炼焦过程中，通过将煤料进行捣固，可提高堆积密度，从而达到改善煤料黏结性、提高焦炭强度的目的^{[1, 2, 3]}.然而，近几年捣固焦并没有成功地应用在大型高炉上^[4].分析认为，当前评价焦炭质量的指标已难以准确模拟焦炭在高炉内的行为；同时，对焦炭质量高低的评价，还应充分考虑高炉的状态，即冶炼吨铁消耗的焦炭量及高炉顺行^{[5, 6, 7]}.因此，对于如何准确认识焦炭本质，从而合理评价焦炭质量的研究很有意义.研究者已对捣固炼焦进行大量的研究，但主要侧重于捣固炼焦工艺和配煤结构方向^{[8, 9, 10]}，对于决定焦炭性能的微观结构研究较少.本文针对捣固炼焦工艺的特点，重点研究了捣固焦微观气孔结构和光学组织结构，并与顶装焦对比，以期为优化捣固炼焦工艺提供参考.

本次实验所用焦炭样品均取自国内某钢铁厂，实验样品的化学成分及性能如表 1所示.其中捣固焦9种，分别为捣固焦A，B，C，D，E，F，G，H和I，焦炭反应性指标CRI最低仅为17.08%，最高为31.15%.顶装焦3种，分别为顶装焦A，B和C，焦炭CRI最低仅为19.44%，最高为29.47%.

表 1

Table 1

表 1(Table 1)

表 1 焦炭化学成分(质量分数)及性能 Table 1 Chemical composition (mass fraction) and properties of cokes % 种类 样品 元素分析 工业分析 CRI CSR C H N S O 挥发分 灰分 固定碳 捣固焦 A B C D E F G H I 84.28 85.14 84.30 86.16 85.10 86.10 85.97 86.31 85.42 0.28 0.47 0.40 0.17 0.16 0.18 0.12 0.15 0.20 0.85 0.64 0.76 0.43 0.67 0.35 0.24 0.33 0.44 0.56 0.70 0.61 0.58 0.71 0.66 0.62 0.60 0.54 0.32 0.43 0.10 0.42 0.04 0.34 0.78 0.09 0.09 1.96 1.98 2.62 2.78 1.84 2.38 2.48 2.77 2.95 12.84 12.83 12.84 12.73 12.93 13.28 12.21 12.85 12.75 85.20 85.19 84.54 84.49 85.23 84.34 85.31 84.38 84.30 24.28 23.43 19.02 31.15 24.55 21.76 24.03 17.08 25.75 59.72 69.39 67.20 56.80 62.02 66.35 60.65 67.72 60.12 顶装焦 A B C 86.44 86.69 84.61 0.28 0.25 0.18 0.60 0.42 0.66 0.64 0.60 0.64 0.05 0.08 0.15 1.94 1.33 2.16 12.75 13.48 13.43 85.31 85.19 84.41 25.15 19.44 29.47 58.08 67.78 55.32 注：工业分析采用空气干燥基.

表 1 焦炭化学成分(质量分数)及性能 Table 1 Chemical composition (mass fraction) and properties of cokes

焦炭气孔结构及比表面积通过N₂吸附法测定，采用美国康塔公司生产的QUANTACHR OME AUTOSOR B-1型比表面积和孔隙分析仪.

焦炭的气孔率是指气孔体积与总体积比的百分数.本实验采取全气孔体积的方法(即单位质量焦炭中气孔所占的体积)研究焦炭的气孔率.焦炭属于多孔材料，其密度有真密度和假密度之分，具体定义分别为

显气孔率=显露气孔所占体积/整个焦炭体积；

总气孔率=全部气孔所占体积/整个焦炭体积；

真密度＝质量/物质本身体积(不包括气孔)(g/cm³)；

假密度＝质量/假体积(物质体积+闭气孔体积+开气孔体积)(g/cm³).

焦炭光学组织是采用光学显微镜对焦炭中碳分子结构的定向程度所做的定性和定量描述.本次实验参照GB/T077—1995对焦炭光学组织进行测定.

