一、 焦炭的化學(xué)性質(zhì)
1 焦炭反應(yīng)性
焦炭與二氧化碳、氧和水蒸汽等進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的能力。焦炭在高爐冶煉過程中，與CO2、O2和水蒸汽發(fā)生下列化學(xué)反應(yīng)：
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)
由于焦炭與O2和H2O的反應(yīng)有與CO2反應(yīng)相類似的規(guī)律，大多數(shù)國家都用焦炭與CO2間的反應(yīng)特性評定焦炭反應(yīng)性。焦炭反應(yīng)性與焦炭塊度、氣孔結(jié)構(gòu)、光學(xué)組織、比表面積、灰分的成分和含量等有關(guān)；還因測定是所采用的條件，如反應(yīng)溫度、反應(yīng)氣組成、反應(yīng)氣流量和壓力等因素而成改變。所以，評定炭的反應(yīng)性必須在規(guī)定的條件下（GB4000－83）進(jìn)行試驗， 以反應(yīng)后失重百分?jǐn)?shù)作為反應(yīng)指數(shù)（Cr）。反應(yīng)后的焦炭在直徑130mm，長700mm的I型轉(zhuǎn)鼓中以20r/min速度轉(zhuǎn)動600轉(zhuǎn)，然后用10mm篩子篩分，測量篩上物占裝入轉(zhuǎn)鼓的反應(yīng)后焦炭量的百分?jǐn)?shù)作為反應(yīng)后強度Sar，多數(shù)國家要求Cr<30%～35%，Sar>48%～50%。在反應(yīng)條件一定的情況下，焦炭反應(yīng)性主要受煉焦煤料的性質(zhì)、煉焦工藝、所得焦炭的結(jié)構(gòu)以及焦炭灰成分的影響。
降低焦炭反應(yīng)性的措施。一般認(rèn)為，在煉焦配煤中適當(dāng)多用低揮發(fā)分煤和中等揮分煤，少用高揮發(fā)煤；提高煉焦終溫；悶爐操作；增加裝爐煤散密度，調(diào)整裝爐煤的粒度組成；干法熄焦；提高焦炭光學(xué)各向異性組織含量；降低氣孔比表面積；降低焦炭灰分（金屬氧化物具有正催化作用，B2O3具有負(fù)催化作用）。有的學(xué)者認(rèn)為，配用低變質(zhì)程度、弱黏結(jié)性的氣煤類煤煉成的焦炭含有大量的各向同性結(jié)構(gòu)，有著良好的抗高溫堿侵蝕性能。
2 焦炭的燃燒性
作為燃料是焦炭的主要用途，發(fā)熱量、著火溫度等是焦炭的重要參數(shù)。
（1）焦炭的發(fā)熱量。焦炭的發(fā)熱量是用氧彈量熱計測定的，按GB－213標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，操作精細(xì)，誤差可在125J/g以內(nèi)。焦炭中的碳、氫、硫、氮都能與氧化合，由其反應(yīng)熱可以計算出焦炭的發(fā)熱量，其值在33400～33650J/g。對焦炭CO2反應(yīng)性有影響的各因素對焦炭的燃燒性也具有相同的影響。
（2）焦炭的著火點。 焦炭的著火點是指焦炭在干燥的空氣中產(chǎn)生燃燒現(xiàn)象的最低溫度。測定焦炭著火點的方法，習(xí)慣上采用1943年布萊登和賴?yán)热嗽O(shè)計的方法，高爐焦著火溫度為550～650℃。
3 焦炭抗堿性
