温度/碱金属碳酸盐对焦炭结构及性能影响

摘要

随着高炉大型化、喷煤比提升及原、燃料质量不断下降，原、燃料中的碱金属元素不断增多，造成碱金属在高炉中循环富集，对高炉的破坏作用增强，碱金属对高炉冶炼的危害日渐受到重视。碱金属的循环富集不仅会对高炉的炉衬产生严重的侵蚀，而且使得高炉料柱透气性恶化。同时，焦炭作为高炉炼铁最重要的燃料之一也会受到碱金属的危害。碱金属在高炉上升过程中会渗透到焦炭内部，催化焦炭气化反应，对焦炭粒度、气化反应性及强度等冶金性能产生严重的影响，因此有必要研究碱金属对焦炭结构及性能的影响。而焦炭宏观性质只是焦炭内部光学组织组成的一种外在表现，因此有必要进一步研究碱金属对焦炭不同光学组织溶损行为的影响。此外，在高炉下部高温区内，碳素溶损反应程度较低，热应力是焦炭劣化的主要因素之一，造成焦炭粉化，不但严重影响焦炭的强度，而且不利于高炉顺行。因此有必要深入研究热处理对焦炭结构及性能的影响。　　首先，将硅钼炉升温至不同目标温度并保温一定时间，采用机械筛分、偏光显微镜、X射线衍射仪、拉曼光谱仪、N2吸附仪及万能材料试验机等技术分析了经历不同温度热处理后焦炭的粒度分布、孔隙结构、微晶结构、矿物质转变特征及抗压强度的影响规律。研究表明，随着热处理温度的升高，大颗粒焦炭所占百分比降低，小颗粒焦炭所占百分比增加，焦炭细化严重；同时，小孔相互连通形成大孔，且有明显裂纹产生，焦炭孔隙率增大，孔的平均面积增加；此外，随着热处理温度的升高，焦炭中碳堆积高度Lc和微晶尺寸La都明显升高，碳层间距d002降低，石墨化程度增加，大芳香环结构先增加后逐渐达到饱和状态且C-C含量增加，焦炭抗压强度下降。　　其次，采用“浸渍吸附法”将碱金属碳酸盐渗入到焦炭内部。使用新日铁开发的NSC方法测定了碱金属碳酸盐对焦炭的反应性及反应后强度的影响，并对焦炭粉化情况进行统计；使用 XRD 研究了碱金属碳酸盐对焦炭微晶结构的影响；使用 SEM-EDS 分析了碱金属碳酸盐对焦炭微观结构的影响。此外，使用偏光显微镜统计焦炭光学组织含量。研究发现：碱金属碳酸盐能使焦炭的CRI增加，CSR下降，从而造成粉化现象，且随着碱金属碳酸盐浓度的升高，焦炭的粉化率则会越大；碱金属碳酸盐会使碳堆积高度（Lc）和碳层间距（d002）增大；通过对焦炭矿物质分析发现，在气化过程中由于碱金属碳酸盐的存在，生成膨胀性矿物霞石和钾霞石，加强了对焦炭性能的破坏；此外，碱金属碳酸盐对各向异性组织的气化具有一定的催化作用，对各向同性组织的气化具有一定的抑制作用。　　最后，通过热力学计算、热重实验及建模研究了碱金属碳酸盐对焦炭气化催化的动力学规律及机理。结果表明，碱金属碳酸盐对焦炭气化有明显的催化作用，碳酸钾对焦炭气化反应催化作用比碳酸钠对焦炭气化反应催化明显，碳酸钠和碳酸钾均能有效降低焦炭气化反应的初始温度，剧烈反应温度和终了温度，且随着碱金属碳酸盐含量的增加，焦炭气化反应的转化率提高，最大反应速率增加。焦炭气化过程在碱金属碳酸盐含量较低时，主要受一级反应控制，碱金属碳酸盐含量高时则受二级反应控制。添加碱金属碳酸盐可降低焦炭气化反应活化能，从而催化焦炭气化反应，且碳酸钾的作用效果要高于碳酸钠。

目录

1 绪论

1.1 研究背景

1.2 文献综述

1.2.1 高炉燃料来源与分布状况

1.2.2 焦炭在高炉中的作用

1.2.3 焦炭在高炉中的行为

1.2.4 碱金属在焦炭中含量变化及其循环富集

1.2.5 碱金属碳酸盐对焦炭热性能影响

1.2.6 碱金属碳酸盐对焦炭光学组织的影响

1.2.7 焦炭碳结构及其高温有序化研究进展

1.2.8 焦炭力学性能研究

1.3 研究意义

1.4 研究内容及方法

2 温度对焦炭结构与性能的影响研究

2.1.1 煤样分析

2.1.2 焦炭分析

2.2 实验装置及方法

2.3检测装置及技术

2.4.1 温度对焦炭失重影响研究

2.4.2 温度对焦炭粒度影响研究

2.4.3 温度对焦炭微晶结构影响研究

2.4.4 温度对焦炭矿物质转变规律影响研究

2.4.5 温度对焦炭碳骨架结构影响研究

2.4.6 温度对焦炭孔隙影响研究

2.4.7 温度对焦炭力学性能影响研究

2.5 本章小结

3 碱金属碳酸盐对焦炭结构与性能的影响研究

3.1 实验原料

3.2 实验方法及装置

3.3 实验结果及分析

3.3.1 碱金属碳酸盐对焦炭粉化影响研究

3.3.2 碱金属对焦炭气化反应性影响研究

3.3.3 碱金属对焦炭微晶结构影响研究

3.3.4 碱金属碳酸盐对焦炭微观结构影响

3.3.5 碱金属对焦炭光学组织影响研究

3.4 本章小结

4 碱金属碳酸盐催化作用下焦炭气化反应动力学研究

4.1 实验原料

4.2 实验方法及装置

4.2.1 非等温动力学分析实验

4.2.2 等温动力学分析实验

4.3.1 热力学计算

4.3.2 碳酸钠和碳酸钾对焦炭气化特征温度影响

4.3.3 碱金属碳酸盐条件下焦炭气化动力学

4.3.4 碱金属碳酸盐对焦炭气化反应的催化机理

4.3.5 碳酸钠和碳酸钾对焦炭气化反应性指数影响

4.4 本章小结

5 结论

参考文献

附录

A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文及专利

B. 作者在攻读硕士学位期间参加的科研项目

C. 作者在攻读学位期间参加的学术活动

D. 作者在攻读硕士学位期间的获奖情况

E. 学位论文数据集

致谢