炼焦煤性质对铁焦性能影响的试验研究

成雪霞

(山西焦煤霍州煤电集团辛置煤矿，山西 霍州 031412)

引 言

我国炼焦煤资源相对短缺，优质炼焦煤储存量所占煤炭总量不足6%，用于高炉冶炼的炼焦煤更是屈指可数[1]。针对炼焦煤资源少、需求大的矛盾问题，众多学者进行了改善炼焦特征方面的研究[2-6]。这些研究促进了人们对炼焦煤性质和铁焦性能的认知，但没有建立其二者的影响关系。毕学工则通过试验的方式分析了炼焦煤性质对铁焦性能的影响，并得出了与炼焦煤成分配比、性能影响以及铁焦热性质有关的成果[7]。在前人的基础上，本文通过多组试验，将炼焦煤的灰分、硫分、挥发分和黏结指标进行逐一研究，准确地分析每一种成分对铁焦性能的影响，从而达到通过改变炼焦煤的成分、成分比例，产出不同性能铁焦的目的。这一研究将会为铁焦质量的提升、冶炼技术的发展提供具体参考。

1 试验方法

1.1 试验原料

本次试验以90%炼焦煤+10%铁矿粉为样进行的，设定了反应过程中铁元素的含量，降低了冶炼的反应温度。炼焦煤是配合煤和单种煤混合体，减少对气肥煤、肥煤的依赖[6]。配合煤主要为6 m、7 m和7.63 m焦炉使用的入炉煤，单种煤则主要为气肥煤、肥煤、1/3焦煤。铁矿粉采用行业内常用的加拿大进口铁矿粉，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比例高达67%。

1.2 试验配煤方案及炼制

根据现有理论和技术，炼焦煤各性质的大致范围已经在应用中得到多次验证。本次多组试验选定了挥发质量分数、黏结指标、胶质层厚度、灰分质量分数、硫分质量分数几项作为配煤方案的具体指标进行试验。单一煤采用气肥煤比较多，允许的范围相对较大；配合煤则不具备单一煤特点，允许的范围相对较小。其具体的配煤方案指标及指标范围如表1所示。

表1 配煤方案指标及范围

按照配煤方案的要求，准备好相应的原料，在试验室的焦炉炼制。首先，称取质量为7.2 kg的混合煤和0.8 kg的铁矿粉进行均匀搅拌，加入水，使混合料的水分升至10%；然后，将试验材料放入小铁箱内，堆积密度为1.1 t/m3；最后，铁箱装入温度升至800 ℃的焦炉内，按照设计程序进行持续加热，按时出炉，湿法熄焦。在落下试验结束后，对焦炭进行性能指标检测，质量指标根据国家标准测定。国家标准的个别指标采用试验转鼓进行测定。

2 试验结果及分析

针对铁焦的质量评价规范还没有出台，所以，采用焦炭质量指标进行评价。为了更加清晰地反映出炼焦煤性质与铁焦性能的内在关系，将二者的同类指标进行对比分析。其具体内容包括：炼焦煤灰分、硫分和铁焦灰分、硫分的关系；炼焦煤挥发分、黏结指标和铁焦气孔率的关系；炼焦煤挥发分、黏结性指标和铁焦抗碎性能的关系；炼焦煤挥发分、黏结性指标和铁焦热反应的关系。

2.1 炼焦煤与铁焦灰分、硫分的关系

铁焦的灰分[ω(AdJ)，%]全部来自炼焦煤的灰分[ω(AdM)，%]，而铁焦的硫分[ω(St,dJ)，%]则大部分来自炼焦煤的硫分[ω(St,dM)，%]，少部分来自铁矿粉。因此，炼焦煤的灰分、硫分对铁焦的灰分、硫分起着决定性作用。根据实验数据，得到了二者的内在关系，结果如图1所示。

从图1可以看出，铁焦灰分、硫分的所占比例会随着炼焦煤灰分、硫分的比例增加而增加。从图1(A)看，铁焦灰分明显大于炼焦煤灰分。这是因为，铁矿粉存在的氧化铁部分还原成铁，还有一定量氧化铁留在测定体中，从而造成灰分比例大于炼焦煤灰分比例；从图1(B)出看，铁焦的硫分比例与炼焦煤的硫分比例相差不大，说明铁矿粉中硫分含量低，对铁焦硫分的影响可以忽略不计。

