胶质状态是一个复杂多变的阶段，很难应用 试验手段精准把握此阶段内气孔的形成机理，这就增加了研究成焦过程中气孔形成 规律的难度。目前对于成孔规律的研究报道甚少，更没有方便而准确的预测焦炭气 孔结构的方法。 为此，本研究从炼焦煤粘结和挥发分析出特征方面入手，测定了煤高温 (950 C)热解时，表征粘结特性和挥发分析出特性的参数。并运用 SPSS软件， 进行焦炭气孔结构参数与上述特性参数间的多元线性回归分析，建立焦炭气孔结构 参的数模型。定量分析各影响因素对气孔结构形成的贡献大小，为炼焦生产实践的 科学进行提供理论指导

21、。 第 1 章 文 献 综 述 1.1焦炭的性能指标与高炉冶炼 高炉冶炼是钢铁生产流程中的关键步骤，炼出高质量的铁水、降低焦比、保持 高炉操作的稳定性是人们所期望的。高炉冶炼的进行和良好的经济技术指标的获 得，均受焦炭质量的直接影响。因此，更好的控制焦炭的各项性能指标就变得尤为 重要。 1.1.1焦炭在高炉中的变化与作用 焦炭是高炉炼铁的重要原料，据干馏温度的不同可分为低温焦炭（半焦 ） 和高 温焦炭。高温焦炭通常是指烟煤在隔绝空气的条件下由室温加热至 l 5( TC， 历 经干燥脱气、分解、解聚、缩聚等阶段最终形成一种脆性、多孔、碳质的块状材料 12_13。由于生产条件和原煤性质的差异，可形

22、成不同质量和规格的高温焦炭，按其 用途可分为冶金焦、气化焦、电石用焦等。其中冶金焦包含用于冲天炉熔铁的的铸 造焦，用于生产铁合金的铁合金用焦。然而，绝大部分的冶金焦是应用于高炉炼铁 的高炉焦炭。本文涉及的焦炭均指高炉焦炭，了解焦炭在高炉中的变化及作用对指 导配煤炼焦有很大的实际意义。 焦炭在高炉中其性能在由炉顶到风口的各区段内不断发生变化，直至最终几乎 完全燃烧。该变化取决于焦炭质量与高炉操作，并直接关系到高炉冶炼过程的顺利 进行。所以了解焦炭在高炉中不同区段内（炉喉、炉身、炉腰、炉腹和炉缸 ） 的变 化，有助于我们更好的认识焦炭在高炉中的作用 。 在高炉块状带的上、中部，由于受静压挤压、机械

23、冲击和磨损等造成焦炭一定 程度的劣化；而在块状带的下部（高于 800 C)区域，焦炭开始与铁矿石间接还原 产生的 C02发生溶损反应，由于机械作用和碳溶反应造成焦炭块度和强度的降低， 但变化程度不明显。 在软融带，由于温度升高，焦炭与铁矿石还原产生的 C02发生强烈的气化反 应，同时含铁粉尘、碱金属和碱土金属进一步促进了气化反应，软熔炉料与焦炭的 紧密接触导致焦炭的化学侵蚀和热机械破坏増强。在气化过程中，溶损反应导致焦 炭的碳损耗和表面物质的剥离，致使焦炭劣化加重并 产生粉焦 14_15。 在炉腹区，温度范围约为 1200 C 1500 C。 液态渣铁通过此区焦炭层滴下进入 炉缸，焦炭对铁氧化

