常见炼焦煤种性能评价①

张明星， 杜 屏

(江苏省(沙钢)钢铁研究院， 江苏 张家港 215625)

引 言

炼焦煤包括气煤、气肥煤、肥煤、焦煤、瘦煤、贫瘦煤及过渡煤种1/3焦煤等。我国炼焦煤资源占世界炼焦煤总量的13%左右，其中大部分是气煤和1/3焦煤，占比45%；肥煤和焦煤仅有35%左右，其中还包括气肥煤，这说明焦肥煤属于稀缺资源。同时，由于我国高炉的大型化，对入炉焦炭质量要求越来越高[1-2]，使焦化厂不断增加焦肥煤比例来提高焦炭质量。由此可见，对炼焦煤种特别是对优质焦肥煤的合理评价和使用是今后需要重点关注的方向。

1 常见炼焦煤种

现阶段国内钢厂炼焦煤来源主要包括长协采购、国内市场采购及国外采购三部分。长协采购主要用以长期稳定焦炭质量，国内市场采购和国外采购量随市场价格而波动。国外采购主要以澳大利亚昆士兰州煤炭资源为主。如表1所示为国内某钢厂常见17种炼焦煤。

表1 常见煤种

2 炼焦煤基本性质

基氏流动度的测定采用美国普瑞6100型塑性仪。Ts为开始软化温度，即搅拌桨第一次达到1 ddpm时的温度，Tf为最后流动温度，即搅拌桨最后一次达到1 ddpm时的温度；塑性区间是这两者之间的差值Tf-Ts。

单种煤焦炭采用40 kg侧装小焦炉炼焦，入炉煤干基质量41 kg，堆密度0.75 t/m3，入炉煤水分10%，结焦时间18 h，出炉焦饼中心温度960 ℃左右。

2.1 肥煤

2.1.1 工业分析

肥煤工业分析如表2所示。

表2 肥煤工业分析

4个肥煤均属中高灰煤，肥煤1属于中硫煤，肥煤4属于中高硫煤，其他为低硫煤。肥煤1变质程度相对较高，属中等挥发分烟煤，其他肥煤属中高挥发分烟煤。

2.1.2 镜质组反射率及煤岩组成

肥煤镜质组反射率和煤岩组成如表3所示。

表3 肥煤镜质组反射率和煤岩组成

肥煤镜质组平均最大反射率区间为0.9～1.2，4个肥煤镜质组反射率满足肥煤特征。方差S在0.1～0.2之间，属简单混煤[3-5]，即原煤采洗加工过程中出现的少量混杂，非刻意混配。肥煤1和肥煤2镜质组含量相对较高，肥煤3和肥煤4惰质组含量相对较高[6]。

2.1.3 热塑性及黏结性

肥煤工艺性质如表4所示。4个肥煤G值(黏结指数)都很高，属特强黏煤，胶质层最大厚度Y偏低，没有达到肥煤标准(大于25 mm)。肥煤2的基氏流动度MF最大，肥煤4的基氏流动度MF最低且塑性区间比其他肥煤低15 ℃左右。

表4 肥煤工艺性质

2.1.4 结焦性

肥煤制焦炭显微组分由各向同性，细粒镶嵌，粗粒镶嵌和丝炭及破片组成，如表5所示。其中各向同性，细粒镶嵌和粗粒镶嵌等组织由镜质组高温干馏时经软化、熔融，形成胶质体，胶质体中产生中间相小球，小球吸收周围液相不断长大，小球表面张力无法维持其形态使其破裂分散等阶段，最终固化残留在焦炭中，形成各种显微组分[7]。丝炭及破片由煤中的惰性组分经少量变形产生[8]。

表5 肥煤单种煤焦炭质量

肥煤1和肥煤2的镜质组含量相比肥煤3和肥煤4高出10%左右，对应焦炭显微组分中，前者粗粒镶嵌明显高于后者。肥煤3和肥煤4惰质组含量高于肥煤1和肥煤2，使其对应焦炭显微组分中丝炭及破片含量高于肥煤1和肥煤2。焦炭机械强度和热性质很大程度上取决于其显微组分[9]，粗粒镶嵌内的石墨碳按层状排列，各光学单元之间彼此咬合，组织致密，微孔小，含量高的焦炭相应质量较好。丝炭及破片在显微镜下可以观察到大量孔洞，组织不够致密，含量高使焦炭质量下降。肥煤1和肥煤2对应焦炭粗粒镶嵌大于70%，焦炭机械强度和热性质好。肥煤3和肥煤4对应焦炭丝炭及破片平均高出前者10%，焦炭质量尤其是热性质下降明显。

如图1所示为肥煤2的粗粒镶嵌组织，如图2所示为肥煤3的丝炭及破片组织。丝炭及破片中含有大量孔洞，相比之下粗粒镶嵌组织比较致密，有利于提高焦炭质量。图1中右侧可见两个气孔的合并瞬间，肥煤2基氏流动度大，胶质体表面张力有助于促进气孔形成球形并相互碰撞合并，两个气孔球形度都很高。由于球形气孔与不规则气孔相比不容易产生应力集中，所以球形气孔多的焦炭质量较好。