通常情况下，按照孔径范围可将气孔分为三种：孔径小于2 nm的微孔，介于2~50 nm之间的中孔，大于50 nm的大孔.图 1表示9种捣固焦和3种顶装焦气孔结构分布图.可以看出，9种捣固焦气孔结构分为两种，第一种为捣固焦A、捣固焦B和捣固焦D，三种焦炭以孔径5～10 nm的中孔为主(图中椭圆部分)，并且还存在一定数量小于3 nm的微孔.第二种为其余6种捣固焦，主要以孔径小于3 nm的微孔为主(图中矩形部分).而3种顶装焦均以孔径小于3 nm的微孔为主，但是都明显存在一定数量的20～50 nm的中孔(图中圆圈部分)，而捣固焦中20～50 nm的中孔几乎很少，这主要是由捣固焦和顶装焦炼焦工艺决定，捣固炼焦的煤料堆密度一般为顶装炼焦的1.2～1.4倍左右，故捣固炼焦不利于较大气孔的形成.

图 1(Figure 1)

Fig. 1

图 1 捣固焦与顶装焦气孔结构分布图 Fig. 1 Pore structure distribution of stamp charging cokes and top charging cokes

图 2表示捣固焦与顶装焦平均气孔直径对比图.由图可知，3种顶装焦的平均孔径均大于16 nm，均高于捣固焦的平均气孔直径.其中，捣固焦E的平均孔径最小，仅为6.3 nm，而顶装焦C的平均孔径最大，达到20.46 nm，是捣固焦E的3倍多.由焦炭的气孔分布结果可知，9种捣固焦的气孔几乎全部由小于10 nm的微气孔组成，而顶装焦中含有一定数量的20～50 nm的中气孔.因此，捣固焦平均气孔直径低于顶装焦.图 3表示捣固焦与顶装焦比表面积对比图.可以看出，捣固焦比表面积分布范围较广，最小为0.39 m²/g，最高可达1.1 m²/g；而顶装焦由于平均气孔直径相对较大，因此，比表面积相对较小，最小仅为0.35 m²/g.捣固焦与顶装焦比表面积无明显差异.

图 2(Figure 2)

Fig. 2

图 2 捣固焦与顶装焦平均气孔直径 Fig. 2 Mean pore diameter of stamp charging cokes and top charging cokes

图 3(Figure 3)

Fig. 3

图 3 捣固焦与顶装焦比表面积 Fig. 3 Specific surface area of stamp charging cokes and top charging cokes

图 4和图 5分别表示焦炭的总气孔率、显气孔率和显气孔占总气孔比例.从图中可以看出，9种捣固焦总气孔率均较低，基本都小于顶装焦.捣固焦总气孔率最小值为46.08%，而顶装焦总气孔率最大值可达53.23%.捣固焦显气孔率明显低于顶装焦，最大差值可达10%.捣固焦显气孔比例也低于顶装焦，差值在0～15%.因此，与顶装焦相比，捣固焦总气孔率、显气孔率和显气孔比例均较低，而闭气孔比例相对较高.

图 4(Figure 4)

Fig. 4

图 4 捣固焦与顶装焦总气孔率 Fig. 4 Total porosity of stamp charging cokes and top charging cokes

图 5(Figure 5)

Fig. 5

图 5 捣固焦与顶装焦显气孔率及显气孔占总气孔比例 Fig. 5 Apparent porosity and apparent porosity ratio of total porosity of stamp charging cokes and top charging cokes

从动力学角度分析，捣固焦气孔率较低，并且闭气孔比例较高，对于比表面积较高的捣固焦，当气化反应进行到一定程度时，由于其闭气孔打开，比表面积进一步增加，可能导致气化反应速率加快，劣化加剧.因此，按照常规焦炭反应性的测定方法得到的反应性较低、反应后强度较高的优质焦炭，如果在高炉中气化反应失重率较高时，可能会出现焦炭性能指标与实际使用效果不符的情况.