24、物进一步还原并对液铁进行渗碳。此区焦炭最终大部分流向回 旋区，部分移向死料柱 16。在此区域，焦炭气化反应主要发生在焦炭的表面，对焦 块内部影响较小。但受高温的影响使焦炭石墨化，进而焦炭的结构强度变差，基质 强度降低。 风口回旋区 （ Raceway)是炉缸外围焦炭燃烧的空腔，焦炭颗粒与热风在此区 域内高速回旋燃烧，产生 2000 C左右的高温。焦炭与 02快速燃烧产生的 C02向周 边区域扩散，使周边区域焦炭迅速气化。由于风口高速气流的冲击和气化反应致使 焦炭的粒度急剧减小，强度急剧降低。回旋区内气化反应导致焦炭劣化层的生成， 气流的冲击造成劣化层的脱落，使产生的焦炭粉末被吹出回旋区进入焦炭

25、床，破坏 了料柱的透气、透液性能，使高炉下部操作变差。同时回旋区内的高温环境，使焦 炭的石墨化程度大幅提高 17，高温也使焦炭中矿物质发生还原反应，上述这些变化 使焦炭劣化产生粉焦。 在死料柱区域焦炭与熔融渣铁间强烈接触，除对铁氧化物还原和铁水渗碳外 ， 还会影响炉缸的活跃程度和出铁出渣时渣、铁的流动状态 18。 综上分析，焦炭在高炉冶炼过程中，从炉顶到风口的不同区域内发生了碳溶反 应、石墨化和溶解以及经受了各种物理破坏和化学侵蚀等劣化作用而最终粉化。针 对焦炭在高炉的不同区域发生的不同变化，可以概括出焦炭在高炉炼铁过程中所发 挥的作用主要是：提供热源、还原剂、渗碳剂及疏松骨架的作用 19-2

26、 。 1) 提供热源：高炉冶炼是一个复杂的高温物理化学过程，铁矿石的还原和熔化 分离都需要大量的热量，这些热量主要靠焦炭、风口喷吹的燃料（如煤粉）和热风 提供。其中由焦炭燃烧供给的热量占全部热量的 75% 80%，是高炉冶炼的主要供 热源。 2) 还原剂：生铁中的主要成分 Fe、 SK Mn、 P等元素都是从矿石的氧化物中 还原得来的。高炉中矿石的还原是通过间接还原和直接还原来完成的，间接还原以 CO作为气体还原剂，主要发生在高炉中温度低于 110CTC的区域。而对于高炉中温 度高于 110CTC的区域，主要发生消耗固体还原剂 C的直接还原。焦炭作为廉价的还 原剂，提供大量的一氧化碳及未然烧的

27、碳作为铁矿石的还原剂。 3) 渗碳剂：焦炭是生铁组成成分中碳的来源，生铁中所含的 3.5 % 4.5 %的碳 几乎全部来源于焦炭。经过在软融带和滴落带焦炭与生铁间的接触，使生铁最终的 含碳量可达 4 %左右。 4) 疏松骨架：在高炉风口区以上的区域，焦炭是始终保持块状的物料，而铁矿 石和熔剂在由炉顶下降到此区域的过程中都已软化熔融，最终形成液态的铁水和熔 渣滴落到炉缸中，故在高炉料柱下降的过程中焦炭是唯一起支撑作用的骨架，同时 焦炭还承受着液态渣铁的冲刷。相比于其他炉料，焦炭堆积密度小、孔隙度大，其 体积占料柱总体积的 35 %50%，起到疏松料柱、保证料柱具有良好透气、透液性 能，是保持高炉

28、顺行的必要条件。 随着高炉冶炼技术的进步，焦炭在高炉内所承担的发热剂和还原剂的作用部分 地被其它喷吹燃料所取代，而焦炭作为料柱下降到软融带以下高温区后，炉内唯一 的固态物质，其支撑料柱的骨架作用是无法取代的，料柱的透气性、透液性以及炉 内其他状况均受其影响 19。 1.1.2焦炭性能指标的影响因素 焦炭的性能指标主要体现在焦炭的冷态机械强度 （ M4Q、 M1Q)和高温热态性能 (CRI、 CSR)两个方面。其中，焦炭的冷态性能主要反映了焦炭在 高炉中抵御破 碎、磨损等机械破坏的能力，与其在高炉中保持块度和粉化性能密切相关。而焦炭 的高温热态性能直接关系到高炉能否顺行，并且能很好的解释焦炭在高