它是焦炭在高爐冶煉過程中抵抗堿金屬及其鹽類作用的能力。雖然焦炭本身的鉀、鈉堿金屬含量很低（約0.1%～0.3%），但在高爐冶煉過程中，由礦石帶入大量的鉀、鈉，并富集在焦炭中（可高達(dá)3%以上），對焦炭反應(yīng)性、焦炭機械強度和焦炭結(jié)構(gòu)均會產(chǎn)生有害的影響，危及高爐操作。提高焦炭抗堿能力的措施有：
（1）采取各種措施降低焦炭與CO2的反應(yīng)性，提高反應(yīng)后強度。
（2）從高爐操作采取措施，降低高爐爐身上部溫度，減少堿金屬在高爐的循環(huán)，從而降低焦炭中的鉀、鈉富集量。
（3）煉焦煤料適當(dāng)配用低變質(zhì)程度弱黏結(jié)性氣煤類煤。
二、 焦炭的物理性質(zhì)
1 焦炭比熱容
焦炭比熱容即為單位質(zhì)量的焦炭溫度升高1度所需的熱量數(shù)值，以kJ／(kg·K)表示。焦炭比熱容與溫度、原料煤的煤化度、焦炭的揮發(fā)分和灰分等因素有關(guān)。
（1）焦炭在0～1000℃范圍內(nèi)瞬時比熱容的變化關(guān)系為：
CC=0.836＋1.53×10-3(T－273)－5.4×10-7(T－273)2
（2）隨著原料煤的煤化度提高，焦炭比熱容隨之下降。
（3）焦炭比熱容隨焦炭揮發(fā)份的升高而增加：
CC(20℃)=0.795＋0.05Vdaf
式中： Vdaf——焦炭干燥無灰基揮發(fā)分，%。
（4）焦炭中灰分提高，焦炭比熱容降低，焦炭中灰分的瞬時比熱容為：
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，其比熱容可由灰分的碳的比熱容加和計算：
式中： Ad——焦炭干基灰分，%
一般工業(yè)焦炭的灰分范圍為5%～15%，比熱容總變化量不大于1%。
2 焦炭熱導(dǎo)率
熱量從焦炭的高溫部位向低溫部位傳遞時，單位距離上溫差為1開氏溫度的傳熱速率以W·(m·K)-1表示。焦炭熱導(dǎo)率為：
式中： δ——高溫點與低溫點間的距離，m
dt——高溫點與低溫點間的溫度，K
dQ——傳熱速率，J·s-1。
與此有關(guān)的熱擴(kuò)散率a(m2·s-1)，可根據(jù)熱導(dǎo)率λ和比熱容c[kJ·(kg·K)-1]確定，即
式中： ρ——密度，kg·m-3.
室溫下焦塊的熱導(dǎo)率大致為0.58～0.81W·(m·K)-1,并隨溫度的升高呈近似直線地增加。焦炭的熱導(dǎo)率和熱擴(kuò)散率隨視密度和灰分的增加、氣孔率的降低以及裂紋的減少而增大。原料煤的煤化度提高時，因含碳量增加，所制得的焦炭熱導(dǎo)率和熱擴(kuò)散率也隨之增高。
3 焦炭熱膨脹系數(shù)
棒狀焦炭試樣在受熱過程中，溫度每升高1K的伸長量與試樣原長的比值。焦炭線膨脹系數(shù)為：
式中： L——試樣原長，m
dt——溫度增加量，K
dL——試樣伸長量，m
在20～1000℃范圍內(nèi)，焦炭隨溫度的升高而膨脹，加熱溫度超過煉焦終溫時，焦炭將呈現(xiàn)出某些收縮。焦炭的熱膨脹系數(shù)與生產(chǎn)焦炭和原料煤種類、加熱速度和與焦樣在炭化室內(nèi)經(jīng)歷的熱流方向有關(guān)。焦炭加熱時所產(chǎn)生的破壞，主要取決于焦炭本身結(jié)構(gòu)的不均一性加熱速度。由各單種煤煉得的焦炭在100～1000℃范圍內(nèi)的平均線脹系數(shù)為：(4.8～6.7)×10-6（K-1）。
4 焦炭收縮率
