高炉焦炭的理化性质

    　焦炭与二氧化碳、氧和水蒸汽等进行化学反应的能力。焦炭在高炉冶炼过程中，与CO2、O2和水蒸汽发生下列化学反应：

C+O2 →CO2＋393.3 (kJ·mol-1)

C+1/2O2→CO＋110.4 (kJ·mol-1)

C+CO2 → 2 CO－172.5 (kJ·mol-1)

C+H2O → CO＋H2 －131.3 (kJ·mol-1)

    　由于焦炭与O2和H2O的反应有与CO2反应相类似的规律，大多数国家都用焦炭与CO2间的反应特性评定焦炭反应性。焦炭反应性与焦炭块度、气孔结构、光学组织、比表面积、灰分的成分和含量等有关；还因测定是所采用的条件，如反应温度、反应气组成、反应气流量和压力等因素而成改变。所以，评定炭的反应性必须在规定的条件下（GB4000－83）进行试验， 以反应后失重百分数作为反应指数（Cr）。反应后的焦炭在直径130mm，长700mm的I型转鼓中以20r/min速度转动600转，然后用10mm筛子筛分，测量筛上物占装入转鼓的反应后焦炭量的百分数作为反应后强度Sar，多数国家要求Cr<30%～35%，Sar>48%～50%。在反应条件一定的情况下，焦炭反应性主要受炼焦煤料的性质、炼焦工艺、所得焦炭的结构以及焦炭灰成分的影响。

   　 降低焦炭反应性的措施。一般认为，在炼焦配煤中适当多用低挥发分煤和中等挥分煤，少用高挥发煤；提高炼焦终温；闷炉操作；增加装炉煤散密度，调整装炉煤的粒度组成；干法熄焦；提高焦炭光学各向异性组织含量；降低气孔比表面积；降低焦炭灰分（金属氧化物具有正催化作用，B2O3具有负催化作用）。有的学者认为，配用低变质程度、弱黏结性的气煤类煤炼成的焦炭含有大量的各向同性结构，有着良好的抗高温碱侵蚀性能。

    　作为燃料是焦炭的主要用途，发热量、着火温度等是焦炭的重要参数。

（1）焦炭的发热量。焦炭的发热量是用氧弹量热计测定的，按GB－213标准进行，操作精细，误差可在125J/g以内。焦炭中的碳、氢、硫、氮都能与氧化合，由其反应热可以计算出焦炭的发热量，其值在33400～33650J/g。对焦炭CO2反应性有影响的各因素对焦炭的燃烧性也具有相同的影响。

（2）焦炭的着火点。 焦炭的着火点是指焦炭在干燥的空气中产生燃烧现象的最低温度。测定焦炭着火点的方法，习惯上采用1943年布莱登和赖利等人设计的方法，高炉焦着火温度为550～650℃。

3 焦炭抗碱性

    　它是焦炭在高炉冶炼过程中抵抗碱金属及其盐类作用的能力。虽然焦炭本身的钾、钠碱金属含量很低（约0.1%～0.3%），但在高炉冶炼过程中，由矿石带入大量的钾、钠，并富集在焦炭中（可高达3%以上），对焦炭反应性、焦炭机械强度和焦炭结构均会产生有害的影响，危及高炉操作。提高焦炭抗碱能力的措施有：

