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1、太西无烟煤冶炼碳化硅的特征宁夏天净集团晨光碳化硅有限公司王明孝摘要用煤岩学的原理，分析解释太西无烟煤的结构特征。并简要介绍了太西煤在冶炼煤质碳化硅优越性。煤是一种固体燃料，由于它的沉积生成年代不同，其岩相组成，微观物理结构，化学性能，反应活性截然不同。结构性能不同的煤有着不同的用途。有的适用于做燃料；有的适用于高温炼焦；有的适用于低温干馏和气化；有的适用于液化；有的适用于氮化；有的适用于作碳置换剂；有的适用于加工成水处理过滤剂等。煤在加工转化的过程中得到的各种不同产品，将是冶金，化工、医药、环保等行业的重要能源和原料。无烟煤大都是沉积于古生代的石碳纪和二选纪，在久远的地质年代中，受深成、岩浆和
2、动力变质作用条件下生成的一种煤化度最深的煤种，根据生成年代的不同和变质程度可分为：超无烟煤，年老无烟煤和年轻无烟煤年老无烟煤和超无烟煤，由于沉积的地质年代久远,变质程度最高,挥发份很低,煤中的有机成分少。是煤化程度最深的煤种，该煤的基本微晶层状排列比较规则，微晶间交叉连接较少。很少有架桥结构的杂乱排列。空隙结构不发达。虽然有一定的气孔率，但微孔结构少，化学反应能力弱。这种结构的煤比重较大。微晶颗粒大，比电阻低，适合做炭素原料,不适合作炭置换反应的原料。宁夏中宁的碱沟山煤矿的无烟煤就是这个品种的无烟煤。它不是作碳化硅冶炼的理想原料。有些古生代沉积的无烟煤其挥发份小于3%，灰分也很底，但基本上没有
3、活性，属于超无烟煤。这种煤的无机化程度很深，不能当作碳化硅冶炼的碳材料使用。额尔多斯地区就有这种超无烟煤。固定碳虽能达到95%以上，但在碳化硅冶炼炉中反应能力很弱。碳化硅产出率很低。这种碳质原料在冶炼碳化硅时效果很差。年轻无烟煤即具有含碳量高，挥发份适中的优点，又具有加热不产生煤焦油。物料不粘结，不膨胀，高密度，高硬度，不易形成微晶规则排列的石墨晶体结构。适用于冶炼碳化硅的煤质原料，必须具有低灰，低硫，高固定碳，高比电阻，高化学活性，适中的挥发分。适合于这种条件的煤种只能是年轻无烟煤。我国低灰无烟煤特别是最适合冶炼碳化硅的低灰分年轻无烟煤储量很少，且分布很不均匀。碳化硅产量占全国50-60%的
4、宁夏，青海，甘肃省的碳化硅生产企业，全部采用宁夏汝箕沟矿区的无烟煤（太西煤）作碳质材料生产黑色冶炼碳化硅。太西煤无烟煤储藏于贺兰山腹地的汝箕沟分水岭两侧，呈北偏东3640走向。煤田在久远的地质年代中，由于风化和剥蚀作用，背斜部位已完全被风化剥蚀掉不复存在。现存的只是大岭向斜和二道岭向斜两块煤田。煤田属于缓倾斜煤层。煤田沉积于中生代的侏罗纪。煤层中CH4的含量甚高，属于高瓦斯含量煤层。煤层共分7层储藏，其中2层、3层、5层和7层局部属于可采煤层。2层是特厚煤层，3层、5层、7层是中厚煤层。煤的挥发份含量从煤田南端的5%到最北端逐渐升高,北部边缘地带的挥发份高达10%以上。强度也从煤田的南端到煤田
