焦炭分析培训课件

焦炭分析培训课件专业技术培训系列第一章焦炭基础概述焦炭作为钢铁工业的重要原料，其质量直接影响着钢铁生产的效率和产品品质本章将从焦炭的基本概念出发，系统介绍焦炭的定义、分类、生产工艺以及在现代工业中的重要地位什么是焦炭？焦炭是由炼焦煤在高温无氧条件下热解制得的多孔碳质固体，是现代钢铁工业不可替代的重要原料在1000-1100°C的高温下，煤炭经历复杂的物理化学变化，挥发分逸出，残留的固定碳形成具有特定孔隙结构的焦炭焦炭在高炉炼铁过程中发挥着三重作用燃料作用提供热量，还原剂作用将铁矿石还原为铁水，骨架作用保持炉料透气性这种独特的多重功能使得焦炭成为钢铁冶炼中无法替代的关键材料焦炭的分类冶金焦铸造焦化工焦专门用于高炉炼铁的焦炭，要求具用于铸造行业的专用焦炭，要求硫主要用于电石、铁合金等化工产品有高强度、低硫分、良好的热稳定分极低、固定碳含量高、燃烧稳生产对电阻率有特殊要求，需要性按质量等级分为一级、二级、定粒度较冶金焦更为均匀，通常具备良好的导电性能和化学稳定三级焦炭，其中一级焦炭为20-40mm，特别注重化学纯度和性，粒度规格根据具体应用需求确M25≥92%，M10≤7%，灰分燃烧特性定≤12%•硫分≤

0.5%•电阻率要求严格•块度规格40-80mm•固定碳≥85%•杂质含量极低•抗碎强度M25≥92%•灰分≤10%•结构致密均匀•耐磨强度M10≤7%煤的碳化过程简介预热阶段（°）1200-350C煤料脱水干燥，结构开始发生变化，部分有机物开始分解这个阶段主要是物理变化，为后续化学反应做准备软化塑性阶段（°）2350-500C煤料软化呈塑性状态，有机质开始热分解，产生焦油、氨水等副产品这是煤炭向焦炭转变的关键阶段半焦形成阶段（°）3500-700C产生半焦，挥发物大量析出，焦炭结构逐渐形成但强度较低此时的产品多孔疏松，机械强度不足焦炭成型阶段（°）900C高温碳化完成，产生致密坚硬的冶金焦挥发分基本析出完毕，焦炭具备优良的物理化学性能焦炭生产工艺流程配煤根据目标焦炭质量要求，将不同种类的炼焦煤按一定比例混合，确保原料的流动性、结焦性和强度指标达到最佳配比粉碎调湿将配合煤粉碎至3mm以下，调节水分至合适范围（通常8-12%），保证装炉密度和碳化均匀性炼焦在炭化室内进行高温干馏，炼焦时间18-24小时，严格控制炭化温度和加热制度，确保焦炭质量稳定出炉熄焦红焦推出后立即进行熄焦操作，可采用湿法熄焦或干法熄焦，快速降温防止焦炭继续燃烧第二章焦炭的物理性能分析物理性能是评价焦炭质量的重要指标体系，直接影响焦炭在高炉中的使用效果本章将详细介绍焦炭物理性能的各项指标，包括粒度分布、密度孔隙率、机械强度等关键参数的测定方法和质量标准通过系统学习物理性能分析技术，能够准确评估焦炭的适用性，为高炉操作优化提供科学依据现代焦炭物理检测已实现标准化和自动化，检测精度和效率显著提升焦炭的尺寸与粒度分析粒径分布的重要性焦炭粒径分布直接影响高炉内的气流分布和传热效率合理的粒径配比能够保证炉料的透气性，避免炉内阻力过大或气流短路现象一般要求25-40mm焦炭占70-80%，大于80mm的焦炭不超过5%标准筛分方法•机械筛分使用标准筛网进行分级•振动筛分提高筛分效率和精度•图像分析现代数字化测量技术•激光粒度分析适用于细粒级测定粒度分析应遵循GB/T1996标准，取样量不少于50kg，筛分时间和振幅需严格控制，确保结果的重现性和准确性75%合格粒级25-80mm范围内的焦炭比例焦炭的密度与孔隙率真密度测定体积密度测定孔隙率分析采用氦气置换法测定焦炭的真密度，排除孔隙影响，获得焦炭固体骨架的实际密度通过水银置换法或几何测量法确定包含孔隙的体积密度一般为

