張文成 張小勇 鄭明東

(1.安徽工業(yè)大學(xué)冶金學(xué)院，安徽省馬鞍山市，243002；2.寶鋼股份研究院梅鋼技術(shù)中心，江蘇省南京市，210039；3.安徽工業(yè)大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，安徽省馬鞍山市，243002)

1 引言

煤中惰性物含量和變質(zhì)程度是可以較為精確地反映煉焦煤性質(zhì)的兩個(gè)指標(biāo)，在實(shí)際應(yīng)用中存在惰性物含量和變質(zhì)程度相近而煉焦中起顯著不同作用的煉焦煤，研究認(rèn)為尚應(yīng)存在第三種成因因素。

周師庸從煤的容惰能力及熒光性進(jìn)行了探討，認(rèn)為容惰能力是可能的第三種因素；沈寓韜等研究人員研究了煤樣的鏡質(zhì)組平均最大反射率和煤巖顯微組分對(duì)焦炭冷強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性指標(biāo)的影響；王翠萍等研究人員分析了鏡質(zhì)組平均最大反射率Rmax和反射率分布直方圖，考察了反射率分布圖的范圍與形狀跟焦炭強(qiáng)度M25的關(guān)系；張文成等研究人員為了評(píng)價(jià)混煤等因素造成單種煤質(zhì)量差異較大的問(wèn)題，應(yīng)用煤巖學(xué)觀點(diǎn)提出了微強(qiáng)粘比的概念，從微觀角度反映了煉焦配煤最為關(guān)注的強(qiáng)粘結(jié)煤比例，為傳統(tǒng)單種煤評(píng)價(jià)方法提供了有益的補(bǔ)充，同時(shí)該指標(biāo)與焦炭反應(yīng)性和反應(yīng)后強(qiáng)度之間有著良好的相關(guān)關(guān)系，可作為影響焦炭質(zhì)量的關(guān)鍵參數(shù)指導(dǎo)煉焦配煤生產(chǎn)；張代林等研究人員通過(guò)分析13種不同變質(zhì)程度單種煤的煤巖性質(zhì)以及對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)焦?fàn)t所煉焦炭的性質(zhì)，結(jié)果表明焦炭光學(xué)組織指數(shù)(OTI)與單種煤鏡質(zhì)組平均最大反射率存在正相關(guān)線性關(guān)系；季斌等研究人員通過(guò)研究氣煤對(duì)配合煤煉制焦炭質(zhì)量影響規(guī)律；胡德生等研究人員研究了寶鋼用煤的粘結(jié)性參數(shù)(MG)來(lái)表征單種煤粘結(jié)性，MG是由粘結(jié)指數(shù)G和基氏最大流動(dòng)度MF構(gòu)筑而成的，研究認(rèn)為MG是影響CSR的首要因素；田英奇基于煤巖配煤原理，選擇鏡質(zhì)組最大反射率和鏡質(zhì)組反射率分布圖作為指導(dǎo)優(yōu)化配煤的兩個(gè)參數(shù)，采用調(diào)配不同變質(zhì)程度的肥煤及添加粘結(jié)劑和瘦化劑方法調(diào)控配煤煉焦過(guò)程，結(jié)果表明配合煤的鏡質(zhì)組最大反射率與反射率分布圖是優(yōu)化配煤方案的有效調(diào)控參數(shù)；么秋香等研究人員選取配合煤的主要煤質(zhì)參數(shù)，即揮發(fā)分Vdaf、粘結(jié)指數(shù)G、鏡質(zhì)組最大反射率Rmax和惰性組分含量I等因素為自變量，應(yīng)用SPSS軟件的多元線性逐步回歸方法建立了焦炭的強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型，預(yù)測(cè)和控制焦炭質(zhì)量；魏江紅等研究人員應(yīng)用線性回歸法預(yù)測(cè)焦炭強(qiáng)度；趙樹(shù)果等研究人員采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了煉焦配煤質(zhì)量預(yù)測(cè)模型。

綜上所述，對(duì)單種煤的煉焦特性主要受到變質(zhì)程度和粘結(jié)性能影響受到普遍認(rèn)可，并且不同研究者通過(guò)煤巖組分及粘結(jié)性能的拓展，進(jìn)一步擴(kuò)展了煉焦性質(zhì)的影響因素，但仍缺乏普遍適用的規(guī)律。本文在變質(zhì)程度和粘結(jié)性能兩類指標(biāo)的基礎(chǔ)上增加了催化指數(shù)和粘結(jié)指數(shù)，探討其對(duì)煉焦性能的影響趨勢(shì)。

2 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)樣品

單種煤的27個(gè)樣品分別來(lái)自山西、河南、安徽和澳大利亞，包括氣煤(QM)和肥煤(FM)各7個(gè)、焦煤(JM)9個(gè)和1/3焦煤(SJ)4個(gè)，單種煤的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 單種煤的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

