武晉晶

（山西焦煤汾西礦業(yè)集團煤質(zhì)加工處檢測中心，山西 介休 032000）

引 言

焦炭在冶金中起著骨架作用。近年來，隨著高爐生產(chǎn)大型化及煉鐵工藝的不斷改進，對焦炭質(zhì)量要求越來越高，被眾多廠家所重視。焦炭的冷強度、反應性及反應后強度作為評價焦炭質(zhì)量優(yōu)劣的指標，已列入了焦炭日常檢測中［1-3］。

焦炭中灰分的大小對強度和高爐指標有重要的影響。研究表明，焦炭在高爐內(nèi)被加熱到高于煉焦溫度時，由于焦質(zhì)與灰分的熱膨脹性不同，焦炭沿灰分顆粒周圍產(chǎn)生裂紋并擴大，使焦炭碎裂粉化，強度降低。同時，理論計算結果和生產(chǎn)實踐證明，焦炭灰分每增加1%，高爐焦比提高約2%，石灰石用量增加約2.5%，高爐產(chǎn)量下降約3%。煤灰成分包括數(shù)十種礦物質(zhì)，以氧化物的形式表示，而被研究的有10多種，如K2O、Na2O、CaO等。研究表明，根據(jù)對焦炭碳溶反應的強弱，將灰分劃分為強、正催化劑，弱、正催化劑，強、負催化劑，弱、負催化劑［4-9］。

本文通過對集團公司各單種焦煤的結焦性指標和灰分及相應的焦炭反應性、反應后強度進行了實驗，研究了焦炭的反應性與灰分堿性催化指數(shù)之間的關系。

1 實驗部分

1.1 實驗儀器

干燥箱；智能馬弗爐，常州市方嘉電子儀器有限公司；自動測硫儀，徐州東翔電子科技有限公司。

黏結指數(shù)測定儀；全自動膠質(zhì)層測定儀、奧亞膨脹度測定儀，常州市方嘉電子儀器有限公司。

4510 F原子吸收分光光度計，上海精密科學儀器有限公司；723N可見分光光度計，上海精密科學儀器有限公司；

搗固機；落下試驗機；焦炭機械強度測定轉鼓；試驗小焦爐；焦炭反應性及反應后強度測定儀，鞍山科翔儀器儀表有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 煤的工業(yè)分析和硫分（Mad、Ad、Vdaf、St，d等指標）

按照GB/212-2008《煤的工業(yè)分析方法》測定；GB214-2007《煤中全硫的測定方法》［10］。

1.2.2 煤的結焦性（GR.I、Y、X、b、a、T1、T2、T3）

按照GB/5447-1997《煙煤黏結指數(shù)測定方法》、GB/479-2000《煙煤膠質(zhì)層指數(shù)測定方法》、奧亞膨脹度GB/5450-1997《煙煤奧亞膨脹度試驗》測定。

1.2.3 煤的灰成分分析（K2O、Na2O、CaO、MgO、Fe2O3、Al2O3、SiO2、TiO2）

GB/1574-2007《煤灰成分測定方法》。

1.2.4 小焦爐實驗及焦炭的工業(yè)分析和硫分分析

按照GB/2001-91《焦炭工業(yè)分析測定方法》、GB/T2286-2008《焦炭全硫含量的測定》測定。

1.2.5 焦炭的反應性及反應后強度（CRI、CSR）及冷態(tài)機械強度（M40、M10）

按照GB/T4000-2008《焦炭的反應性及反應后強度測定方法》、GB/T2006-2008《焦炭機械強度的測定方法》測定。

2 結果與討論

2.1 煤樣的選取和煤質(zhì)分析

實驗所選煤樣均來自山西焦煤汾西礦業(yè)所屬礦井。

汾礦各煤種的工業(yè)分析、結焦性指標如表1所示。

由表1可知，宜興煤（FM36）、曙光煤（FM36）、雙柳煤（FM26）屬肥煤，賀西煤（JM25）、中興煤（JM15）、高陽煤（JM15）、水峪煤（JM25）、柳灣煤（JM25）屬焦煤，紫金煤（1/3JM）屬1/3焦煤。同時可知，除高陽、水峪、紫金精煤的灰分小于10%，柳灣精煤灰分小于11.5%外，其余煤的灰分均小于11%。對于硫分來說，水峪、高陽、柳灣煤均屬于中高硫煤，其余煤的灰分均為低硫煤。從表1中可看出，宜興、曙光、雙柳、紫金煤基氏最大流動度對數(shù)值4～5，而賀西、柳灣為3～4，水峪煤2～3，中興煤1～2，高陽煤對數(shù)值小于1。

