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1、焦炭冷态强度的预测张 成，史世庄，石 峰，周清梅（武汉市燃气热力规划设计院，湖北，武汉）摘要：煤质指标预测焦炭质量并指导配煤已成为衡量配煤技术水平的一个重要标志。在全面综合国内外研究文献的基础上， 简介预测焦炭质量的基本原理和国内外预测的主要方法和其他新方法，着重介绍了预测焦炭冷态强度的具体方法，提出了焦炭质量预测中存在的问题。关键词：焦炭；预测；冷态强度；质量在钢铁工业中，焦炭起着还原剂、热源和骨架的重要作用。因此，对其质量要求严格，主要包括：灰分低、含硫量少、强度大、各向异性程度高，且随着高炉工艺的发展，对焦炭质量的要求逐渐升高。用实验室的煤质指标预测焦炭质量并指导配煤，使焦炭质量稳定在所
2、要求的范围内，这已成为衡量配煤技术水平的一个重要标志。随着高炉大型化和高炉操作自动化，对炉料稳定的要求越来越迫切。对于自动化操作的大型高炉，焦炭质量波动，势必增大焦比。因此，焦炭质量稳定与否，直接关系到高炉的经济效益。1. 预测焦炭质量基本原理大量的研究和生产实践表明，焦炭质量主要取决于煤质与工艺条件。预测焦炭质量是用若干煤质指标，不经实验，能定量地获得焦炭质量中的某些指标。煤质主要包括工艺性质、煤化度指标、黏结性指标、灰成分指标及煤岩学指标。其中用煤岩学观点和方法来预测焦炭质量指导配煤是应用煤岩学发展中的一项重要任务。凡是论证比较充分、效果比较良好的焦炭质量预测方法几乎很少不与煤岩学发生联系
3、 1,2。煤岩配煤的基本原理如下：（1）煤是不均一的物质。自从煤岩学问世以来，就公认煤是一中复杂的有机物质和无机物质混合体。煤中有机物质的性质不同，在配煤中的作用不同。因此，可以说每种煤是天然的配煤。由于天然配煤不按照人的主观愿望配合，故绝大部分煤都不合乎单独炼焦的要求。为便于应用，把煤的有机物质按照其在加热过程中能熔融并产生活性键的成分，视作有黏结性的活性成分；加热不能熔融的、不产生活性键的，为没有黏结性的惰性成分 2,3。这种划分完全是根据试验结果得出的，即根据煤在加热过程种变化，用显微镜观察得出的结果。在炼焦煤阶段，镜质组和壳质组是活性成分，丝质组是惰性成分，半镜质组虽介于二者之间，但倾
4、向与惰性成分。（2）一种煤的活性成分的质量不是均一的，这可用反射率的分布图开解说，活性成分的质量差别可以很大，不但不同变质程度煤差别大，而且即使同一种煤，所含的活性成分的质量也可有相当差别 3,4。如果以反射率表示一种煤种所含不同性质的活性成分的组成，则每一种煤的活性成分反射率图都呈正态分布。活性成分的反射率分布图是决定炼焦煤性质的首要指标。（3）惰性成分与活性成分一样，同是配煤种不可缺少的成分，缺少或过剩都对配煤炼焦不利，都会导致焦炭质量下降。要得到所有求焦炭质量的配煤方案，实际上是不同质量不同数量的活性成分与适量惰性成分的组合。煤岩配煤与现行煤分类无关。确定一个煤的性质，主要视镜质组反射率
5、，反射率分布和惰性成分含量这 3 个指标而定。（4）成焦过程中，煤粒间并不是互相熔融而成为均一的焦块，而是通过煤粒间的界面反应，键合而联结起来成为焦块。炼焦煤隔绝空气炭化所得的焦炭，制成光片在镜下观察，都可以观察到颗粒的界线。这说明炭化过程中的可塑料带期间，煤粒间并没有互相熔融成为均匀的物质，而是煤颗粒内外同时并行地发生裂解和缩聚反应 5。煤颗粒产生的分解产物沿着煤粒的接触表面相互扩散，经进一步缩聚作用而形成焦块。因此，散装煤的黏结，只是颗粒间接触表面的结合。2. 焦炭质量预测的演绎：如果合理选择参数，从单种煤和配合煤的有关性质预测和控制焦炭质量，就能够很好地解决混煤再配合的问题，杜绝配入量不
