不同结焦性进口焦煤配煤炼焦对焦炭质量及高炉炉况的影响

2022-05-06张代华曹银平王士彬

煤化工 2022年2期

张代华，曹银平，王士彬

（宝山钢铁股份有限公司，上海 201900）

2019年第3季度开始，进口主焦煤与国内主焦煤出现价格倒挂，为保证焦炭质量满足高炉要求且同时实现焦炭降本，国内炼焦企业，尤其是高炉-炼焦联合企业大量使用以澳大利亚煤和加拿大煤为主的进口主焦煤。据国家海关总署统计，2019年和2020年国内进口炼焦煤量分别达到了7 465.8万t和7 226.8万t[1]。

关于进口主焦煤的合理使用，国内炼焦配煤工作者进行了大量的研究，低灰、低硫、质量稳定基本在行业内形成了共识，但是由于进口焦煤的结焦性存在差异，其对焦炭强度的影响各方观点不尽相同。程乐意等[2]根据小焦炉数据分析认为，进口焦煤焦炭的冷强度整体较好，热性能指标方面，在所考察的进口煤种中澳大利亚焦煤最出色；胡夏雨等[3]则认为，澳大利亚煤的优势在于较好的冷态性能，加拿大煤的优势在于较好的热态性能；龙晓阳等[4]认为，使用澳大利亚煤可同时改善焦炭冷态和热态强度，加拿大煤与山西煤有较大差距，与东北中等黏结性和结焦性焦煤相当，不能完全替代焦煤使用。针对澳大利亚煤，项茹等[5]认为，按常规工业指标及煤岩指标应划分为优质焦煤，但将其简单按优质焦煤使用，配用效果并不理想；张剑锋等[6]认为，适量使用澳大利亚煤有利于改善焦炭强度，但配入量过高时，焦炭强度反而下降。针对加拿大煤的使用，张代林等[7]经研究得出，其与国内优质焦煤虽然存在一定差异，但是同条件等量替代时焦炭质量下降幅度并不大。可以看出，现有的研究基本聚焦于进口主焦煤的具体品牌、且多数以实验室小焦炉研究为主，得出的观点及使用方法存在很大差异。

国内炼焦企业应用进口主焦煤的历史可以追溯到20世纪80年代，但还未发现有学者将进口主焦煤在大生产中的使用与高炉炉况结合起来进行研究分析。本文主要研究了不同结焦性进口主焦煤在大生产中配煤炼焦时，其配入比例对生产焦炭热性能指标及微观质量的影响规律，并分析所生产的焦炭供高炉使用时对高炉炉况的影响。

1 实验

1.1 样品

炼焦生产中主要采用三种进口焦煤（Imported coking coal，简称ICC1、ICC2、ICC3），三种进口主焦煤及其在70 kg小焦炉中所炼焦炭的主要性质见表1，其中，小焦炉炼焦温度控制为1 200℃，结焦时间控制为20 h，炼焦结束后炙热焦炭采用N2冷却至常温。

表1 三种进口主焦煤的性质指标

由表1可知，ICC1的黏结指数G值为91、最大胶质层厚度y值达18.5 mm，对应小焦炉焦样的CSR＞65%，表明其为结焦性较好的焦煤，即行业内通常认为的一类主焦煤；而ICC2和ICC3的黏结指数G值均小于75，基氏流动度l gMF、奥亚膨胀度b值及最大胶质层厚度y值均处于较差水平，对应小焦炉焦样CRI均高于30%、CSR均低于50%，表明其结焦性能较差，即行业内通常认为的二类主焦煤。

将两种弱结焦性进口焦煤（ICC2、ICC3）按照ICC2+ICC3配入质量分数12%～30%、焦煤总质量分数维持38%构成4种配煤方案，见表2，并在7 m焦炉上炼焦应用，结焦时间21.29 h。

表2 不同配入比例的弱结焦性进口主焦煤生产使用方案（质量分数）%

1.2 表征

炼焦煤的各项工业指标参照国家标准进行测定。焦炭的转鼓强度、CRI、CSR参照JIS K2151—2004测定。为考察焦炭与CO2反应后气孔壁的劣化程度，测定与CO2反应冷却后焦样粒径＜1.0 mm的粉焦质量占反应后剩余焦炭质量的比值[8]，以粉化率f0表示；此外，将与CO2热反应后的焦炭放入I型转鼓，N转后，测定反应冷却后焦样粒径＜1.0 mm的粉焦质量占反应后剩余焦炭质量的比值，以粉化率fN表示。焦炭的显微组成采用数点统计法，用德国进口的Zeiss Axiopl an2型光学显微镜进行测定。XRD测试使用日本Rigaku公司Model P.MAX/B型X射线衍射仪，射线源CuKα，射线波长0.154 18 nm，扫描步长为0.02°，间隔时间为0.1 s，扫描范围为10°～80°。

