焦炭光学组坌雯与煤◆焦质量关系研究

１ 焦炭光学组织的分类与标准化
焦炭的光学组织结构十分复杂，多种多样，它 主要受煤化程度、煤岩组成和热加工条件的影响。 中国于１９９５年首次发布了《焦炭光学组织的测定 方法》黑色冶金行业标准，该标准对焦炭光学组织 的划分方案见表１。此前曾有鞍山热能院分类方案 和周师庸分类方案，国际上有英国Ｐａａｔｒｉｃｋ，日本杉 春秀彦，英国Ｍａｒｓｈ分类方案等¨。２ Ｊ。
表１ 焦炭光学组织划分（ＹＢ／Ｔ ０７７—１９９５）
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…．．．
其他组织
各Ｉ哪ｌ州性 镶嵌状
纤维状 片状
各阿Ｊ廿ｊ性（ＩＳＯ） 细糠镶嵌状（ＦＭ） 中粒镶嵌状（ＭＭ） 粗粒镶嵌状（ｃ鹾） 不完全纤维状（ｉＦ） 完余纤维状（ＣＦ）
片状（Ｌ）
各Ｉ川州忭，表囟半坦、气｛Ｌ边缘半潜 各向异性单元足寸《Ｉ．Ｏｐ，ｍ 备向异性单元Ｋ寸≥１．Ｏｐｅｎ一５．Ｏｐ．ｍ 各向异性单元尺寸≥５．０ｐｘａ—ｌ。．ｏＨｍ
前面提到粒度较小的各向同性颗粒与破片组 分难以精确区分，会给利用焦炭光学组织分析配煤 中显微组分的“活性”造成一定误差，∑ＩＳＯ与配煤 中小于０．７５％镜质组比例Ｘ镜质组含量（去矿物 基）＋惰质组含量（ＬＲＶ—Ｉ）的对应关系如图２所 示，二者的相关性好于前者，相关系数为０．２９，这也 从侧面证明了某些破片状结构与各向同性结构难 以精确区分。
霎豢裴 篙霪 细粒镶嵌 粗粒镶嵌 曩斧蒺 盖蛩藿
项茹垆１认为炼焦煤镜质组反射率分布的变化， 引起焦炭光学组织的变化，而焦炭光学组织的变化 最终影响焦炭的热性能。炼焦煤的镜质组反射率 及其分布不同，其相应焦炭光学组织也不同；当炼 焦煤镜质组反射率分布中Ｒ：：．。，小于０．７５％的比例 增加时，则各向同性结构、细粒镶嵌结构增加；镜质 组反射率分布Ｒ：：Ｉ。在０．７５％～０．９５％的比例增加 时，则粗粒镶嵌结构开始增加；镜质组反射率Ｒ：：ｌ。，在 ０．９５％～１．３５％的比例增加时，焦炭中的粗粒、纤 维、片状结构增加；镜质组反射率尺：：ｌ。；在大于１．３５％ 的比例增加时，则片状、纤维和惰性结构增加。
目前ＣＲＩ是在实验室无碱的条件下测定的。 但在高炉中由于循环碱的存在，使各种焦炭光学组 织的ＣＲＩ反应序列发生逆转。周师庸１６１认为ＣＲＩ 和ＣＳＲ对焦炭在高炉中的模拟性存在诸多不足之 处，在大量试验的基础上，得出的结论是选择性反 应序列发生逆转时的碱金属含量是２％一３％。
焦炭强度与焦炭光学组织有着密切的关系。镶 嵌结构因各光学结构单元随机定向，产生裂纹要沿其 层片方向折曲而行，且分枝多，断面大，开裂需要较多 能量，故不易裂，或即使开裂也易于中止，阻碍大裂纹 形成。此外，各镶嵌结构单元之间以化学键相连，有 较强的内聚力。因此，镶嵌结构含量高的焦炭，强度 较高；少量纤维状和片状结构有较大的光学结构单 元，热处理时易于产生微观裂纹，并释放能量，丝质难 以形成大裂纹。纤维状结构有助于焦炭韧性的增加。 片状结构之间主要以分子力相结合，易于分离。故焦 炭中过多片状结构可能会导致焦炭的耐磨强度降低。
《洁净煤技术）２００９年第１５卷第６期