（1）采取各种措施降低焦炭与CO2的反应性，提高反应后强度。

（2）从高炉操作采取措施，降低高炉炉身上部温度，减少碱金属在高炉的循环，从而降低焦炭中的钾、钠富集量。

（3）炼焦煤料适当配用低变质程度弱黏结性气煤类煤。

    　焦炭比热容即为单位质量的焦炭温度升高1度所需的热量数值，以kJ／(kg·K)表示。焦炭比热容与温度、原料煤的煤化度、焦炭的挥发分和灰分等因素有关。

（1）焦炭在0～1000℃范围内瞬时比热容的变化关系为：

CC=0.836＋1.53×10-3(T－273)－5.4×10-7(T－273)2

（2）随着原料煤的煤化度提高，焦炭比热容随之下降。

（3）焦炭比热容随焦炭挥发份的升高而增加：

CC(20℃)=0.795＋0.05Vdaf

式中： Vdaf——焦炭干燥无灰基挥发分，%。

（4）焦炭中灰分提高，焦炭比热容降低，焦炭中灰分的瞬时比热容为：

CA=0.795＋5.06×10-4(T－273)＋1.338×10-7(T－273)2

含有灰分（干基）的焦炭，其比热容可由灰分的碳的比热容加和计算：

式中： Ad——焦炭干基灰分，%

一般工业焦炭的灰分范围为5%～15%，比热容总变化量不大于1%。

   　 热量从焦炭的高温部位向低温部位传递时，单位距离上温差为1开氏温度的传热速率以W·(m·K)-1表示。焦炭热导率为：

式中： δ——高温点与低温点间的距离，m

       dt——高温点与低温点间的温度，K

      dQ——传热速率，J·s-1。

与此有关的热扩散率a(m2·s-1)，可根据热导率λ和比热容c[kJ·(kg·K)-1]确定，即

式中： ρ——密度，kg·m-3.

   　 室温下焦块的热导率大致为0.58～0.81W·(m·K)-1,并随温度的升高呈近似直线地增加。焦炭的热导率和热扩散率随视密度和灰分的增加、气孔率的降低以及裂纹的减少而增大。原料煤的煤化度提高时，因含碳量增加，所制得的焦炭热导率和热扩散率也随之增高。

    　棒状焦炭试样在受热过程中，温度每升高1K的伸长量与试样原长的比值。焦炭线膨胀系数为：

式中： L——试样原长，m

       dt——温度增加量，K

       dL——试样伸长量，m

    　在20～1000℃范围内，焦炭随温度的升高而膨胀，加热温度超过炼焦终温时，焦炭将呈现出某些收缩。焦炭的热膨胀系数与生产焦炭和原料煤种类、加热速度和与焦样在炭化室内经历的热流方向有关。焦炭加热时所产生的破坏，主要取决于焦炭本身结构的不均一性加热速度。由各单种煤炼得的焦炭在100～1000℃范围内的平均线胀系数为：(4.8～6.7)×10-6（K-1）。

   　 焦炭试样重新加热到高于炼焦终温后，产生的收缩量占原来长度的百分率。焦炭受热时先发生膨胀，继续加热到炼焦终温后，焦炭开始收缩。焦炭加热到1400℃以上时，收缩率极小，这时焦炭呈现出热稳定性。焦炭试样加热到1400℃时的平均收缩率为0.3%～1.4%，焦炭的收缩率与原料煤的组成有关。

   　 焦炭受热时，因内部结构和性质不均一，以及各部位的温度梯度而产生的应力。焦炭热应力为：

式中： α——焦炭线胀系数，K-1

       E——焦炭杨氏模量，MPa

       Δt——焦块表面与中心之间的温度差，℃，在高炉中因焦块大小和所在部位而异，一般可达100～300℃。前苏联曾测得工业焦炭在不同加热温度下的焦炭热膨胀系数和焦炭杨氏模量，见表1。

表1 焦炭在不同温度下的热膨胀系数和杨氏模量

  　  高炉内焦炭热应力因所处位置和块度大小不同，在0.3～2.9MPa范围内波动。焦炭内的热应力是粒度＞60mm焦炭在高炉内破碎的原因之一。

电阻率又称比电阻：

式中： R——材料的电阻，Ω

       S——测量电阻率试样的断面积，m2

       L——试样的长度，m

    　其值取决于制备焦炭所用原料煤的煤化度、焦炭灰分含量、炭化温度以及焦炭结构，焦炭电阻率是焦炭的重要特性之一，可用于评价焦炭的成熟度，也可用于评定焦炭的微观结构。

    　中国国家标准（GB2005－80）规定，用25、40、60和80mm的一组标准方孔筛对块焦进行筛分后，称量各个筛级的焦炭，以所得各筛级焦炭质量占试样总量的百分率表示焦炭的筛分组成。用10mm和40mm直径的圆孔筛测定焦炭转鼓试验后焦炭粒级的组成。根据筛分组成，可以确定焦炭的平均粒度和焦块均匀系数，估算焦炭比表面和焦炭堆积体的空隙体积等焦炭的物理特性。