0.8-

1.0g/cm³，与焦通过密度差计算孔隙率孔隙率=真密度-体积密度/真密度×100%典型冶金焦孔典型值为

2.0-

2.1g/cm³，反映焦炭的固有特性炭的孔隙结构密切相关隙率为45-55%，影响反应性和强度孔隙结构特征焦炭的孔隙可分为微孔（2nm）、介孔（2-50nm）和大孔（50nm）三类微孔主要影响气体扩散，介孔决定比表面积，大孔影响机械强度现代分析技术如氮气吸附法（BET）、压汞法等能够精确测定孔隙分布，为焦炭质量评价提供详细数据孔隙率过高会降低强度，过低则影响反应性，需要找到最佳平衡点焦炭的强度指标92%7%抗碎强度耐磨强度M25M10一级冶金焦最低要求，反映焦炭抗破碎能力一级冶金焦最高限值，反映焦炭抗磨损性能40%60%反应性反应后强度CRI CSR₂在1100°C下与CO反应的失重率反应后焦炭的剩余强度指标强度测试标准流程0102样品制备转鼓试验取代表性样品50kg，筛分出25-40mm粒级作为测试样品，除去杂质和粉末将10kg样品放入转鼓中，以25r/min转速转动500圈，模拟运输和装卸过程中的机械作用0304筛分计算结果评定试验后分别筛出25mm和10mm的焦炭，计算M25和M10指标根据国家标准GB/T1996判定焦炭等级，指导生产工艺优化焦炭的流动性与膨胀性流动性评价热膨胀特性焦炭的流动性直接影响高炉装料的均匀性和炉内气流分布良好的流动性确保焦炭能够均匀分布在炉内，避免局部阻力过大焦炭的热膨胀性影响高炉炉衬的稳定性和炉内结构的变化过度膨胀可能导致炉衬损坏，需要严格控制休止角测定通过测量焦炭自然堆积的休止角评价流动性，角度越小流动性越好流动指数采用标准流动性测试装置，测定一定量焦炭的流出时间粒度影响粒度分布均匀性是影响流动性的关键因素，过多细粒会恶化流动性焦炭物理性能测试设备现代焦炭物理性能测试设备已实现高度自动化和数字化转鼓试验机配备精确的转速控制和自动计时系统，确保测试结果的重现性粒度分析仪采用图像识别技术，能够快速准确地测定粒径分布密度测定仪集成了多种测试方法，可同时获得真密度、体积密度和孔隙率数据第三章焦炭的化学成分分析化学成分是决定焦炭质量和适用性的核心因素本章将系统介绍焦炭化学分析的理论基础、标准方法和现代分析技术，包括近似分析、元素分析、灰分特性分析等重点内容准确的化学分析是焦炭质量控制的基础，也是优化配煤和改进工艺的重要依据现代分析技术的应用大大提高了检测精度和效率，为焦炭工业的发展提供了强有力的技术支撑焦炭的主要化学成分固定碳挥发分灰分FC VA焦炭中最主要的成分，含量通常在85-90%固定碳含量直接影响焦炭的发热量和还焦炭中残留的可挥发有机物，含量一般在1-3%挥发分过高表明炭化不充分，影响焦炭中无机矿物质含量，影响炉渣成分和高炉操作优质冶金焦灰分应控制在12%以原能力，是评价焦炭质量的核心指标焦炭强度和稳定性下，过高会增加炉渣量₂₂₃₂₃•一级焦FC≥86%•测定条件900±10°C•主要成分SiO、Al O、Fe O•二级焦FC≥84%•保温时间7分钟•碱性成分CaO、MgO•三级焦FC≥82%•惰性气氛氮气保护•有害成分S、P化合物硫含量的特殊重要性硫是焦炭中最重要的有害成分，直接影响钢铁质量高硫焦炭会增加钢中硫含量，导致钢的热脆性和降低机械性能一级冶金焦要求硫含量≤

