煉焦煤熱塑性在焦炭熱強(qiáng)度預(yù)測(cè)中的應(yīng)用

姜 衛(wèi) 民

(汾渭數(shù)字信息技術(shù)有限公司，山西 太原 030001)

0 引 言

隨著焦化工業(yè)在中國(guó)的大規(guī)模發(fā)展，焦炭熱強(qiáng)度受到越來越多的關(guān)注，保證該指標(biāo)的持續(xù)穩(wěn)定已成為煉焦配煤技術(shù)工作的重中之重。盡管對(duì)于焦炭熱強(qiáng)度的測(cè)試方法是否能真正模擬焦炭在高爐內(nèi)的行為仍存爭(zhēng)議，但現(xiàn)行的焦炭反應(yīng)后強(qiáng)度(CSR)畢竟是焦炭市場(chǎng)交易中重要的定價(jià)依據(jù)，即使在鋼鐵企業(yè)的配套焦化廠，熱強(qiáng)度也是制鐵環(huán)節(jié)最為看重的指標(biāo)之一。在中國(guó)山西焦煤在線的競(jìng)拍平臺(tái)上，高熱強(qiáng)度的焦煤總是被迅速搶拍售罄，國(guó)際市場(chǎng)上同樣如此，即市場(chǎng)青睞高CSR的焦煤[1]。

焦炭熱強(qiáng)度能夠通過數(shù)學(xué)方法回歸分析建立模型并進(jìn)行預(yù)測(cè)。由于焦化條件相對(duì)固定，因而對(duì)于焦炭質(zhì)量的預(yù)測(cè)一般選擇煤質(zhì)參數(shù)作為相關(guān)變量，以此為基礎(chǔ)建立模型。ANDRIOPLOUS對(duì)于2015年以前的部分熱強(qiáng)度預(yù)測(cè)方法進(jìn)行匯總[2]，主要包括新日鐵(NSC)焦炭反應(yīng)性K模型、神戶鋼鐵(KOBE)反應(yīng)后強(qiáng)度指數(shù)(RSI)模型、南非鋼鐵協(xié)會(huì)(ISCOR)反應(yīng)后強(qiáng)度模型、美國(guó)內(nèi)陸鋼鐵(Inland Steel)催化指數(shù)(CI)模型、中國(guó)寶鋼(Baosteel)模型、加拿大PRICE模型、必和必拓(BHP)澳大利亞模型和Global Coal(2015)模型。該8個(gè)預(yù)測(cè)模型具有很好的代表性，基本上反映了自焦炭CSR及CRI聯(lián)合測(cè)試方法問世以來配煤理念及方法的不斷調(diào)整和變化，主要體現(xiàn)在不同模型對(duì)煤質(zhì)參數(shù)的不同選擇，比如煤中礦物組分或灰成分指標(biāo)的變化和發(fā)展、對(duì)煤巖組分指標(biāo)的取舍以及熱塑性指標(biāo)的不同選擇等方面。

新日鐵(NSC)最早提出并定義煤中灰成分對(duì)焦炭熱強(qiáng)度的影響，此后不同的預(yù)測(cè)模型使用不同的灰成分指數(shù)。如加拿大PRICE對(duì)不同的灰成分指數(shù)進(jìn)行修正，形成修正后的堿度指數(shù)(MBI)；楊俊和進(jìn)行進(jìn)一步的研究和完善，提出礦物催化指數(shù)(MCI)[3]，由此定義了煤中灰成分對(duì)焦炭溶損反應(yīng)的正、負(fù)催化作用，且以權(quán)重的方式區(qū)分不同灰成分對(duì)焦炭熱強(qiáng)度的影響程度。MCI指標(biāo)為其后煤焦技術(shù)工作者量化使用灰成分進(jìn)行焦炭熱強(qiáng)度預(yù)測(cè)時(shí)提供極大便利。

煤巖組分用于焦炭熱強(qiáng)度預(yù)測(cè)，比較成熟的方法始自新日鐵(NSC)的焦炭反應(yīng)活性K指數(shù)模型，NCS參考夏皮羅的方法并建立惰性組分含量模型，利用鏡質(zhì)體反射率、惰性組分含量和堿度指數(shù)建立了焦炭與CO2的反應(yīng)活性指數(shù)K模型。此后惰性組分含量參數(shù)被不同的模型使用或調(diào)整使用，如寶鋼模型在此基礎(chǔ)上增加無(wú)機(jī)組分含量以形成惰性組分總含量指標(biāo),印度塔塔鋼鐵公司的模型使用鏡質(zhì)體反射率為0.9%～1.3%的含量指標(biāo)[4]。

