煤灰成分对焦炭反应后强度的影响研究

2022-02-08李东涛徐荣广郭德英

煤质技术 2022年6期

李东涛，刘洋，代鑫，徐荣广，马超，郭德英，赵鹏

(1.首钢集团有限公司技术研究院，北京 100043；2.绿色可循环钢铁流程北京市重点实验室，北京 100043)

0 前言

焦炭是高炉冶炼中的热源、料柱骨架、还原剂和渗碳剂，其质量优劣关系到高炉的顺行和生产效率[1-2]，因此，研究影响焦炭质量的各种因素并对其加以改进是炼铁和炼焦行业长期共同关注的重要课题。其中，关于煤灰成分对焦炭质量尤其对反应后强度指标的影响是近20 a 的1项重要研究内容[3-9 ]。

PRICE[3-5]针对煤灰成分对焦炭反应后强度的影响较早地开展研究，杨俊和等[6-8]通过将不同的矿物质制成悬浊液或溶液再浸渍到焦炭颗粒上，系统研究各种矿物质对焦炭反应后强度(CSR)指标的影响并进行排序，同时提出矿物质催化指数(MCI)的概念和算法。胡德生等[9]则通过将不同的矿物质添加到煤中炼焦的方法以研究各种灰成分的影响规律，取得较好的效果。笔者[10-11]也曾经在研究工作中发现煤灰成分对于焦炭质量的重要影响。

此次研究未采用传统的混煤中添加或焦炭浸渍等外加矿物质或灰成分的方法，而是直接基于对111种单种煤的煤质及其所炼制焦炭进行全面分析，研究煤和焦炭中自身原有各种灰成分对于焦炭反应后强度(CSR)及其碱度指数(MBI)的影响规律，发现煤灰成分中的关键影响组分，同时提出其含量的控制范围。

1 试验研究

1.1 样品来源

试验用的111种炼焦用煤资源来自于中国各主要的炼焦煤产区以及澳大利亚、加拿大、美国、俄罗斯、新西兰、印尼、蒙古等国。样品来源情况见表1。

表1 样品来源分布信息汇总Table 1 Distribution information of coal samples

1.2 试验焦炉

炼焦试验采用底装式 40 kg试验焦炉，该焦炉采用铁箱装煤。实验条件如下:入炉煤水分10%，细度(<3 mm粒级的质量比)90%，炭化室宽度400 mm，结焦时间15 h。通过对炉墙的程序控温加热铁箱中的煤料，焦饼中心温度达到 950 ℃时出焦，湿熄焦。

1.3 样品检测

对所有试验用煤和所得焦炭均按照GB/T 1574—2007的要求进行煤灰成分的测试，按照GB/T 2005—1994和GB/T 4000—2008测试所炼制焦炭的筛分及焦炭反应后强度等。

2 结果与讨论

国内外大多数研究者在研究煤灰成分对焦炭质量的影响时一般均采用外加相应灰成分的方法，但此种研究方法使煤或焦炭中各灰成分的含量水平增加，且其存在的形态与煤或焦炭中原有灰成分不同，因而其实际作用效果及规律会有不同[12]，因此基于长期对大量单种煤煤质及其炼制焦炭的数据分析，以下研究煤和焦炭中自身原有的灰成分对焦炭反应后强度的影响规律。

2.1 焦炭的灰成分对焦炭反应后强度的影响

焦炭中各种灰成分与焦炭反应后强度(CSR)之间的关系如图1所示。由图1可知，尽管影响焦炭CSR的因素众多[13-18]，但单纯考虑各种灰成分对CSR的影响，仍可发现较明显的规律:随着焦炭中Fe2O3、CaO、MgO、MnO、K2O和Na2O等碱性组分含量的增加，焦炭CSR均呈现较为明显的下降趋势；随着SiO2、Al2O3含量的增加，焦炭的CSR则呈现上升的趋势；TiO2和P2O5含量与CSR之间的关系不明显。

图1 焦炭中各灰成分对CSR的影响Fig.1 Influence of various ash components of coke on CSR

将各灰成分含量与CSR关系图中数据进行线性拟合分析，得到其相关系数的平方值及拟合线的斜率值，所得数据见表2。从表2可知，Fe2O3、MgO、MnO、CaO该4种灰成分与焦炭CSR的相关性及拟合线斜率均较高，其中前3种组分与CSR的相关性甚至达到为综合考虑各灰成分影响而定义的碱指数MBI(或灰催化指数MCI)与CSR的相关性水平。因此，在公认众多已知影响CSR的各因素共同起作用的情况下，可认为上述4种组份与CSR之间的相关系数相当高，而K2O和Na2O对CSR的影响应较大的现象却并未出现。其中的原因在于，此处主要讨论进入高炉前的焦炭自身原有灰成分对CSR的影响，而K2O和Na2O对焦炭的显著影响只有其在高炉内逐渐富集时才显现，而焦炭并非是高炉带入K2O和Na2O的主要贡献者。由表2还可得焦炭中各灰成分与其反应后强度(CSR)的相关性排序为:Fe2O3> MgO> MnO> CaO> SiO2> K2O> Al2O3> Na2O> P2O5> TiO2