29、炉中的降解 行为，是综合衡量与评定焦炭在高炉内性能的主要依据。为此，我们有必要对焦炭 的热态性能的影响因素进行了解。 在大量的文献调研的基础上，结合相关的研究内容和方法对焦炭热性能的主要 影响因素做了概括。包括：炼焦煤的性质、炼焦的工艺条件、焦炭中的光学组织及 灰中矿物质和焦炭自身的结构特点等。 1) 原料煤的煤质对焦炭热态性能的影响 焦炭的热性能受原料煤的煤质影响 很大，具体到原料煤的变质程度、粘结性指 标、惰性组分含量和所含灰成分都会对焦炭在高炉中的热态性能产生影响。 就煤的变质程度而言，变质程度不同的炼焦煤所炼制的焦炭热态性能不同。结 合焦化厂的生产实践，相关学者的研究表明 21，烟煤范

30、围内，由变质程度处在低等 和高等水平的炼焦煤所得焦炭反应性较高，而由中等变质程度炼焦煤所得焦炭反应 性较低，张代林等 在对坩埚焦热性能的分析研究中同样证实了这一规律。同样国 外有研究 23表明，焦炭的反应性和反应后强度都随原料煤的变质程度呈现规律性变 化。 炼焦煤的粘结性取决于 胶质体的数量和质量，并且炼焦煤粘结性的好坏直接关 系到所得焦炭内部粒子（变形粒子、惰性粒子）结合的牢固程度。国内外有关学者 的研究表明 24_28，炼焦煤的粘结性指数 （ G值 ） 、胶质层最大厚度 （ Y值）和吉氏 流动度 （ LgMF)等均对焦炭的热性质有重要影响，总的来说炼焦煤的粘结性越好， 所得焦炭反应性越低、

31、热强度越好。 煤中含有一定数量的惰性物有助于改善焦炭的反应后强度。 Ham 发现随煤化 程度和惰性组分含量的増加，焦炭反应后强度有一最佳值。有研究 M表明，用含惰 性组分在 20%左右的煤所炼制的焦炭反应性最低。另有研究 31_33也发现煤中含有一 定数量的惰性组分有利改善焦炭的热性质。 另外，焦炭的热态性能受煤中的灰分和灰成分影响也较大。大量的实验研究证 明 34_31灰成分中所含的碱性氧化物 （ K20、 Na20、 MgO、 CaO等）对焦炭的溶损 反应起到正催化的效果，而灰成分中所含酸性氧化物 （ B2 3、 TK)2等）对焦炭溶损 反应起到负催化的效果。两者对焦炭热态性能的优化和劣化

32、程度不同，常用矿物质 催化指数 MCI38来反应灰成分的催化能力，同时国内外的相关研究人员 在预测焦炭 反应性时也考虑煤中矿物质（灰分 ） 的催化能力，并提出了不同的指标来反应 其催化能力，比较完善的是加拿大 Price提出的碱度指数 MBI43， 将煤中矿物质分 为正、负催化两大类，但就不同矿物质的催化作用程度并没有考虑。 2) 炼焦工艺条件对焦炭热性能的影响 炼焦过程中的工艺因素对焦炭热性能也有很大影响。主要是炼焦温度、结焦时 间及熄焦方式等。炼焦温度直接影响炼焦煤的成焦过程。炉温高低、波动直接影响 焦炭块度、气孔率 44。半焦收缩阶段，若炉温向下波动会影响焦炭的缩聚和最终热 分解，进而影

