阅读说明：本技术 用红外成像技术测定炼焦煤成焦过程表面裂纹特性的方法 (Method for measuring surface crack characteristics of coking coal in coking process by using infrared imaging technology ) 是由 刘洋 白金锋 郭天赐 钟祥云 李超 张雅茹 于 2020-04-12 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种用红外成像技术测定炼焦煤成焦过程表面裂纹特性的方法,包括：(1)使用电阻炉升温对炼焦煤进行干馏,通过红外热成像仪对煤饼进行热成像,检测煤结焦过程中表面形态结构的变化过程,在不同结焦阶段观测焦炭的表面裂纹形态及其对应的温度范围；(2)将红外热成像仪测得的带有裂纹的焦炭表面形态结构图片,运用INSIDE IR软件分析系统通过网格划分的方式对不同炼焦煤在结焦过程中的裂纹尺寸面积进行计算,探讨炼焦煤裂纹面积及裂纹率与焦炭冷态强度的关系。本发明所述方法具有可视性强、量化性强的特点,裂纹尺寸从0.1mm～10mm均可以量化分析,分析结果对生产应用具有重要的实际指导意义。(The invention relates to a method for measuring surface crack characteristics of coking coal in a coking process by using an infrared imaging technology, which comprises the following steps: (1) the method comprises the following steps of (1) carrying out dry distillation on coking coal by using a resistance furnace to increase the temperature, carrying out thermal imaging on a coal cake by using an infrared thermal imager, detecting the change process of a surface morphological structure in the coal coking process, and observing the surface crack morphology of the coke and the corresponding temperature range thereof at different coking stages; (2) calculating the crack size area of different coking coals in the coking process by using an INSIDE IR software analysis system through a grid division mode according to the picture of the surface morphological structure of the coke with cracks measured by an infrared thermal imager, and discussing the relationship between the crack area and the crack rate of the coking coals and the cold-state strength of the coke. The method has the characteristics of strong visibility and high quantification performance, the crack size can be quantitatively analyzed from 0.1mm to 10mm, and the analysis result has important practical guiding significance for production and application.)

用红外成像技术测定炼焦煤成焦过程表面裂纹特性的方法

技术领域

本发明涉及煤焦化行业焦炭裂纹性能检测技术领域，尤其涉及一种用红外成像技术测定炼焦煤成焦过程表面裂纹特性的方法。

背景技术

焦炭是冶金行业的重要原料，其在高炉中的作用是不可替代的，随着大型高炉的发展，必须制备出更适合大型高炉应用且粒度较大的焦炭，由此对炼焦技术和监控炼焦过程中影响焦炭粒度变化的裂纹形成提出了更高的测定要求。通过对炼焦过程焦炭裂纹变化特性的研究达到降低炼焦成本，节约优质炼焦煤资源，提高焦炭质量的目的。本发明利用红外成像仪对炼焦煤在结焦过程中的表面形态进行成像与温度特性的研究，特别是加热过程中，随着温度的升高，炼焦煤结焦过程中会发生软化、熔融、半焦收缩产生裂纹的过程。基于对炼焦煤成焦过程中具有的红外辐射源进行结焦过程的研究至今未见报道，该过程表达炼焦煤结焦过程的裂纹形成具有直观性、可视化好的特点。

发明内容

本发明提供了一种用红外成像技术测定炼焦煤成焦过程表面裂纹特性的方法，其研究焦炭裂纹变化规律具有可视性强、量化性强的特点，裂纹尺寸从0.1mm～10mm均可以量化，其形成的裂纹随温度的变化规律明显，分析结果对生产应用具有重要的实际指导意义。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

用红外成像技术测定炼焦煤成焦过程表面裂纹特性的方法，包括如下步骤：

(1)使用电阻炉升温对炼焦煤进行干馏，通过红外热成像仪对煤饼进行热成像，检测煤结焦过程中表面形态结构的变化过程，在不同结焦阶段观测焦炭的表面裂纹形态及其对应的温度范围；

(2)将红外热成像仪测得的带有裂纹的焦炭表面形态结构图片，运用INSIDE IR软件分析系统通过网格划分的方式对不同炼焦煤在结焦过程中的裂纹尺寸面积进行计算，探讨炼焦煤裂纹面积及裂纹率与焦炭冷态强度的关系。