熱塑性指標(biāo)是預(yù)測(cè)模型中的重要參數(shù)，在上述預(yù)測(cè)模型中吉氏流動(dòng)度相關(guān)指標(biāo)使用較多，奧亞膨脹度及CSN均有涉及，然而并不意味著黏結(jié)指數(shù)G值及Y值在評(píng)價(jià)煉焦煤熱塑性方面處于劣勢(shì)，黏結(jié)指數(shù)G值的出現(xiàn)以及中國(guó)對(duì)于焦炭熱強(qiáng)度的研究相對(duì)較晚，近些年中國(guó)使用黏結(jié)指數(shù)G值及Y值進(jìn)行熱強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型研究的案例亦有很多，尤其中國(guó)為焦化大國(guó)，許多大型鋼企在21世紀(jì)以后均對(duì)焦炭熱性質(zhì)預(yù)測(cè)模型進(jìn)行研究，比如謝海深利用配合煤黏結(jié)指數(shù)G值、Vdaf及Rmax參數(shù)預(yù)測(cè)焦炭熱強(qiáng)度[5]；胡德生利用配合煤揮發(fā)分(Vd)、黏結(jié)指數(shù)G值、流動(dòng)度對(duì)數(shù)值(lg MF)、鏡質(zhì)組黏結(jié)指數(shù)(VCI)、惰性組分總含量(TI)5個(gè)參數(shù)預(yù)測(cè)焦炭熱強(qiáng)度[6]；任學(xué)延等利用單種煤Y值、灰分(Ad)、奧亞b值、黏結(jié)指數(shù)G值5個(gè)參數(shù)預(yù)測(cè)焦炭熱強(qiáng)度[7]。

煉焦煤熱塑性表征指標(biāo)眾多且均從不同角度對(duì)膠質(zhì)體數(shù)量和性質(zhì)進(jìn)行表達(dá)，很難用同一指標(biāo)去量化和準(zhǔn)確關(guān)聯(lián)煉焦煤最終的結(jié)焦能力，以至于有些學(xué)者試圖從其他角度間接表達(dá)，比如楊俊和[3]認(rèn)為變質(zhì)程度是決定煤及煤轉(zhuǎn)化的獨(dú)立變量，而煉焦煤工藝性能(如黏結(jié)性)受控于變質(zhì)程度，所以建立焦炭反應(yīng)性預(yù)測(cè)模型時(shí)并未使用熱塑性指標(biāo)，而僅使用了Vd和MCI；夏皮羅的CBI-SI焦炭冷強(qiáng)度預(yù)測(cè)方法其實(shí)亦是試圖通過整合計(jì)算的煤巖參數(shù)CBI和SI來涵蓋表征煤的熱塑性。但在實(shí)際焦化生產(chǎn)中，熱塑性指標(biāo)是表征煤在塑性期間性質(zhì)以及關(guān)聯(lián)結(jié)焦能力的最直觀指標(biāo)，近年來煤焦化技術(shù)工作者越來越意識(shí)到煤的熱塑性在焦炭熱強(qiáng)度預(yù)測(cè)中的重要性并不斷進(jìn)行擴(kuò)展研究，期望通過多指標(biāo)的整合表達(dá)或研發(fā)新的實(shí)驗(yàn)檢測(cè)方法來準(zhǔn)確表征熱塑性，以保證焦炭熱強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型的準(zhǔn)確性以及對(duì)實(shí)際生產(chǎn)的指導(dǎo)能力。

以下從焦炭熱強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型參數(shù)的選擇、不同熱塑性指標(biāo)表達(dá)膠質(zhì)體性質(zhì)的比較、熱塑性指標(biāo)的整合及創(chuàng)新表達(dá)3個(gè)部分對(duì)此進(jìn)行闡述探討。