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全国中文核心期刊矿业类核心期刊（ＣＡＪ－－ＣＤ规范）执行优秀期刊Ｊ
行反应，故反应速率小，反应性低。 但近年来也有一些研究表明，在有碱存在的条
件下，尤其是在高温时，各种光学组织的反应性趋 向于一致。也就是当碱金属存在时，各向同性、类 丝炭和破片的反应速度增加幅度较小，而各向异性 组织的反应速度增加幅度较大。焦炭中各向同性 结构的抗高温碱侵蚀能力优于各向异性的原因可 能是，各向异性结构的碳层片间排列较有规则，层 间距小，易与碱金属形成层间化合物，致使层间距 增大，有利于ＣＯ：进入发生反应。相反，各向同性 结构的碳层片分布较杂乱，不易与碱金属形成塞入 式化合物，故而不会增加比表面积。因此，有必要 加强对焦炭光学组织与焦炭反应性之间关系的研 究，为建立焦炭质量预测模型提供理论支持。
（２）当用粉焦光片测定时，粒度较小的各向同 性颗粒与破片组分难以精确区分，由于破片更多地 与煤中惰质组存在继承关系，而各向同性更多地来 自煤中低变质程度煤的镜质组，这给利用焦炭光学 组织测定分析配煤中显微组分的“活性”及相关关 系造成一定误差。
２焦炭光学组织的常用研究方法
（１）光学组织指数（ＯＴＩ） 用焦炭光学组织指数（ＯＴＩ）来表征焦炭光学组 织各向异性程度。焦炭的ＯＴＩ值计算式为：
各向异性单元尺寸宽度＜ｌＯ·Ｏ炉，长度≥ｌ·Ｏｌｘｍ一３０炉
各向异性单元尺寸宽度＜ｌｏ．Ｏｐ．ｍ，长度一＞３０ｐ，ｍ 各向肄性单元尺寸长度及宽度约ｔ＞１０．ＯＩｘｍ
丝质及碎片状 丝质及碎片状（Ｆ） 保持煤种原有丝质结构及其它一犊小片状惰性结构，呈各向同性或各向异性
纂础各向异性 热鳃碳
基础各向异性（Ｂ） 热解碳
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万方数据
《洁净煤技术｝２００９年第１５卷第６期
ｒ、ｉ订
全国中文核心期刊矿业类核心期刊（ＣＡＪ－ＣＤ规范＞执行优秀期刊Ｊ
问题： （１）对镶嵌结构的划分需要改进，细粒镶嵌结构
单元尺寸小于１．０ｔｕｎ，在实际测试中可操作性较差。 即使利用目前很先进的偏光显微镜，在总放大倍数 ５００倍的条件下，区分１．０１ｘｍ大小的等色区也容易产 生较大误差；同时，没有足够的证据表明细粒镶嵌结 构（小于１．０ｐｊｎ）与中粒镶嵌结构（不小于１．０～５． ０１ｘｍ）对焦炭性质的影响有多大差异。建议将镶嵌结 构分成两种，即中细粒镶嵌结构（小于５．０ｐ，ｍ）和粗 粒镶嵌结构（不小于５．Ｏ～１０．０１ｘｍ），这样可以降低测 试过程中的不确定性，又不致对结果应用造成影响。
由离煤化度的贫煤及元烟煤形成的组织，等色区尺寸与颗粒尺寸接近 沿焦炭气孔及裂隙周边所形成的气相沉积炭，多整镶边状，亦见有镶嵌状
根据多年的实践工作，结合笔者所在单位近年 来相关结果，认为。目前的测试标准主要存在以下
收稿日期：２００９—０８—１４ 作者简介：陈洪博（１９７９一），男。辽宁锦州人，硕士，工程师，主要从事煤质研究工作。
ＯＴＩ＝蹦（ＯＴＩ）ｉ