图 6表示捣固焦与顶装焦真密度和假密度对比图.从图中可以看出，捣固焦与顶装焦的真密度相差不大，分布区间在1.85～1.96 g/m³.但是，捣固焦的假密度明显高于顶装焦，捣固焦假密度均在0.98 g/m³以上，顶装焦假密度均低于0.97 g/m³.

图 6(Figure 6)

Fig. 6

图 6 捣固焦与顶装焦真密度与假密度 Fig. 6 True density and apparent density of stamp charging cokes and top charging cokes

捣固焦气孔分布以微小气孔为主，气孔率低，假密度高，主要是由捣固炼焦工艺的特点决定的.捣固炼焦工艺的煤料堆密度高，气体膨胀压力大，不利于较大气孔的生成，降低了捣固焦的气孔率.因此，焦炭的假密度是区分捣固焦和顶装焦简易有效的方法.

综上分析，从提高强度的角度考虑，捣固炼焦工艺对焦炭气孔结构有改善作用，具体表现为：大气孔比例减少，中、小气孔比例增加，总气孔率降低，焦炭结构更致密.然而，捣固焦总气孔率低，闭气孔比例高，可能使焦炭指标的检测结果好于在高炉中实际的使用效果，需进一步研究.

捣固炼焦工艺可以改变焦炭的气孔结构，但是不能改变焦炭的基质结构.焦炭的基质结构主要取决于炼焦配煤性质.通常情况下，用焦炭光学组织指数(OTI)来表征光学组织各向异性程度.OTI值越高，焦炭各向异性程度越高.

焦炭的OTI值计算式为

表 2

Table 2

表 2(Table 2)

表 2 焦炭OTI赋值方法 Table 2 OTI value of various optical textures 分类 细粒镶嵌 中粒镶嵌 粗粒镶嵌 不完全纤维 纤维 片状 各向同性 破片与丝碳 惰性 基础各向异性 OTI 1 2 2 3 3 4 0 0 0 0

表 2 焦炭OTI赋值方法 Table 2 OTI value of various optical textures

通常，在不富碱条件下，焦炭与CO₂气化反应能力与各向同性组织含量呈正比，与各向异性组织含量呈反比.图 7和图 8分别表示捣固焦与顶装焦OTI值和各向同性组织含量.

图 7(Figure 7)

Fig. 7

图 7 捣固焦与顶装焦光学组织指数(OTI) Fig. 7 Optical texture index of stamp charging cokes and top charging cokes

图 8(Figure 8)

Fig. 8

图 8 捣固焦与顶装焦各向同性组织含量 Fig. 8 Isotropic texture content of stamp charging cokes and top charging cokes

可以看出，焦炭OTI值及各向同性组织含量分布范围广泛，无规律，捣固焦与顶装焦无明显区别.但是也可以看出，捣固焦E各向同性组织含量明显高于其他焦炭，从而也导致其OTI值低于其他焦炭，焦炭光学组织主要取决于配煤的煤化度和煤岩组成，炼焦工艺对其影响不大.因此，捣固焦E各向同性组织含量较高的原因可能主要是由于其炼焦配煤中配入了较多的难以软化、熔融的煤，如低变质程度煤.实验结果表明，捣固炼焦工艺对焦炭性能影响的主要原因表现在对焦炭气孔结构的改变.

1) 捣固焦与顶装焦气孔结构差异明显，9种捣固焦气孔结构分布以小于10 nm的中、小气孔为主，平均气孔直径小，有利于提高焦炭强度；3种顶装焦则存在一定数量20～50 nm中孔，比表面积小.

2) 9种捣固焦总气孔率、显气孔率和显气孔比例基本均低于顶装焦，捣固焦的假密度明显高于顶装焦，真密度相差不大.假密度可以作为区分捣固焦与顶装焦的简易方法.

3) 焦炭光学组织主要取决于配煤性质，与炼焦工艺关系不大，捣固焦与顶装焦光学组织结构无明显区别.