焦炭試樣重新加熱到高于煉焦終溫后，產(chǎn)生的收縮量占原來長度的百分率。焦炭受熱時先發(fā)生膨脹，繼續(xù)加熱到煉焦終溫后，焦炭開始收縮。焦炭加熱到1400℃以上時，收縮率極小，這時焦炭呈現(xiàn)出熱穩(wěn)定性。焦炭試樣加熱到1400℃時的平均收縮率為0.3%～1.4%，焦炭的收縮率與原料煤的組成有關(guān)。
5 焦炭熱應(yīng)力
焦炭受熱時，因內(nèi)部結(jié)構(gòu)和性質(zhì)不均一，以及各部位的溫度梯度而產(chǎn)生的應(yīng)力。焦炭熱應(yīng)力為：
式中： α——焦炭線脹系數(shù)，K-1
E——焦炭楊氏模量，MPa
Δt——焦塊表面與中心之間的溫度差，℃，在高爐中因焦塊大小和所在部位而異，一般可達(dá)100～300℃。前蘇聯(lián)曾測得工業(yè)焦炭在不同加熱溫度下的焦炭熱膨脹系數(shù)和焦炭楊氏模量，見表1。
表1 焦炭在不同溫度下的熱膨脹系數(shù)和楊氏模量
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焦炭溫度, ℃ |
500 |
750 |
1000 |
1250 |
1500 |
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線膨脹系數(shù)，K-1 |
6.0×10-6 |
6.0×10-6 |
6.0×10-6 |
4.5×10-6 |
2.3×10-6 |
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楊氏模量，MPa |
3650 |
3650 |
3720 |
3730 |
3840 |
高爐內(nèi)焦炭熱應(yīng)力因所處位置和塊度大小不同，在0.3～2.9MPa范圍內(nèi)波動。焦炭內(nèi)的熱應(yīng)力是粒度＞60mm焦炭在高爐內(nèi)破碎的原因之一。
6 焦炭電阻率
電阻率又稱比電阻：
式中： R——材料的電阻，Ω
S——測量電阻率試樣的斷面積，m2
L——試樣的長度，m
其值取決于制備焦炭所用原料煤的煤化度、焦炭灰分含量、炭化溫度以及焦炭結(jié)構(gòu)，焦炭電阻率是焦炭的重要特性之一，可用于評價焦炭的成熟度，也可用于評定焦炭的微觀結(jié)構(gòu)。
7 焦炭的篩分組成
中國國家標(biāo)準(zhǔn)（GB2005－80）規(guī)定，用25、40、60和80mm的一組標(biāo)準(zhǔn)方孔篩對塊焦進(jìn)行篩分后，稱量各個篩級的焦炭，以所得各篩級焦炭質(zhì)量占試樣總量的百分率表示焦炭的篩分組成。用10mm和40mm直徑的圓孔篩測定焦炭轉(zhuǎn)鼓試驗后焦炭粒級的組成。根據(jù)篩分組成，可以確定焦炭的平均粒度和焦塊均勻系數(shù)，估算焦炭比表面和焦炭堆積體的空隙體積等焦炭的物理特性。
(1)計算平均粒度。算術(shù)平均粒度為：
式中：ai——各粒級的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，%
di——各粒級的平均尺寸，mm，用相應(yīng)粒級的上、下限的平均值計算。
調(diào)和平均粒度為：
式中： dh——根據(jù)焦塊的表面積與相應(yīng)球體表面積相等為條件得出的平均直徑，與焦炭表面積有關(guān)，常用以計算焦炭層的阻力和透氣性。
(2)計算焦炭粒度均勻性系數(shù)K均 。大型高爐用焦炭的K均 為：
