淺談吉氏流動(dòng)度的準(zhǔn)確測(cè)定

李堃(遷安中化煤化工有限責(zé)任公司，河北 唐山 064404)

0 引言

吉氏流動(dòng)度是煤的塑性指標(biāo)之一，用于表征煤在熱解過(guò)程中生成膠質(zhì)體的流動(dòng)性質(zhì)，可以反映煤在干餾時(shí)形成膠質(zhì)體的黏度，是研究煤流變性和熱分解的有效手段。由于吉氏流動(dòng)度可同時(shí)反映煉焦煤 膠質(zhì)體的數(shù)量、流動(dòng)性和黏度等性質(zhì)，近幾年來(lái)在煤質(zhì)評(píng)價(jià)及指導(dǎo)煉焦配煤方面的應(yīng)用越來(lái)越廣泛[1]。吉氏流動(dòng)度的測(cè)定是一個(gè)規(guī)范性很強(qiáng)的試驗(yàn)，必須嚴(yán)格按照GB/T 25213《煤的塑性測(cè)定 恒力矩吉氏塑性儀法》進(jìn)行操作，才能獲得準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。

1 吉氏流動(dòng)度測(cè)定方法原理

吉氏流動(dòng)度由德國(guó)人吉澤勒于1934年首次提出，用測(cè)得的最大流動(dòng)度和特征溫度表征煙煤塑性的指標(biāo)，曾稱“基斯勒流動(dòng)度”“吉澤勒流動(dòng)度”，也稱“基氏流動(dòng)度”。其測(cè)定原理是用固定力矩轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)插入煤樣中的攪拌槳，當(dāng)煤樣受熱形成膠質(zhì)體時(shí)，隨著溫度的升高，膠質(zhì)體的流動(dòng)性發(fā)生變化，攪拌槳因此受到不同的阻力，轉(zhuǎn)速發(fā)生相應(yīng)的變化，從而測(cè)得煤的流動(dòng)度曲線。另外還有以戴維斯塑性儀法和波拉本達(dá)塑譜儀法為代表的變力矩測(cè)定方法，其測(cè)定原理是插入煤中的攪拌器以固定速度轉(zhuǎn)動(dòng)，用攪拌器所受扭力隨溫度的變化來(lái)表示膠質(zhì)體的流動(dòng)度的變化。變力矩測(cè)定方法應(yīng)用較少，其它標(biāo)準(zhǔn)多采用恒力矩吉氏塑性儀法來(lái)測(cè)定煤的流動(dòng)度[2]。

2 吉氏流動(dòng)度特征指標(biāo)分析

(1)吉氏流動(dòng)度并非一個(gè)指標(biāo)，而是包括初始軟化溫度、最大流動(dòng)溫度、最后流動(dòng)溫度、固化溫度、塑性區(qū)間、最大流動(dòng)度等一系列特征指標(biāo)。

(2)初始軟化溫度表示攪拌槳轉(zhuǎn)速第一次達(dá)到1 ddpm，且其后的轉(zhuǎn)速至少為1 ddpm時(shí)的溫度，通常記作Tis，單位為℃。此數(shù)值與煙煤奧亞膨脹計(jì)試驗(yàn)的軟化溫度T1有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

(3)最大流動(dòng)度溫度表示攪拌槳轉(zhuǎn)速達(dá)到最大時(shí)的溫度。通常記作Tmf，單位為℃。此數(shù)值與鏡質(zhì)體反射率有非常好的線性關(guān)系，可用于大致判斷煤種，在一定范圍內(nèi)反映煉焦煤的變質(zhì)程度，為煉焦煤質(zhì)量的全面評(píng)價(jià)提供了參考[3]。

(4)最后流動(dòng)溫度表示攪拌槳轉(zhuǎn)速最后達(dá)到1 ddpm時(shí)的溫度，通常記作Tff，單位為℃。

(5)固化溫度表示攪拌槳停止轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的溫度，通常記作Tst，單位為℃。此數(shù)值與煙煤奧亞膨脹計(jì)試驗(yàn)的固化溫度T3有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