0.65%，特优质焦炭要求≤

0.5%

0.6%硫含量限值一级冶金焦硫含量要求87%

1.8%挥发分优质焦炭挥发分含量典型固定碳优质冶金焦的固定碳含量11%典型灰分优质冶金焦的灰分含量近似分析（）Proximate Analysis010203样品制备水分测定灰分测定将焦炭样品粉碎至

0.2mm以下的分析试样，在采用重量法在105-110°C条件下干燥样品至恒在815±10°C马弗炉中灼烧样品至恒重，残留物105°C下干燥至恒重，去除外在水分，保证分析重，计算失重即为全水分含量也可采用卡尔费即为灰分灼烧过程需缓慢升温，避免样品飞精度休法测定溅0405挥发分测定固定碳计算将样品在900±10°C温度下，氮气保护条件下加热7分钟，失重减去水分即固定碳=100%-水分%-灰分%-挥发分%通过差减法获得，是评价焦炭质为挥发分含量量的重要指标分析注意事项温度控制各项测定的温度必须严格控制，偏差不超过±10°C质量控制要点每批样品应做平行测定，相对误差应控制在允气氛保护挥发分测定需要惰性气氛，防止样品氧化许范围内定期使用标准样品校验分析方法的准确性升温速率灰分测定需要缓慢升温，防止样品剧烈反应恒重判断前后两次称重差值小于

0.0010g视为恒重元素分析（）Ultimate Analysis碳元素测定氢元素测定₂采用燃烧法-红外吸收法测定碳含量样品在高温氧气流中燃烧，产生的CO用红外检测器定量分析现代自动元素分析仪精度可达燃烧产生的水蒸气通过红外或热导检测器测定氢含量焦炭中氢含量较低，一般在

0.3-

0.8%范围内±

0.1%氮元素测定硫元素测定采用半微量开氏法或燃烧法测定氮含量通常在

0.8-

1.5%，主要来源于原煤中的有机氮化合物采用高温燃烧-红外吸收法或化学滴定法硫是重要的有害元素，测定精度要求很高，相对误差应小于5%现代元素分析技术现代元素分析仪器集成了多种检测技术，能够同时测定C、H、N、S等多个元素典型的CHNS分析仪采用燃烧-色谱分离-热导检测技术，单次分析可获得全部数据X射线荧光光谱法（XRF）在焦炭元素分析中也得到广泛应用，特别适合灰分中各种元素的快速定量分析该方法无损、快速、精度高，是现代实验室的首选技术焦炭灰分及其熔融特性灰分成分分析主要成分铁质成分碱性成分₂₂₃₂₃SiO和Al O是灰分的主要成分，通常占灰分总量的70-80%这Fe O含量一般在5-15%，对炉渣的流动性和还原性有重要影CaO和MgO含量决定灰分的碱度，影响炉渣的熔点和粘度适当的些成分主要来源于煤中的粘土矿物响过高的铁含量会影响炉渣脱硫碱度有利于炉渣流动和脱硫灰熔融性测定灰熔融性是评价焦炭灰分在高温下行为的重要指标，直接影响高炉操作和炉渣性质测定在氧化和还原两种气氛下进行，获得四个特征温度变形温度（）半球温度（）DT HT灰锥开始变形的温度，标志着灰分开始软化一般在1100-1300°C范围内灰锥形成半球状的温度，灰分已经明显软化，具有一定的流动性1234软化温度（）流动温度（）ST FT灰锥顶端开始弯曲接触底板的温度，表示灰分进入塑性状态灰锥完全铺展成薄层的温度，灰分完全熔融，具有良好的流动性实际应用意义°灰熔融性数据用于预测焦炭在高炉中的行为，特别是炉渣的形成和流动性软化温度过低可能导致焦炭在高1250C温区软化粘结，影响炉内透气性；过高则不利于炉渣的形成和排出理想软化温度适合高炉操作的灰分软化温度焦炭化学分析实验室实验室设备配置现代焦炭化学分析实验室配备了完整的分析设备体系X射线荧光光谱仪（XRF）用于快速定量分析灰分中的各种元素；全自动元素分析仪可同时测定碳、氢、氮、硫含量；灰熔点测定仪在标准条件下测定灰分熔融特性；高温马弗炉用于灰分和挥发分的常规分析实验室还配备了样品前处理设备、精密天平、标准筛等辅助设备，形成了完整的分析体系自动化程度的提高大大降低了人为误差，提高了分析效率和精度第四章焦炭的热学与结构分析热学性能和微观结构是焦炭质量评价的重要维度，直接关系到焦炭在高温环境下的稳定性和反应活性本章将介绍热重分析、拉曼光谱分析、石墨化程度评价等先进分析技术现代结构分析技术能够从分子和原子层面认识焦炭的本质特征，为焦炭质量改进和工艺优化提供理论依据这些技术的应用标志着焦炭分析从宏观走向微观，从定性走向定量焦炭的热稳定性与热解行为热重分析（）原理TGA热重分析通过程序升温，连续记录样品质量变化，揭示焦炭的热分解过程典型的焦炭TGA曲线显示几个特征阶段脱水阶段（室温°）-200C主要失去外在水分和部分结合水，质量损失通常在1-3%挥发分析出（°）200-600C残留的挥发分组分逐步析出，包括轻质焦油和气体产物碳燃烧阶段（°）600C在有氧条件下固定碳开始燃烧，质量急剧下降°灰分残留（°）800C450C2%关键转变温度典型失重有机物完全燃烧后残留无机灰分焦炭结构重要变化温度点600°C前的累计质量损失差示扫描量热法（）分析DSCDSC分析能够检测焦炭热处理过程中的热效应变化，识别相变温度和反应热通过DSC曲线可以确定焦炭的玻璃化转变温度、结晶温度等关键热学参数结合TGA和DSC数据，可以全面评价焦炭的热稳定性，预测其在高温使用环境下的行为这对于优化焦炭质量、改进生产工艺具有重要指导意义拉曼光谱分析焦炭结构拉曼光谱基本原理拉曼光谱是基于分子振动的散射光谱技术，能够提供焦炭碳结构的详细信息对于碳材料，拉曼光谱主要关注两个特征峰带（⁻）带（⁻）G~1580cm¹D~1350cm¹₂₁代表石墨微晶中的E g振动模式，反映sp²碳的有序程度G带越窄越强，表明石墨化程度越高代表无序碳和缺陷的A g振动模式，反映碳结构中的无序程度D带强度与结构缺陷密度正相关关键参数分析ID/IG比值D带与G带强度比，反映石墨化程度比值越小，石墨化程度越高G带位移G带峰位变化反映碳层间的应力状态峰宽谱峰半峰宽反映结构的均匀性⁻