33、响焦炭的孔隙率。同时炼焦升温速度的高低，会影响煤成焦过程中胶 质体的塑性停留时间，使焦炭的显微结构组成发生变化，从而影响焦炭的热态性能 45 。另外，提高炼焦终温即提高加热速度，会拓宽煤成焦过程中胶质体的塑性温度 区间，増强煤粒间的界面结合效应使焦炭的结构更致密，从而改善焦炭的热态性能 46 降低结焦速度、采取闷炉等方式来适当的延长结焦时间，能够改善焦炭的热态 性能。结焦时间延长加剧了焦炭的缩聚程度使气孔壁更致密，故提高了焦炭的反应 后强度 CSR47。有研究表明 48，在配煤指标相对稳定的基础上，基准的结焦时间为 18匕在此基础上结焦时间提高 111，焦炭 11降低 3.5%， 0811提高

34、 3.9%。 就熄焦方式而言，梁轶 M等研究表明，干法熄焦与湿法熄焦相比，焦炭的品质 明显改善，焦炭水分平均下降 6.7%，粒度均勻性提高，焦炭的 CSR提高了 6.5 %, 热态性能得到明显的改善。纪同森等通过比较济钢焦化厂不同熄焦方式（干、湿 熄）所得焦炭的热性能数据发现：在原料煤配比及其它炼焦条件都相同时，干熄焦 所产焦炭的热态性能优于湿熄焦所产焦炭的热态性能。关于湿法熄焦改善焦炭热性 能 方面，有研究采用熄焦喷洒剂来钝化处理焦炭，以降低焦炭的反应性。发现用 H3B03的水溶液熄焦，能使焦炭的反应性降低，从而改善焦炭热性能。总之，焦 炭所含水分较低时可以提高焦炭热性能 52，干法熄焦更有

35、利于改善焦炭的热态性 能。 3) 焦炭的光学组织及灰中矿物质对其热性能的影响 大量的实验研究表明 53_55，焦炭的光学组织及其所含矿物质与焦炭的热性能密 切相关。阿不幸弘的研究表明 56，在焦炭冷态强度一定时，炼焦技术应从焦炭光学 组织对焦炭反应性影响方面来改善焦 炭热态性能。有关学者曾在无碱条件下测定 C02反应前后焦炭中各种显微组分的变化 t5结果表明，焦炭光学组织中表现为各 向同性的结构（各向同性、类丝 +破片）能促进焦炭的反应性，而表现为各向异性的 结构（细粒镶嵌、粗粒镶嵌、流动状、片状结构）对焦炭的气化反应起抑制作用， 这可能与各光学组织中碳层结构有关 5同时相关研究也表明 59_

36、6焦炭光学组织 中镶嵌结构较多有利于焦炭热性能的改善。 但高炉冶炼过程中，矿石和焦炭均会把碱性物质 （ 碱金属、碱土金属）带入炉 中，并会在高炉中循环富集 t16。 a碱金属存在时，焦炭各光学组织反应性的大小顺 序改变 5各向异性组织与 C02的反应速度大幅增加。矿物质（碱金属）的存在影 响了焦炭光学组织的反应活性，进而影响焦碳热性能。武钢的研究发现 54，在其有 碱害的高炉中焦炭的反应性和反应后强度与焦炭中惰性组分和各向同性组分之和密 切相关，焦炭中 EISO (各向同性指数）相提高， CRI下降， CSR增高。窦庆增的 研究表明，组成焦炭孔壁材料各结构的气化反应，受碱催化作用的效果是不同的

37、。 各向同性结构的抗碱性好，它的存在可以对碱的催化作用起到抑制 62，而各向异性 结构的抗碱性相对较弱。但 Michiharu研究认为：碱的存在对焦炭显微结构的溶损 反应的选择性不明显总之，无论是否存在碱性物质，焦炭的光学组织都是影响 其热态性能的因素之一。 1.2孔结构与焦炭性能 焦炭是由气孔和气孔壁组成的碳质多孔材料，是高炉冶炼过程重要的原料。在 高炉冶炼工艺中，焦炭是不可或缺的料柱骨架，同时也是冶炼所需还原剂和热量的 主要来源。焦炭宏观性能的好坏直接关系到高炉冶炼操作的正常与否，特别是焦炭 的热态性能。而焦炭宏观性能又受到其微观结构决定，尤其焦炭的孔结构。 1.2.1孔结构对焦炭冷态性能

