堆密度和結(jié)焦速率對搗固焦炭結(jié)構(gòu)性能的影響翻譯講述

1、堆密度和結(jié)焦速率對搗固冶金焦炭結(jié)構(gòu)性能的影響摘要：通過碳化中試規(guī)?？梢苿訅Ρ谏覡t中的商業(yè)混煤得到的焦炭樣品被用來研究評估堆密度和結(jié)焦速率對焦炭質(zhì)量結(jié)構(gòu)的影響。使用焦炭反應(yīng)后強(qiáng)度，氣體吸附技術(shù)，光學(xué)顯微術(shù)，X射線衍射分析研究了焦炭樣品。結(jié)果表明增加爐體密度，加快結(jié)焦速率會導(dǎo)致反應(yīng)后強(qiáng)度提高，這個現(xiàn)象歸因于在塑性階段增強(qiáng)了煤顆粒粘附性和可塑性。表面積，總孔隙度，空隙面積和細(xì)胞壁的測量結(jié)果表明，在高堆密度和加快結(jié)焦速率的事件下會導(dǎo)致空隙結(jié)構(gòu)發(fā)展受限，從而焦炭少孔。焦堆密度的增加導(dǎo)致了焦炭的形成增長，并且提高了結(jié)晶程度。然而，低反應(yīng)性碳的比例和結(jié)晶程度的降低會增加焦化率，在更快的結(jié)焦速率下，一個限制歸

2、因于缺乏足夠的時間。此外，反應(yīng)后強(qiáng)度范圍和結(jié)構(gòu)特性的減少，焦炭質(zhì)量的均勻性隨著堆密度和焦化率的提高而提高。研究發(fā)現(xiàn)反應(yīng)后強(qiáng)度與微晶高度和煤炭形態(tài)發(fā)展呈正相關(guān)。與文獻(xiàn)報道相反，反應(yīng)后強(qiáng)度與表面積負(fù)相關(guān)，然而，所有孔隙大小的重要性是由反應(yīng)后強(qiáng)度與孔隙之間呈正相關(guān)表明。1 .引言焦炭在高爐中起著骨架支撐、供熱、和還原劑的作用，所以焦炭是高爐煉鐵的重要原料。由于環(huán)境法規(guī)更加嚴(yán)格，煤炭短缺，希望降低煤炭消耗，這些驅(qū)使著高爐焦炭的理化性能發(fā)展。高爐技術(shù)的發(fā)展必須努力識別和控制影響焦炭質(zhì)量的因素。焦炭在高爐內(nèi)的降解程度取決于氣化條件，如溫度，氣體組成，焦炭顆粒大小，以及焦炭其他的物理化學(xué)性質(zhì)。恒量焦炭質(zhì)量的

3、主要措施是其在高溫下的機(jī)械強(qiáng)度，因為這個屬性表明了高爐內(nèi)焦炭的降解程度，從而影響焦炭允許氣態(tài)和熔融產(chǎn)品流動滲透的能力。眾所周知，高溫機(jī)械強(qiáng)度和熱強(qiáng)度是由ASTM標(biāo)準(zhǔn)D5341定義的反應(yīng)后強(qiáng)度。反應(yīng)后強(qiáng)度高表明焦炭的質(zhì)量好（降解低），反之亦然。普遍認(rèn)為，焦炭的結(jié)構(gòu)特性如焦炭形態(tài)，焦炭的表面積以及化焦炭的化學(xué)性質(zhì)影響焦炭的反應(yīng)后強(qiáng)度。除了改變混合煤的特性之外，焦炭的結(jié)構(gòu)特性也會被焦化條件所控制，例如結(jié)焦時間，溫度和爐體密度。許多研究的目的是了解焦化條件對焦炭的反應(yīng)后強(qiáng)度和在爐壁上膨脹的焦床施加的壓力的影響，但是很少有學(xué)術(shù)研究專注于透徹了解焦化條件對焦炭微觀結(jié)構(gòu)和微觀組織的影響。因此，焦炭反應(yīng)后強(qiáng)度