0.82D带位于~2700cm¹的二阶峰，提供层间堆叠信息通过这些参数的综合分析，可以定量评价焦炭的石墨化程度、结构有序性和缺陷密度这些结构特征直接影响焦炭的电导率、机械强度和化学反应活性比值ID/IG优质焦炭的典型结构参数1582带位置G⁻标准石墨G带峰位（cm¹）焦炭拉曼光谱的实际应用拉曼光谱分析在焦炭工业中的应用日益广泛，主要用于工艺优化指导、产品质量分级、结构-性能关系研究、新产品开发等通过建立拉曼参数与宏观性能的关联模型，可以实现焦炭质量的快速预测和评价焦炭的石墨化过程无定形碳结构（°）1000C炭化初期形成的碳结构高度无序，含有大量sp³碳和杂原子，机械强度较低但反应活性较高准石墨结构（°）1000-2000C碳原子重新排列形成小的石墨微晶，sp²碳比例增加，开始显示石墨的某些特征石墨化结构（°）2000C形成高度有序的石墨层状结构，电导率和机械强度显著提高，化学稳定性增强石墨化程度的影响因素石墨化是一个复杂的固态相变过程，受多种因素影响温度是石墨化的主导因素，温度越高石墨化程度越高时间充分的高温保持时间确保完全转化催化剂铁、镍等金属能显著促进石墨化原料特性不同煤种的石墨化难易程度不同压力适当压力有利于碳层的有序排列在实际生产中，通过控制炭化温度和保温时间，可以调节焦炭的石墨化程度，从而优化其性能以满足不同应用需求°2800C

