煉焦煤性質(zhì)對(duì)鐵焦性能影響的試驗(yàn)研究

成雪霞

(山西焦煤霍州煤電集團(tuán)辛置煤礦，山西 霍州 031412)

引 言

我國(guó)煉焦煤資源相對(duì)短缺，優(yōu)質(zhì)煉焦煤儲(chǔ)存量所占煤炭總量不足6%，用于高爐冶煉的煉焦煤更是屈指可數(shù)[1]。針對(duì)煉焦煤資源少、需求大的矛盾問(wèn)題，眾多學(xué)者進(jìn)行了改善煉焦特征方面的研究[2-6]。這些研究促進(jìn)了人們對(duì)煉焦煤性質(zhì)和鐵焦性能的認(rèn)知，但沒(méi)有建立其二者的影響關(guān)系。畢學(xué)工則通過(guò)試驗(yàn)的方式分析了煉焦煤性質(zhì)對(duì)鐵焦性能的影響，并得出了與煉焦煤成分配比、性能影響以及鐵焦熱性質(zhì)有關(guān)的成果[7]。在前人的基礎(chǔ)上，本文通過(guò)多組試驗(yàn)，將煉焦煤的灰分、硫分、揮發(fā)分和黏結(jié)指標(biāo)進(jìn)行逐一研究，準(zhǔn)確地分析每一種成分對(duì)鐵焦性能的影響，從而達(dá)到通過(guò)改變煉焦煤的成分、成分比例，產(chǎn)出不同性能鐵焦的目的。這一研究將會(huì)為鐵焦質(zhì)量的提升、冶煉技術(shù)的發(fā)展提供具體參考。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)原料

本次試驗(yàn)以90%煉焦煤+10%鐵礦粉為樣進(jìn)行的，設(shè)定了反應(yīng)過(guò)程中鐵元素的含量，降低了冶煉的反應(yīng)溫度。煉焦煤是配合煤和單種煤混合體，減少對(duì)氣肥煤、肥煤的依賴[6]。配合煤主要為6 m、7 m和7.63 m焦?fàn)t使用的入爐煤，單種煤則主要為氣肥煤、肥煤、1/3焦煤。鐵礦粉采用行業(yè)內(nèi)常用的加拿大進(jìn)口鐵礦粉，粉碎到1 mm以下，其成分主要包括TFe、Fe、SiO2、FeO、Al3O3、S、MgO、P等，其中，TFe比例高達(dá)67%。

1.2 試驗(yàn)配煤方案及煉制

根據(jù)現(xiàn)有理論和技術(shù)，煉焦煤各性質(zhì)的大致范圍已經(jīng)在應(yīng)用中得到多次驗(yàn)證。本次多組試驗(yàn)選定了揮發(fā)質(zhì)量分?jǐn)?shù)、黏結(jié)指標(biāo)、膠質(zhì)層厚度、灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)、硫分質(zhì)量分?jǐn)?shù)幾項(xiàng)作為配煤方案的具體指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)。單一煤采用氣肥煤比較多，允許的范圍相對(duì)較大；配合煤則不具備單一煤特點(diǎn)，允許的范圍相對(duì)較小。其具體的配煤方案指標(biāo)及指標(biāo)范圍如表1所示。

表1 配煤方案指標(biāo)及范圍

按照配煤方案的要求，準(zhǔn)備好相應(yīng)的原料，在試驗(yàn)室的焦?fàn)t煉制。首先，稱取質(zhì)量為7.2 kg的混合煤和0.8 kg的鐵礦粉進(jìn)行均勻攪拌，加入水，使混合料的水分升至10%；然后，將試驗(yàn)材料放入小鐵箱內(nèi)，堆積密度為1.1 t/m3；最后，鐵箱裝入溫度升至800 ℃的焦?fàn)t內(nèi)，按照設(shè)計(jì)程序進(jìn)行持續(xù)加熱，按時(shí)出爐，濕法熄焦。在落下試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)焦炭進(jìn)行性能指標(biāo)檢測(cè)，質(zhì)量指標(biāo)根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的個(gè)別指標(biāo)采用試驗(yàn)轉(zhuǎn)鼓進(jìn)行測(cè)定。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