4、與焦炭性質(zhì)之間的聯(lián)系認(rèn)識不足。焦炭的微觀結(jié)構(gòu)如總孔隙度，孔徑分布，孔壁厚度和孔形狀表示物理和空間關(guān)系，而微觀組織指的是焦炭基體，用結(jié)晶程度和光學(xué)組織組分發(fā)展程度表示。在煉焦過程中，煤結(jié)構(gòu)中的基本結(jié)構(gòu)相互定向并加入形成分子取向域。在這些多環(huán)芳煌組分下外圍碳原子的密度會影響對氧化性氣體的反應(yīng)性，與這一致的是大部分區(qū)域是不活潑的，因為它們的大部分碳原子位于平面內(nèi)，因此不容易與氧化性氣體接觸。雖然普遍認(rèn)識是焦炭的形態(tài)和表面積影響反應(yīng)后強(qiáng)度，但是有不一致的文獻(xiàn)中關(guān)于每一個屬性是如何影響反應(yīng)后強(qiáng)度。例如，在一項研究中，使用了幾個焦炭樣品，一個從具有高膨脹性和流動性的混煤得到的焦炭被發(fā)現(xiàn)不是最不活潑，盡管表

5、現(xiàn)出更好的光學(xué)各向異性，與普遍持有的觀點相反，溶液損失的焦炭反應(yīng)性隨著各向異性的增加而降低。據(jù)最近的一個研究報道，光學(xué)結(jié)構(gòu)是決定焦炭反應(yīng)性的一個重要特性，但是沒有微孔結(jié)構(gòu)重要。此外，盡管實際意義是用同樣性質(zhì)的焦炭供應(yīng)高爐，但是文學(xué)報告表明在整個焦化室內(nèi)的焦炭反應(yīng)后強(qiáng)度有廣泛分布。據(jù)報道可以增加堆密度和結(jié)焦速率來提高焦?fàn)t內(nèi)焦炭反應(yīng)后強(qiáng)度的均勻性。然而提高堆密度和結(jié)焦速率對焦炭沿焦?fàn)t中心到焦?fàn)t墻體的微觀組織和微觀結(jié)構(gòu)變化的影響缺乏足夠的研究，對焦炭反應(yīng)后強(qiáng)度和焦炭性能之間的聯(lián)系缺少理解。以前的研究表明增強(qiáng)焦炭反應(yīng)后強(qiáng)度的同時降低焦炭反應(yīng)后強(qiáng)度沿焦?fàn)t寬的變異性具有可能性，在一定程度上我們收到了啟發(fā)，

6、我們試圖進(jìn)一步了解堆密度和結(jié)焦速率對焦炭孔隙結(jié)構(gòu)和碳基沿焦?fàn)t寬度變化的影響。鑒于文獻(xiàn)報道的不一致，這項研究的目的是了解焦炭反應(yīng)后強(qiáng)度與其孔結(jié)構(gòu)和碳基之間的經(jīng)驗關(guān)系。2 .材料與方法2.1 煉焦操作用一個18英寸寬可移動爐墻的中試規(guī)模梢爐將商業(yè)混煤碳化，分三組進(jìn)行搗固煉焦，其中AB兩組在除堆密度不同的相似條件下進(jìn)行焦化操作，A組的堆密度為926kg/m3,B組的堆密度為996kg/m3。第三組的焦化條件與A組相似，但結(jié)焦速率更快。水分是搗固煉焦的煤料之間的粘結(jié)劑，因此才能將煤搗實成煤餅。然后將成型的煤餅裝載進(jìn)焦?fàn)t。凈結(jié)焦時間是從指從裝煤開始至塑性區(qū)域中心形成裂紋再固化的時間，而焦?fàn)t周轉(zhuǎn)時間為總的

7、焦化時間。為了研究堆密度對對焦炭性能的影響，運行AB兩組進(jìn)行對比；運行AC兩組可以研究結(jié)焦速率對焦炭性能的影響。完整收集每一個煉焦操作的指狀焦炭來評價指狀焦炭沿軸線的增量。2.2 樣品制備每一個指狀焦炭沿著其長度從中心裂縫開始到爐墻為止切成50毫米長的切片來表征焦炭。該焦炭大約200毫米長，并取得了其中四段切片，這四段切片以從中心裂縫到到它們中點位置的距離來區(qū)分，從中心裂縫開始的距離分別是25,75,125,175毫米。每個切片根據(jù)當(dāng)前所用技術(shù)分析，粉碎成粒徑為2.8-4.7毫米的具有代表性的樣品。與50毫米的增量用于焦炭表征不同，用來測試焦炭反應(yīng)后強(qiáng)度的樣品是用從焦線開始到花菜狀為止的75毫