3.35Å完全石墨化温度层间距实现高度石墨化的温度要求完全石墨化后的碳层间距拉曼光谱图谱解析实例典型焦炭拉曼谱图特征峰位归属强度含义上图显示了典型焦炭样品的拉曼光谱，可以清晰观察到以下特征峰⁻1350D带中等结构缺陷D带（1350cm¹）峰强度中等，表明存在一定程度的结构无序⁻G带（1580cm¹）峰强度较高且较尖锐，显示良好的石墨化程度1580G带强石墨结构⁻2D带（2700cm¹）二阶峰较弱，说明石墨层堆叠有序性一般27002D带弱层间有序性通过定量分析这些峰的位置、强度和形状，可以计算出ID/IG=

0.75，表明该焦炭样品具有中等偏上的石墨化程度，适合用作冶金焦炭75%石墨化程度基于ID/IG比值计算的石墨化程度第五章焦炭分析标准与检测技术标准化是确保焦炭分析结果准确性和可比性的基础本章将系统介绍国际和国内焦炭分析标准体系，包括取样方法、检测流程、质量控制等关键环节现代分析技术的发展推动了焦炭检测标准的不断完善和更新掌握标准化分析方法不仅是技术人员的基本要求，也是确保产品质量、促进国际贸易的重要保障国际标准与规范标准标准标准ASTM ISOBS EN美国材料与试验协会制定的焦炭分析标准，在北美地区广泛国际标准化组织制定的全球通用标准，具有最广泛的国际认欧洲标准化委员会制定的区域标准，在欧盟国家强制执行应用主要标准包括可度•BS EN13906:焦炭和煤的尺寸分析•ASTM D5341:焦炭反应性和反应后强度测定•ISO18894:焦炭反应性指数（CRI）和反应后强度•BS EN15403:固体回收燃料挥发物测定（CSR）•ASTM D5808:焦炭转鼓试验方法•BS EN14775:生物质和固体回收燃料灰分测定•ISO556:焦炭取样方法•ASTM D3172:固体燃料近似分析•ISO1018:焦炭灰分测定•ASTM D4749:焦炭粒度分析•ISO687:焦炭水分测定中国国家标准（）GB我国制定了完整的焦炭分析标准体系，与国际标准接轨的同时考虑了国内生产实际标准号标准名称发布年份GB/T1996冶金焦炭2017GB/T4000焦炭反应性及反应后强度试验方法2017GB/T2001焦炭工业分析测定方法2013GB/T216煤的工业分析方法2003标准的统一化促进了焦炭贸易的国际化，也为技术交流和质量比较提供了共同基础取样技术与样品制备机械取样系统现代机械取样系统采用自动化设备，能够在焦炭生产和运输过程中连续取样，确保样品的代表性和一致性01一次取样从传送带或料堆中按设定间隔自动取样，单次取样量根据焦炭粒度确定02样品混合将多次取样混合均匀，形成代表批次特性的大样03二次缩分采用四分法或机械缩分器将大样缩减至所需的分析用样品量人工取样注意事项•取样点分布要均匀，避免选择性偏差•取样工具要清洁，防止交叉污染现代分析仪器介绍射线荧光光谱仪（）热分析仪器气体分析设备X XRFXRF是焦炭元素分析的主力设备，能够快速包括热重分析仪（TGA）、差示扫描量热仪气相色谱仪用于分析焦炭热解产生的气体₂准确地测定灰分中的各种元素含量现代（DSC）等，用于研究焦炭的热稳定性、相成分，红外气体分析仪实时监测CO、COXRF设备采用偏振激发技术，检出限可达变行为和反应动力学高精度的温度控制等气体浓度这些设备为焦炭反应性研究ppm级别，分析时间仅需几分钟和质量检测确保数据可靠性提供重要数据支撑显微分析技术扫描电子显微镜（SEM）能够观察焦炭的微观结构，分辨率可达纳米级别结合能谱分析（EDS），可以确定微区的元素分布1nm95%分辨率自动化程度SEM偏光显微镜用于观察焦炭的光学组织结构，识别不同的显微组分，为焦炭质量评价提供重要依据现代图像分析软件能够自动现代扫描电镜的空间分辨能力现代分析设备的自动化水平识别和统计各种组分的含量实验室管理与质量控制人员资质管理建立完善的人员培训和考核体系，所有分析人员必须经过专业培训并取得上岗资格证书定期组织技能培训和考核，确保分析技术水平持续提升建立岗位轮换制度，培养复合型技术人才设备校准维护制定详细的设备维护保养计划，定期进行校准和检定建立设备档案，记录使用状况、维修历史和性能变化配备标准样品进行日常校验，确保设备精度符合要求标准样品管理建立标准样品库，包括国家标准样品、行业标准样品和内部标准样品严格按照标准样品的保存条件储存，定期检查有效期制定标准样品的使用规程，确保溯源性质量保证措施平行测定每个样品至少做两次平行测定，计算相对误差，超出允许范围需重新分析空白试验95%定期进行空白试验，检查试剂纯度和环境污染对分析结果的影响加标回收在样品中添加已知浓度的标准溶液，检验分析方法的准确度回收率要求加标回收试验的合格标准5%第六章焦炭分析应用案例与问题解决理论与实践的结合是焦炭分析技术发挥价值的关键本章通过具体的工业案例，展示焦炭分析在解决实际生产问题、优化工艺参数、提升产品质量方面的重要作用每个案例都体现了科学分析方法在工业实践中的应用，通过问题发现、原因分析、解决方案制定和效果验证的完整过程，展现了焦炭分析技术的实用价值和发展前景焦炭质量问题及改进措施案例一焦炭强度不足导致炉料塌落案例二高硫焦炭影响钢铁质量问题描述某钢厂高炉出现频繁的炉料塌落现象，影响正常生产通过焦炭强度分析发现M25指标仅为88%，低于标准要求问题识别钢材产品硫含量超标，影响产品性能通过系统分析发现焦炭硫含量达到

