焦碳：类型、特性与工业应用深度解析

mysmile 百科 2025-09-11 22

焦碳：类型、特性与工业应用深度解析

焦碳

焦碳根据用途可分为冶金焦（涵盖高炉焦、铸造焦和铁合金焦等）、气化焦以及碳化钙用焦等。通过煤粉加压成型并经过炭化处理制成的新型焦碳称为型焦。冶金焦作为高炉焦、铸造焦、铁合金焦和有色金属冶炼用焦的统称，因其90%以上用于高炉炼铁，常被直接称为高炉焦。中国国家标准GB/T1996-94明确了冶金焦的质量规范，这些标准主要针对高炉应用。

物理性质

焦碳的物理性质涵盖筛分组成、散密度、真相对密度、视相对密度、气孔率、比热容、热导率、热应力、着火温度、热膨胀系数、收缩率、电阻率和透气性等。

这些物理特性与焦碳的常温机械强度和热强度密切相关，同时也影响其化学行为。主要物理参数包括：真密度1.8-1.95 g/cm³；视密度0.88-1.08 g/cm³；气孔率35-55%；散密度400-500 kg/m³；平均比热容0.808 kJ/(kg·K)（100℃）和1.465 kJ/(kg·K)（1000℃）；热导率2.64 kJ/(m·h·K)（常温）和6.91 kJ/(m·h·K)（900℃）；着火温度450-650℃；干燥无灰基低热值30-32 kJ/g；比表面积0.6-0.8 m²/g。

焦碳的化学成分由有机和无机部分组成。有机成分以类石墨层状结构为主，氢、氧、氮和硫等元素以挥发分形式存在；无机成分则体现为灰分组成。通过工业分析和元素分析可测定其成分：元素分析显示碳82-87%、氢1-1.5%、氧0.4-0.7%、氮0.5-0.7%、硫0.7-1.0%、磷0.01-0.25%；工业分析显示灰分10-18%、挥发分1-3%、固定碳80-85%。挥发分含量是焦碳成熟度的关键指标，成熟焦碳的挥发分通常在0.7-1.2%。

应用历史

1961年，中国新会区发掘的南宋末期（约1270年）炼铁遗址中，除炉渣、石灰石和铁矿石外，还发现了焦碳，这是全球最早冶铁使用焦碳的实证。

英国于1709年由Abraham Darby I成功以焦碳替代木炭炼铁，并获得了相关专利。

反应强度

焦碳反应性指其与二氧化碳、氧气或水蒸气发生化学反应的能力，计算公式为CRI =(G0-G1)/G0×100%（G0为初始焦样重量，G1为反应后重量）。反应后强度则衡量焦碳在机械和热应力下的抗碎裂性能。在高炉炼铁、铸造和气化过程中，焦碳会与这些气体发生反应。中国标准GB/T4000-1996采用二氧化碳反应测试方法，要求CRI和CSR的重复性r分别不超过2.4%和3.2%。结果取平行试验平均值。

理论综述气化焦

气化焦专用于煤气生产，在固定床煤气发生炉中作为原料和热源，生成以CO和H2为主的煤气。主要吸热反应包括C与CO2或H2O的反应，热量由焦碳氧化提供。气化焦要求低灰分、高灰熔点、块度均匀，典型指标为固定碳>80%、灰熔点>1250℃、挥发分<3.0%、粒度15-35mm或35mm以上。冶金焦虽可用但受资源限制，气煤焦因反应性好常作为替代品。

电石焦

电石用焦在电弧炉中作为导电和发热体，与石灰在高温下反应生成碳化钙。要求低灰分、高反应性、高电阻率和适中粒度，固定碳>84%、灰分<14%、挥发分<2%、硫分<1.5%、磷分<0.04%、水分<1.0%，粒度依炉容量调整，合格率超90%。

铁合金焦

用于矿热炉冶炼铁合金，作为固态还原剂参与高温还原反应。焦碳中的碳消耗生成CO，灰分部分被还原进入合金。生产硅铁合金时要求最高：高固定碳、低灰分、低有害物质（如氧化铝和磷）、高反应性和电阻率、低挥发分、适当强度和块度。中国标准YB/T034-92规定了粒度和指标。

型焦由煤粉成型后炭化制成，按原料和工艺分冷压或热压型焦，用途包括高炉和铸造等。

质量评价

焦碳中的硫分：硫是炼铁有害杂质，炉料中82.5%的硫来自焦碳。硫分超1.6%时每增0.1%，焦耗增1.8%，石灰石增3.7%，产量降1.5-2.0%。冶金焦硫分要求≤1%，大中型高炉需<0.4-0.7%。

磷分：炼铁焦磷分应低于0.02-0.03%。

灰分：灰分增1%，焦耗增2-2.5%，需严格控制。

挥发分：成熟焦挥发分约1%，>1.5%为生焦，<0.5-0.7%为过火。

水分：水分波动影响计量和炉况，并扭曲转鼓指标。

筛分组成：高炉要求粒度均匀，大高炉>40mm，中小高炉>25mm，整粒后块度一致以优化炉内气流。