8、米長的部分。然后將這些部分組合起來制作一個增量為75毫米的總試樣。進(jìn)一步的準(zhǔn)備和測試都以ASTMD5341規(guī)定為依據(jù)。75毫米段測得的焦炭反應(yīng)后強(qiáng)度的數(shù)據(jù)運用二三階多項式函數(shù)可以推斷50毫米段的焦炭反應(yīng)后強(qiáng)度。這些擬合曲線的r2值的范圍是從1.000到0.998。在本文中只討論50毫米段的焦炭反應(yīng)后強(qiáng)度數(shù)值，也就是以從中心裂縫到中點位置的25,75,125,175毫米的焦炭為代表。2.3 分析步驟用微晶學(xué)ASAP-2020氮氣吸附法來測定表面積。將一個重量為1-2g的樣品在脫氣真空下以大約110c的溫度下加熱14小時來除去吸附的水分。為了量化氮氣吸附并獲取有關(guān)孔的信息，將樣品在液氮溫度(101

9、.3kPa77.35K)和在0.16至13.4磅的壓力下進(jìn)行操作。在BET方程的基礎(chǔ)上將氮氣吸附的測量量轉(zhuǎn)化為表面積。通過水銀浸泡得到總的孔隙率。利用波義耳法來測定當(dāng)前環(huán)境下的顆粒體積，利用阿基米德原理來測定總體積。對于光學(xué)顯微鏡，樣品用LecoPR-15壓進(jìn)安裝在小球里并用Leco-AP-60磨光器磨光。用配有X-Y平臺、反射光照明和Leica圖像分析套件的Zeiss顯微鏡來研究每一個樣品，用40X油浸物鏡掃描樣品。對于每個樣品，采用60張圖像并使用ImageJ和Leica程序進(jìn)行分析。使用ImageJ分析圖像是為了獲得平均孔面積。ImageJ在每個圖像中分配一個特征的亮度值以此來表達(dá)白色范

10、圍（最大輸出）和黑色范圍（零輸出）的比例。黑色部分所在的區(qū)域和所占比例然后用ImageJ程序來確定和測量。Leica程序用來測量孔軸長度和細(xì)胞壁厚度。為了對碳形態(tài)定量分析，通過系統(tǒng)地遍歷樣品，并至少對每個樣品在顯微鏡目鏡十字線下的紋理計數(shù)500點。碳形態(tài)類別得到了確定和分類。樣品加濕磨碎并在110c烘箱干燥。BrukerD8Advance型X射線衍射儀用于獲得粉碎樣品的粉末衍射圖案。該衍射儀裝配有溶膠-X的固態(tài)檢測器，并在40千伏和30m凝件下操作的銅X射線管。鑒定峰是通過使用BrukerEVA程序來實現(xiàn)的。在BrukerEVA程序使用布拉格方程計算層間距，通過使用TOP徽件進(jìn)行Rietvel

11、d精化過程，獲得微晶高度。3 .結(jié)果與討論3.1 堆密度對焦炭性能的影響焦?fàn)t堆密度的控制是焦化的一個重要方面，因為除其他事項外，它能確保合適的爐體加熱制度，并幫助管理施加在爐墻上的膨脹壓力，而這些壓力會影響焦餅橫向收縮的程度。堆密度也會影響焦炭可用于溶損的表面積以及整個爐室焦炭強(qiáng)度變異性。焦?fàn)t堆密度可以通過改變煤的水分，煤的粒度，使用堆密度改性劑如油，或者通過裝煤方式控制。據(jù)報道增加堆密度會導(dǎo)致焦炭反應(yīng)后強(qiáng)度的提高。在這項研究中，焦?fàn)t堆密度從926kg/m3（A組）增加到996kg/m3（B組）。焦炭反應(yīng)后強(qiáng)度測試表明與文獻(xiàn)報道一致焦?fàn)t堆密度的增加會提高焦反應(yīng)后強(qiáng)度。由于堆密度的增加，反應(yīng)后強(qiáng)

