配煤煤质对其捣固焦强度的影响研究

樊锦文 杜美利 刘 雷

(西安科技大学化学与化工学院，陕西省西安市，710054)

钢铁行业作为我国国民经济的基础行业，对宏观经济的发展至关重要，为了满足社会的不断发展，人们对钢铁材料的质量要求也不断提高，同时对低杂质高强度焦炭的需求也持续增长。配煤炼焦作为一种常用的炼焦技术不仅可以扩大炼焦用煤范围、缓解我国优质炼焦煤资源紧缺现状，同时可以提高资源利用效率，因此备受重视。我国配煤工艺及炼焦条件均处于较高且稳定的水平，原料煤性质对焦炭质量的优化仍具有较大的提升空间。

国内外研究者对原料煤性质影响焦炭质量做了大量工作，朱子宗等研究人员通过添加改质剂研究了库拜煤改质对焦炭冷态强度的影响；张文成等研究人员通过添加废橡胶研究其对焦炭的基质架构、机械强度的影响；项茹等研究人员研究了配合煤不同粒度组成分布对焦炭冷态强度的影响；王浩研究了配煤中添加生物质对冶金炼焦质量的影响；崔平等研究人员研究了不粘煤、长焰煤、气煤、肥煤、1/3焦煤、贫瘦煤、无烟煤等煤种对配煤炼焦的影响；Duffy.J J等研究人员认为不同煤阶的煤之间的混合程度小，而熔融仅限于颗粒表面，他们通过添加沥青对共混煤焦化压力机理进行了研究；Kokonya.S研究了煤与生物质共混物流动性对焦炭质量的影响；Steel. K M等研究人员对热塑性与焦化压力产生的关系做了深入研究。

目前，研究原料煤性质对焦炭质量的影响多集中于单一煤种、单一影响因素的分析。本试验在前人的研究基础上以黄陵煤、朝川煤为配煤对象进行配煤捣固炼焦试验。通过调整黄陵煤的配入量调节配合煤煤质参数，利用相关性分析研究配合煤煤质参数对焦炭质量的影响，利用因子分析研究配煤煤质参数之间的内在联系，为配煤煤质调整提供参考。

1 试验部分

1.1 试验样品

试验样品采用黄陵矿区一号煤矿选煤厂洗选精煤(HL-1/2ZN 代表1/2中黏煤)、朝川焦化厂洗选精煤(CHCH-F代表朝川肥煤、CHCH-1/3J代表朝川1/3焦煤、CHCH-J代表朝川焦煤和CHCH-SH代表朝川瘦煤)，样品基本煤质检测包括水分(Mad)、灰分(Aad)、挥发分(Vdaf)、全硫含量(St,d)、粘结指数(G)、有机显微组分含量(镜质组V、惰质组I、壳质组E)、无机矿物质含量(M)、活性组分含量(AM)以及镜质体最大平均反射率(Rmax)等影响配煤炼焦质量参数，样品煤质分析见表1。

表1 样品煤质分析

1.2 配煤方案

以黄陵1/2中黏煤逐渐替代朝川1/3焦煤和焦煤为思路，共设计了15种不同的配比方案，各方案具体煤种及配比见表2和表3。

表2 黄陵1/2中黏煤替代朝川1/3焦煤试验方案 %

表3 黄陵1/2中黏煤替代朝川焦煤试验方案 %

1.3 试验内容

首先，将各种煤样按国家标准要求缩分作为试验原料煤，在空气中自然干燥，使煤中水分达到平衡，将缩分出来的煤样破碎至全部通过直径为3 mm的圆孔筛；其次，依据国家标准方法对配煤煤质进行检测；然后，捣固装箱进行炼焦试验，在室温下将盛有配合煤样的铁箱放入高温电阻炉中，炼焦试验升温曲线如图1所示；熄焦后，进行焦炭质量检测，检测内容包括焦炭抗碎强度(M25)和耐磨强度(M10)，焦炭热反应性(CRI)、反应后强度(CSR)等；最后，再利用IMB SPSS statistics 21软件，对配煤煤质参数与焦炭质量参数之间及配煤煤质参数之间进行分析，主要包括相关性分析和因子分析。

图1 炼焦试验升温曲线

2 结果与讨论

2.1 配合煤煤质分析

对15种配合煤煤质检测结果见表4。

由表4可以看出，配合煤的水分分布范围为0.76%～2.31%，平均值为1.57%；灰分分布范围为9.96%～10.96%，平均值为10.39%；挥发分分布范围为24.43%～29.14%，平均值为26.71%；全硫含量分布范围为0.69%～0.75%，平均值为0.72%；粘结指数分布范围为47.80～74.80，平均值为61.66%；V分布范围为42.00%～77.45%，平均值为65.45%；I分布范围为16.77%～51.50%，平均值为29.64%；E分布范围为0.44%～2.20%，平均值为1.17%；AM分布范围为43.00～79.64%，平均值为66.62%；Rmax分布范围为0.89～1.07%，平均值为1.00%。随着黄陵1/2中黏煤配入量的增加，配合煤的Mad依次增大、Aad依次减小、St,d依次增大、主要是由于黄陵1/2中黏煤的水分、灰分及硫含量均高于其它煤种。15种配煤煤质指标基本符合炼焦工艺设计技术要求。

