气化作用对捣固焦与顶装焦原位热强度的影响：孔隙结构、碳结构与断裂机制解析

推荐：为解决高炉条件下捣固焦热性能争议及工业应用受限问题，研究人员通过模拟高炉温度与CO2气氛，对比分析了捣固焦与顶装焦的气化后热拉伸强度差异。研究发现，1200°C时顶装焦强度骤降而捣固焦保留51.3%更高强度，其优势源于更致密的孔隙结构和更少的缺陷诱导断裂。该研究为高炉焦炭性能评价及捣固焦工业化应用提供了理论支撑。

　　

在钢铁冶炼领域，焦炭作为高炉内唯一的固态原料，其热强度直接决定了高炉透气性与运行稳定性。随着优质炼焦煤资源枯竭，能利用低阶煤的捣固焦技术(SC)因节能经济优势备受关注。然而，传统研究多聚焦于冷态机械强度(CSR/CRI)，对高炉实际工况下SC与顶装焦(TCC)的热强度退化机制认知不足，导致其大规模应用受阻。

为破解这一难题，中国某研究团队在《Fuel Processing Technology》发表论文，通过自主研发的高温热强度测试系统，首次对比了SC与TCC在1100-1200°C CO₂气化后的性能差异。研究采用圆柱试样劈裂法测定热拉伸强度，结合数字显微镜(DSX510)全景成像分析孔隙演变，借助偏光显微镜(PETRO200AI)和X射线衍射(XPert PRO MPD)分别表征光学组织与碳微晶结构，并通过扫描电镜(SEM)揭示断裂形貌特征。

3.1 热拉伸强度
气化后两种焦炭强度均下降，但1200°C时TCC强度骤降28.4%，而SC仅降低18.6%，保留51.3%的强度优势。标准偏差分析显示TCC个体差异更大，反映其结构不均一性。

3.2 孔隙结构
图像阈值分析表明：原始TCC大孔比例(81%)显著高于SC(69%)。气化后TCC孔隙连通更严重，1200°C时出现2mm级贯通孔，而SC孔壁保持相对完整。

3.3 光学组织
光学组织指数(OTI)显示TCC各向异性更强(原始OTI 101 vs SC 87.8)，但气化优先消耗各向同性组分，使两者OTI差值在1200°C缩小至13.6。

3.4 碳结构
XRD测算碳层堆砌高度(L_c)表明：TCC原始L_c更高(1.92nm vs SC 1.78nm)，但高温气化促使SC碳结构有序化，差异缩小。

3.5 断裂机制
SEM揭示两类断裂模式：脆性过载断裂(需高能量)和缺陷诱导断裂(沿裂纹/层间滑移)。SC因更少的结构缺陷，前者占比更高，这是其强度优势的微观基础。

该研究首次阐明SC优异热强度的结构本质：煤料高压捣固形成致密基体，气化过程中孔隙发展温和，缺陷密度低，使断裂需吸收更高能量。结论颠覆了"高各向异性必然对应高强度"的传统认知，证明孔隙结构对热强度的主导作用。研究不仅为高炉下部焦炭行为预测提供新指标，更推动SC在大型高炉的工业化应用进程，对缓解优质炼焦煤短缺压力具有战略意义。