12、度平均值從57.5變?yōu)?2.9,整體提高了8%文獻(xiàn)報告表明，焦炭強(qiáng)度發(fā)展依賴于煤粒子附著的程度，因為粒子之間未填充間隙的存在與差焦化條件和高的孔隙率相關(guān)聯(lián)。在高的堆積密度下，結(jié)焦產(chǎn)生的干儲氣體不易析出，煤粒的膨脹壓力增加，從而促進(jìn)顆粒之間的結(jié)合。兩個指狀焦炭表明反應(yīng)后強(qiáng)度變化的趨勢是單向的，從焦線開始增加到花菜狀結(jié)束，沿焦?fàn)t寬度的溫度梯度變化。壁附近收集的焦炭經(jīng)歷了較長的均熱時間，因此，比在爐中心區(qū)域收集的焦炭有更好的結(jié)構(gòu)發(fā)展。現(xiàn)有調(diào)查表明焦炭的結(jié)構(gòu)依賴于這個爐腔最終溫度的不均勻分布，更接近爐墻的焦炭比焦?fàn)t中心的焦炭具有更有序的碳結(jié)構(gòu)。也有研究表明，在焦?fàn)t內(nèi)部區(qū)域的焦炭反應(yīng)后強(qiáng)度下降是由于爐墻

13、附近的焦炭過度收縮，導(dǎo)致焦?fàn)t內(nèi)部區(qū)域堆密度下降，從而降低了內(nèi)部區(qū)域的反應(yīng)后強(qiáng)度。通過計算焦炭反應(yīng)后強(qiáng)度范圍來評價堆密度對沿焦?fàn)t寬度焦炭質(zhì)量均勻性的影響。正如預(yù)期的那樣，爐體密度從926增加到996kg/m3導(dǎo)致沿焦炭指向的反應(yīng)后強(qiáng)度變化減小，如所示的反應(yīng)后強(qiáng)度范圍從12下降到4.8點。確定了堆密度的增加對反應(yīng)后強(qiáng)度的作用以及沿焦炭指向反應(yīng)后強(qiáng)度的變化，指狀焦炭結(jié)構(gòu)特征被用來研究這些差異和變化的起源。表面積的測量結(jié)果表明，增加堆密度使得可用于溶損的表面積減少。堆密度從926增加到996kg/m3導(dǎo)致指狀焦炭長度方向的表面積減少，平均表面積從6.25減到2.47m2/g。堆密度的增加使表面積減少，

14、這表明煤粒間接觸致密，間隙減小，表現(xiàn)為孔隙直徑為2-50納米的中孔體積減小。表面積的增加與孔體積的增加存在密切聯(lián)系。此外，這兩個焦化操作沿著焦線到花菜狀端有不同的變面積趨勢。對于焦炭從較低的堆密度運行，表面積從焦油線開始減小，到一半的時候達(dá)到最小，然后增加到花菜狀端為止。在花菜狀端表面積的急劇增加是由于焦化早期煤層變干坍塌。在低堆密度下，煤餅幾乎是完整的，所以干燥時容易破碎。坍塌導(dǎo)致煤堆密度局部減小，從而使得表面積更大。因此，堆密度為926kg/m3的指狀焦炭的表面積總變異是5.72點。另一方面，對于較高堆密度下生產(chǎn)的焦炭，具表面積下降，表面積總變異是3.77點。這個趨勢說明焦?fàn)t堆密度的增加會

15、提高焦炭質(zhì)量的均勻性。由于焦炭是一個相對高的孔隙率的材料，大孔（孔隙50納米孔徑）是重要的結(jié)構(gòu)特征，表明氧化性氣體可進(jìn)入焦炭其中并與之發(fā)生氣化反應(yīng)。為了考慮所有孔隙大小，測量了焦炭總孔隙度?？偪紫抖?，用體積分?jǐn)?shù)表示，受針對性地減少固體自帶的施加在顆粒上的壓力的影響。堆密度從926增加到996kg/m3導(dǎo)致了總孔隙度從49.6%降到44.1%。從焦油線到花菜狀端，堆密度的增加導(dǎo)致了在焦油線的總孔隙度大幅下降，從21.5下降到3點。然而必須提到的是，926kg/m3的指狀焦炭焦油線的總孔隙度（64.5%）可能是異常的或錯誤的。不管這個錯誤的數(shù)據(jù)點，隨著焦?fàn)t堆密度的增加總孔隙度會下降。平均孔隙面積減