1 焦炭熱強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型參數(shù)的選擇

目前大多數(shù)對(duì)于焦炭熱性質(zhì)的計(jì)算預(yù)測(cè)均基于膠質(zhì)體塑性成焦和煤巖活惰組分界面結(jié)合成焦2種機(jī)理來選擇參數(shù)或變量，然后通過多元回歸分析建立預(yù)測(cè)模型。在上述國(guó)內(nèi)外熱強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型中，將煤質(zhì)參數(shù)歸納為以下四大類:① 煤階:Vdaf或反射率；② 熱塑性:MF、lg MF、塑性溫度區(qū)間、a+b、CSN、G、Y值等；③ 煤巖組分:活性組分總量、惰性組分總量、鏡質(zhì)組含量等；④ 灰成分指數(shù):灰成分堿度指數(shù)(Bash)、BI、MBI、AI、MCI等。

從膠質(zhì)體塑性成焦機(jī)理的角度，選擇影響焦炭熱性質(zhì)的參數(shù)或變量一般為煤階、熱塑性、煤灰成分3個(gè)參數(shù)，預(yù)測(cè)模型建立的難點(diǎn)在于熱塑性指標(biāo)的選擇和表達(dá)。

從煤巖學(xué)角度選擇影響焦炭熱性質(zhì)的參數(shù)或變量，主要包括煤階、煤巖組分、還原程度該3個(gè)成因因素。其中煤階主要指反射率及其分布，煤巖組分指活性組分總量或惰性組分總量或活惰比，還原程度主要與成煤環(huán)境與變質(zhì)經(jīng)歷有關(guān)。模型建立存在難點(diǎn)，即若將煤的還原程度作為獨(dú)立變量，此為1個(gè)比煤的熱塑性更為復(fù)雜、更難以選擇和表達(dá)的參數(shù)。成煤環(huán)境、煤型和煤質(zhì)之間可構(gòu)成1個(gè)概略的成因模型，見表1[8]。

表1 環(huán)境-煤型-煤質(zhì)的概略成因模型[8]Table 1 Approximate genetic model of environment-coal type-coal quality[8]

據(jù)表1，煤的還原程度強(qiáng)弱通過煤灰成分與黏結(jié)性的強(qiáng)弱來區(qū)分。周師庸曾致力于探求合適的代表還原程度指標(biāo)，如容惰能力及熒光性質(zhì)，但在后期亦認(rèn)為可用煤灰成分及黏結(jié)性來區(qū)分還原程度，即煤巖顯微組分組成、鏡質(zhì)體反射率及其分布、熒光強(qiáng)度或黏結(jié)性、MBI或MCI此四類指標(biāo)在煉焦制度固定下可決定煉焦所得焦炭質(zhì)量的優(yōu)劣[9]。

煤焦學(xué)者和技術(shù)工作者逐步將理論研究上復(fù)雜的還原程度指標(biāo)拉回到煉焦應(yīng)用的操作層面，選擇更易分解和量化的指標(biāo)來表達(dá)，即除了煤巖顯微組分指標(biāo)，在煤巖學(xué)和煤化學(xué)成焦機(jī)理在煤階、熱塑性、煤灰成分3個(gè)指標(biāo)的選擇上已逐步趨同一致。

由對(duì)活性組分或惰性組分總量此煤巖組分指標(biāo)的歷史應(yīng)用回顧可知:煤巖學(xué)的發(fā)展給預(yù)測(cè)焦炭質(zhì)量提供全新的思路，特別是夏皮羅等在阿莫索夫的工作基礎(chǔ)上以CBI和SI為參數(shù)并利用美國(guó)鋼鐵公司設(shè)計(jì)的焦炭預(yù)測(cè)模型，對(duì)阿巴拉契亞半絲質(zhì)體煤和混合煤獲得完全滿意的結(jié)果[10]。此案例的成功使此后在進(jìn)行焦炭質(zhì)量預(yù)測(cè)模型的設(shè)計(jì)時(shí)，煤巖組分含量指標(biāo)幾乎成為必選參數(shù)。但此種方法也存在局限性，夏皮羅強(qiáng)度指數(shù)(SI)如圖1所示[11]。 以圖1為例，圖中高低不等的曲線代表著反射率從0.3%～2.1%不同變質(zhì)程度鏡質(zhì)體在不同惰性組分含量下所能達(dá)到的冷強(qiáng)度指數(shù)值，若不同變質(zhì)程度鏡質(zhì)體具有不同的質(zhì)量是此方法的理論基礎(chǔ)，則等變質(zhì)程度鏡質(zhì)體具有不同的質(zhì)量就是該種配煤方法不可逾越的障礙。所以葉道敏提出“標(biāo)準(zhǔn)活性組分”概念，用以區(qū)分等變質(zhì)程度鏡質(zhì)體的質(zhì)量差異[12]；劉運(yùn)良提出增加容惰指數(shù)(Ihi)和活性成分配合程度參數(shù)(Dm)指標(biāo)，用以表征活性成分的質(zhì)量以及配伍程度[13]；白向飛則認(rèn)為最佳惰性組分實(shí)際上并不存在，即不同煤種中最佳的活惰比不一致[14]。若不能對(duì)活性組分的質(zhì)量進(jìn)行準(zhǔn)確表達(dá)，則惰性組分總量參數(shù)的選擇其實(shí)并無(wú)多大意義。

