加热速度对焦炭质量影响研究

杜庆海 ，王超 ，王旭 ，赵锋 ，肖泽坚

（1.鞍钢股份有限公司炼焦总厂，辽宁 鞍山114021；2.鞍钢集团钢铁研究院，辽宁 鞍山 114009）

我国是煤炭大国，但炼焦煤资源相对匮乏，随着高炉大型化发展及富氧喷吹等炼铁技术的应用，高炉对焦炭质量的要求日渐提高，而当前配煤炼焦生产的主焦煤配比达到50%以上，优质炼焦煤资源短缺问题越发凸显，对配煤炼焦技术发展及生产进步提出了更高要求［1-5］。根据炼焦煤成焦特性，提高炼焦煤加热速度，煤的软化点和固化点均向高温侧移动，液态产物增加，胶质体塑性温度范围加宽、流动性改善，奥亚膨胀度显著提高［6］。利用快速加热，可以提高弱黏结性气煤甚至长焰煤的黏结性，从而改善焦炭质量，扩大炼焦煤资源［7-8］。

为了研究加热速度对焦炭质量的影响，给配煤炼焦生产提供理论支撑，对炼焦生产中常用主焦煤进行了黏结性指标试验及配合煤300 kg炼焦试验研究，分析了加热速度对煤黏结性及炼焦过程影响情况。

1 试验方法

根据生产用单种煤和配合煤情况，进行加热速度变化条件下煤黏结性试验。通过进行不同加热速度、降温速度条件下的配合煤炼焦试验研究，获得最佳温度制度。根据最佳温度制度进行配比优化炼焦试验，考察焦炭质量变化情况。

依据GB/T 5450-2014《烟煤奥阿膨胀计试验》测定软化温度（T1）、开始膨胀温度（T2）、固化温度（T3）、最大收缩度（a）、最大膨胀度（b）。 依据 GB/T 479-2000《烟煤胶质层指数测定方法》测定烟煤胶质层指数（Y）。参照GB/T 5447-2014《烟煤黏结指数测定方法》测定来煤黏结指数指标 （G）。依据GB/T 2006-2008《焦炭机械强度的测定方法》测定焦炭机械强度指标抗碎强度（M40）和耐磨强度（M10）。 依据 GB/T 4000-2008《焦炭反应性及反应后强度试验方法》测定焦炭热态质量指标焦炭反应性（CRI）和焦炭反应后强度（CSR）。

采用300 kg顶装试验焦炉进行炼焦试验，加热方式为电加热，炼焦终温为1 020℃，结焦时间16 h。

试验所用单种煤取自炼焦总厂，试验用配合煤根据炼焦生产配煤方案制备得到，严格按照GB 475-2008《商品煤样人工采取方法》取样。

2 试验结果与分析

为了研究加热速度对焦炭质量影响情况，进行了加热速度对煤黏结性影响、对炼焦过程影响研究以及在研究分析结果基础上的优化配煤试验，具体试验分析结果如下。

2.1 加热速度对煤黏结性的影响

根据生产用煤分组情况，取炼焦常用的10种焦煤、5种肥煤、4种瘦焦煤及4个批次的配合煤样，在完成工业分析、全硫、黏结指数、胶质层厚度、奥亚膨胀度等基础检测指标分析基础上，进行改变加热速度条件下的炼焦煤奥亚膨胀度指标试验分析，在奥亚膨胀度测定升温速度3℃/min的基础上，分别进行5℃/min和10℃/min的黏结性试验，考察煤的加热速度对黏结性的影响。不同加热速度条件下的各焦煤、肥煤、瘦焦煤、配合煤的奥亚膨胀度试验结果分别如表1、表2、表3、表4所示。

表1 不同加热速度条件下焦煤奥亚膨胀度试验结果Table 1 Test Results of Audibert-Arnu Dilatation of Coking Coal under Different Heating Rates

表2 不同加热速度条件下肥煤奥亚膨胀度试验结果Table 2 Test Results of Audibert-Arnu Dilatation of Fat Coal under Different Heating Rates