2 结果与讨论

2.1 焦炭工业指标及冷热态强度分析

依据表2配煤方案及在生产中的执行时间，选取4个配煤方案对应的4组焦样进行分析，其工业指标、冷热态强度以及焦炭的显气孔率（Ps）等指标见表3。

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表3 焦炭的性质指标

由表3可知，随着两种弱结焦性进口焦煤（ICC2、ICC3）配入比例的增加，焦炭降灰降硫效果明显；焦炭冷强度保持在88%以上，真密度变化不大，气孔率呈无规律变化；适量地配入弱结焦性进口焦煤，对焦炭的热性能无明显的影响，但当ICC2、ICC3总的配入质量分数达到24%时，焦炭的热态性能呈劣化趋势，且随着配入比例增加，劣化趋势更明显，这主要是由于两种弱结焦性进口焦煤的黏结性指标与主焦煤ICC1的差距较大，随着他们在配合煤中比例的增加，可能影响配合煤在焦炉中热解干馏时胶质体的质量；同时，两种弱结焦性进口焦煤单独成焦后的CRI明显高于主焦煤ICC1的，因此，ICC2和ICC3高比例的配入使焦炭的热性能劣化。

焦炭在高炉运行中于高温下与不同气氛介质反应，在反应过程中，由于各种气氛介质在焦炭碳基质壁和孔隙结构中的反应，会导致碳基质壁的粉化和脱落。焦炭碳溶反应后粉化率f0和fN计算结果如图1所示。

从图1可以看出，JC-1批次的焦炭f0值要明显低于其他三种焦炭，说明该批次焦炭在碳溶反应过程中碳基体粉化程度最低；JC-4批次的焦炭在与CO2发生碳溶反应的同时产生的1 mm以下的焦粉量相对较大。焦粉产生量小，说明碳溶反应速率相对较小，溶损仅发生在碳质表面；焦粉产生量大，说明碳溶反应速率相对较大，深层渗透反应加剧，导致焦炭碳质内层结构疏松，粉化现象明显。粉化程度差异的产生，主要是因为不同焦炭内在结构和动力学行为之间存在差异。大量焦粉的形成，势必将对高炉的透气性产生不良的影响。从图1还可以看出，JC-1、JC-2和JC-3批次的焦炭碳溶反应后经I型转鼓的转数达到450 r时，粉化程度开始出现拐点；而JC-4批次的焦炭经I型转鼓的转数达到600 r后，其粉化拐点才会出现，说明四种焦炭经一定程度的碳溶反应及机械破坏之后，JC-4批次的焦炭耐磨强度明显低于其他三种焦炭，在高炉炉内其粉化过程产生的焦粉对高炉炉况透气性的影响程度要明显高于其他三种焦炭。

图1 碳溶反应后的焦炭经I型转鼓后的粉化率

2.2 焦炭显微组成分析

焦炭光学组织是影响焦炭热态性质的主要微观因素[9-11］。JC-1～JC-4批次的焦炭光学组织测试结果见表4，其中光学组织指数OTI计算过程中各向异性组分赋值方式参照《中国冶金百科全书（炼焦化工）》[12]。

表4 焦炭的光学组织

由表4可知，随着弱结焦性进口焦煤配入比例由12%增加至30%，焦炭各向同性显微结构ΣISO略有增加；而焦炭各向异性组分中，粗粒镶嵌组分下降12.0个百分点，细粒镶嵌组分上升8.1个百分点，中粒镶嵌组分基本无变化；丝质与破片组分增加4.2个百分点，造成光学组织指数OTI下降21.5。根据曾涛等[13-14]关于不同类型焦炭光学组织对焦炭热反应性和反应后强度的研究结果，粗粒镶嵌和细粒镶嵌组分对焦炭热反应性和反应后强度影响程度存在差异，但二者影响权重系数差别并不是特别大，因此大量配用弱结焦性进口焦煤时，尽管所得焦炭内在的各向异性显微结构变化很大，但反映到焦炭的热反应性CRI和反应后强度CSR的劣化并不是特别明显，从这个角度看，焦炭的CRI和CSR作为多年以来衡量焦炭质量的重要指标，其在测试条件以及焦炭在大容积高炉内行为过程的模拟性等方面的影响仍需进一步探讨。