圖1 夏皮羅強(qiáng)度指數(shù)(SI)[11]Fig.1 SHAPIRO’s strength index SI graph[11]

煤灰成分與煤階2個(gè)指標(biāo)易量化，無(wú)論選擇反射率、揮發(fā)分表達(dá)煤階，還是選擇堿度指數(shù)、催化指數(shù)或其他灰成分指數(shù)表達(dá)煤灰成分，盡管不同的參數(shù)選擇略有差異或優(yōu)劣有別，但不同煤種之間在此兩類性質(zhì)方面的差異性均易區(qū)分且無(wú)爭(zhēng)議。

熱塑性指標(biāo)目前已成為預(yù)測(cè)模型準(zhǔn)確率的關(guān)鍵參數(shù)。從塑性成焦理論的角度，熱塑性指標(biāo)旨在表達(dá)氣、固、液三相共存的膠質(zhì)體混合物的性質(zhì)；從活惰組分界面結(jié)合成焦的角度，熱塑性指標(biāo)旨在表達(dá)活性可溶物的質(zhì)量。

2 不同測(cè)試方法對(duì)煉焦煤熱塑性表達(dá)比較

2.1 試驗(yàn)設(shè)定

選擇呂梁焦煤與延安氣煤該2種常見的煉焦煤，對(duì)于如何選擇和表征熱塑性參數(shù)進(jìn)行分析，其煤質(zhì)數(shù)據(jù)詳見表2。其中采用的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)如下:黏結(jié)指數(shù)采用 GB/T 5447—2014，膠質(zhì)層指數(shù)采用 GB/T 479—2016，奧亞膨脹度采用 GB/T 5450—2014,吉氏流動(dòng)度采用 MT/T 1015—2006。40 kg焦?fàn)t實(shí)驗(yàn)的主要參數(shù)如下:堆密度、水分、結(jié)焦時(shí)間分別為0.75 g/cm3、10%、15.5 h。

表2 呂梁焦煤與延安氣煤的煤質(zhì)數(shù)據(jù)Table 2 Coal quality data of Lvliang coal and Yan’an coal

2.2 黏結(jié)指數(shù)表達(dá)膠質(zhì)體數(shù)量分析

G值是直接用炭化結(jié)果的耐磨強(qiáng)度來表征膠質(zhì)體數(shù)量和性質(zhì)，故對(duì)煤的結(jié)焦性能有很好的表征能力。但G值不能直接表達(dá)膠質(zhì)體的數(shù)量，對(duì)膠質(zhì)體性質(zhì)的表達(dá)也存在不足，即其主要表達(dá)0.2 mm粒度煤粒與惰性物質(zhì)的黏結(jié)能力。此黏結(jié)能力限于特定轉(zhuǎn)鼓破壞能力之下，抗轉(zhuǎn)鼓破壞的強(qiáng)弱能力或轉(zhuǎn)鼓破壞力之上的黏結(jié)質(zhì)量尚需進(jìn)一步區(qū)分。

