塑性區(qū)間對(duì)配煤粘結(jié)指數(shù)的影響研究

韓 礦 張偉杰 向海飛 高立東 曹紀(jì)剛 趙 飛

（1.安陽(yáng)鋼鐵股份有限公司； 2.華泰永創(chuàng)（北京）科技股份有限公司）

0 前言

煤的粘結(jié)性是煉焦用煤的重要工藝指標(biāo)，它是影響焦炭強(qiáng)度的重要因素。煤的粘結(jié)性是指煤在隔絕空氣的條件下加熱時(shí)形成具有可塑性的膠質(zhì)體，粘結(jié)本身或外加惰性物質(zhì)的能力。具有較好的粘結(jié)性是生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)焦炭的前提和必要條件，煉焦煤中一般中等煤化度的煤，如焦煤和肥煤，具有較好的粘結(jié)性，而煤化度相對(duì)較低或者較高的煤，如氣煤和瘦煤，粘結(jié)性較差。隨著煉焦煤的日益緊缺，合理利用現(xiàn)有煤質(zhì)資源，科學(xué)配煤，在保證焦炭質(zhì)量的前提下，既能最大限度減少優(yōu)質(zhì)煤的配入量，又應(yīng)盡可能地使用我國(guó)儲(chǔ)量較多的氣煤和瘦煤是目前研究的主要方向。筆者擬從塑性區(qū)間的不同重疊條件下的粘結(jié)指數(shù)來(lái)研究提高配合煤粘結(jié)性的可能性。

1 試驗(yàn)方案

2 煤種的選擇與分析

安鋼焦化廠現(xiàn)有煤種分類為傳統(tǒng)的氣肥焦瘦分類，選取各煤種典型的礦點(diǎn)做分析，結(jié)果見表1。

表1 安鋼典型礦點(diǎn)煤質(zhì)分析結(jié)果

其中，1/3 焦煤選取邢臺(tái)1/3 焦煤，肥煤選取申礦肥煤，主焦煤選取平頂山礦務(wù)局的天安主焦，瘦煤選取鶴壁四礦瘦煤，考慮到鶴壁的瘦煤偏向于貧瘦煤，因此增加了山西古交焦煤，其指標(biāo)處于瘦煤和焦煤之間，選取古交焦煤可以使煤種分布更加連續(xù)。各煤種的粘結(jié)性指標(biāo)見表2。

表2 各單種煤礦點(diǎn)粘結(jié)性指標(biāo)

3 塑性區(qū)間分析

選取的5 個(gè)典型礦點(diǎn)煤的奧亞膨脹度曲線如圖1 所示。

圖1 奧亞膨脹度曲線

從圖1 可以看出，在以上5 個(gè)典型煤中申礦肥煤和天安主焦煤的塑性區(qū)間最為接近，申礦肥煤和邢臺(tái)1/3 焦煤，天安主焦煤和古交焦煤有部分區(qū)域不重疊，這意味著在其中一種煤正在發(fā)生塑性變化時(shí)，另一種煤還沒(méi)有發(fā)生塑性變化或者已經(jīng)固化，而古交瘦焦煤與邢臺(tái)1/3 焦煤的塑性區(qū)間差異較大，大部分區(qū)域不重疊，這意味著古焦瘦焦煤開始發(fā)生塑性變化的初期，邢臺(tái)1/3 焦煤開始固化。這種塑性區(qū)間不重疊的情況下煤粒間各自的狀態(tài)并不相同，如申礦肥煤和邢臺(tái)1/3 焦煤兩種煤，在450 ℃時(shí)，邢臺(tái)1/3 焦煤開始固化時(shí)，申礦肥煤正處于膨脹狀態(tài)，此時(shí)煤粒正處于膨脹熱解狀態(tài)，流動(dòng)性很好，兩種煤的物理狀態(tài)不同。

4 試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)所用無(wú)煙煤為寧夏汝箕溝測(cè)粘結(jié)指數(shù)專用無(wú)煙煤，試驗(yàn)設(shè)備均符合國(guó)標(biāo)要求。分析天平：感量1 mg；馬弗爐：具有均勻加熱帶，其恒溫區(qū)（850±10） ℃，長(zhǎng)度125 mm，并附有調(diào)壓器；轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)裝置：轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速50 r/min,轉(zhuǎn)鼓內(nèi)徑200 mm、深70 mm，壁上鉚有兩塊相距180 、厚為3 mm 的擋板；6 kg 質(zhì)量壓力器，瓷質(zhì)坩堝和坩堝蓋，直徑1.5 mm 的硬質(zhì)金屬攪拌絲，重量112 g 鎳鎘鋼制成的壓塊，篩孔直徑1 mm 的圓孔篩。

4.2 試驗(yàn)過(guò)程

選取邢臺(tái)、申礦、天安、古交、四礦等五個(gè)礦點(diǎn)，按GB 474—2008 制備成粒度小于0.2 mm 的空氣干燥煤樣，其中0.1 ～0.2 mm 的煤粒占全部煤粒的20%～35%，煤樣粉碎后，每?jī)煞N煤均按100%、80%、60%、40%、20%、0%的比例配合并混合均勻，分別作為試驗(yàn)煤樣，做粘結(jié)指數(shù)的正交實(shí)驗(yàn)。