表1 各單種煤的煤質(zhì)分析

2.2 單種煤的灰分分析

經(jīng)過研究證明，煤灰成分的10多種礦物質(zhì)（氧化物）中，堿性氧化物（K2O、Na2O）是焦炭碳溶反應的強、正催化劑；堿土金屬（MgO、CaO、BaO）和過渡金屬（V2O5、MnO2、Fe2O3、CuO、ZnO）是弱、正催化劑，TiO2是強、負催化劑；硼族氧化物中B2O3是強、負催化劑，而Al2O3對焦炭的碳溶反應并無影響；碳族氧化物中PbO2是正催化劑、SiO2對焦炭的反應性沒有影響［11-12］?？梢钥闯?，對焦炭碳溶反應增大起正催化作用的有 K2O、Na2O、Fe2O3、BaO、CaO、V2O5、MnO、CuO、ZnO、PbO2，其作用大小順序為K2O＞Na2O＞BaO＞CaO＞Fe2O3＞PbO2＞ZnO＞V2O5＞CuO＞MgO≈MnO2；對焦炭碳溶反應起負催化作用、使碳溶反應減小的有B2O3、TiO2，其作用順序為B2O3＞TiO2；對焦炭碳溶反應幾乎不起作用的有 Al2O3、SiO2。

本實驗中，我們?nèi)?K2O、Na2O、MgO、CaO、Fe2O3、Al2O3、TiO2、SiO28種灰分，根據(jù)各種灰分對焦炭反應性催化作用的不同而將各種成分加以量化，見表2。模擬出了灰分催化指數(shù)MCI，定義為式（1）。

表2 單種煤的煤灰成分分析

從表2看出，灰分中主要成分為SiO2和Al2O3，兩者相加為79%～92%。堿金屬化合物對焦炭的正催化能力最強，堿質(zhì)量分數(shù)（K2O＋Na2O）來說，除中興、曙光、水峪大于1%外，其余大部分接近1%。而堿土金屬（CaO、MgO）對焦炭的正催化作用僅次于堿金屬，曙光、高陽、水峪、柳灣的堿土金屬質(zhì)量分數(shù)在2%～6%，其余礦均小于2%。而對于過渡金屬氧化物Fe2O3，除宜興和賀西占灰分總量小于2%以外，其余在2%～8%。通過計算，曙光、高陽、水峪、柳灣的催化指數(shù)均大于2；柳灣最高，為3.95。

2.3 單種煤的焦炭指標分析

為了研究各礦煤質(zhì)、灰成分與焦炭熱反應性及反應后強度之間的關聯(lián)性，對各礦精煤進行了40kg小焦爐實驗（入爐全水分8%～10%，堆密度均在0.97t/m3左右），并對焦炭進行工業(yè)分析，測定了焦炭的機械強度、反應性和反應后強度。如表3所示。

表3 單種煤的焦炭指標分析

由表3可以看出，宜興、中興、雙柳、賀西的焦炭反應性均在20.0以下，其余礦的煤焦炭反應性在20.0～30.0。而相對應的反應后強度，宜興、中興、雙柳、賀西均在70.0%～80.0%，曙光、紫金、水峪在60.0%～70.0%。其中，高陽的最低，柳灣次之。

2.4 各單種煤的煤灰成分與焦炭反應性及反應后強度關系

根據(jù)表2及表3中的數(shù)據(jù)，將MCI對CRI和CSR作圖，可以得到煤灰成分催化指數(shù)與焦炭反應性和反應后強度的關系，如圖1所示。由圖1可知，焦炭的反應性CRI隨著灰分催化指數(shù)的增加而增大；焦炭的反應后強度CSR隨著灰分催化指數(shù)MCI的增加而減小。此規(guī)律性與已經(jīng)研究過的實驗結果相吻合。

圖1 灰分催化指數(shù)與焦炭熱性質(zhì)的關系

3 結論

1）對各單種煉焦煤堿質(zhì)量分數(shù)（K2O＋Na2O）來說，除中興、曙光、水峪大于1%，其余大部分接近1%。而堿土金屬（CaO、MgO）對焦炭的正催化作用僅次于堿金屬，曙光、高陽、水峪、柳灣的堿土金屬質(zhì)量分數(shù)在2%～6%，其余礦均小于2%。而對于過渡金屬氧化物Fe2O3，除宜興和賀西占灰分總量小于2%以外，其余在2%～8%。通過計算，曙光、高陽、水峪、柳灣的催化指數(shù)均大于2，柳灣最高為3.95。

2）灰分催化指數(shù)對焦炭的反應性和反應后強度的影響顯著。焦炭的反應性與灰分催化指數(shù)呈正線性相關，焦炭的反應后強度與灰分催化指數(shù)呈負線性相關。

3）通過各種單種煤的煤質(zhì)分析及小焦爐實驗，揭示了各煤種對焦炭反應性和反應后強度影響的本質(zhì)，可以用來預測焦炭的反應性和反應后強度，指導生產(chǎn)、優(yōu)化配煤、改善焦炭質(zhì)量。

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