2.2 試驗(yàn)方法

煤中全硫測(cè)定參照標(biāo)準(zhǔn)《煤中全硫測(cè)定》(GB/T 25214-2010)，焦炭全硫含量的測(cè)定方法參照國(guó)標(biāo)《焦炭全硫含量的測(cè)定方法》(GB/T 2286-2008)。煉焦試驗(yàn)采用70 kg試驗(yàn)焦?fàn)t進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)焦時(shí)間18 h，采用氮?dú)飧上ń?。試?yàn)焦?fàn)t(SCO)的試驗(yàn)條件見(jiàn)表2。

表2 小焦?fàn)t試驗(yàn)條件

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 單種煤變質(zhì)程度對(duì)煉焦性能的影響

煤變質(zhì)程度是決定焦炭強(qiáng)度的主要指標(biāo)，表征單種煤變質(zhì)程度的主要指標(biāo)是煤的揮發(fā)分和煤巖反射率。單種煤反射率與單種焦炭熱強(qiáng)度的關(guān)系如圖1所示，單種煤揮發(fā)分Vdaf與焦炭CSR的關(guān)系如圖2所示。

圖1 單種煤反射率與單種焦炭熱強(qiáng)度的關(guān)系

由圖1可以看出，單種焦炭的CSR總體上隨著反射率的增加而增加，從煤分類看，反射率在1.2%～1.5%的焦煤類最高，反射率在0.6%～0.8%的氣煤類最低，反射率在0.9%～1.2%之間的肥煤和1/3焦煤居中。

由圖2可以看出，單種焦炭的CSR總體上隨著揮發(fā)分的增加而降低，從煤的分類上來(lái)看，在焦煤和肥煤來(lái)內(nèi)部也呈現(xiàn)出相同的規(guī)律，低揮發(fā)分的焦煤得到的單種焦炭CSR最高。

圖2 單種煤揮發(fā)分與單種焦炭熱強(qiáng)度的關(guān)系

3.2 單種煤粘結(jié)性對(duì)煉焦性能的影響

粘結(jié)指數(shù)是表征煉焦煤的容惰能力，煉焦過(guò)程是煉焦煤軟化熔融過(guò)程，較高的焦炭強(qiáng)度需要適中的容惰性能；基氏流動(dòng)度是反映煤在干餾時(shí)形成膠質(zhì)體的粘度和流動(dòng)性，煉焦過(guò)程需要一定的流動(dòng)距離充分融合，因此適度的流動(dòng)性至關(guān)重要。單種煤粘結(jié)特性指標(biāo)一般以粘結(jié)指數(shù)G和基氏流動(dòng)度LGMF來(lái)表征，分別就這2個(gè)指標(biāo)對(duì)焦炭熱強(qiáng)度的影響進(jìn)行討論，單種煤粘結(jié)指數(shù)與單種焦炭熱強(qiáng)度的關(guān)系如圖3所示，單種煤基氏流動(dòng)度與單種焦炭熱強(qiáng)度的關(guān)系如圖4所示。

由圖3可以看出，單種焦炭CSR總體上與煤的粘結(jié)指數(shù)關(guān)系不明顯，從煤分類看，粘結(jié)指數(shù)在80%～90%的焦煤最高，且隨著粘結(jié)指數(shù)增加焦炭的CSR也跟著增加；粘結(jié)指數(shù)在90%～98%的肥煤類則隨著粘結(jié)指數(shù)的增加焦炭的CSR降低。

由圖4可以看出，基氏流動(dòng)度在2.0～3.0的范圍內(nèi)的焦煤的單種焦炭CSR較高，同樣在此范圍的氣煤類則單種焦炭CSR較低。

圖3 單種煤粘結(jié)指數(shù)與單種焦炭熱強(qiáng)度的關(guān)系

圖4 單種煤基氏流動(dòng)度與單種焦炭熱強(qiáng)度的關(guān)系

3.3 焦炭強(qiáng)度兩因素預(yù)測(cè)模型研究

3.3.1 揮發(fā)分和粘結(jié)指數(shù)(Vdaf-G)模型

根據(jù)27種單種煤的煉焦質(zhì)量數(shù)據(jù)，以揮發(fā)分和粘結(jié)指數(shù)作為變量，以單種焦炭CSR作為預(yù)測(cè)目標(biāo)值，單種焦炭CSR與粘結(jié)指數(shù)和揮發(fā)分的等值線如圖5所示。