5、的北端逐步降低。是一种低灰,低硫,低挥发份和高电阻,高强度,高化学活性的无烟煤。太西煤无烟煤和宁东含煤区的储煤同属中生代侏罗纪含煤沉积。宁东煤属于年轻的不粘煤和少量的长焰煤和褐煤。唯独汝箕沟矿区因受到区域变质和强烈动力变质作用形成了无烟煤。这种成煤机理和生成条件在全球范围内，侏罗纪沉积的无烟煤也没有第二例。极为罕见，是一个特殊的珍惜煤种。世界少有，中国不多。但就这样一个宝贵的资源，因开采年代久远，据历史记载，早在宋代就已开始采挖，到目前为止储量已所剩有限。太西煤的组织成分中含有纤维素碳，丝碳较多。加热时比较容易形成微晶杂乱排列的架桥结构。具有高比电阻特性。坚固的架桥结构容易形成较多的空隙结构，
6、特别是微孔结构发达。在碳化硅冶炼炉气氛中，硅蒸气分子进入碳的微孔结构中，很容易被来自微孔壁很强的物体分散力，即物理吸附力吸附。被碳化反应形成碳化硅“晶核”。由于这些“晶核”在冶炼结晶过程中的“诱导”作用，在表面上吸收外来更多碳化硅分子而逐步成长为碳化硅结晶。这就是比较典型的“晶籽”成核机理。也是标准异相成核反应。也是太西煤具有很强的化学活性的基本原理。其它煤种，虽有很高的气孔率，但微孔结构少，在很大孔隙中，来自孔壁的物体分散力，因几何距离远而迅速的减小，很弱物理吸附力，吸附不住进入孔隙中的硅蒸气分子，无法进行有效碳化成核和结晶反应。形成新物相物质（碳化硅晶体）的动力很小。只有在很有限的饱和气份
7、中发生气相成核反应。所以化学活性很低。反应能力很弱。这种煤不能用来做冶炼碳化硅的碳质材料。侏罗纪含煤沉积的煤种，煤灰分中的CaOMgOTe?0,也0叫0的含量比一般煤种高，灰分中铁和碱金属氧化物能提高煤的反应性，起催化作用，提高煤的转化速率。太西煤的有机成分高于其他品种的无烟煤。太西煤的挥发份适中。而且是低分子化合物结构。特别是含氢量较高，达Hdaf3.15%-3.64%。氢含量高的煤有利于煤的热加工时反应活性的提高，能增加产品的数量，而且还能加速产品中杂质外排的速度。以提高碳化硅产品的质量。太西煤的挥发份适中,煤的挥发份和转换率之间的关系与实际反应条件及煤本身性质关系较大.在一般情况下，挥发
8、份较高的煤，反应活性比挥发份较低的煤，反应活性要强。煤加热时在气体挥发的同时,使煤的结构空隙量增大,通道加长,增大了空隙的内比表面积,增强了物体分散力,提高了吸附力,使煤的活性提高,有利于sio和C元素的直接碳化还原作用的进行。煤中挥发2份逸散时也带走了反应生成的CO。减少了冶炼炉在冶炼时炉内的“正压”。有利于结晶反应的正向进行。从而大大提高碳化效果。既能提高碳化硅产品的生成量，又能有益于杂质的外排。净化产品。提高碳化硅的纯度，增加成品率。所以即是同一矿区出产的同一煤种，使用挥发份高的煤作原料比使用挥发份低的煤作原料时，碳化硅产品的产量高。太西煤的煤质指标：灰分：4.5%；挥发份：8.25%；
9、硫份：V0.5%；发热量：78009100（大卡/千克）。太西煤元素分析：碳：93.56%；氢：3.64%；氮：0.7%：氧:1.5%；磷：0.0011%砷：0.5ppm.太西煤灰分成分分析（典型值）：二氧化硅：19.2%；三氧化二铝：16.2%；三氧化二铁：26.1%；氧化钙：21.99%；氧化镁：10.32%；三氧化硫：1.2%；五氧化二磷。0.1%；氧化钠：4%；氧化钾2%。太西煤煤质特征：化学活性：81.2%；比电阻：3.1X109。太西无烟煤和石油焦制炼碳化硅时的不同性质：1、灰分石油焦炭灰分很低，一般在0.5-1%左右，冶炼出的碳化硅块杂质含量低，韧性好。太西煤：灰分较高，一般在5