弱结焦性进口焦煤在炼焦生产中的大量配用，造成焦炭中细粒镶嵌结构含量上升，粗粒镶嵌结构含量下降，是因为炼焦煤成焦光学组织不仅与炼焦煤的变质程度有关，也与炼焦煤的工艺性质相关，对于中等变质程度的炼焦煤，随着黏结性降低，粗粒镶嵌结构会向细粒镶嵌结构转变[15]，进而造成光学组织指数OTI下降。

2.3 焦炭物相分析

研究者在对焦炭XRD 进行分析后发现，焦炭基质的碳质结构由两部分构成，一部分是结构规整的类石墨微晶碳G峰，另一部分是不规则的无定形碳γ峰[17]。具体各批次焦样的XRD图如图2所示。

图2 焦炭XRD图及其分峰拟合结果

从图2可以看出，各焦炭基质的XRD图中主要有002和100两个衍射峰，其中002衍射峰是一个总包峰，采用近似图解法对002衍射峰用or igin软件进行分峰拟合，可分解为类石墨化G峰和无定形散射γ峰，γ峰是由煤焦样品中的非晶碳结构产生的，主要来源于无定形碳的衍射峰[18]。

根据XRD定量计算方法，在对002峰和100峰进行分峰拟合的基础上，计算出JC-1～JC-4批次焦样中的石墨化碳和无定形碳的相对含量（用峰面积百分比来表示），如表5所示。

表5 焦炭中石墨化碳和无定形碳的相对含量

焦炭中的无定形碳是由直链脂肪结构和亚甲基结构所组成，其分布特征与芳香结构、分支程度、测量长度以及煤焦的孔隙结构有关。因石墨化碳在结构上更接近于石墨晶体结构，其构成的焦炭微晶单元耐CO2的侵蚀能力更强，表现在焦炭的热态性能上，其较无定形碳具有更低的热反应性和更高的反应后强度。从表5可以看出，JC-1～JC-4的四批焦样中，随着弱结焦性进口焦煤在炼焦生产中配入比例的增加，焦炭中石墨化碳含量逐渐减少，对应的无定形碳含量逐渐增加，最终表现出焦炭的热反应性CRI会增大，反应后强度CSR会降低。

2.4 对高炉炉况的影响分析

四组弱结焦性进口焦煤配煤方案所生产的焦炭投入炼铁高炉大生产，对应高炉表征炉况的主要参数的变化趋势见图3，其中高炉用某批焦炭时间与配煤执行时间一致，即编号为CA01～CA03的配煤方案所生产焦炭进入高炉使用对应天数为第1—10天，对应小时为0—240 h。

图3 高炉主要参数变化趋势

从图3可以看出，CA01～CA03的配煤方案生产的焦炭进入高炉使用后，高炉透气性指数K值呈略升高趋势，中心气流Z值呈略下行趋势，但总体炉况可控，高炉焦比及喷煤比仍能维持较好水平，高炉热负荷也处于较稳定水平。当弱结焦性进口焦煤配入质量分数增加至30%时，对应焦炭进入高炉约12 h之后，高炉炉况便表现出明显的不适应性，高炉透气性指数K值升高至2.6左右，透气性变差；Z值下行，中心气流阻力增大；高炉热负荷同步发生剧烈波动且明显上升，高炉被迫减风减氧以及退负荷应对。

在高炉冶炼过程中，焦炭对高炉炉料起着骨架作用，并提供一个炉内气体通过的透气层，尤其对处于高煤比、低焦比运行的大型高炉而言，其骨架作用尤为重要。当弱结焦性进口焦煤在炼焦生产中配入比例过高时，生产的焦炭热态性能明显变弱，进入高炉后发生碳溶反应，碎裂严重，粉化率上升，导致高炉料柱透气性变差，压差上升，中心气流阻力增大，边缘气流有所发展，进一步造成炉体热负荷大幅波动，高炉顺行受到破坏。后续铁、焦联动，在炼焦配煤大结构未作调整的前提下，将弱结焦性进口焦煤的配入质量分数由30%降至12%，高炉炉况逐步企稳。