焦炭光学组织的测定与分析

焦炭光学组织的测定与分析马学刚（济南钢铁集团总公司技术中心，山东济南250101）摘要：在分析了煤变质程度、煤岩相组成等对焦炭光学组织的影响，以及焦炭光学组织与焦炭性质之间的关系的基础上,指出以粒状镶嵌组织为主的焦炭更符合高炉的要求。关键词：焦炭；光学组织；测定方法；各向异性中图分类号：TF526+.1文献标识码：B文章编号：1004-4620(2003)02-0037-03MeasurementandAnalysisofCokeOpticalTextureMAXue-gang(TheTechnicalCenterofJinanIronandSteelGroup,Jinan250101,China)Abstract：Onthebasisofanalyzingtheinfluencesofcoaldegenerativedegreeandthecoalpetrographicconstituentsoncokeopticaltextureandtherelationbetweenthecokeopticaltextureanditsquality,pointsoutthatthecokewithgrainenchasingtextureisaccordingwiththeneedsofblastfurnace.Keywords：coke;opticaltexture;measurementmethod;anisotropy1前言焦炭的光学组织决定了焦炭的冶金性能。目前，对焦炭冶金性能指标的测定，仅限于宏观性能，如M40、M10等。因此，对焦化生产中出现的异常现象只能从宏观上去寻找原因，忽视了微观组织对性能的影响。试图通过对焦炭光学组织的测定与分析探讨焦炭光学组织对性能的影响。2焦炭的光学组织及其测定方法2.1分类与命名在偏反光显微镜下可观察到：焦炭由气孔与气孔壁组成。焦炭本身是一种不均匀的物质，具有多种结构形态，它们的光学性质也不相同。具体的分类与命名见表1。2.2测定原理将由焦炭试样制成的光片置于偏反光显微镜下，用白光入射，在正交偏光下插入石膏检板，用油浸物镜观察焦炭气孔壁的组织。根据等色区尺寸、形态、突起等特征进行鉴定。用数点法统计各光学组织的体积百分数。2.3试样的采取和制备2.3.1试样的采取和粉碎取样按GB1997-89规定进行。将破碎到1mm的试样混匀，缩分出40～50g，粒度必须全部小于1.0mm(方孔筛)，弃去其中小于0.071mm级细粒。但不应过分粉碎,要求小于0.071mm级细粒不得多于总量的15%。取0.071～1.0mm级试样4～5g用于制片。2.3.2光片的制备光片的制备方法按原煤炭部推荐标准MT116.1-86规定进行。粉焦光片直径不得小于22mm，其中胶结物所占体积应小于1/3。抛光后表面应光洁，无明显麻点，无擦痕和污物，光学组织的界面应清晰、特征分明[1]。2.4测定方法2.4.1调节显微镜将试样放置在带有胶泥的载片上压平后置于载物台上，调整好焦距，然后矫正物镜中心；调节光源、孔径光圈和视域光圈，使视域亮度适中，光线均匀，成像清晰；调节起偏镜和检偏镜，使之正交，插入石膏检板(1λ)，使视域呈现一级红的干涉色。表1焦炭光学组织划分类别焦炭光学组织来源类别镜下特征由煤中熔融组分形成的组织各向同性气孔边缘平滑、表面平坦镶嵌状细粒镶嵌状各向异性单元尺寸小于1.0μm中粒镶嵌状各向异性单元尺寸：1.0～5.0μm粗粒镶嵌各向异性单元尺寸：5.0～10.0μm状纤维状不完全纤维状各向异性单元尺寸：宽小于10.0μm，长10.0～30.0μm完全纤维状各向异性单元尺寸：宽小于10.0μm，长不小于30.0μm片状各向异性单元尺寸长及宽均不小于10.0μm由煤中惰性组分形成的组织丝质及破片状保持煤中原有丝质结构及其它一些小片状惰性结构，呈各向同性或各向异性其它组织基础各向异性由高煤化度的贫煤及无烟煤形成的组织等色区尺寸与颗粒尺寸接近热解炭沿焦炭气孔及裂隙周边所形成的气相沉积，多呈镶边状，亦见有镶嵌状2.4.2对粉焦光片的测定确定移动步长，保证400个以上有效测点均匀布满全片，点距以0.3～0.5mm、行距一般以0.5～0.8mm为宜。从试样的一端开始，鉴定十字丝交点下的物质属何种光学组织，记入相应的计数键中，随后按预定的步长沿固定方向移动一步，若遇胶结物、气孔、裂隙、光学组织中的胞腔作为无效点，不予统计。当一行测定结束时，以预定的行距移动一行，继续进行该行的测定，直到测点布满全片为止。3结果与讨论3.1影响焦炭光学组织的因素影响焦炭光学组织的因素主要有煤的变质程度、岩相组成以及加工条件等。