表3 不同加热速度条件下瘦焦煤奥亚膨胀度试验结果Table 3 Test Results of Audibert-Arnu Dilatation of Lean Coal under Different Heating Rates

表4 不同加热速度条件下配合煤奥亚膨胀度试验结果Table 4 Test Results of Audibert-Arnu Dilatation of Blended Coal under Different Heating

结合表1～4可以看出：

（1）随着加热速度提高，各煤样奥亚膨胀度的软化温度、开始膨胀温度和固化温度明显向高温侧移动，软化温度区间增大，胶质体塑性范围变宽，奥亚膨胀度显著提高，炼焦煤黏结性得到改善。

（2）随着加热速度提高，焦煤、瘦焦煤的膨胀特性提高幅度明显大于肥煤，但由于肥煤自身具有良好的膨胀特性，其软化温度区间增大量相对较大。可以看出，提高加热速度可以更好的区分焦煤、瘦焦煤和配合煤的膨胀特性，但对肥煤的区分能力有所降低。因此，在煤质分析中可以根据煤种不同而选用不同升温速度，以更好的区别煤种的膨胀特性。

根据煤的塑性成焦机理，加热速度的提高能够使塑性温度区间变宽，改善流动性，有利于提高焦炭质量。当加热速率较低时，单位时间内炼焦煤挥发分的析出量较少，能够比较容易的通过煤颗粒表面的孔隙向外部扩散，不会明显增加煤颗粒内部的压力，挥发分气体对煤颗粒形状产生影响较小，因此，煤焦过程中的煤膨胀程度较小或者不发生膨胀。但随着加热速率的增加，挥发分产率随之增大，气体不能通过孔隙顺利扩散出去，从而在煤颗粒内部逐渐累积，造成压力增大，促使煤颗粒发生膨胀。同时，加热速率越高，单位时间内产生的挥发性气体相对越多，膨胀压力越大，煤粒的流动性也越强，这也将使得最终形成的焦炭裂纹增大，焦炭块度降低。因此，在配煤炼焦过程中，焦炉炭化室高度一定的情况下，宽炭化室焦炉炼焦速度较慢对黏结性较强、膨胀压力较高的炼焦煤有利。

2.2 加热速度对炼焦过程的影响

在完成加热速度对煤黏结性试验考察基础上，开展300 kg试验焦炉炼焦试验，提高配合煤在形成胶质体到开始固化期间的加热速度，研究加热速度改善煤黏结性对炼焦过程的影响，考察焦炭质量变化情况。

根据成焦机理，快速加热对半焦收缩是不利的，这是因为提高加热速度使收缩速度加快，相邻层的连接强度加大，从而收缩应力大，导致产生的裂纹多，故合理的加热速度应是黏结阶段快，收缩阶段慢。本实验在升温速度和降温速度方面设置如下：基准炼焦加热制度为装炉后3 h降温至1 000℃，升温速度10℃，炼焦终温1 020℃。在基准炼焦加热制度基础上，对配合煤进行先升温再降温，最后降温终温回到1 020℃的炼焦试验，考察不同升温速度、升温终温、降温速度条件下炼焦所得焦炭质量情况。

试验所用配合煤指标如表5所示。

表5 试验用配合煤指标Table 5 Indexes of Blended Coal for Testing

制定的各试验方案及所得焦炭质量如表6所示。由表6可以看出：

（1）方案1～4主要考察了不同升温速度对焦炭质量的影响。当试验焦炉炼焦升温速度提高至15℃/h，与基准方案相比，对焦炭的M40、M10及焦炭热态强度指标CRI、CSR的影响较为明显。其中，焦炭M40提高1.8个百分点，M10降低0.5个百分点，CSR提高1.8个百分点，CRI降低1.3个百分点。而当试验焦炉炼焦升温速度提高至20℃/h、25℃/h后，对焦炭质量影响变小。因此，在一定范围内提高炼焦加热速度，有助于提高焦炭冷热态质量。