2.2 焦炭质量分析

根据冶金焦炭强度国家标准指标对配煤捣固焦强度进行分析，对15种配煤方案的焦炭质量检测结果见表5。

表4 配煤煤质分析

注：配合煤序号与方案序号相同，仅在方案序号前加P以示区别

由表5可以看出，焦炭J1、J3的M25指标符合国家一级标准，焦炭J11、J12和J13的M25指标符合国家三级级标准，其它10种焦炭的M25指标均符合国家二级标准；焦炭J12、J13的M10指标符合国家二级标准，其它13种焦炭的M10指标均符合国家一级标准；焦炭J1、J2、J3、J7和J8的CRI指标符合国家一级标准，焦炭的J4、J5、J6、J7、J9、J10、J11、J12和J13的CRI指标符合国家二级标准，焦炭的J14和J15的CRI指标接近国家二级标准；焦炭的J1、J2、J3、J4、J5、J6、J7、J8、J9和J10的CSR指标符合国家一级标准，焦炭的J11、J12、J13、J14和J15的CSR指标符合国家二级级标准。整体上分析，随着黄陵煤配入量的增加，焦炭M10和CRI指标呈增大趋势，随着黄陵煤配入量的增加，焦炭M25和CSI指标呈减小趋势。综上分析焦炭J1和焦炭J3各项指标均符合冶金焦炭国家一级标准，焦炭J11、J12和J13符合国家三级级标准，其它10种焦炭各项指标均符合冶金焦炭国家二级标准。

表5 焦炭质量分析

注：焦炭序列号与配合煤相同，仅在焦炭样品号前加J以示区别

2.3 相关性分析

利用SPSS软件对配煤煤质参数与焦炭强度参数进行双变量相关性分析，配煤煤质参数与焦炭强度参数相关性系数表见表6。

一般认为相关系数|r|在0.8～1.0之间是极强相关，0.6～0.8之间是强相关，0.4～0.6 之间是中等程度相关，0.2～0.4之间是弱相关，0.0～0.2则是极弱相关或无相关。10个配煤煤质参数与4个焦炭强度参数两两之间做相关性分析共得到40组数据。由表6可以看出，30组数据之间呈强相关性甚至极强相关性， 5组数据之间呈中等相关性，5组数据之间呈弱相关性甚至无相关性。壳质组含量与4种焦炭强度参数均呈极弱相关或无相关，这主要是由于壳质组在煤中的含量极少(15中配煤方案中，壳质组含量最高为2.2%，最小为0.44%，平均含量仅1.17%)造成的影响无法直观反映出来。其它9种煤质参数与焦炭强度参数均存在一定的相关性。M25与V、I、AM、G之间呈极强相关性，与Mad、Ad、Vdaf、St,d、Rmax呈中等相关性；M10与Mad、Ad、Vdaf、St,d呈中等相关性，与G、V、I、AM、Rmax之间均呈强相关性；CRI与Mad、Ad、Vdaf、St,d、Rmax呈极强相关性，与V、I、AM呈强相关性，与G呈弱相关性，CSR与Mad、Ad、Vdaf、St,d、G、Rmax呈极强相关性，与V、I、AM呈强相关性。

表6 配煤煤质参数与焦炭强度参数相关性系数表

2.4 因子分析

利用SPSS软件主成分分析方法对配煤煤质参数进行因子分析，借助KMO及Bartlett检验方法分析，KMO 和 Bartlett 的检验结果见表7。

表7 KMO和Bartlett的检验

由表7可以看，在Bartlett 的球形度检验中，Sig.值为0.000小于显著性水平，拒绝原假设；Kaiser-Meyer-Olkin 度量值为0.882，大于0.7，说明适合因子分析。基于特征值大于1抽提因子做碎石图，碎石图如图2所示，解释的总方差结果见表8。

图2 碎石图

由图2可以看出，只有因子1和因子2初始特征合计值大于1故提取2个因子。

表8 解释的总方差表

由表8可以看出，因子1初始特征值为7.829，方差贡献率为86.989%；因子2初始特值为1.019，方差贡献率为11.318%；且因子1与因子2共同解释累计值达到98.306%，丢失的信息较少。其余因子特征值均小于1，方差贡献率极小，包含信息极少。采用方差极大法对因子载荷矩阵实行正交旋转得到旋转成份矩阵见表9。

表9 旋转成份矩阵表

由表9可以看出，G、Vdaf、Mad、Aad、S和Rmax在第1因子有较高载荷，此类煤质参数均与煤的变质程度有一定关系，可解释为煤的变质程度单位因子，V、I、AM在第2个因子的载荷高，此类因子能够反映煤的有机显微组成，可解释为有机显微组成单位因子。

3 结论

(1)配合煤属于低中灰煤、中等挥发分，低硫分、中等粘结性，且与黄陵1/2中黏煤的配入量关系密切；配合煤活性组分分布范围含为43.00%～79.64%。配煤煤质指标基本符合炼焦工艺设计技术要求。

(2)黄陵1/2中黏煤部分替代朝川焦煤、1/3焦煤炼焦试验基本可行。在15种配煤方案中，10种焦炭强度指标达到冶金焦炭国家二级标准要求，3种焦炭强度指标达到冶金焦炭国家三级标准，2种焦炭强度指标达到冶金焦炭国家一级标准。

(3)仅壳质组含量与焦炭强度参数均呈极弱相关或无相关、G与CRI呈弱相关性，M25与Mad、Aad、Vdaf、St,d、Rmax呈中等相关性，其余30组煤质参数与焦炭强度均呈强相关性甚至极强相关性。对煤质参数经因子分析得到两个主因子：第1因子为煤的变质程度单位因子(G、Vdaf、Mad、Aad、S、Rmax)，第2因子为煤的有机显微组分组成单位因子(V、I、AM)，且此二因子同解释累计值高达达到98.306%，丢失的信息较少。