針對(duì)鐵焦的質(zhì)量評(píng)價(jià)規(guī)范還沒(méi)有出臺(tái)，所以，采用焦炭質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。為了更加清晰地反映出煉焦煤性質(zhì)與鐵焦性能的內(nèi)在關(guān)系，將二者的同類指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析。其具體內(nèi)容包括：煉焦煤灰分、硫分和鐵焦灰分、硫分的關(guān)系；煉焦煤揮發(fā)分、黏結(jié)指標(biāo)和鐵焦氣孔率的關(guān)系；煉焦煤揮發(fā)分、黏結(jié)性指標(biāo)和鐵焦抗碎性能的關(guān)系；煉焦煤揮發(fā)分、黏結(jié)性指標(biāo)和鐵焦熱反應(yīng)的關(guān)系。

2.1 煉焦煤與鐵焦灰分、硫分的關(guān)系

鐵焦的灰分[ω(AdJ)，%]全部來(lái)自煉焦煤的灰分[ω(AdM)，%]，而鐵焦的硫分[ω(St,dJ)，%]則大部分來(lái)自煉焦煤的硫分[ω(St,dM)，%]，少部分來(lái)自鐵礦粉。因此，煉焦煤的灰分、硫分對(duì)鐵焦的灰分、硫分起著決定性作用。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到了二者的內(nèi)在關(guān)系，結(jié)果如圖1所示。

從圖1可以看出，鐵焦灰分、硫分的所占比例會(huì)隨著煉焦煤灰分、硫分的比例增加而增加。從圖1(A)看，鐵焦灰分明顯大于煉焦煤灰分。這是因?yàn)?，鐵礦粉存在的氧化鐵部分還原成鐵，還有一定量氧化鐵留在測(cè)定體中，從而造成灰分比例大于煉焦煤灰分比例；從圖1(B)出看，鐵焦的硫分比例與煉焦煤的硫分比例相差不大，說(shuō)明鐵礦粉中硫分含量低，對(duì)鐵焦硫分的影響可以忽略不計(jì)。

圖1 煉焦煤灰分、硫分與鐵焦灰分、硫分的關(guān)系

2.2 煉焦煤揮發(fā)分、黏結(jié)指標(biāo)與鐵焦氣孔率的關(guān)系

在煉制過(guò)程中，混合煤熔融結(jié)焦而氣體卻因黏結(jié)性無(wú)法排除形成鐵焦氣孔。氣孔率會(huì)因?yàn)闊捊姑簱]發(fā)分、黏結(jié)指標(biāo)的不同而不同，而氣孔率的大小也會(huì)直接影響焦炭的強(qiáng)度和反應(yīng)性。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，得到了鐵焦顯氣孔率PS、總氣孔率Pt和煉焦煤揮發(fā)分ω(Vdaf)、黏結(jié)指標(biāo)G的關(guān)系。

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，鐵焦的顯氣孔率、總氣孔率都隨著煉焦煤揮發(fā)分、黏結(jié)指標(biāo)的增加而增大。煉焦煤的揮發(fā)分增大時(shí)，熔融過(guò)程中氣體的析出越來(lái)越多；黏結(jié)指標(biāo)的增加，形成的膠質(zhì)層變厚，會(huì)增加氣體析出的阻力，使得氣孔又多又大。當(dāng)試驗(yàn)結(jié)束后，在鐵焦的表面和內(nèi)部留下了大量的氣孔，表現(xiàn)出氣孔率增大。

2.3 煉焦煤揮發(fā)分、黏結(jié)性指標(biāo)和鐵焦抗碎性能的關(guān)系

抗碎性能是對(duì)鐵焦抗碎強(qiáng)度和耐磨強(qiáng)度的統(tǒng)稱，是衡量其機(jī)械強(qiáng)度的主要指標(biāo)。在生產(chǎn)實(shí)踐中，煉焦煤的揮發(fā)分、黏結(jié)性指標(biāo)往往與鐵焦的抗碎性能有著直接關(guān)系。為此，分析了鐵焦抗碎強(qiáng)度M25、耐磨強(qiáng)度M10與煉焦煤的煉焦煤揮發(fā)分ω(Vdaf)、黏結(jié)指標(biāo)G的關(guān)系。