图1 炼焦煤灰分、硫分与铁焦灰分、硫分的关系

2.2 炼焦煤挥发分、黏结指标与铁焦气孔率的关系

在炼制过程中，混合煤熔融结焦而气体却因黏结性无法排除形成铁焦气孔。气孔率会因为炼焦煤挥发分、黏结指标的不同而不同，而气孔率的大小也会直接影响焦炭的强度和反应性。根据试验结果，得到了铁焦显气孔率PS、总气孔率Pt和炼焦煤挥发分ω(Vdaf)、黏结指标G的关系。

从试验结果可以看出，铁焦的显气孔率、总气孔率都随着炼焦煤挥发分、黏结指标的增加而增大。炼焦煤的挥发分增大时，熔融过程中气体的析出越来越多；黏结指标的增加，形成的胶质层变厚，会增加气体析出的阻力，使得气孔又多又大。当试验结束后，在铁焦的表面和内部留下了大量的气孔，表现出气孔率增大。

2.3 炼焦煤挥发分、黏结性指标和铁焦抗碎性能的关系

抗碎性能是对铁焦抗碎强度和耐磨强度的统称，是衡量其机械强度的主要指标。在生产实践中，炼焦煤的挥发分、黏结性指标往往与铁焦的抗碎性能有着直接关系。为此，分析了铁焦抗碎强度M25、耐磨强度M10与炼焦煤的炼焦煤挥发分ω(Vdaf)、黏结指标G的关系。

由试验结果可知，随着挥发分、黏结性指标的增加，铁焦的抗碎强度具有先增后减的规律，铁焦的耐磨强度具有先减后增的规律。在ω(Vdaf)=27%，G=82时达到极值。这表明在ω(Vdaf)<27%，G<82的过程中，挥发分数值比较低，黏结能力不够，抗碎能力比较差；超过这一极值点后，铁焦的气孔率增加，出现裂纹，使得铁焦的抗碎能力快速下降。由此可知，在熔融过程中，不同阶段下的铁焦性能会有较大差别。

2.4 炼焦煤挥发分、黏结性指标和铁焦热反应的关系

根据国际标准，铁焦热反应的优劣以反应性和反应后强度两指标为准。本次试验加入了铁矿粉，使得混合煤料反应速度得到极大催化，所以，不再考虑催化指数在铁焦反应中的作用。因此，分析了炼焦煤挥发分ω(Vdaf)、黏结性指标G和铁焦反应性CRI、反应后强度CSR的关系，得到了第29页图2所示的结果。

从图2可知，铁焦的反应性与炼焦煤挥发性、黏结性指标成正比，会随着挥发性、黏结性指标的增加而增大；铁焦的反应后的强度与其恰恰相反，会随着挥发性、黏结性指标的增加而减小。这表明挥发分的增加，使得铁焦收缩量增加，气孔率增大，反应性增强，而机械强度降低；黏结指标的增加，意味着气肥煤比例增加，胶质体增多，分解量变大，同样造成了铁焦气孔率的增加，机械强度的降低。通过计算得知，在ω(Vdaf)=26.84%～28.93%，G=72.00～82.19条件下，铁焦的热性能达到较高水平。这一结论与常规炼焦表现出的规律不谋而合，从而得出铁焦炼制与常规炼焦的内在反应具有相通之处[2]。

图2 炼焦煤挥发分、黏结性指标和铁焦热反应的关系

3 结论

1) 虽然铁矿粉中的氧化铁进入了铁焦中，测定中增加了灰分的比例，但其变化趋势与炼焦煤灰分一致，是同比增加的；同时，铁矿粉中的硫也没有改变铁焦硫分的比例。因此，可以断定铁焦的灰分、硫分取决于炼焦煤的灰分、硫分。

2) 铁焦的气孔率、机械强度、热反应性能与炼焦煤的挥发分、黏结性指标的关系十分密切，并表现出一定的规律性。整体而言，在ω(Vdaf)=27%，G=82时下，铁焦的机械强度性能趋于最强；在ω(Vdaf)=26.84%～28.93%，G=72.00～82.19时，铁焦的热性质也达到较高水平。这一结论对提升铁焦性能的意义较为重要，具有实际价值。

3)炼焦煤性质与铁焦性能之间的规律完善了铁焦性能影响因素的研究，为后续研究提供了参考。