焦炭的光学组织及因素

文|汇锦数能-掌上煤焦

焦炭的光学组织

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。

焦炭的光学组织及因素 第1张

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。

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。

焦炭的光学组织及因素 第2张

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。

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。

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°C时,则完全转化为石墨型的晶体结构。

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"C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°C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--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。

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