(6)塑性范圍表示固化溫度與初始軟化溫度之間的差值，即開(kāi)始軟化到最后流動(dòng)度的區(qū)間，通常記作Tst-Tis，單位為℃。此數(shù)值與鏡質(zhì)體反射率大致呈拋物線關(guān)系，反射率0.95～1.20之間時(shí)塑性溫度范圍最大。

(7)最大流動(dòng)度表示攪拌槳轉(zhuǎn)速達(dá)到最大時(shí)的流動(dòng)度，通常記作MF，單位為ddpm。徐榮廣等研究了將此數(shù)據(jù)取對(duì)數(shù)后，即lgMF，與煙煤的Y、b存在線性相關(guān)性[4]。

3 樣品影響

(1)煤樣在存放過(guò)程中易發(fā)生風(fēng)化，風(fēng)化后的煤，碳含量降低，含氧量增加，導(dǎo)致黏結(jié)性下降，特別是一些年輕煤，其影響尤為顯著[5]。為降低風(fēng)化影響，保證測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確性，在采樣時(shí)必須采取新鮮的未經(jīng)破碎的煤樣。在煤堆上采樣時(shí)，應(yīng)先除去0.2 m的表面氧化層，然后再進(jìn)行采取。

(2)制樣過(guò)程采用逐級(jí)破碎的方法，盡量減少粒度小于0.2 mm粒級(jí)煤的比例。破碎到通過(guò)0.425 mm篩子，保證試樣中粒度小于0.2 mm細(xì)粉少于50%。若高于此數(shù)值，則意味著樣品粒度偏細(xì)，最大流動(dòng)度數(shù)據(jù)有偏高的趨勢(shì)，偏高的程度因煤種不同而異。

(3)制備好的煤樣細(xì)度小，容易氧化，因此，制備好的煤樣應(yīng)裝在密閉的容器內(nèi)冷藏或保存于惰性氣體中，以降低煤樣的氧化程度，并在8 h內(nèi)成重復(fù)測(cè)定。防止因氧化而導(dǎo)致的測(cè)定結(jié)果偏低。采用吉氏流動(dòng)度較高的肥煤A和吉氏流動(dòng)度相對(duì)較低的焦煤B分別在制樣當(dāng)天，放置1天后和放置3天后進(jìn)行平行測(cè)定，數(shù)據(jù)平均后統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

從表1可知隨著放置時(shí)間的增加，初始軟化溫度、最大流動(dòng)溫度、最后流動(dòng)溫度、固化溫度、塑性區(qū)間等數(shù)據(jù)變化不大。最大流動(dòng)度降低顯著，放置時(shí)間越長(zhǎng)，降低幅度越大。最大流動(dòng)度數(shù)值越高的煤種降低幅度越大。

4 試驗(yàn)器具

4.1 力矩標(biāo)定

塑性儀轉(zhuǎn)矩用繩和滑輪組合裝置來(lái)校驗(yàn)。一個(gè)滑輪擰在吉氏塑性儀頭的軸上，一附在此滑輪的繩子搭在另一個(gè)垂直放置的滑輪上，繩端掛一質(zhì)量符合要求的重荷?；啺霃綖?5.4 mm，重荷質(zhì)量為40 g。當(dāng)塑性儀電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，制動(dòng)器或離合器懸置力矩表或傳感器的讀數(shù)為(101.6±5.1)g·cm。準(zhǔn)確的力矩調(diào)節(jié)是保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的重要參數(shù)。

表1 樣品放置時(shí)間對(duì)吉氏流動(dòng)度的影響

4.2 控溫系統(tǒng)

試驗(yàn)過(guò)程爐溫控制要精準(zhǔn)，平均加熱速度為(3.0±0.1)℃/min，滿足每5min升溫(15±1)℃的要求。在300～550 ℃的溫度區(qū)間內(nèi)，任一給定時(shí)刻的加熱速度不能超過(guò)(3.0±0.1)℃/min。爐內(nèi)有鉛錫或焊錫(99.99%)的熔融焊料浴，溫度由帶保護(hù)套管(外徑約6 mm)的熱電偶測(cè)定，用攪拌器攪拌。保護(hù)套管插入焊料浴至觸及坩堝外壁，其熱接點(diǎn)與坩堝中煤樣中心高度一致。當(dāng)焊料減少時(shí)，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)充。