所述步骤(1)中，电阻炉的炭化室内通入纯度为99.99％的氮气作为保护气体，电阻炉内氮气的空速为10h^-1～20h^-1。

所述步骤(1)中，电阻炉升温到300℃后，打开炉盖，通过红外热成像仪对煤饼进行热成像；测定成像图片的时间间隔是5min～30min，每次拍照后迅速盖上炉盖。

所述步骤(1)中，煤结焦过程中表面形态结构的变化过程，是指煤饼发生软熔及半焦收缩产生裂纹的过程。

所述步骤(2)中，将红外热成像仪测得的带有裂纹的焦炭表面形态结构图片进行网格划分后，计算每个网格内裂纹面积，再求得焦饼裂纹总面积，计算裂纹率；再根据成像图片研究不同煤化度下煤在结焦过程中形成的裂纹尺寸、面积与结焦时刻的关系，以及炼焦煤裂纹率与焦炭冷态强度的关系。

所述红外热成像仪的参数应满足：波长范围：7.5μm～13μm，测温范围：-40℃～1000℃，测量精度：±2℃，测量重复性：±1℃，操作温度：-15℃～+50℃，湿度：10％～15％。

所述电阻炉为外热式圆筒形井式电阻炉，其炭化室内径为130mm以上。

所述炼焦煤的粒度为0～3mm，其中粒度为1～2mm的煤粒占80％以上。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明提供了一种利用红外成像技术研究炼焦煤结焦过程中煤产生裂纹的温度与其裂纹形成尺寸的方法，该研究方法直观、便捷；

(2)本发明所述方法无需大型试验焦炉，实验设备简单，能够满足快速多变的实验室研究需要，试验效率高；

(3)通过控制电阻炉的升温速率，并且在加热过程中向电阻炉中通入保护气氛以防止煤料氧化，可保证加热过程与生产焦炉具有模拟性，便于分析比较；

(4)红外成像图片上煤饼的裂纹清晰可见，将所得图片进行网格划分，量取各网格内裂纹长宽，计算裂纹总长、宽及面积，即可形成所表征的裂纹指数参数；实验证明，随着煤饼自身受热温度的升高，裂纹宽度变化明显；煤料密度高的捣固煤与煤料密度低的顶装煤，两者裂纹量的差别，以及不同配煤方案产生裂纹的温度参数是不同的；

(5)将各单种煤的裂纹量与焦炭冷态强度做分析比较，研究结焦过程中裂纹对冶金焦重要指标的影响，对炼焦煤结焦过程中的热缩聚特性具有重要的定量分析价值，对掌握炼焦煤结焦过程中裂纹形成规律、指导配煤炼焦生产具有重要的理论和实际意义。

附图说明

图1-图8是本发明实施例中不同炉温下煤样热成像图。

图9是本发明实施例中煤饼网格划分图。

具体实施方式

本发明所述用红外成像技术测定炼焦煤成焦过程表面裂纹特性的方法，包括如下步骤：

(1)使用电阻炉升温对炼焦煤进行干馏，通过红外热成像仪对煤饼进行热成像，检测煤结焦过程中表面形态结构的变化过程，在不同结焦阶段观测焦炭的表面裂纹形态及其对应的温度范围；

(2)将红外热成像仪测得的带有裂纹的焦炭表面形态结构图片，运用INSIDE IR软件分析系统通过网格划分的方式对不同炼焦煤在结焦过程中的裂纹尺寸面积进行计算，探讨炼焦煤裂纹面积及裂纹率与焦炭冷态强度的关系。

所述步骤(1)中，电阻炉的炭化室内通入纯度为99.99％的氮气作为保护气体，电阻炉内氮气的空速为10h^-1～20h^-1。

所述步骤(1)中，电阻炉升温到300℃后，打开炉盖，通过红外热成像仪对煤饼进行热成像；测定成像图片的时间间隔是5min～30min，每次拍照后迅速盖上炉盖。

所述步骤(1)中，煤结焦过程中表面形态结构的变化过程，是指煤饼发生软熔及半焦收缩产生裂纹的过程。

所述步骤(2)中，将红外热成像仪测得的带有裂纹的焦炭表面形态结构图片进行网格划分后，计算每个网格内裂纹面积，再求得焦饼裂纹总面积，计算裂纹率；再根据成像图片研究不同煤化度下煤在结焦过程中形成的裂纹尺寸、面积与结焦时刻的关系，以及炼焦煤裂纹率与焦炭冷态强度的关系。