由試驗(yàn)結(jié)果可知，隨著揮發(fā)分、黏結(jié)性指標(biāo)的增加，鐵焦的抗碎強(qiáng)度具有先增后減的規(guī)律，鐵焦的耐磨強(qiáng)度具有先減后增的規(guī)律。在ω(Vdaf)=27%，G=82時(shí)達(dá)到極值。這表明在ω(Vdaf)<27%，G<82的過(guò)程中，揮發(fā)分?jǐn)?shù)值比較低，黏結(jié)能力不夠，抗碎能力比較差；超過(guò)這一極值點(diǎn)后，鐵焦的氣孔率增加，出現(xiàn)裂紋，使得鐵焦的抗碎能力快速下降。由此可知，在熔融過(guò)程中，不同階段下的鐵焦性能會(huì)有較大差別。

2.4 煉焦煤揮發(fā)分、黏結(jié)性指標(biāo)和鐵焦熱反應(yīng)的關(guān)系

根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，鐵焦熱反應(yīng)的優(yōu)劣以反應(yīng)性和反應(yīng)后強(qiáng)度兩指標(biāo)為準(zhǔn)。本次試驗(yàn)加入了鐵礦粉，使得混合煤料反應(yīng)速度得到極大催化，所以，不再考慮催化指數(shù)在鐵焦反應(yīng)中的作用。因此，分析了煉焦煤揮發(fā)分ω(Vdaf)、黏結(jié)性指標(biāo)G和鐵焦反應(yīng)性CRI、反應(yīng)后強(qiáng)度CSR的關(guān)系，得到了第29頁(yè)圖2所示的結(jié)果。

從圖2可知，鐵焦的反應(yīng)性與煉焦煤揮發(fā)性、黏結(jié)性指標(biāo)成正比，會(huì)隨著揮發(fā)性、黏結(jié)性指標(biāo)的增加而增大；鐵焦的反應(yīng)后的強(qiáng)度與其恰恰相反，會(huì)隨著揮發(fā)性、黏結(jié)性指標(biāo)的增加而減小。這表明揮發(fā)分的增加，使得鐵焦收縮量增加，氣孔率增大，反應(yīng)性增強(qiáng)，而機(jī)械強(qiáng)度降低；黏結(jié)指標(biāo)的增加，意味著氣肥煤比例增加，膠質(zhì)體增多，分解量變大，同樣造成了鐵焦氣孔率的增加，機(jī)械強(qiáng)度的降低。通過(guò)計(jì)算得知，在ω(Vdaf)=26.84%～28.93%，G=72.00～82.19條件下，鐵焦的熱性能達(dá)到較高水平。這一結(jié)論與常規(guī)煉焦表現(xiàn)出的規(guī)律不謀而合，從而得出鐵焦煉制與常規(guī)煉焦的內(nèi)在反應(yīng)具有相通之處[2]。

圖2 煉焦煤揮發(fā)分、黏結(jié)性指標(biāo)和鐵焦熱反應(yīng)的關(guān)系

3 結(jié)論

1) 雖然鐵礦粉中的氧化鐵進(jìn)入了鐵焦中，測(cè)定中增加了灰分的比例，但其變化趨勢(shì)與煉焦煤灰分一致，是同比增加的；同時(shí)，鐵礦粉中的硫也沒(méi)有改變鐵焦硫分的比例。因此，可以斷定鐵焦的灰分、硫分取決于煉焦煤的灰分、硫分。

2) 鐵焦的氣孔率、機(jī)械強(qiáng)度、熱反應(yīng)性能與煉焦煤的揮發(fā)分、黏結(jié)性指標(biāo)的關(guān)系十分密切，并表現(xiàn)出一定的規(guī)律性。整體而言，在ω(Vdaf)=27%，G=82時(shí)下，鐵焦的機(jī)械強(qiáng)度性能趨于最強(qiáng)；在ω(Vdaf)=26.84%～28.93%，G=72.00～82.19時(shí)，鐵焦的熱性質(zhì)也達(dá)到較高水平。這一結(jié)論對(duì)提升鐵焦性能的意義較為重要，具有實(shí)際價(jià)值。

3)煉焦煤性質(zhì)與鐵焦性能之間的規(guī)律完善了鐵焦性能影響因素的研究，為后續(xù)研究提供了參考。