3.1.1煤变质程度的影响对焦炭光学组织影响最大的是煤变质程度。煤变质程度升高，其焦炭中的各向同性结构逐渐减少，各向异性结构逐渐增多，微晶的大颗粒结构也逐渐增多(见图1～4)。图1各向同性组织(×500)图2中粒镶嵌状组织(×500)图3粗粒镶嵌状组织(×500)图4完全纤维状组织(×500)变质程度较低的烟煤(镜质组反射率Rmax小于0.80)，形成各向同性组织较多的焦炭。随煤变质程度增加,焦炭中各向同性组织减少,粒状镶嵌组织增多。当煤的镜质组反射率达1.6时焦炭中的纤维组织最多,且片状组织也明显增多。气煤形成以各向同性结构为主的焦炭;肥焦煤形成的焦炭各向异性明显,其中以粒状镶嵌结构、纤维状结构较多。3.1.2煤岩相组成的影响焦炭光学组织中的丝质与破片状，主要由丝质组转化而来。煤中的丝碳基本上以原来的形状保存在焦炭中。丝碳化基质基本上转变为破片状结构。稳定组由于大部分析出，仅少量保存在焦炭中，成焦后以原来的形状形成气孔。镜质组是形成焦炭光学组织的主要成分。它的性质对焦炭光学组织起着决定性的影响，决定着焦炭光学组织的类型及各向同性与各向异性的比例。3.1.3加工条件的影响热解温度升高，焦炭光学组织中各向异性组织增加，当达到3000℃时，则完全转化为石墨型的晶体结构[2]。3.1.4中间相历程的影响煤中不同显微煤岩组分所经历的中间相历程不同，形成了不同的焦炭光学组织。煤中的活性组分(镜质组与稳定组)，在350℃左右时分解为气相与一部分液相(为各向同性)，而惰性组分保持原来的形态。随着热分解与热缩合的进行，从液相中形成一部分中间相(各向异性)，其余部分仍为各向同性的液相，到500℃左右时形成半焦。中间相固化后形成各向异性结构。各向同性的液相部分及惰性组分构成了焦炭中的各向同性结构。这两种结构一起构成了焦炭物质。由此可见：焦炭中的各向异性结构都经历过中间相过程，焦炭中的各向同性结构由未形成中间相的液相及惰性物质所形成。焦炭中各向异性的比例主要取决于中间相的数量。各向异性的强弱则与中间相的片状稠环的聚合程度有关。中间相只能由活性组分形成。因此，镜质组的性质在很大程度上决定着能否形成中间相、中间相的数量及小球体的聚合程度。煤镜质组的性质又取决于变质程度。低变质程度煤芳构化程度低，热解时易形成较多的小分子气体产物，其层片的直径小，杂原子多，化学缩聚活性大，易形成交连键而随机取向，不易形成中间相。所以即使熔融，也只能形成光学各向同性的焦炭。高变质程度煤加热时不熔融，不存在形成中间相的条件。高变质程度煤中的某些活性组分本身就含有一定尺寸、一定形状和在一定程度上呈三维排列的分子。这些分子在炭化时只要使其分子结构发生微妙的变化即可转化为光学各向异性焦炭，这就是焦炭光学组织中的基础各向异性组织、较强各向异性结构的片状组织。中等煤化度的烟煤其镜质组结构趋于二维有序排列，交连键少。热解产物的化学活性适中，液相的流动性和温度区间都较大，有利于中间相的形成和发展、加热时软化熔融，形成胶质体，固化后形成各种镶嵌结构和流动型结构。3.2焦炭光学组织对焦炭性质的影响3.2.1对宏观性质的影响焦炭光学组织中镶嵌组织以及不完全纤维有一定的连续性，但在中间相长大过程中稍有融并，是相互形成分子层扭曲而锲合的交界面。这种结构具有一定层状方位但又不太规则，因此可以给予微裂纹的延伸以最大的阻力，所以具有运动光学组织的焦炭强度比较高。纤维和片状组织由于层片排列比较整齐，微裂纹很容易在层片间延伸，因此这种组织的焦炭强度相对比较低。3.2.2对焦炭反应性的影响焦炭与CO2反应过程中，当没有催化剂时，不同组织有不同的反应活性。各光学组织的反应活性以下列次序依次减弱：各向同性组织-惰性组织-细粒镶嵌组织-粗粒镶嵌组织-纤维组织-片状组织。因此，具有纤维和片状组织的焦炭反应性最低。3.2.3对抗碱金属侵蚀能力的影响当焦炭吸附碱金属后，碱金属对焦炭与CO2的反应有催化作用，使焦炭的反应性急剧增加。焦炭与KOH反应的程度，随光学组织中各向异性组织增多而增加，而具有各向同性组织的焦炭抗碱金属侵蚀的能力最强。4结语随着高炉喷煤量的增大，焦炭在高炉内不仅起着热源、还原剂、渗碳剂的作用，更重要的是作为料柱的骨架。这就要求焦炭既要有较高的强度和抗碱金属侵蚀的能力，又要具有较低的反应性。因此，以粒状镶嵌组织为主的焦炭更符合高炉对焦炭的要求。在炼焦生产中，首先要保证进厂炼焦煤的质量，杜绝混煤特别是搭配成的所谓的焦煤进厂，因为这样的煤在实际生产工艺过程中的行为与其牌号所标称的性质相去甚远；其次，要保证各项工艺操作制度的落实。