38、的影响 孔结构对焦炭的冷态性能有至关重要的影响。焦炭的机械强度不但受气孔壁显 微强度的影响，而且气孔率 W、 不同级别气孔的分布以及气孔的圆度 W、 气孔的形状 和彼此的链接方式 6等都会影响焦炭的机械强度，所以焦炭的孔结构对其冷态性能 有很大影响。 康西栋 M等通过显微与宏观图像分析相结合的方法，研究了北京焦化厂小焦炉 焦炭和生产焦炭的结构构造，并测试了其冷态机械强度。通过对实验结果的回归分 析表明，焦炭的结构构造与其冷态强度关系密切，焦炭气孔壁的厚度及其光学结构 组成是影响焦碳强度的主要因素，气孔壁越厚、各向异性结构越多，焦炭的冷态机 械强度越高。而气孔大小及其分布状况对焦炭强度的影响较小

39、。 1.2.2孔结构对焦炭热态性能的影响 相比于焦炭的冷态性能，焦炭的热态性能对于高炉冶炼更为关键。焦炭在高炉 高温的环境中，与 C02发生气固非均相的碳溶损反应。而焦炭是一种多孔材料，其 气孔结构 （ 气孔率、孔容、平均孔径、孔径分布和比表面积等）控制着焦炭与氧化 性气体在高温下发生反应时，气体的进入与气体产物的 流出。 焦炭与二氧化碳的气化反应速率，即焦炭的碳素溶解损失反应（溶损反应）的 速率，决定了焦炭为高炉铁矿石的还原提供 C0 (还原剂）的能力，溶损反应使焦 炭的结构遭到破坏，是引发焦炭劣化的最主要因素。焦炭的溶损反应式为： C + C 2 = CO (1) 块状焦炭的溶损反应速率及

40、其劣化行为是焦炭基质（气孔壁）的气化反应与 C 2在焦炭气孔内扩散协同作用的结果。 C 2在不同级别气孔内的扩散性不同 65， 因而焦炭的孔结构特征影响了焦炭与 co2的气化反应由于溶损反应破坏了焦炭 的气孔壁，使气孔扩大、合并和气孔 率升高，反过来又增加了焦炭与 co2的接触面 积，进一步提升了焦炭反应性。随着溶损反应的进行，造成焦炭劣化程度的加剧， 降低了焦炭的反应后强度。 李明富 _应用 4 kg实验焦炉炼焦后发现， a气孔率和大气孔数处于很高水平， 以及气孔大小不均匀和气孔壁薄时，焦炭易受 C 2侵蚀，使热性能指标变差。同 样，有研究表明 68，随着焦炭气孔率及平均孔径的增加，焦炭热性

41、能恶化；而随焦 炭气孔壁厚度的增加，其热性能提高。同样 Patnck等 69用图象分析仪研究焦炭气孔 率和反应性关系时，发现气孔率越高，气孔平均孔径越大、壁厚越小，焦炭反应性 越高，但铃木晋在考察气孔率与焦炭反应性关系时，证明大气孔对反应性有影响， 但并不显著，两者不具有明显关系。 Patnck69用压汞仪比较原焦和反应后焦炭 （ 1000 C)的孔容变化时，发现反应 后 10 10000 nm孔的孔容减小了，认为该温度下的溶损反应主要发生在 10 10000 nm孔内。研究表明，当焦炭溶损反应处于内扩散控制区时，中孔和微孔级别的气孔 结构对其有较大影响，中孔、微孔是碳溶反应发生的主要场所。周师庸等 32提