式中： a25-40、a40-80和a>80 ——各相應(yīng)粒級焦炭的質(zhì)量百分含量，%
中、小型高爐用焦炭的K均 為：
(3) 估算焦炭的比表面。如焦炭篩分組成用80、60、40、25和10mm五級篩測得，則焦炭的比表面為：
式中： S——焦炭的比表面，cm2·kg-1
a——各相應(yīng)粒級的質(zhì)量百分率，%
（4）估算焦炭堆積體的空隙體積。若焦炭篩分組成用80、60、40、25和10mm五級篩測定，則空隙體積為：
式中： V——焦炭的空隙體積，cm3·kg-1。
8 焦炭堆積密度
它是單位體積內(nèi)塊焦堆積體的質(zhì)量，kg·m-3。測量焦炭堆積密度是用一定容積的箱子，將焦炭自由地放入，頂面持平，然后稱量焦炭凈重并除以容積，即為堆積密度ρb。
焦炭堆積密度（ρb）取決于焦炭視密度(ρa)和焦塊之間的空隙體積V，三者之間存在以下關(guān)系：
ρb值在400～520（kg·m-3）范圍之內(nèi)。焦炭堆積密度對焦炭透氣性影響很大。隨著焦炭平均塊度的增加，焦炭堆積密度成比例地減少。大塊焦摻入小塊焦，則焦炭的空隙降低。焦炭的平均塊度下降，堆積密度ρb增加。
9 焦炭透氣性
焦炭透氣性表示氣流通過焦炭料柱的難易程度。它與焦炭篩分組成和焦炭堆積密度有關(guān)，通常以一定流速的氣體通過焦炭料柱時的阻力系數(shù)來衡量。這個阻力系數(shù)隨焦塊之間空隙體積的增加和焦塊堆積體總表面的減小而降低。焦炭透氣性的測量通常在實驗室中以特定的條件進(jìn)行，測定焦炭料柱的阻力，計算阻力系數(shù)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——試驗條件下的空氣密度，kg·m-3；
ω——空氣的流速,m·s-1。
阻力系數(shù)Kr與焦炭的調(diào)和平均粒度有關(guān)，當(dāng)焦炭的調(diào)和平均粒度dh小于40～50mm時，Kr急劇增加。因此，在高爐內(nèi)當(dāng)焦炭粒度低于此范圍時，即使粒度有很小的變化，也會對高爐透氣性產(chǎn)生很大影響。此外，當(dāng)不同粒度的焦炭混合時，使焦炭間的空隙體積減小，Kr將增大。焦炭在運輸和使用過程中，由于受到機械力、熱應(yīng)力和化學(xué)作用而碎裂，使焦炭表面積增加，篩分組成變化，導(dǎo)致焦炭透氣性變差。Kr一般在100～1200范圍內(nèi)。
10 焦炭真密度
焦炭真密度即焦炭去除孔隙后單位體積的質(zhì)量。焦炭的真密度一般為1.80～1.95（g·cm-3）焦炭真密度主要受炭化溫度、結(jié)焦時間和元素組成的影響。
11 焦炭視密度
焦炭視密度即為干燥塊焦單位體積的質(zhì)量。焦炭的視密度為0.88～1.08（g·cm-3）。焦炭的視密度隨原料煤的煤化度、裝爐煤散密度、炭化溫度和結(jié)焦時間的不同而變化。
12 焦炭著火溫度
焦炭在空氣或氧氣中加熱時達(dá)到連續(xù)燃燒的最低溫度。同一焦炭的著火溫度，因測定方法和實驗條件不同，差異很大。焦炭在空氣中的著火溫度為450～650℃。焦炭的化學(xué)活性越高，其著火溫度越低。焦炭著火溫度主要取決于原料煤的煤化度、煉焦終溫和助燃?xì)怏w中氧的濃度。隨著原料煤的煤化度和煉焦終溫而提高。采用煤料預(yù)熱和搗固等方式可提高焦炭的視密度，降低氣孔率，可使焦炭著火溫度升高。采用富氧空氣可以降低焦炭著火溫度。試驗表明，空氣中氧的濃度每增加1%，著火溫度大致可降低6.5～8.5℃。