表2 焦炭的灰成分含量与CSR之间的相关性Table 2 Correlation between ash components of coke and CSR

该顺序与现有文献中所给出的各种灰成分对焦炭CSR的影响顺序有所不同，究其原因是由于此次研究工作是基于焦炭原有灰成分与CSR之间的关系而得，其结果剔除了外加灰成分因其分布形态、结合形态以及含量水平与原有灰成分的差异所造成的影响。另外，虽上述顺序只考虑各灰成分与焦炭反应后强度CSR的相关性程度高低的顺序，并未考虑其对焦炭溶损反应的影响是促进还是抑制作用，但可从各图中拟合曲线的走势或拟合线的斜率来判断各灰成分对焦炭CSR的作用方向。

2.2 焦炭灰成分中起主要作用成分的确定

分析111种煤的焦炭MBI指数与其中各灰成分含量间的相关性，得表3。

表3 各灰成分含量与MBI指数的相关性分析Table 3 Correlation analysis between content of ash components and MBI index

从表3可知:灰分碱度指数(MBI)与TiO2及P2O5之间不符合相关性分析的前提，即无显著性差异(因其显著性大于0.05)；MBI与其他灰成分则具有显著性差异，可进行相关性分析，发现Fe2O3、CaO、MgO含量与MBI之间存在强相关性，Al2O3、SiO2含量与MBI之间存在一定的相关性。如进一步将各灰成分含量值进行组合:将Fe2O3、CaO、MgO含量之和记为FCM，将SiO2和Al2O3含量之和记为SA，分析其与MBI之间的关系，得到MBI的计算公式(1)。

MBI=2.106-0.026 SA+0.183FCM

(1)

式(1)的R2为0.875，由此发现MBI与FCM及SA的相关性均得到进一步提高。但考虑到SA对MBI的影响是负作用，不会造成焦炭反应后强度CSR的下降，而FCM对MBI的影响是正作用，且其在公式(1)中的系数值是SA项系数绝对值的近9倍，明显提高焦炭MBI指数，因而控制焦炭的CSR则需减小灰分碱度指数的影响，即须相应地主要控制Fe2O3、CaO、MgO等组分的总含量。

2.3 炼焦用煤各灰成分的控制范围

由于焦炭中各灰成分的含量与其所对应的煤中各灰成分的含量高度相关，所以控制焦炭灰成分应从控制炼焦用煤中各灰成分的含量着手，因而以下主要讨论从煤灰成分方面予以控制。

统计111种煤中各灰成分在不同含量水平的出现频率，见表4；计算所有煤中各灰成分含量的平均值，见表5。发现表5中各灰成分含量的平均值基本就是表4中各峰值频率对应的含量，为此，建议将该峰值频率对应的含量值作为开发炼焦煤资源时煤中各灰成分含量的参考控制值，尤其是其中对焦炭碳溶损反应有正催化作用的碱性组分。

表4 炼焦煤各种灰成分含量分布变化情况Table 4 Concentration distribution of ash components in coals

表5 各煤灰成分含量的变动范围及均值Table 5 Variation range and mean value of ash components %

2.4 关键煤灰成分总含量的控制建议

由第2.1节证明，焦炭灰成分中的Fe2O3、CaO、MnO、MgO 该4种灰组分与CSR的相关性较高；第2.2节中又进一步证明Fe2O3、CaO、MgO三者含量之和与对CSR起重要影响的MBI指数强相关，因此控制焦炭MBI指数和CSR的关键在于控制焦炭中Fe2O3、CaO、MgO含量总和。同时，由于焦炭中各灰成分均来自于与其对应的煤中，所以关键在于控制煤中上述 3 种组分的含量总和。由于MnO含量一般很低，此处不重点对其讨论。

将111种煤按照干基挥发分(Vd)值分为9个挥发分区间进行分段分析。各挥发分区间依次为:15%≤Vd<18%、18%≤Vd<20%、20%≤Vd<22%、22%≤Vd<24%、24%≤Vd<26%、26%≤Vd<28%、28%≤Vd<30%、30%≤Vd<32%、32%≤Vd<34%，基本上覆盖了常用的炼焦煤种范围。由于挥发分(Vd)为15%～16%区间可获得的CSR数据点很少，所以将其归入16%～18%范围，最终形成15%≤Vd<18%该挥发分跨度为3 的特殊区间。

按照以下7个步骤进行数据的整理与分析:

(1) 分别计算各挥发分段内各单种煤所炼制焦炭的CSR平均值(CSRJ)；

(2) 计算各挥发分段内各单种煤所炼制焦炭的CSR与CSRJ的偏差值，并将其与该煤的FCM值对应；

(3) 将步骤(2)中统计的所有数据汇总，并按照FCM的含量进行排序；

(4) 按照FCM的含量每1%划分为 1 段，统计各段内出现负偏差的比例(RN)；

(5) 按照FCM的含量每1%划分为 1 段，统计各段内出现的负偏差的平均值(AN)；

(6) 以FCM为横坐标、RN为纵坐标绘图，即绘制拟合曲线，得图2；

(7) 以FCM为横坐标、AN为纵坐标绘图，即绘制拟合曲线，得图3。

FCM与RN、AN的关系分别如图2、图3所示。