試驗(yàn)步驟：

（1）先稱取5 g 專用無(wú)煙煤，再稱取1 g 試驗(yàn)煤樣放入坩堝，質(zhì)量稱量準(zhǔn)確到0.001 g。

（2）用攪拌絲將坩堝內(nèi)的煤混合攪拌2 min。在攪拌過(guò)程中，防止煤樣外濺，攪拌方法為，坩堝作45°左右傾斜，逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，約15 轉(zhuǎn)/min，攪拌絲按同樣傾角作順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，約150 轉(zhuǎn)/min，攪拌時(shí)，攪拌絲的圓環(huán)接觸坩堝壁與底相連的圓弧部分，約1 min 45 s 后，一邊繼續(xù)攪拌，一邊將坩堝與攪拌絲逐漸轉(zhuǎn)到垂直位置，約2 min 時(shí)，結(jié)束攪拌。

（3）攪拌后，將坩堝壁上的煤粉用刷子輕輕掃一下，用攪拌絲將混合物小心撥平，并使沿坩堝壁的層面略低1 ～2 mm。

（4）用鑷子夾住壓塊，放置于坩堝中央，然后將其置于壓力器下，將壓桿輕輕放下，靜壓30 s。

（5）加壓結(jié)束后，壓塊仍留在混合物上，蓋上坩堝蓋。

（6）將帶蓋坩堝放置在坩堝架中，用帶手柄的平鏟托起坩堝架，放入預(yù)先升溫到850 ℃的馬弗爐內(nèi)的恒溫區(qū)，焦化15 min后將坩堝從馬弗爐中取出，放置冷卻至室溫。

（7）取出壓塊，將壓塊上附著的焦屑刷入坩堝內(nèi)，稱量焦渣總重量，然后將其放入轉(zhuǎn)鼓內(nèi)進(jìn)行第一次轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)，轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)后的焦塊用1 mm 圓孔篩進(jìn)行篩分，再稱量篩上物的質(zhì)量，而后將其放入轉(zhuǎn)鼓內(nèi)進(jìn)行第二次轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)，重復(fù)篩分、稱量操作。每次轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)5 min，轉(zhuǎn)250 轉(zhuǎn)。質(zhì)量稱量精確到0.01 g。

（8）按規(guī)定的計(jì)算方法計(jì)算煤樣的粘結(jié)指數(shù)指標(biāo)。

按上述方法測(cè)定完10 個(gè)試驗(yàn)煤樣的粘結(jié)指數(shù)，當(dāng)測(cè)得的粘結(jié)指數(shù)小于18 時(shí)，進(jìn)行補(bǔ)充試驗(yàn)，將試驗(yàn)煤樣與專用無(wú)煙煤的比例改成3：3，即3 g 試驗(yàn)煤樣和3 g 專用無(wú)煙煤，并按規(guī)定計(jì)算其粘結(jié)指數(shù)。

4.3 試驗(yàn)分析

將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪圖，如圖2 所示。

圖2 五個(gè)礦點(diǎn)每組兩種煤按不同比例混合的粘結(jié)指數(shù)變化

從圖2 可以看到，煤種間配合后的粘結(jié)指數(shù)并不簡(jiǎn)單的等于兩者粘結(jié)指數(shù)的加權(quán)平均值。當(dāng)兩種煤的塑性區(qū)間重疊區(qū)域較多時(shí)，配合煤的粘結(jié)指數(shù)略大于其加權(quán)平均值，如申礦肥煤與天安主焦煤的塑性區(qū)間最為接近，重疊區(qū)域多，兩種煤配合后的粘結(jié)指數(shù)要大于其加權(quán)平均值；天安焦煤與邢臺(tái)1/3 焦煤的塑性區(qū)間重疊較多，兩種煤配合后的粘結(jié)指數(shù)略大于其加權(quán)平均值。而塑性區(qū)間重疊區(qū)域較少或者根本沒(méi)有重疊區(qū)域時(shí)，配合煤的粘結(jié)指數(shù)則略小于其加權(quán)平均值，如古焦瘦焦煤與邢臺(tái)1/3 焦煤，在420 ℃時(shí)古交瘦焦煤開始發(fā)生塑性變化，而到450 ℃時(shí)邢臺(tái)1/3 焦煤已經(jīng)開始固化，塑性區(qū)間重疊較少，兩種煤配合后的粘結(jié)指數(shù)小于其加權(quán)平均值。

形成這種結(jié)果的原因可能有兩種：（1）在成焦過(guò)程中，由于其物理狀態(tài)的差異，煤粒軟化、熔融、固化時(shí)間不同，形成的焦炭結(jié)構(gòu)為煤粒間的物理結(jié)合，這樣的結(jié)合依靠的是界面作用。而對(duì)于不同塑性區(qū)間下的煤粒，由于其結(jié)合時(shí)各自的狀態(tài)不一樣，其結(jié)合的強(qiáng)弱也不同，表現(xiàn)在對(duì)粘結(jié)性指標(biāo)的提高與削弱上；（2）煤在整個(gè)塑性區(qū)間內(nèi)是一個(gè)由煤顆粒產(chǎn)生的膠質(zhì)體熱解形成由大的片狀分子排列而成的聚合晶體，而塑性區(qū)間重疊有利于煤種間的膠質(zhì)體基體的長(zhǎng)大、熔融，從而達(dá)到增強(qiáng)粘結(jié)本身和外加惰性物的能力，得到較穩(wěn)定的焦炭光學(xué)組織結(jié)構(gòu)，從而起到提高焦炭強(qiáng)度的效果。

5 結(jié)束語(yǔ)

在配煤煉焦的過(guò)程中，應(yīng)使各煤種的塑性區(qū)間依次重疊，這樣可使配合煤煤料在較大的溫度范圍內(nèi)處于塑性狀態(tài)，從而改善其粘結(jié)性，在整個(gè)煉焦過(guò)程中，焦炭界面結(jié)合更穩(wěn)定，從而達(dá)到提高焦炭強(qiáng)度的目的。