式中Ｚ为焦炭各光学组织结构的百分含量； （ＯＴＩ），为焦炭各光学组织相对应的赋值。光学各 向异性结构单元愈大，赋值愈高。ＯＴＩ值越高，焦炭 各向异性程度越强。
杨俊和等人∞ｏ根据国标的焦炭光学组织的划 分方法对其赋值见表２。
表２焦炭光学组织ＯＹｌ赋值方法
３惰质组“活性”研究
一般认为，焦炭中的丝质破片状结构全部由煤 中的惰质组转化而来，因此，焦炭中的丝质破片状 结构与煤中的惰质组含量应具有一定的对应关系， 如图１所示，随着煤中惰质组含量的增加，焦炭中 的丝质及破片状含量有一定的增加趋势，二者的相 关系数为０．２２。
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１．４５％～１．９０％镜赝组比例 Ｘ镜质组含量／％
图５配煤中１．４５％～１．９０％镜质组比例×镜质组 含量（去矿物基）与焦炭中纤维状＋片状含量的关系
５ 焦炭光学组织与焦炭性质的关系
焦炭光学组织是焦炭在高炉内劣化的一个重 要因素∞Ｊ。研究表明，在碱金属存在和不存在时， 焦炭光学组织的反应性不同。当碱金属不存在时， 各光学组织的ＣＯ。反应性大小顺序为：类丝炭及碎 片和各向同性＞细粒镶嵌＞粗粒镶嵌＞纤维状构 ＞片状。其原因主要为：碳与Ｃ０：反应，主要通过 表面活性碳原子吸附ＣＯ：而反应，活性碳原子比一 般碳原子活性高，多处于层片的边缘棱角处。各向 同性的碳层片分布较杂乱，层间距大，随机定向，使 其微孔和活性碳原子很容易在各个方向吸附ＣＯ， 进行反应，故反应速率大，反应性高。各向异性结 构的碳层片尺寸较大，层间趋向有序，层间距小，微 孔和活性碳原子少，只有某些方向可以吸附ＣＯ：进
一０．０２、０．０６、０．３５。
根据图３～图５中焦炭中的光学组织与煤中相 应组分的对比，可以认为，焦炭光学组织与配煤镜 质体反射率的关系远比现有认识复杂，二者相关系 数较低，要建立焦炭显微组分与煤镜质体反射率之 间关系，需要积累大量的试验数据，且必须采取一 定手段，提高原始测试数据的精度及组分鉴定结果 的可追溯性。另一方面，从现有的试验数据可知， “焦炭中的纤维状和片状结构主要来自煤中尺：：．。， １．４５％～１．９０％的镜质组”这一论断基本成立，总 体上二者相关系数较高。
结合目前文献中关于焦炭光学组织与不同变 质程度煤岩组成关系的论述，根据太原煤气化公司 的１４组工业焦炉的配煤反射率分布情况及混煤煤 类判断结果、焦炭光学组织测试结果，假设焦炭中 的各向同性结构主要来自配煤中尺：：ｌ。，小于０．７５％ 的镜质组，焦炭中的镶嵌结构主要来自配煤中Ｒ：：ｌ。。 ０．７５％一１．４５％的惰质组，焦炭中的纤维状和片状 结构主要来自配煤中尺：：Ｉ。，１．４５％一１．９０％的惰质 组，其相关关系图分别见图３、图４、图５相关系数为
总之，各向异性成分含量高的焦炭强度较好，能保证 焦炭具有较高的冷态强度，即Ｍ４０值高。
６结 语
焦炭光学组织与配煤的煤岩组成、反射率分布 关系密切，并且是焦炭在高炉中劣化的一个重要因 素。因此需要结合原料煤煤岩特征深入研究不同 环境下焦炭光学组织的反应性及其主要影响因素， 建立焦炭反应性与焦炭显微组分的关系模型，为稳源自文库定焦炭质量、提高焦化企业经济效益服务。
护＼ 删 抽 篓 ：ｋ 镬 赵 蜓 越１