圖5 單種焦炭CSR與粘結(jié)指數(shù)和揮發(fā)分的等值線

由圖5可以看出，在等值線圖中顏色越深則強(qiáng)度越高，高強(qiáng)度焦炭集中在單種煤揮發(fā)分在20%～26%且粘結(jié)指數(shù)在82～88的范圍內(nèi)，低強(qiáng)度焦炭則為揮發(fā)分大于34%，粘結(jié)指數(shù)小于86的范圍內(nèi)。以粘結(jié)指數(shù)和揮發(fā)分的預(yù)測(cè)模型為CSR= 38.5 + 0.670×單種煤粘結(jié)指數(shù)G-1.568×單種煤揮發(fā)分(其中G在80～96之間，Vdaf在20～38之間)，相關(guān)系數(shù)為74.70%。

3.3.2 反射率和基氏流動(dòng)度(R-LGMF)模型

根據(jù)27種單種煤的煉焦質(zhì)量數(shù)據(jù)，以反射率和基氏流動(dòng)度作為變量，以單種焦炭CSR作為預(yù)測(cè)目標(biāo)值，得到的等值線圖如圖6所示。

圖6 單種焦炭CSR與基氏流動(dòng)度和反射率的等值線圖

由圖6可以看出，大于60%的高強(qiáng)度焦炭集中在單種煤反射率在1.2%～1.4%且基氏流動(dòng)度在2.0～3.0的范圍內(nèi)，低強(qiáng)度焦炭則為反射率低于0.8%的范圍內(nèi)。以基氏流動(dòng)度和反射率的預(yù)測(cè)模型為CSR= 8.81 + 36.54×單種煤反射率R +單種煤基氏流動(dòng)LGMF(其中R在0.7～1.5之間，LGMF在1.2～4.0之間)，相關(guān)系數(shù)R-sq為66.35%。

3.4 單種煤其它因素影響

3.4.1 催化指數(shù)的影響

煤的灰成分中含有堿金屬、堿土金屬及硅、鋁等化合物，會(huì)對(duì)焦炭的反應(yīng)性及反應(yīng)后強(qiáng)度產(chǎn)生不同程度的影響。單種煤的催化指數(shù)對(duì)焦炭CSR的影響如圖7所示。

由圖7可以看出，總體來(lái)看單種煤的催化指數(shù)增加使單種焦炭CSR降低，若按煤種的分類同樣存在催化指數(shù)增加焦炭CSR降低的趨勢(shì)，如肥煤類催化指數(shù)從1.5%～5.1%的較大范圍內(nèi)，焦炭CSR從60%降低到50%。單種煤的灰成分催化指數(shù)對(duì)焦炭CSR的影響，是由于堿金屬和堿土金屬對(duì)CO2反應(yīng)性的催化作用以及SiO2、Al2O3、P2O5對(duì)CO2反應(yīng)性的抑制作用造成的。

圖7 單種煤催化指數(shù)與焦炭CSR的關(guān)系

3.4.2 微強(qiáng)粘比的影響

微強(qiáng)粘比(WQN)是指煤的鏡質(zhì)組最大反射率分布圖中在0.9%～1.5%范圍所占的比例，微強(qiáng)粘比與焦炭CSR的關(guān)系如圖8所示。

由圖8可以看出，總體來(lái)看單種煤的微強(qiáng)粘比增加則單種焦炭CSR增加。若按煤分類同樣存在微強(qiáng)粘比增加焦炭CSR增加的趨勢(shì)，如對(duì)于肥煤類微強(qiáng)粘比從60%增加到80%，則焦炭CSR從40%增加到55%。微強(qiáng)粘比與焦炭CSR的對(duì)應(yīng)關(guān)系是由于微強(qiáng)粘指標(biāo)是截取了對(duì)焦炭質(zhì)量影響較大的鏡質(zhì)組比例，是中等變質(zhì)程度焦煤的比例，因此其比例增加焦炭質(zhì)量提高。

圖8 單種煤微強(qiáng)粘比與焦炭CSR的關(guān)系

3.5 多因素預(yù)測(cè)模型的研究

根據(jù)上述煉焦煤對(duì)焦炭熱強(qiáng)度影響的分析，可見(jiàn)其影響因素復(fù)雜，受到多個(gè)指標(biāo)的影響，除了粘結(jié)性指標(biāo)和變質(zhì)程度指標(biāo)以外，還應(yīng)考慮催化指數(shù)和微強(qiáng)粘比?；趯?duì)27種單種煤的試驗(yàn)，采用微強(qiáng)粘比WQN、鏡質(zhì)組最大反射率R、揮發(fā)分Vdaf、基氏流動(dòng)度LGMF、膠質(zhì)層最大厚度Y、粘結(jié)指數(shù)G、催化指數(shù)MCI和灰分Ad這8個(gè)指標(biāo)利用最佳子集逐步回歸，得到的結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 最佳子集回歸數(shù)據(jù)表