图1 肥煤2粗粒镶嵌组织 图2 肥煤3丝炭及破片

2.2 焦 煤

2.2.1 工业分析

焦煤工业分析如表6所示。

表6 焦煤工业分析

进口焦煤硫含量普遍较低，进口焦煤2属特低硫煤，进口焦煤1属低硫煤，焦煤6属中硫煤，其余属中高硫煤。焦煤6属中灰煤，其他焦煤属中高灰煤。6个焦煤均属中等挥发分烟煤。

2.2.2 镜质组反射率及煤岩组成

焦煤镜质组反射率和煤岩组成如表7所示。焦煤镜质组平均最大反射率区间为1.2～1.5，焦煤6镜质组反射率偏高，其它焦煤在区间内。进口焦煤1是单一煤层煤，进口焦煤2、焦煤3、焦煤4、焦煤6属简单混煤，焦煤5为具1个凹口的混煤。焦煤镜质组含量高，几乎都在60%以上。

表7 焦煤镜质组反射率和煤岩组成

2.2.3 热塑性及黏结性

焦煤工艺性质如表8所示。6个焦煤的G值(黏结指数)较高，最大胶质层厚度Y适中，基氏流动度MF差距不大。进口焦煤的塑性区间低于国内焦煤10 ℃左右，进口焦煤1的胶质体开始软化温度比其他焦煤高出近20 ℃。

表8 焦煤工艺性质

2.2.4 结焦性

焦煤制焦炭显微组分由各向同性，细粒镶嵌，粗粒镶嵌，纤维及片状，丝炭及破片组成，如表9所示。与肥煤制焦炭相比，显微组分中出现少量纤维及片状组织。纤维及片状组织各向异性程度大，石墨碳层面排列较镶嵌组织整齐，致密性更高，其机械强度优于镶嵌组织。但与此同时，由于其光学单元尺寸大，溶损反应产生的裂纹很容易扩展贯穿其组织，使其热性质下降。相比，镶嵌结构由大量小尺寸致密组织构成，溶损反应产生的裂纹容易走向分叉、终止而很难发展并贯穿整个组织，所以镶嵌结构特别是粗粒镶嵌热性质优于纤维及片状。经上分析，焦煤制焦炭整体机械强度稍优于肥煤制焦炭而热性质与之相当，可能与焦炭中含有少量纤维及片状组织有关。

如图3所示为进口焦煤1的丝炭及破片组织，如图4所示为焦煤6的粗粒镶嵌组织。虽然进口焦煤1丝炭及破片含量高，但其尺寸小，均匀地镶嵌于其他组织之中[10]。对比图2和图3可以发现，进口焦煤1的丝炭及破片尺寸明显比肥煤3小。图4中焦煤6粗粒镶嵌组织发展好，部分已经发展成纤维结构，其粗粒尺寸明显大于图1中肥煤2的粗粒结构。

表9 焦煤单种煤焦炭质量

图3进口焦煤1丝炭及破片 图4 焦煤6粗粒镶嵌组织

2.3 1/3焦煤

2.3.1 工业分析

1/3焦煤工业分析如表10所示。4个1/3焦煤都是低硫、中高挥发分烟煤，1/3焦煤1近似于特低硫煤且属低灰煤，其他属中灰煤。

表10 1/3焦煤工业分析

2.3.2 镜质组反射率及煤岩组成

1/3焦煤镜质组反射率和煤岩组成如表11所示。1/3焦煤镜质组平均最大反射率区间为0.8～0.9。1/3焦煤3镜质组变质程度偏高，其他1/3焦

表11 1/3焦煤镜质组反射率和煤岩组成

煤在区间上限。方差在0.1～0.2之间，属简单混煤。与焦煤和肥煤相比，1/3焦煤镜质组含量低，稳定组含量高。

2.3.3 热塑性及黏结性

1/3焦煤工艺性质如表12所示。4个1/3焦煤G值，Y值均适中，属中黏煤。1/3焦煤1的基氏流动度MF最大，塑性区间最宽，1/3焦煤4基氏流动度MF及塑性区间均较低。4个1/3焦煤的胶质体开始软化温度差距只有3 ℃，非常接近。

表12 1/3焦煤工艺性质

2.3.4 结焦性

1/3焦煤制焦炭含有大量各向同性和细粒镶嵌。各向同性由无定形碳随机无规律排列，微孔大，致密性差，焦炭质量较镶嵌组织差。又因细粒镶嵌组织性能不如粗粒镶嵌组织，1/3焦煤制焦炭机械强度和热性质整体低于焦肥煤制焦炭。具体如表13所示。

