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。

（1）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℃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O2

，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：Vd≤1.8%。

（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。

（一）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。

（1）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。

（2）二是取决于大致在600—700℃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—600℃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=（1 - -————）×100%

真密度

式中：焦炭真密度为1.7—2.2，视密度为0.87—1.10

3、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。

（二）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CRI≤30%，CSR≥55%.

（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。