概述
焦炭是一种多孔材料，在高炉炼铁中可用作还原剂、隔板并提供热量，焦炭强度是支撑铁矿石和使气体通过高炉熔化区的重要物理性质。本项目将利用 X 射线 CT 和 Simpleware 软件实现焦炭微观结构的可视化和量化，研究焦炭孔隙结构对焦炭强度的影响。
亮点
- 利用 X 射线 CT 扫描获得焦炭微观结构
- 在 Simpleware ScanIP 中对焦炭图像进行分割和结构分析
- 在 Simpleware SOLID 模块进行应力分析
试样制备
采用不同粘结煤成分制备两种焦炭试样：焦炭 A 和焦炭 B。按照强度大小，将焦炭 A 和 B 分别命名为“HS（较高强度）焦炭”和“LS（较低强度）焦炭”。每种焦炭各制备两个样品用于 CT 扫描。
图像处理和模拟
采用 Micro Focus X 射线 CT 系统对焦炭试样进行扫描。将图像数据导入 Simpleware ScanIP 进行处理，利用阈值工具基于灰度值将焦炭结构分割为孔隙、基体和高密度基体。
在 Simpleware SOLID 模块进行应力分析，去除孔隙部分，为基体和高密度基体结构生成 350 万个网格单元。通过沿单轴 z 方向均匀移动表面施加拉伸，其他两个轴向保持自由。为简化分析，界面使用共享节点。
结果与讨论
焦炭结构
焦炭试样的体素图像和成分组成如下所示，HS 焦炭具有较低的孔隙率和较高的基体占比。
孔径分布及孔隙形状参数分析
使用比表面积测量仪获得孔径分布，HS 焦炭和 LS 焦炭试样几乎没有差异，主要孔径为 100-150 μm。
在 Simpleware 中进行结构分析获得焦炭试样的孔隙球形度分布，垂直柱表示对应的孔隙数量。
应力分析
HS 焦炭（N=1）的 Mises 应力小于任何其他试样。从基体结构来看，HS 焦炭（N=1）比 LS 焦炭（N=2）具有更多的高密度基体（包括矿物质）。
单轴拉伸载荷（z 轴）下的 Von Mises 应力分布结果表明，在 HS 焦炭中，Von Mises 应力集中在高密度区域；在 LS 焦炭中，Von Mises 应力分布在基体和高密度区域。
HS 焦炭（N=1）和 LS 焦炭（N=2）中高密度基体的体积分布显示，体积大于 0.5×10− 3 mm3 的高密度颗粒在 HS 焦炭（N=1）中约为 13%。但在 LS 焦炭（N=2）中仅为 4.3%，高密度基体在 HS 焦炭中具有更宽的尺寸分布。
形状不规则性可以通过球形度分布表征，对比 HS 和 LS 焦炭试样高密度基体的分布发现，HS 焦炭的分布峰有向较低值偏移的趋势。这说明 HS 焦炭比 LS 焦炭存在更多具有不规则几何形状的高密度颗粒。由于单独分布的高密度基体（包括矿物质）部分可能通过形成无粘结晶界而使焦炭强度降低，其混入基体的不同程度会导致应力集中或焦炭强度的差异。
结论
在本研究中，通过对焦炭微观结构模型进行重建和应力分析，研究焦炭结构与焦炭强度之间的关系。
- 从三维成分分析结果看，强度较高的焦炭具有较低的孔隙率和较高的基体占比。
- 两种焦炭的孔径分布差异不大，主要孔径为 100 至 150 μm。
- 三维应力分析结果表明，高密度基质（包括矿物质）在基质中的融入程度会引起应力集中或焦炭强度的差异
参考
- Anraku D, Nagashima Y, Nango K, et al. Structure analysis of high strength coke using X-ray CT[J]. ISIJ International, 2019, 59（8）: 1506-1511.