表13 1/3焦煤单种煤焦炭质量

2.4 瘦焦煤及瘦煤

2.4.1 工业分析

瘦焦煤及瘦煤工业分析如表14所示。3个瘦焦煤均为低挥发分烟煤。瘦焦煤1为中硫、低灰煤，瘦焦煤2为特低硫、中高灰煤，瘦煤3为中高硫、中灰煤。

表14 瘦焦煤及瘦煤工业分析

2.4.2 镜质组反射率及煤岩组成

瘦焦煤及瘦煤镜质组反射率和煤岩组成如表15所示。瘦焦煤镜质组平均最大反射率在1.5～1.7，瘦煤在1.7～1.9。瘦焦煤1和瘦焦煤2镜质组反射率满足典型瘦焦煤特征，瘦煤3偏向于贫煤。瘦焦煤1为单一煤层煤，其它属简单混煤。瘦焦煤及瘦煤镜质组含量高于焦煤，是镜质组含量最高煤种，瘦焦煤2镜质组含量接近80%。

表15 瘦焦煤及瘦煤镜质组反射率和煤岩组成

2.4.3 热塑性及黏结性

瘦焦煤及瘦煤工艺性质如表16所示。2个瘦焦煤性质相近，瘦焦煤2黏结性略好于瘦焦煤1。瘦煤3黏结性接近于贫瘦煤。瘦煤3进行基氏流动度实验时，胶质体没有流动性。

表16 瘦焦煤及瘦煤工艺性质

2.4.4 结焦性

与其他煤制焦炭相比，瘦焦煤制焦炭含有大量纤维及片状组织。根据上面的分析，纤维及片状组织机械强度好而热性质稍差，和瘦焦煤1和瘦焦煤2结焦性吻合。瘦煤3偏贫瘦煤，无法单独炼焦，没有结焦性数据。具体如表17所示。

表17 瘦焦煤及瘦煤单种煤焦炭质量

3 炼焦煤性能评价

3.1 肥 煤

肥煤胶质体热塑性和黏结性明显优于其他煤种，在配合煤中的作用是增加胶质体数量，扩大胶质体的塑性区间，提高流动度以及增强活性组分对惰性组分的黏结能力。

肥煤1和肥煤2的G值高，塑性区间适中，单种煤焦炭粗粒镶嵌组织大于70%，应划分为A类肥煤[11]。肥煤3单种煤焦炭质量稍差，划分为B类肥煤。肥煤4单种煤焦炭质量和肥煤3相近，但塑性区间偏低，划分为C类肥煤。

3.2 焦 煤

焦煤单种煤焦炭机械强度优于其他煤种，热性质与肥煤相近。

焦煤6在国内焦煤中硫含量较低，G值高，塑性区间和流动性好，单种煤焦炭粗粒镶嵌组织大于70%且含大量大尺寸粗粒镶嵌组织，划分为A类焦煤。进口焦煤1，进口焦煤2，焦煤5单种煤焦炭质量略低，进口焦煤1和进口焦煤2塑性区间低，焦煤5硫含量最大，这3个煤种划为B类焦煤。焦煤3和焦煤4单种煤焦炭热性质明显不如其它煤种，划为C类焦煤。

3.3 1/3 焦煤

1/3焦煤资源丰富，低灰低硫，从资源合理利用角度考虑，应该多配用该类煤种。

1/3焦煤1在同类煤中灰分、硫分较低，塑性区间和流动性较好，单种煤焦炭细粒镶嵌组织大于50%，焦炭质量好于其他以各向同性组织为主的1/3焦煤，属A类1/3焦煤。1/3焦煤2单种煤焦炭质量稍差，划为B类1/3焦煤。1/3焦煤3单种煤焦炭M40低，1/3焦煤4塑性区间和流动性差，可划为C类1/3焦煤。

3.4 瘦焦煤及瘦煤

瘦焦煤和瘦煤黏结性低，瘦煤3的G值只有12，该类煤的配用应综合考虑配合煤的黏结性能，视情况调节。

2个瘦焦煤指标相近，瘦焦煤1单种煤焦炭质量优于瘦焦煤2，划为A类瘦焦煤，瘦焦煤2划为B类瘦焦煤。瘦煤3变质程度高，各项指标均不如瘦焦煤1和瘦焦煤2，划为C类瘦煤。

4 结束语

(1)该钢厂炼焦煤灰分偏高，多配1/3焦煤有利于焦炭降灰、降硫，同时由于其煤种黏结性普遍较强，可以多配加瘦焦煤和瘦煤。

(2)优质焦肥煤单种煤焦炭显微组分粗粒镶嵌组织大于70%，优质1/3焦煤应含有大量细粒镶嵌组织。

(3)基氏流动度大的肥煤产生的气孔球形度好，应力集中小，焦炭质量好。进口焦煤虽然单种煤焦炭显微组分中丝炭及破片组织含量高，但由于其尺寸小，分布均匀，焦炭质量也较好。