塑性区间对配煤粘结指数的影响研究

2021-11-19张伟杰向海飞高立东曹纪刚

河南冶金 2021年4期

韩矿张伟杰向海飞高立东曹纪刚赵飞

（1.安阳钢铁股份有限公司； 2.华泰永创（北京）科技股份有限公司）

0 前言

煤的粘结性是炼焦用煤的重要工艺指标，它是影响焦炭强度的重要因素。煤的粘结性是指煤在隔绝空气的条件下加热时形成具有可塑性的胶质体，粘结本身或外加惰性物质的能力。具有较好的粘结性是生产优质焦炭的前提和必要条件，炼焦煤中一般中等煤化度的煤，如焦煤和肥煤，具有较好的粘结性，而煤化度相对较低或者较高的煤，如气煤和瘦煤，粘结性较差。随着炼焦煤的日益紧缺，合理利用现有煤质资源，科学配煤，在保证焦炭质量的前提下，既能最大限度减少优质煤的配入量，又应尽可能地使用我国储量较多的气煤和瘦煤是目前研究的主要方向。笔者拟从塑性区间的不同重叠条件下的粘结指数来研究提高配合煤粘结性的可能性。

1 试验方案

2 煤种的选择与分析

安钢焦化厂现有煤种分类为传统的气肥焦瘦分类，选取各煤种典型的矿点做分析，结果见表1。

表1 安钢典型矿点煤质分析结果

其中，1/3 焦煤选取邢台1/3 焦煤，肥煤选取申矿肥煤，主焦煤选取平顶山矿务局的天安主焦，瘦煤选取鹤壁四矿瘦煤，考虑到鹤壁的瘦煤偏向于贫瘦煤，因此增加了山西古交焦煤，其指标处于瘦煤和焦煤之间，选取古交焦煤可以使煤种分布更加连续。各煤种的粘结性指标见表2。

表2 各单种煤矿点粘结性指标

3 塑性区间分析

选取的5 个典型矿点煤的奥亚膨胀度曲线如图1 所示。

图1 奥亚膨胀度曲线

从图1 可以看出，在以上5 个典型煤中申矿肥煤和天安主焦煤的塑性区间最为接近，申矿肥煤和邢台1/3 焦煤，天安主焦煤和古交焦煤有部分区域不重叠，这意味着在其中一种煤正在发生塑性变化时，另一种煤还没有发生塑性变化或者已经固化，而古交瘦焦煤与邢台1/3 焦煤的塑性区间差异较大，大部分区域不重叠，这意味着古焦瘦焦煤开始发生塑性变化的初期，邢台1/3 焦煤开始固化。这种塑性区间不重叠的情况下煤粒间各自的状态并不相同，如申矿肥煤和邢台1/3 焦煤两种煤，在450 ℃时，邢台1/3 焦煤开始固化时，申矿肥煤正处于膨胀状态，此时煤粒正处于膨胀热解状态，流动性很好，两种煤的物理状态不同。

4 试验

4.1 试验设备

试验所用无烟煤为宁夏汝箕沟测粘结指数专用无烟煤，试验设备均符合国标要求。分析天平：感量1 mg；马弗炉：具有均匀加热带，其恒温区（850±10） ℃，长度125 mm，并附有调压器；转鼓试验装置：转鼓转速50 r/min,转鼓内径200 mm、深70 mm，壁上铆有两块相距180 、厚为3 mm 的挡板；6 kg 质量压力器，瓷质坩埚和坩埚盖，直径1.5 mm 的硬质金属搅拌丝，重量112 g 镍镉钢制成的压块，筛孔直径1 mm 的圆孔筛。

4.2 试验过程

选取邢台、申矿、天安、古交、四矿等五个矿点，按GB 474—2008 制备成粒度小于0.2 mm 的空气干燥煤样，其中0.1 ～0.2 mm 的煤粒占全部煤粒的20%～35%，煤样粉碎后，每两种煤均按100%、80%、60%、40%、20%、0%的比例配合并混合均匀，分别作为试验煤样，做粘结指数的正交实验。