惰质组含量／％ 图１ 配煤中惰质组含量（去矿物基）
与焦炭中丝质破片含量的关系
吾
员
各向间性（ＩＳＯ）
Ｏ
细粒镶嵌状（ＦＭ）
ｌ
中粒镶嵌状（ＭＭ）
２
褪粒镶嵌状（ＣＭ）
２
不完全纤维状（陌）
３
完全纤维状（ｃｒ）
３
片状（Ｌ）
４
丝质及碎片状（Ｆ）
Ｏ
蒸础各向异性（Ｂ）
Ｏ
（２）∑ＩＳＯ 焦炭中的各向同性、丝质和破片状结构均为在 正交偏光下显微镜载物台旋转３６０。时干涉色基本 不发生变化的光学组织，其和以∑ＩｓＯ表示。
焦炭光学组坌雯与煤◆焦质量关系研究
陈洪博１，白向飞１，王大力２，姜英１
（１．煤炭科学研究总院北京煤化工研究分院，北京１０００１３ ２．太原煤气化股份有限公司，山西太原０３００２４）
摘要：分析了现行焦炭光学组织分类标准存在的问题，焦炭光学组织的常用研究方法，惰 质组在焦化过程中的活性，焦炭光学组织的形成与镜质组反射率分布的关系，焦炭光学组织 与焦炭质量的关系。
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张文成Ｈ１通过对梅山焦化厂配煤和焦炭的研究， 发现煤的显微组分、镜质体反射率和焦炭光学组织的 对应关系：其中焦炭的类丝炭及碎片是由惰质组和部 分反射率较低镜质组转化而来的，各向同性组织是由 部分镜质组转化而来的，焦炭的其它组织是由煤的镜 质组转化而来的，具体对应关系见表３。
表３镜质组反射率和焦炭光学组织的对应表 （张文成，２００３）
焦炭 万光学方组数织与据煤、焦质量关系研究
ＬＲＶ．Ｉ含量／％
图２配煤中ＬＲＶ—Ｉ含量与焦炭中∑ＩＳＯ含量的关系
４影响焦炭光学组织的因素
焦炭光学组织主要受煤化度和煤岩组成的影 响，此外还受到炼焦条件的影响。低变质程度煤多 形成各向同性组织，随着炼焦煤变质程度的提高， 所得焦炭中的各向同性组织逐渐减少，各向异性组 织的含量和尺寸逐渐增大。煤岩组成是影响焦炭 光学组织的另一个重要因素，焦炭中的各向异性组 织来源于镜质组，类丝炭和破片主要取决于煤中惰 质组含量，焦炭各光学组织的来源见表１。
８０
万方数据
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２ Ｏ
＜ｏ．７５％镜质组比例×镜质组含量／％
图３配煤中＜０．７５％镜质组比例×镜质 组含量与焦炭中各向同性含量的关系
芝 捌 钿 篓 整 磷
０．７５％一ｖ１．４５％镜质组比例 ×镜质组含量／％
图４配煤中０．７５％一１。４５％镜质组比例×镜质组 含量（去矿物基）与焦炭中镶嵌状含量的关系
关键词：焦炭；光学组织；反射率；焦炭质量
中图分类号：ＴＱ５２２
文献标识码：Ａ
文章编号：１００６－６７７２（２００９）０６－００７８－０４
随着焦炉大型化和煤粉富氧喷吹技术的发展， 高炉生产对焦炭质量提出了更高的要求，特别是焦 炭反应性和反应后强度。焦炭的反应性与焦炭的 光学组织密切相关，焦炭光学组织是焦炭在高炉中 劣化的一个重要因素，焦炭光学组织的形成主要取 决于煤的变质程度和煤岩组成，其次是炼焦条件。 通过对焦炭光学组织与煤、焦质量关系的研究，可 以对焦炭的性质及其劣化行为有着更为深入的认 识，对于指导炼焦配煤具有重要意义。