由表3可以看出，若為單變量預(yù)測(cè)以WQN最佳，R次之；若為2變量預(yù)測(cè)以WQN和R最佳，WQN和Vdaf次之；若為3變量預(yù)測(cè)以WQN、R和Vdaf最佳，以WQN、R和LGMF次之；若為4變量預(yù)測(cè)以WQN、R、LGMF和MCI最佳，以WQN、R、LGMF和Ad次之；若為5變量預(yù)測(cè)以WQN、R、LGMF、MCI和Ad最佳，WQN、R、LGMF、MCI和G次之；以此類推，直至8個(gè)變量全部用上。隨著變量的增加，相關(guān)系數(shù)呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，在2～4個(gè)變量時(shí)，相關(guān)系數(shù)最大，達(dá)到0.71以上，精確度Cp較小且標(biāo)準(zhǔn)差S較小?；貧w分析可知，焦炭強(qiáng)度CSR的預(yù)測(cè)以2～4個(gè)變量為宜。

由于煉焦配煤理論上涉及粘結(jié)性能、變質(zhì)程度及雜質(zhì)等多種因素，因此認(rèn)為預(yù)測(cè)變量不應(yīng)少于3個(gè)，結(jié)合回歸分析結(jié)果，預(yù)測(cè)變量3個(gè)和4個(gè)最佳。分別選取3個(gè)和4個(gè)指標(biāo)進(jìn)行回歸分析，得到的焦炭CSR預(yù)測(cè)模型見(jiàn)表4。

表4 焦炭CSR預(yù)測(cè)模型

由表4可以看出，選用4個(gè)模型進(jìn)行預(yù)測(cè)的相關(guān)系數(shù)相近，推薦采用4個(gè)參數(shù)，即WQN、R、LGMF和MCI進(jìn)行預(yù)測(cè)，可以充分考慮到雜質(zhì)對(duì)焦炭質(zhì)量的影響。

4 結(jié)論

(1)煉焦煤的指標(biāo)中變質(zhì)程度明顯影響焦炭熱強(qiáng)度，單種焦炭CSR總體上隨著揮發(fā)分的增加而降低；適度的粘結(jié)性能是煉制優(yōu)質(zhì)焦炭的基礎(chǔ)，LGMF在2.0～3.0的范圍內(nèi)的焦煤的單種焦炭CSR較高。

(2)高強(qiáng)度焦炭集中在單種煤揮發(fā)分在20%～26%且粘結(jié)指數(shù)在82～88的范圍內(nèi)，低強(qiáng)度焦炭則為揮發(fā)分大于34%，粘結(jié)指數(shù)小于86的范圍內(nèi)。以粘結(jié)指數(shù)和揮發(fā)分的預(yù)測(cè)模型相關(guān)系數(shù)較低，為R-sq為74.70%。高強(qiáng)度焦炭集中在單種煤反射率在1.2%～1.4%且基氏流動(dòng)度在2.0～3.0的范圍內(nèi)，低強(qiáng)度焦炭則為反射率低于0.8%的范圍內(nèi)。以基氏流動(dòng)度和反射率的預(yù)測(cè)模型相關(guān)系數(shù)更低，為R-sq為66.35%。

(3)單種煤的催化指數(shù)增加使單種焦炭CSR降低，若按煤分類同樣存在催化指數(shù)增加焦炭CSR降低的趨勢(shì)，單種煤的灰成分催化指數(shù)對(duì)焦炭CSR的影響是由于堿金屬和堿土金屬對(duì)CO2反應(yīng)性的催化作用以及SiO2、Al2O3、P2O5對(duì)CO2反應(yīng)性的抑制作用造成的。

(4)總體來(lái)看，單種煤的微強(qiáng)粘比增加則單種焦炭CSR增加，若按煤種分類，同樣存在微強(qiáng)粘比增加焦炭CSR增加的趨勢(shì)，如對(duì)于肥煤類微強(qiáng)粘從60%增加到80%，則焦炭CSR從40%增加到55%。微強(qiáng)粘比之所以與焦炭CSR的對(duì)應(yīng)關(guān)系是由于微強(qiáng)粘指標(biāo)是截取了對(duì)焦炭質(zhì)量影響較大的鏡質(zhì)組比例，是中等變質(zhì)程度焦煤的比例，因此其比例增加焦炭質(zhì)量提高。

(5)除了粘結(jié)性指標(biāo)(包括G和LGMF)和變質(zhì)程度指標(biāo)(包括R和Vdaf)以外，另外考慮催化指數(shù)和微強(qiáng)粘比，選取以上4類指標(biāo)進(jìn)行回歸分析，得到采用煤分類預(yù)測(cè)優(yōu)于全部整體預(yù)測(cè)，以采用指標(biāo)WQN、R、LGMF和MCI進(jìn)行預(yù)測(cè)，充分考慮到雜質(zhì)對(duì)焦炭質(zhì)量的影響。