焦炭光學組織對焦炭質量的影響

張凱元

（山西焦化股份有限公司焦化廠，山西 臨汾 041606）

焦炭為對煤炭進行再加工的產物，主要應用于煉鋼行業(yè)。焦炭的質量是高爐冶金的重要保證。但是，影響焦炭質量的因素眾多，如何生產出高質量的焦炭需要從根本上開展研究。據統(tǒng)計，影響最終焦炭質量的因素包括有配煤結構、焦炭光學組織等。其中，配煤結構不僅會影響焦炭的質量，而且對于環(huán)境保護和產能的提高具有重要意義；焦炭光學組織主要對其冷熱強度的參數(shù)造成影響[1]。因此，建立預測焦炭質量的模型，并通過確保焦炭光學組織實現(xiàn)對焦炭質量的保證為重要途徑。本文重點對焦炭光學組織對焦炭質量的影響開展研究。

1 焦炭光學組織及其質量的測定

1.1 焦炭微觀結構的測定

原煤在焦化過程中，由于活性組分和惰性組分會發(fā)生相互作用，從而形成了焦炭。在實際生產中，可以通過反光偏光顯微鏡對焦炭的內部結構進行觀察，主要對其氣孔壁的形態(tài)及其組成進行研究。通過反光偏光顯微鏡觀察到的微觀結構俗稱為焦炭的光學組織。從微觀角度上講，焦炭的不同光學組織對應的組織形態(tài)存在明顯差異，即導致焦炭的質量不一。從宏觀角度上講，不同組織形態(tài)的焦炭其對應的質量也不同[2]。因此，可以在實際焦化過程中通過某種工藝手段對焦炭的光學組織結構進行調整、控制，從而獲得高質量的焦炭。

但是，對于焦炭而言其本體組織形態(tài)的差異非常小，導致其光學組織結構的差異也較小。因此，本文重點對典型冶金焦炭的光學組織或其組織形態(tài)進行測定。對焦炭光學組織的測定，重點對其各向同性、鑲嵌結構總和、基礎各向異性、纖維以及片狀結構進行測試。為綜合對不同焦炭光學組織進行量化分析，采用OTI 指數(shù)（各向異性程度）對其進行分析，計算公式如式（1）所示。

式中：fi為不同焦炭所測得光學組織的百分比含量；（OTI）i為對不同光學組織參數(shù)的賦值，根據所考核的各向異性程度，設定焦炭光學組織中的各向同性、絲炭、破片以及基礎各向異性等參數(shù)賦值O 值；將細粒鑲嵌參數(shù)賦值為1，中粒鑲嵌參數(shù)賦值為2，粗粒鑲嵌賦值為2，纖維片賦值為3，片狀組織賦值為4。

綜合上述參數(shù)設置，針對20 種焦炭光學組織的測定量化結果如表1 所示。

表1 不同焦炭光學組織量化測定結果

分析表1 可知，對于所測定的20 種焦炭而言，鑲嵌結構的占比可達71%～77%；而其余的各向同性之和的比例占比約22%。可以說，上述所測定的20種焦炭的微觀結構差異較小，及其組織形態(tài)結構相對穩(wěn)定。

1.2 焦炭質量的測定

為焦炭光學組織與焦炭質量之間的關系分析提供支撐，本小節(jié)同樣針對上述20 種焦炭為研究對象，重點對其冷熱態(tài)強度值進行測定，從而直接反應焦炭的質量[3]。通過測定得出如下結論：

本文測定的20 種焦炭，其M40值基本維持在91%左右；從整體上講，所測定的20 種焦炭的冷態(tài)強度性能均表現(xiàn)為良好級別；而且，在同樣的反應操作后20 種焦炭質量的強度均呈現(xiàn)較小幅度的提升。

2 焦炭光學組織與質量的關系研究

焦炭的冷態(tài)強度和熱態(tài)強度為直接反映其質量的關鍵參數(shù)。因此，本小節(jié)將具體通過分析不同光學組織焦炭對應的冷態(tài)強度和熱態(tài)強度之間的差異，進而得出光學組織對焦炭質量的影響機理[4]。

2.1 光學組織對焦炭冷態(tài)強度的影響機理研究

從理論上講，不同光學組織的焦炭其對應的基本化學性質和抵抗外部力量的能力存在較為明顯的差異，即所述的冷態(tài)強度。焦炭的冷態(tài)強度具體可通過M40 和M10 兩項參數(shù)直接反映。以焦炭光學組織的中粗粒鑲嵌結構對M40 和M10 的影響為例研究，具體如圖1 所示。

圖1 中粗粒鑲嵌結構對M40 和M10 的影響

分析圖1 中粗粒鑲嵌結構對M40和M10參數(shù)的影響可知，粗粒鑲嵌結構的占比越多，M40含量基本呈現(xiàn)上升的趨勢，表現(xiàn)為焦炭的抗碎強度增加；隨著粗粒鑲嵌結構的占比越多，M10含量基本呈現(xiàn)下降的趨勢，表現(xiàn)為焦炭的耐磨強度減小。焦炭較高的抗碎強度和較低的耐磨強度整體上表現(xiàn)為其具有良好的冷態(tài)強度。

綜上所述，焦炭微觀結構中的鑲嵌狀組織結構越多，其對應的冷態(tài)強度越高。

2.2 光學組織對焦炭熱態(tài)強度的影響機理研究

針對光學組織對焦炭熱態(tài)強度的影響機理研究，焦炭的熱態(tài)強度主要通過其CRI 和CSR 兩項參數(shù)反映[5]。因此，通過研究焦炭的各向異性指數(shù)OTI值與其CRI 值和CSR 值之間的關系。具體如圖2所示。

圖2 各向異性指數(shù)OTI 與CRI 和CSR 之間的關系

分析圖2 可知，隨著焦炭各向異性指數(shù)的增加，其對應的CRI 值呈現(xiàn)下降的趨勢，而對應的CSR 值呈現(xiàn)逐步增加的趨勢。即，隨著焦炭光學組織的各向異性參數(shù)OTI 值增加對應其內部結構單元的堆積更加機密，其各向異性結構強度越高，越不容易劣化。

3 結語

焦炭作為原煤進行焦化處理后的主要產物，其廣泛應用于冶金行業(yè)。但是，針對不同的需求所需焦炭的質量要求也不同。因此，在實際生產中根據需求控制焦炭質量的工藝非常重要。本文重點對光學組織與焦炭質量之間的關系進行研究，并總結如下：

1）不同種焦炭之間的光學組織差異較小，說明焦炭的質量處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)；

2）從微觀層面分析，隨著焦炭光學組織中的中粗粗粒鑲嵌結構的占比增加，表現(xiàn)為焦炭的抗碎強度增加，對應的耐磨強度減小。焦炭較高的抗碎強度和較低的耐磨強度整體上表現(xiàn)為其具有良好的冷態(tài)強度。

3）從微觀層面分析，隨著焦炭光學組織中各向異性程度的增加，其具有較高的熱態(tài)強度。

綜上所述，在實際焦化過程中可增加原煤中瘦煤的含量使最終焦炭中絲炭、破片狀組織以及鑲嵌組織增加以提升焦炭的質量。