鮑俊芳等[15]經(jīng)實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論,對(duì)新汶氣肥煤、冷泉肥煤、平頂山八礦焦煤3種煤添加永城無(wú)煙煤作為外加惰性物，無(wú)煙煤粒度在0.4 mm以下時(shí)，新汶氣肥煤、冷泉肥煤的黏結(jié)指數(shù)大于八礦焦煤；無(wú)煙煤粒度超過0.4 mm時(shí)，焦煤的黏結(jié)能力超過氣肥煤和肥煤；當(dāng)無(wú)煙煤粒度從0.2 mm達(dá)到3 mm時(shí)，氣肥煤的G值從78.63降至17.72。究其原因，惰性粒子變大后，3種煤的膠質(zhì)體液相物質(zhì)均無(wú)法填滿煤粒孔隙而只能部分黏接，但由于黏接能力的強(qiáng)弱不同，焦煤的膠質(zhì)體數(shù)量或許不如氣肥煤和肥煤豐富但較為黏稠，即焦煤膠質(zhì)體的黏接能力強(qiáng)，即使只部分黏接也足以抵抗轉(zhuǎn)鼓的破壞。而肥煤和氣肥煤則因?yàn)轲そ幽芰η啡?，在進(jìn)行轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)時(shí)大顆粒惰性物邊緣的膠質(zhì)體顆粒會(huì)落在篩下，造成黏結(jié)指數(shù)大幅降低。據(jù)此可知，2個(gè)煤種的G值雖均為82，但膠質(zhì)體數(shù)量和性質(zhì)的差異并未準(zhǔn)確區(qū)分，從而無(wú)法對(duì)最終的結(jié)焦能力進(jìn)行區(qū)分。

2.3 膠質(zhì)層指數(shù)表達(dá)膠質(zhì)體數(shù)量分析

膠質(zhì)層指數(shù)測(cè)試方法提供的信息很多，如Y值能表達(dá)膠質(zhì)體液相物質(zhì)的數(shù)量但不能表達(dá)質(zhì)量，而X值能夠在一定程度上表達(dá)結(jié)焦能力。膠質(zhì)體體積曲線表現(xiàn)氣體析出膠質(zhì)體的狀況，從而間接表達(dá)膠質(zhì)體的質(zhì)量信息，由此可判斷膠質(zhì)體質(zhì)量和結(jié)焦能力，但體積曲線同時(shí)要結(jié)合收縮以及焦塊進(jìn)行判斷，特別針對(duì)一些變質(zhì)程度較高、膠質(zhì)體并不豐富但結(jié)焦能力良好的焦煤，其曲線波形很小或幾乎沒有波形，無(wú)法利用參考曲線對(duì)其進(jìn)行區(qū)分。

呂梁焦煤、延安氣煤的膠質(zhì)體體積曲線及焦塊如圖2所示。由圖2可見，呂梁焦煤和延安氣煤的膠質(zhì)體體積曲線均有較弱的波形，呂梁焦煤的劇烈分解大致在50 min(400 ℃)左右開始，波動(dòng)停止在140 ～150 min(670～700 ℃);延安氣煤則在30 min(340 ℃)左右就開始軟化，波動(dòng)終止大致在120～130 min(610～640 ℃)。呂梁焦煤收縮適中,焦塊熔融、致密、堅(jiān)實(shí)、無(wú)海綿體、呈暗色、無(wú)裂隙。延安氣煤收縮大，焦塊熔融、銀灰色，縱裂紋超過9條，斷面氣孔率大。

圖2 呂梁焦煤、延安氣煤膠質(zhì)體體積曲線及焦塊Fig.2 Volume curve and coke diagram of Luliang coal and Yan’an coal

呂梁焦煤、延安氣煤的Y值接近，說明其膠質(zhì)體的非揮發(fā)液相物質(zhì)數(shù)量在塑性狀態(tài)持續(xù)過程中大致接近，但從X值和膠質(zhì)體體積曲線的比較及焦塊技術(shù)特征分析可知，呂梁焦煤的結(jié)焦性能顯然更好，使用X值、膠質(zhì)體體積曲線、焦塊技術(shù)特征對(duì)膠質(zhì)體性質(zhì)進(jìn)行綜合表達(dá)是個(gè)后續(xù)值得繼續(xù)研究的問題。