（2）方案5～8主要考察了不同加热终温对焦炭质量的影响。当试验焦炉炼焦升温速度提高至15℃/h、升温终温达到1 060℃时，与基准试验方案相比，焦炭M40提高2个百分点，M10降低0.6个百分点，CSR提高2.3个百分点，CRI降低1.7个百分点。试验表明，加热终温对焦炭冷、热态强度指标具有一定影响。

（3）方案9～12主要考察了不同降温速度对焦炭质量的影响。当试验焦炉炼焦升温速度提高至15℃/h、升温终温达到1 060℃时、降温速度达到10℃/h，与基准方案相比，焦炭M40提高4.3个百分点，M10降低0.8个百分点，CSR提高4个百分点，CRI降低2.9个百分点，达到了实验条件下的最好水平。

综合上述结果可以看出，炼焦加热速度、升温终温、降温速度等因素对焦炭质量存在较为明显的影响，其中试验条件下获得的最佳温度制度为升温速度15℃/h、升温终温1 060℃、降温速度10℃/h。

表6 炼焦试验方案及所得焦炭质量Table 6 Coking Test Plan and Quality of Coke Produced in Testing

2.3 最佳温度制度在提高弱黏煤配煤方面的应用

采用最佳温度制度，通过配比调整，增加弱黏结性1/3焦煤用量，降低强黏结性肥煤配入量，考察焦炭质量变化情况。配煤炼焦试验方案如表7所示，配煤质量及所得焦炭质量结果如表8所示。

由表7、8中试验数据可以看出，调整配煤比例，1/3焦煤配比提高3个百分点，肥煤配比降低3个百分点，即方案2#，焦炭M40提高1.7个百分点，M10下降0.1个百分点，焦炭热态指标基本稳定；调整配煤比例，1/3焦煤配比提高加5个百分点，肥煤配比降低5个百分点，焦炭强度指标整体出现明显降低。因此，在保证焦炭质量的基础上，根据最佳试验升温方案，提高弱黏结性1/3焦煤配比提高3%的用量，能够达到焦炭质量提升、节约优质主焦煤用量的效果。

表7 配煤炼焦试验方案Table 7 Test Plan of Blended Coal for Coking

表8 配煤质量及所得焦炭质量Table 8 Blended Coal Quality and Quality of Coke Produced in Testing

以炼焦产能730万t计算，年消耗洗精煤约1 000万t，如在配煤炼焦生产中进行此技术的应用，按1/3焦煤配比增加3%，肥煤配比减少3%，预计可实现年降本增效1 000万元以上。因此，提高煤加热速度能够增加一定量的弱黏结性炼焦煤用量，同时有利于焦炭质量提高，此外还能节约优质主焦煤用量，具有一定的降本提质及资源保护效果。

3 结论

为研究炼焦加热速度对焦炭质量影响，给配煤炼焦生产提供技术支撑，进行了炼焦加热速度对焦炭质量影响试验，分析了加热速度对炼焦煤黏结性影响以及炼焦过程加热速度、升温终温、降温速度等因素对焦炭质量的影响，得出最佳温度制度，用于提高弱粘煤配比的试验后得到如下结果：

（1）提高炼焦加热速度，各煤样奥亚膨胀度的软化温度、开始膨胀温度和固化温度均呈上升趋势，各指标明显向高温侧移动，软化温度区间增大，胶质体塑性范围变宽，奥亚膨胀度显著提高，煤的黏结性随升温速度的提升明显改善，其中瘦焦煤和焦煤的提升幅度明显大于肥煤。

（2）提高煤的加热速度，有利于提高焦炭质量。在试验用煤条件下，得到最佳温度制度：炼焦升温速度为15℃/h、升温终温为1 060℃时、降温速度为10℃/h。在此条件下，焦炭M40提高了4.3个百分点，M10降低了了0.8个百分点，CSR提高了4个百分点，CRI降低了2.9个百分点。

（3）最佳温度制度用于弱黏结性炼焦煤配比试验时，能够增加弱黏结性1/3焦煤用量3个百分点，同时实现焦炭质量稳定向好。