10、-6%之间，特别是灰分中的CaoMgoFeOAiO等有害2323杂质较高，影响碳化硅结晶的品质。2、活性石油焦是一种黑色或暗色蜂窝状焦，焦块内气孔多数呈椭圆形，且一般相互贯通。气孔率高达50%，但都是大中孔结构,很少有微孔结构,比表面积较小,来自孔壁物体分散力很弱,异相成核的机遇很少,很难通过“晶籽”成核成长为结晶。故用石油焦做原料制炼碳化硅，炉产量较低,其原因是石油焦的结构差异。反应活性差,结晶能力弱,它的反应能力仅为55%。太西无烟煤是变质程度高的一种煤，具有含碳量高，挥发份适中，密度大，强度高，外观金属光泽强，气孔率底虽仅有5%左右，但微孔结构发达，比表面积很大。微孔内的孔壁有很强的物体
11、分散力，物理吸附力很强。异相分子很容易在微孔中形成“晶籽”，成长为成结晶。在碳化硅冶炼炉的环境气氛中，用太西无烟煤作原料，结晶在形成过程中“晶籽”成核和气相成核现象都很活拨，反应速度快。产品产量高于用石油焦炭作原料碳化硅冶炼炉。太西无烟煤反应能力大于81.2%3、导电性对于大多数碳材料来说，他们不具备理想的石墨晶体那样有序的结构。他们的网状平面很不完整，存在空洞、位错、杂质夹杂等缺陷。他们连成波浪形层面，平行堆积，构成乱层结构。这些乱层结构堆积层片数少，层间距大。他们没有宏观晶体性质，但在微细的区域内基本还是有一定的有序排列。这些微细结构称为微晶，根据微晶的聚焦状态可以有两种典型的结构。（1）
12、微晶定向性较好，微晶颗粒偏大，微晶间交叉连接较少，为易石墨化碳，它在进一步热处理可转化为石墨碳，导电性能增强，石油焦就是典型的易石墨化碳。加热煅烧后比电阻小于500X106欧米,在冶炼炉的高温状态中很容易形成石墨化无定形碳。化学反应能很弱,比电阻降低,增加了炉料的漏电性,尤其是作碳化硅冶炼炉的保温料反复循环使用时,漏电现象更为严重。（2）微晶定向性差,微晶颗粒小,微晶间交叉链接,微晶间排列杂乱,微晶间有许多空隙,微细孔发达,在加热初期过程中,微晶间就能生成坚固的架桥结构,即使通过高温处理也不能形成微晶取向一致的排列。具有这种微晶的杂乱排列和架桥结构的碳为难石墨化碳。木炭就是这种典型的结构,所以
13、活性很好,导电性很差.太西无烟煤也类似这种性质，比电阻为3.1X109欧米，即使高温煅烧后，比电阻也大于1500X106欧米，导电性较差，这正是冶炼碳化硅时，作保温料的优良特性.它能多次反复循环使用。能使保温料保持一定的绝缘性质,延缓保温料老化周期。大大减少炉料的漏电量。冶炼时能节约耗电量。适合于采用“新料法”工艺进行冶炼。太西无烟煤由于形成的地质年代较近，变质程度适中，煤中的有机载体丰富，是一种极为年轻的无烟煤。其低灰、低硫、低磷和高发热量、高机械强度、高化学活性、高比电阻的特点，是冶炼煤质碳化硅产品的最佳原料。参考文献：1 张念东.碳化硅磨料工艺学.机械工业出版社,1982王晓刚.碳化硅合成理论与技术.陕西科学出版社,2001钱湛芬.炭素工艺学.冶金工业出版社,2006像英温，杨先林.煤的综合利用.冶金工业出版社，2005张西春.浅谈宁夏煤煤质特征及加工利用.2 煤炭加工与综合利用，1993,3磨具磨料协会编.磨具磨料技术手册.兵器工业出版社.3 汝箕沟煤矿编.汝箕沟煤矿志.