2.4 奧亞膨脹度表達(dá)膠質(zhì)體數(shù)量分析

奧亞膨脹度指均相緩慢加熱條件下膠質(zhì)體內(nèi)氣體的逸出速度以及膠質(zhì)體的不透氣性。固軟溫度區(qū)間(ΔT)表征的是膠質(zhì)體的持續(xù)時(shí)間，所以采用ΔT大致可代表膠質(zhì)體的數(shù)量，b值或a+b能夠表達(dá)膠質(zhì)體的性質(zhì)，據(jù)此對(duì)2種煤的膠質(zhì)體數(shù)量和性質(zhì)進(jìn)行比較:延安氣煤的ΔT為77 ℃，呂梁焦煤的ΔT為50 ℃。兩者的b值和a+b基本相同，是否可據(jù)此認(rèn)為延安氣煤的膠質(zhì)體數(shù)量更多或兩者的膠質(zhì)體性質(zhì)接近則有待探究。但此與2種煤表現(xiàn)出的最終結(jié)焦能力并不符合，由于塑性發(fā)展的溫度范圍和脫揮發(fā)分的溫度范圍重疊，奧亞測(cè)值受揮發(fā)分的影響很大，或奧亞測(cè)試方法本身就是依靠氣體析出而獲得測(cè)值，由此導(dǎo)致低揮發(fā)分焦煤的氣體析出量少而膨脹低，因而采用奧亞膨脹度不能準(zhǔn)確表征膠質(zhì)體質(zhì)量。

兩者CSN數(shù)據(jù)的比較是很好的佐證，呂梁焦煤、延安氣煤的CSN分別為7.5、5.0。從實(shí)驗(yàn)方法剖析，CSN與奧亞膨脹度相比則是均相快速加熱，加熱速度的加快不僅提高低揮發(fā)焦煤的塑性，且致使揮發(fā)物質(zhì)快速逸出，從而提高對(duì)于膠質(zhì)體不透氣性的區(qū)分能力，針對(duì)結(jié)焦性更佳的呂梁焦煤其CSN明顯提高。所以，使用b或a+b表達(dá)和區(qū)分膠質(zhì)體性質(zhì)同樣存在不足。

2.5 吉氏流動(dòng)度表達(dá)膠質(zhì)體數(shù)量分析

剖析吉氏流動(dòng)度數(shù)據(jù)，延安氣煤的最大流動(dòng)度為815 ddpm，軟化固化溫度為397～462 ℃，塑性區(qū)間65 ℃；呂梁焦煤最大流動(dòng)度100 ddpm,軟化固化溫度為447～505 ℃，塑性區(qū)間58 ℃。對(duì)于流動(dòng)性和熱穩(wěn)定性的表觀指標(biāo)，延安氣煤均優(yōu)于呂梁焦煤。

以上結(jié)論與呂梁焦煤、延安氣煤 2 種煤所表現(xiàn)的結(jié)焦性能與焦炭冷熱強(qiáng)度不相符，原因在于:

(1) 流動(dòng)性未必能準(zhǔn)確表征膠質(zhì)體性質(zhì)。最大流動(dòng)度是瞬間數(shù)值不能代表整個(gè)塑性期間的膠質(zhì)體性質(zhì)，流動(dòng)性好的膠質(zhì)體具有良好的鋪展性，在氣體膨脹的推動(dòng)下可更快地填充煤粒的間隙，但流動(dòng)性好的另一信息可能是黏稠度不夠即透氣性強(qiáng)。法國(guó)煤化學(xué)科學(xué)家洛杰· 路瓦松有2個(gè)觀點(diǎn)值得注意[16]:① 可塑性(流動(dòng)性)過高會(huì)促使氣體從膠質(zhì)體排出，降低煤料的膨脹性；② 從塑性(流動(dòng)性)達(dá)到足以使煤顆粒與惰性顆粒間很好黏結(jié)的最大值之后，剩余塑性(流動(dòng)性)對(duì)于焦炭的形成并無(wú)任何好處。由此可知，流動(dòng)性好并不代表其具有更高的結(jié)焦能力。

(2) 固軟溫度區(qū)間表達(dá)膠質(zhì)體數(shù)量也存在局限性。溫度間隔大則說明膠質(zhì)體黏結(jié)煤粒的時(shí)間長(zhǎng)，有利于煤的黏結(jié)[17]。但單純用溫度間隔表示膠質(zhì)體的熱穩(wěn)定性可能并不可靠，如焦煤的溫度間隔比氣煤小，但其膠質(zhì)體的黏結(jié)性和結(jié)焦性顯然高于氣煤。就化學(xué)反應(yīng)而言，溫度越高則反應(yīng)速度越快，但反應(yīng)速度的提高與溫度不成正比，通常呈幾何級(jí)數(shù)的關(guān)系，煤受熱軟化熔融期間的反應(yīng)也不例外。高溫下的較短時(shí)間間隔，其表達(dá)的熱穩(wěn)定性可能優(yōu)于較低溫度下的較大溫度間隔。