所述红外热成像仪的参数应满足：波长范围：7.5μm～13μm，测温范围：-40℃～1000℃，测量精度：±2℃，测量重复性：±1℃，操作温度：-15℃～+50℃，湿度：10％～15％。

所述电阻炉为外热式圆筒形井式电阻炉，其炭化室内径为130mm以上。

所述炼焦煤的粒度为0～3mm(即0≤粒度≤3mm)，其中粒度为1～2mm(1mm≤粒度≤2mm)指的煤粒占80％以上。

以下实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。下述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。

【实施例】

本实施例中，一种用红外成像技术测定炼焦煤成焦过程表面裂纹特性的方法具体过程如下：

(1)将LW气煤、XJ 1/3焦煤、LH肥煤、DD焦煤(统称炼焦煤)分别放入不锈钢盘中，炼焦煤在不锈钢盘的底部平铺高度为11mm，堆积密度为0.7g/cm³，炼焦煤的粒度<1.5mm，不锈钢盘的直径为90mm。

(2)将炼焦煤连同不锈钢盘一起放入井式电阻炉中加热，电阻炉的升温速率为3℃/min，终温为900℃，氮气流量为0.8L/s。氮气由电阻炉底部通入。

(3)用红外热成像仪对煤饼表征；

电阻炉加热到200℃后，打开炉盖，通过红外热成像仪对煤样进行热成像，按照温度每升高50℃的间隔进行拍照，每次拍照后迅速盖上炉盖，防止空气进入。

(4)对煤饼温度分布进行研究分析；

根据红外热成像仪测定煤干馏过程中的表面形态结构图片，对其进行网格划分，量取各网格内裂纹长宽，计算裂纹总长、宽及面积。结合不同时刻成像图片中的裂纹面积，与焦炭冷态强度进行对比分析。煤样不同温度下炼焦过程热成像图例见图1-图8(按图号顺序依次为350℃、400℃、450℃、500℃、550℃、600℃、650℃和700℃的热成像图)，到达炼焦煤半焦收缩的温度时可以明显的看出煤饼的颜色分布，即四周颜色较深，中心颜色较浅。颜色越深，该处的温度越高。还可以清晰的看见图片上煤饼收缩形成的裂纹，裂纹处的颜色较深，温度较高。

将炼焦煤热像图按尺寸2mm×2mm分割为64个小块，在其中有裂纹的小格中取特征部分，如图9所示。使用刻度尺量取，计算每格中裂纹近似面积，求得裂纹总面积，将裂纹面积与焦饼总面积之比定义为裂纹系数，计算各单种煤结焦后的裂纹系数。裂纹系数与焦炭冷态强度数据见表1。

表1裂纹总面积与40kg焦炉焦炭冷态强度

由实验结果可知，随着炼焦煤煤化度的降低，焦炭裂纹系数升高，即低变质程度LW气煤产生裂纹较多，焦炭平均块度较小，仅为31.3mm。随着煤化度的升高，LH肥煤和DD焦煤的裂纹系数明显下降，焦炭块度提高明显，平均粒径分别为76.2mm和75.3mm。在结焦过程中，焦炭在各温度段产生裂纹相对较平均，裂纹产生较少。对比焦炭的冷态强度可以看出，DD焦煤和LH肥煤的M₄₀均超过了80％，高于XJ 1/3焦煤和LW气煤，DD焦煤的M₁₀为7.0％，在四种焦炭中相对较低。

通过数据分析，焦炭的平均粒径与裂纹系数有一定的联系，由裂纹系数可知各炼焦煤焦炭的块度，对焦炭的冷态强度有一定预测性。对配煤炼焦生产，得到优质冶金焦炭有指导意义。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。