4.3 甑坩堝及攪拌槳

新投用的反應(yīng)甑和攪拌槳數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，平行度較好。隨著使用時(shí)間的增加，平行度容易變差。每次測(cè)試前應(yīng)檢查槳臂，確保其干凈、不變形或無(wú)其他可見(jiàn)的損傷。每次試驗(yàn)結(jié)束后，將試驗(yàn)器具上的殘骸清理干凈。每使用50次后，按照GB/T 25213中5.1中規(guī)定檢查尺寸。重點(diǎn)是易磨損、變形的攪拌槳，如經(jīng)準(zhǔn)確測(cè)量發(fā)現(xiàn)槳臂的任一尺寸超出規(guī)定限度，應(yīng)進(jìn)行更換。

5 操作過(guò)程

(1)稱取5.00 g煤樣均勻裝在提前放置攪拌槳的坩堝中，裝樣時(shí)用手指小心轉(zhuǎn)動(dòng)攪拌槳，使煤樣填入槳臂下的空隙中，煤樣要中間略高于周圍，使煤樣在加壓過(guò)程中受力均勻，且不外濺。當(dāng)試樣量太少時(shí)，攪拌槳壓不穩(wěn)，易晃動(dòng)，測(cè)定結(jié)果重復(fù)性不好，甚至試驗(yàn)可能無(wú)法正常進(jìn)行。在試樣量達(dá)到實(shí)驗(yàn)需求的量的基礎(chǔ)上，對(duì)試樣量逐漸增加，可能導(dǎo)致成型過(guò)程煤樣溢出。

(2)樣品成型過(guò)程的總負(fù)荷為10 kg，靜荷為9 kg,包括支撐架，裝樣頭，落錘桿和靜壓塊的總質(zhì)量。動(dòng)荷為1 kg，壓煤時(shí)，后者從115 mm高度自由落下12次，以壓實(shí)煤樣。成型過(guò)程中不要施加人為力量，加壓后帶樣坩堝可容易從中取出而不使煤樣擾亂。采用吉氏流動(dòng)度較高的肥煤A和吉氏流動(dòng)度相對(duì)較低的焦煤B分別在9次打擊、12次打擊和15次打擊的情況下平行測(cè)定，數(shù)據(jù)平均后統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。

表2 煤樣打擊次數(shù)對(duì)吉氏流動(dòng)度的影響

從表2知在不同的打擊次數(shù)下，初始軟化溫度、最大流動(dòng)溫度、最后流動(dòng)溫度、固化溫度、塑性區(qū)間等數(shù)據(jù)變化不大。在標(biāo)準(zhǔn)要求12次打擊的基礎(chǔ)上，減少或增加打擊次數(shù)，最大流動(dòng)度數(shù)值都有所降低。最大流動(dòng)度數(shù)值越高的煤種降低幅度越大。

(3)對(duì)于難壓實(shí)的煤樣，可在壓實(shí)前在靠近煤樣表面的攪拌槳軸上加(1～3)滴甲苯或潤(rùn)滑油，非常干的煤樣可在裝樣前加幾滴水并充分混合。試驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生煤氣時(shí)，及時(shí)在排氣管進(jìn)行引燃，降低煤氣排放不及時(shí)而產(chǎn)應(yīng)的影響。另外，成型裝置應(yīng)放置在堅(jiān)固、水平的臺(tái)面，以降低打擊過(guò)程中的晃動(dòng)、臺(tái)面的反作用力、打擊重心的偏移等情況對(duì)煤樣成型造成的影響。

6 結(jié)語(yǔ)

吉氏流動(dòng)度測(cè)定是一項(xiàng)規(guī)范性極強(qiáng)的操作，樣品制備和試驗(yàn)過(guò)程中的各個(gè)環(huán)節(jié)都會(huì)對(duì)吉氏流動(dòng)度的測(cè)量值產(chǎn)生一定的偏差。因此，在采樣、制樣、試驗(yàn)過(guò)程中要嚴(yán)格執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)，并對(duì)所使用的各類儀器和設(shè)備定期檢查，才能保證分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。