16、小與總孔隙減小和堆密度增大密切相關(guān)。在低堆積密度下得到的焦炭的平均孔面積為759平方微米，而對于在較高的堆積密度下得到的焦炭的平均孔面積為653平方微米。總孔隙度的減少意味著有限的膨脹，抑制毛孔擴(kuò)大，大概是高堆密度使得煤層緊湊。3.2 結(jié)焦速率對焦炭性能的影響結(jié)焦速率由焦?fàn)t寬度和裝煤到爐中心線膠質(zhì)體再凝固的時間長度共同決定。結(jié)焦速率用每小時碳化的煤的寬度（毫米）來表示。在這項研究中，改變結(jié)焦速率，從15.57毫米/小時（A組）變?yōu)?6.52毫米/小時（C組），借此來研究結(jié)焦速率對焦炭質(zhì)量的影響。焦炭反應(yīng)后強(qiáng)度測試表明提高結(jié)焦速率會導(dǎo)致總的反應(yīng)后強(qiáng)度提高，反應(yīng)后強(qiáng)度平均值從57.5增加到59.2

17、。之前的研究報告說明反應(yīng)后強(qiáng)度隨結(jié)焦速率的提高而增大，這與觀察到的反應(yīng)后強(qiáng)度增量一致?？焖俳够岣呖伤苄?，通過煉焦過程中間相階段更寬的塑性區(qū)表現(xiàn)。邏輯上，提高可塑性會被認(rèn)為允許紋理域的發(fā)展，從而形成的碳反應(yīng)性低。對于這兩種焦化速率，反應(yīng)后強(qiáng)度沿指狀焦炭的長度方向增加，雖然指狀焦炭末端的結(jié)焦速率更快，但反應(yīng)后強(qiáng)度增量變平。因為在指狀焦炭末端，兩組的反應(yīng)后強(qiáng)度相似。該結(jié)果還表明，增加結(jié)焦速率提高整個爐寬焦炭質(zhì)量的均勻性。在較慢結(jié)焦速率下得到的焦炭反應(yīng)后強(qiáng)度范圍是12,而在較快結(jié)焦速率下的反應(yīng)后強(qiáng)度范圍是9.3cAmamotO艮道通過增加結(jié)焦速率改善焦炭品質(zhì)的均勻性，并且將這種改善歸因于早期循環(huán)中碳

18、化區(qū)域過度收縮抑制裂隙生成，從而防止?fàn)t室內(nèi)部區(qū)域反應(yīng)后強(qiáng)度降低。結(jié)焦速率的增加也會使焦炭平均表面積降低。以較慢和較快結(jié)焦速率得到的指狀焦炭表面積分別是6.25m2/g和1.50m2/go然而，兩個焦化操作在指狀焦炭長度方向上有不同的表面積趨向。以結(jié)焦速率為15.57毫米/小時得到的指狀焦炭表面積從焦油線減小，中途達(dá)到最小，朝向花菜狀端增加。反之，以較快的結(jié)焦速率得到的指狀焦炭通常具有表面積從焦油線到花菜狀端減小的趨勢，盡管內(nèi)部具有最大值和最小值。表面積的趨勢差異表明結(jié)焦速率既會影響沿指狀焦炭長度方向的表面積范圍，也會影響表面積分布。類似于表面積，結(jié)焦速率的提高會使總孔隙度降低，總孔隙度的降低伴隨著平均孔隙面積減少。4 .結(jié)論通過采用類似的焦化條件同時改變堆積密度來評估焦?fàn)t堆積密度對焦炭性能的影響，即把堆積密度從926變?yōu)?96kg/m3o相似的，把結(jié)焦速率從15.57變?yōu)?6.52毫米/小時來研究結(jié)焦速率對焦炭性能的影響。我們得