0.8%，超出优质焦炭标准原因分析深入的质量分析显示问题源于配煤结构不合理，粘结性煤比例偏低，导致焦炭内部结合不够紧密同时炭化温度偏技术方案采用先进的脱硫技术和配煤优化策略低，未能充分发挥煤的结焦潜力源头控制优化配煤，选用低硫炼焦煤改进措施工艺脱硫在炭化过程中添加脱硫剂CaO•调整配煤方案提高主焦煤比例至45%，增加粘结指数后处理焦炭干法熄焦过程中喷入脱硫剂•优化炭化制度将平均炭化温度提高30°C质量监控建立硫含量在线分析系统•改进装煤密度通过调湿控制提高装煤密度经济效益焦炭硫含量降至

0.5%以下，钢材产品合格率提高到

99.5%，年节约脱硫成本300万元，产品附加值显著提升•加强质量监控建立焦炭强度在线检测系统改进效果焦炭M25指标稳定在92%以上，高炉炉况明显改善，炉料塌落次数减少75%，铁水质量稳定提升系统性改进策略成功的焦炭质量改进需要系统性思维，从原料选择、工艺控制、设备优化到质量管理各个环节协调配合92%75%强度改善故障减少M25指标提升后的稳定水平炉料塌落事故降低幅度万300成本节约脱硫技术改进年度节约金额结语焦炭分析助力钢铁工业高效发展精准分析保障质量稳定通过本次培训，我们系统学习了焦炭分析的理论基础和实用技术精准的分析是质量控制的基石，只有掌握了科学的分析方法，才能准确评价焦炭质量，为生产决策提供可靠依据现代分析技术的应用不仅提高了检测精度和效率，更重要的是为焦炭工业的技术进步和质量提升提供了强有力的支撑技术创新驱动绿色发展理念国际化合作现代焦炭分析技术正向自动化、智能化方向发焦炭分析技术将助力实现清洁生产和节能减排标准化的分析技术促进国际贸易和技术交流展人工智能和大数据技术的应用，将实现焦目标通过精确分析指导工艺优化，减少污染我国焦炭分析技术水平已达到国际先进水平，炭质量的预测性分析和优化控制物排放，提高资源利用效率在全球钢铁工业中发挥重要作用实践应用展望希望各位学员能够将所学知识应用到实际工作中，不断提高分析技术水平，为企业的发展贡献力量焦炭分析技术的发展永无止境，需要我们持续学习、勇于创新，在实践中积累经验，在探索中寻求突破让我们携手共进，以精湛的技术、严谨的态度、创新的精神，为中国钢铁工业的高质量发展做出新的贡献相信通过大家的共同努力，中国的焦炭分析技术将继续走在世界前列，为建设钢铁强国提供坚实的技术保障感谢您的参与学习！技术进步，质量提升，共创美好未来。