由以上可見，采用最大流動(dòng)度表征膠質(zhì)體性質(zhì)或用塑性溫度區(qū)間表征膠質(zhì)體數(shù)量都存在局限性?？傊?，目前任何1種現(xiàn)有熱塑性測(cè)試方法測(cè)值的單獨(dú)使用均不能完全區(qū)分2種煤塑性狀態(tài)持續(xù)期間膠質(zhì)體的數(shù)量和性質(zhì)，也不能表達(dá)由此導(dǎo)致的結(jié)焦性能的差異。

3 熱塑性指標(biāo)的整合與創(chuàng)新表達(dá)

由于上述測(cè)試方法從不同的角度對(duì)煉焦煤熱塑性進(jìn)行表達(dá)時(shí)各有其明顯的優(yōu)缺點(diǎn)，于是嘗試使用數(shù)學(xué)工具對(duì)現(xiàn)有的測(cè)值進(jìn)行計(jì)算整合，或通過更加準(zhǔn)確表達(dá)膠質(zhì)體的數(shù)量和質(zhì)量來關(guān)聯(lián)結(jié)焦能力，或直接關(guān)聯(lián)最終的結(jié)焦能力，或開發(fā)研究新的熱塑性指標(biāo)來表征煉焦煤的結(jié)焦性能。

早在20世紀(jì)60年代，德國(guó)Simonis就對(duì)魯爾膨脹計(jì)的a、b、軟化溫度、固化溫度4個(gè)測(cè)值進(jìn)行推導(dǎo)計(jì)算，建立表達(dá)煉焦煤結(jié)焦?jié)摿?coking capacity)的G-value值[18],以G/表示:

其中，T1為軟化溫度,℃;T3為固化溫度,℃;a為收縮度;b為膨脹度。

盡管時(shí)隔半個(gè)多世紀(jì)，結(jié)焦能力指數(shù)值對(duì)目前研究煉焦煤熱塑性依然有很好的指導(dǎo)意義，因而使用22種山西煉焦煤歷年平均數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，針對(duì)不同熱塑性指標(biāo)與CSR的相關(guān)性比較，G/、G、Y、a+b、log MF、分別為0.421 7、0.117 8、0.096 4、0.083 7、0.481 7，由此可知G/的決定系數(shù)R2值最高，排序依次為:

G/>G>Y>a+b>lg MF

楊光智[19]對(duì)吉氏流動(dòng)度進(jìn)行擴(kuò)展研究，將吉氏流動(dòng)度的固軟溫度區(qū)間劃分為3個(gè)區(qū)間:350～430 ℃、430～460 ℃、460～510 ℃，利用數(shù)據(jù)分析軟件計(jì)算整個(gè)溫度區(qū)間的加權(quán)平均流動(dòng)度(lgFwa)。采用固化溫度(Tr)-軟化溫度(Ts)表達(dá)膠質(zhì)體的數(shù)量，采用lgFwa和最大流動(dòng)度(lgFm)表達(dá)膠質(zhì)體質(zhì)量，利用該3個(gè)參數(shù)整合計(jì)算膠質(zhì)體流動(dòng)指數(shù)(F)，用以綜合表達(dá)膠質(zhì)體的數(shù)量和性質(zhì)信息:

F=0.015(Tr-Ts)+0.228lgFm+0.378lgFwa

利用煤階(Vdaf和Rr)、MCI和F此3個(gè)參數(shù)，可回歸分析建立焦炭反應(yīng)性和熱強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型。

胡文佳[20]研發(fā)了1種煉焦煤的炭化關(guān)聯(lián)綜合檢測(cè)技術(shù)，推出表征煤料經(jīng)塑性層物態(tài)演變成焦綜合特性指數(shù)的2個(gè)新指標(biāo)，即透氣性指數(shù)(α)和形變指數(shù)(β)，以期更加準(zhǔn)確把握煉焦煤的結(jié)焦性能。采用α和β并結(jié)合煤化程度(Rmax)、礦物質(zhì)催化指數(shù)(MCI)建立焦炭質(zhì)量預(yù)測(cè)模型，模型對(duì)實(shí)驗(yàn)樣本的預(yù)測(cè)精度達(dá)到較高的水平。