试验步骤：

（1）先称取5 g 专用无烟煤，再称取1 g 试验煤样放入坩埚，质量称量准确到0.001 g。

（2）用搅拌丝将坩埚内的煤混合搅拌2 min。在搅拌过程中，防止煤样外溅，搅拌方法为，坩埚作45°左右倾斜，逆时针方向转动，约15 转/min，搅拌丝按同样倾角作顺时针方向转动，约150 转/min，搅拌时，搅拌丝的圆环接触坩埚壁与底相连的圆弧部分，约1 min 45 s 后，一边继续搅拌，一边将坩埚与搅拌丝逐渐转到垂直位置，约2 min 时，结束搅拌。

（3）搅拌后，将坩埚壁上的煤粉用刷子轻轻扫一下，用搅拌丝将混合物小心拨平，并使沿坩埚壁的层面略低1 ～2 mm。

（4）用镊子夹住压块，放置于坩埚中央，然后将其置于压力器下，将压杆轻轻放下，静压30 s。

（5）加压结束后，压块仍留在混合物上，盖上坩埚盖。

（6）将带盖坩埚放置在坩埚架中，用带手柄的平铲托起坩埚架，放入预先升温到850 ℃的马弗炉内的恒温区，焦化15 min后将坩埚从马弗炉中取出，放置冷却至室温。

（7）取出压块，将压块上附着的焦屑刷入坩埚内，称量焦渣总重量，然后将其放入转鼓内进行第一次转鼓试验，转鼓试验后的焦块用1 mm 圆孔筛进行筛分，再称量筛上物的质量，而后将其放入转鼓内进行第二次转鼓试验，重复筛分、称量操作。每次转鼓试验5 min，转250 转。质量称量精确到0.01 g。

（8）按规定的计算方法计算煤样的粘结指数指标。

按上述方法测定完10 个试验煤样的粘结指数，当测得的粘结指数小于18 时，进行补充试验，将试验煤样与专用无烟煤的比例改成3：3，即3 g 试验煤样和3 g 专用无烟煤，并按规定计算其粘结指数。

4.3 试验分析

将实验数据绘图，如图2 所示。

图2 五个矿点每组两种煤按不同比例混合的粘结指数变化

从图2 可以看到，煤种间配合后的粘结指数并不简单的等于两者粘结指数的加权平均值。当两种煤的塑性区间重叠区域较多时，配合煤的粘结指数略大于其加权平均值，如申矿肥煤与天安主焦煤的塑性区间最为接近，重叠区域多，两种煤配合后的粘结指数要大于其加权平均值；天安焦煤与邢台1/3 焦煤的塑性区间重叠较多，两种煤配合后的粘结指数略大于其加权平均值。而塑性区间重叠区域较少或者根本没有重叠区域时，配合煤的粘结指数则略小于其加权平均值，如古焦瘦焦煤与邢台1/3 焦煤，在420 ℃时古交瘦焦煤开始发生塑性变化，而到450 ℃时邢台1/3 焦煤已经开始固化，塑性区间重叠较少，两种煤配合后的粘结指数小于其加权平均值。

形成这种结果的原因可能有两种：（1）在成焦过程中，由于其物理状态的差异，煤粒软化、熔融、固化时间不同，形成的焦炭结构为煤粒间的物理结合，这样的结合依靠的是界面作用。而对于不同塑性区间下的煤粒，由于其结合时各自的状态不一样，其结合的强弱也不同，表现在对粘结性指标的提高与削弱上；（2）煤在整个塑性区间内是一个由煤颗粒产生的胶质体热解形成由大的片状分子排列而成的聚合晶体，而塑性区间重叠有利于煤种间的胶质体基体的长大、熔融，从而达到增强粘结本身和外加惰性物的能力，得到较稳定的焦炭光学组织结构，从而起到提高焦炭强度的效果。