(1)计算平均粒度。算术平均粒度为：

式中：ai——各粒级的质量百分数，%

     　 di——各粒级的平均尺寸，mm，用相应粒级的上、下限的平均值计算。

调和平均粒度为：

式中： dh——根据焦块的表面积与相应球体表面积相等为条件得出的平均直径，与焦炭表面积有关，常用以计算焦炭层的阻力和透气性。

(2)计算焦炭粒度均匀性系数K均 。大型高炉用焦炭的K均 为：

式中： a25-40、a40-80和a>80 ——各相应粒级焦炭的质量百分含量，%

中、小型高炉用焦炭的K均 为：

(3) 估算焦炭的比表面。如焦炭筛分组成用80、60、40、25和10mm五级筛测得，则焦炭的比表面为：

式中： S——焦炭的比表面，cm2·kg-1

      　 a——各相应粒级的质量百分率，%

（4）估算焦炭堆积体的空隙体积。若焦炭筛分组成用80、60、40、25和10mm五级筛测定，则空隙体积为：

式中： V——焦炭的空隙体积，cm3·kg-1。

  　  它是单位体积内块焦堆积体的质量，kg·m-3。测量焦炭堆积密度是用一定容积的箱子，将焦炭自由地放入，顶面持平，然后称量焦炭净重并除以容积，即为堆积密度ρb。

焦炭堆积密度（ρb）取决于焦炭视密度(ρa)和焦块之间的空隙体积V，三者之间存在以下关系：

    　ρb值在400～520（kg·m-3）范围之内。焦炭堆积密度对焦炭透气性影响很大。随着焦炭平均块度的增加，焦炭堆积密度成比例地减少。大块焦掺入小块焦，则焦炭的空隙降低。焦炭的平均块度下降，堆积密度ρb增加。

    　焦炭透气性表示气流通过焦炭料柱的难易程度。它与焦炭筛分组成和焦炭堆积密度有关，通常以一定流速的气体通过焦炭料柱时的阻力系数来衡量。这个阻力系数随焦块之间空隙体积的增加和焦块堆积体总表面的减小而降低。焦炭透气性的测量通常在实验室中以特定的条件进行，测定焦炭料柱的阻力，计算阻力系数Kr(m-1)。

式中： Δp——焦炭料柱的阻力,Pa

       h——焦炭料柱的高度,m，一般在1.5m以上

       ρai——试验条件下的空气密度，kg·m-3；

       ω——空气的流速,m·s-1。

   　 阻力系数Kr与焦炭的调和平均粒度有关，当焦炭的调和平均粒度dh小于40～50mm时，Kr急剧增加。因此，在高炉内当焦炭粒度低于此范围时，即使粒度有很小的变化，也会对高炉透气性产生很大影响。此外，当不同粒度的焦炭混合时，使焦炭间的空隙体积减小，Kr将增大。焦炭在运输和使用过程中，由于受到机械力、热应力和化学作用而碎裂，使焦炭表面积增加，筛分组成变化，导致焦炭透气性变差。Kr一般在100～1200范围内。

   　 焦炭真密度即焦炭去除孔隙后单位体积的质量。焦炭的真密度一般为1.80～1.95（g·cm-3）焦炭真密度主要受炭化温度、结焦时间和元素组成的影响。

  　  焦炭视密度即为干燥块焦单位体积的质量。焦炭的视密度为0.88～1.08（g·cm-3）。焦炭的视密度随原料煤的煤化度、装炉煤散密度、炭化温度和结焦时间的不同而变化。

    　焦炭在空气或氧气中加热时达到连续燃烧的最低温度。同一焦炭的着火温度，因测定方法和实验条件不同，差异很大。焦炭在空气中的着火温度为450～650℃。焦炭的化学活性越高，其着火温度越低。焦炭着火温度主要取决于原料煤的煤化度、炼焦终温和助燃气体中氧的浓度。随着原料煤的煤化度和炼焦终温而提高。采用煤料预热和捣固等方式可提高焦炭的视密度，降低气孔率，可使焦炭着火温度升高。采用富氧空气可以降低焦炭着火温度。试验表明，空气中氧的浓度每增加1%，着火温度大致可降低6.5～8.5℃。