在預(yù)測(cè)焦炭熱強(qiáng)度參數(shù)的選擇方面，上述專家學(xué)者對(duì)其幾乎達(dá)成公識(shí)，即采用煤階、灰成分、熱塑性該3個(gè)參數(shù)基本可確定焦炭最終熱性質(zhì)，不同的是對(duì)于熱塑性指標(biāo)的不斷探索和深入研究，使其不斷趨近對(duì)膠質(zhì)體性質(zhì)以及結(jié)焦能力的準(zhǔn)確表達(dá)。

專家學(xué)者通過對(duì)現(xiàn)有不同熱塑性指標(biāo)的擴(kuò)展研究，整合或推出新的熱塑性指標(biāo)，眾指標(biāo)在表達(dá)和區(qū)分煉焦煤膠質(zhì)體數(shù)量和質(zhì)量方面的綜合能力得到進(jìn)一步提升，能夠更加精準(zhǔn)地關(guān)聯(lián)煉焦煤最終的結(jié)焦能力。膠質(zhì)體數(shù)量和性質(zhì)或其最終關(guān)聯(lián)的結(jié)焦能力能否準(zhǔn)確表達(dá)，關(guān)系到煤階、灰成分該2個(gè)參數(shù)對(duì)于焦炭最終結(jié)果的影響權(quán)重選擇，關(guān)系到預(yù)測(cè)模型能否涵蓋更寬的煉焦煤煤階序列范圍，或在更寬泛和復(fù)雜的煤源范圍內(nèi)保持對(duì)實(shí)際煉焦生產(chǎn)的指導(dǎo)意義和適用性。此問題的本質(zhì)在于，現(xiàn)有的各種關(guān)于煤熱塑性的測(cè)試方法均采用物理測(cè)量方法而獲得炭化行為的特征數(shù)字[21]，對(duì)測(cè)試方法的研究只能獲得經(jīng)驗(yàn)層面的積累，即使進(jìn)行整合表達(dá)也無(wú)法觸及煤受熱分解反應(yīng)機(jī)理的微觀本質(zhì)。由于煤炭組成的復(fù)雜性、多樣性、非晶質(zhì)性和不均一性，很難非破壞性地分離成簡(jiǎn)單物質(zhì)進(jìn)行結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的分析，迄今為止仍無(wú)法徹底明了煤分子結(jié)構(gòu)的全貌?；蛟S在不久的將來，隨著煤化學(xué)在煤結(jié)構(gòu)和反應(yīng)方面研究的不斷突破和進(jìn)展，使得煉焦煤熱塑性評(píng)價(jià)及焦炭質(zhì)量預(yù)測(cè)能夠在煤分子結(jié)構(gòu)層面得到更具實(shí)用價(jià)值的理論支持。

4 結(jié) 語(yǔ)

(1) 分析國(guó)內(nèi)外依據(jù)塑性成焦或界面結(jié)合理論所建立的焦炭熱強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型可知，預(yù)測(cè)焦炭熱強(qiáng)度所選取的參數(shù)均可歸納為煤階、煤巖組分、熱塑性、煤灰成分四大類。

(2) 煉焦煤熱塑性指標(biāo)的選擇和表達(dá)是焦炭熱強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型建立的關(guān)鍵參數(shù)和難點(diǎn)，煉焦煤熱塑性指標(biāo)要能夠準(zhǔn)確表達(dá)和區(qū)分膠質(zhì)體的數(shù)量和性質(zhì)，從而準(zhǔn)確關(guān)聯(lián)煉焦煤最終的結(jié)焦能力。

(3) 在焦炭熱強(qiáng)度預(yù)測(cè)參數(shù)的選擇和煉焦煤熱塑性評(píng)價(jià)方面，期待熱塑性指標(biāo)的整合與創(chuàng)新表達(dá)隨著煤化學(xué)在煤結(jié)構(gòu)和反應(yīng)方面研究的不斷突破，在未來使得煉焦煤熱塑性評(píng)價(jià)及焦炭質(zhì)量預(yù)測(cè)在煤分子結(jié)構(gòu)層面得到更具實(shí)用價(jià)值的理論支持。