6、均衡而造成的焦炭质量波动的情况，对焦炭生产将具有非常重要的现实意义。至今为止，已经发明和研究了多种焦炭质量的预测方法，这些方法基本可分为三类：(1) 工艺指标法20 世纪 50 年代，英国吉布森等提出用煤的挥发分和全膨胀度预测合格焦炭强度的范围，并得出结论认为，当煤的挥发分为 24%30%，全膨胀度大于50%时，可以得到强度好的焦炭。1959 年，日本西尾醇提出，以煤的挥发分和基氏最大流动度为指标预测焦炭质量。以后由宫津隆等发展为以煤的镜质组反射率和基氏流动度来预测焦炭强度，得出了在 Rmax 为 1.2%到 1.3%和流动度在2001000ddpm 的范围内时，焦炭的强度可大于 90.92%
7、的结论。此法曾在日本工业生产中应用。20 世纪 70 年代美国矿务局采用煤的工业分析，煤的元素分析与焦炭之间的回归方程来预测焦炭强度 6,7。前苏联用挥发分和最大胶质层厚度控制焦炭质量。中国采用挥发分和最大胶质层厚度，或挥发分和粘结指数 G来预测焦炭质量。 (2) 煤岩指标法1957 年，苏联阿莫索夫采用以煤的镜质组反射率分布和惰性组分为基础，预测焦炭强度。1961 年，美国夏皮洛和格雷等对此法加以发展，用计算得到的焦炭强度指数和组成平衡指数预测焦炭强度。到 20 世纪 70 年代此法在日本新日铁等钢铁公司得到改进和普遍应用 8,9。该法以煤的煤岩组分和活性成分的反射率为基础原料，把煤的显微组
8、分划分为两大类：活性成分=镜质组 +稳定组 +1/3 半镜质组惰性成分=丝质组 +2/3 半镜质组+矿物质并将活性组分以反射率 0.1%为间隔，从 0.3%2.1%分为 18 类，以此标志煤的变质程度，参加配煤的每一种单种煤都必须测定并做出这样的反射率分布图解。此外，1964 年澳大利亚布朗等用煤的镜质组反射率，把微镜煤与微亮煤结合起来的煤岩成分和坩埚膨胀序数，预测了块焦落下强度。1966 年，美国汤姆逊以煤的惰性组分含量和镜质组反射率，预测焦炭稳定性因素 10,11。(3) 综合因素预测法以德国莫西斯为代表，在预测焦炭强度时即考虑到装炉煤本身内在的因素起决定性影响，又考虑到炼焦等外部条件的作
9、用 12,13。在这一方法中，采用的参数是煤化度、结焦性、粒度组成和炼焦条件。3. 焦炭冷态强度预测的具体方法3.1 挥发分粘结性参数预测法3.1.1 Vdaf C.I 法该法的粘结性参数采用粘结力参数 C.I，是以 1g 空气干燥粉煤样与 9g 无水焦粉混合后，在 950+20 C 下炭化 7 分钟后，以炭化物中大于 297m 的筛上物占原料的百分比作为 C.I 值 13,14。以 Vdaf 和 C.I 两个参数作图，适宜的炼焦配煤区为 Vdaf=2731%，C.I=8791%。这种方法对于预测配入大量弱粘结性煤的配合煤所得焦炭的质量比较灵敏。3.1.2 Vdaf MF 法该法以基氏最大流动
10、度 MF 作为粘结性指标，在 Vdaf MF 配煤图中将烟煤分为九类。最佳配煤区为 Vdaf=3237%；MF =15007000ddpm。3.1.3 Vdaf G 法北京煤化研究所在进行中国煤炭分类方案研究的基础上，提出用粘结指数G 作为粘结性指标， ，并得出了 VdafG 配煤图（图 1） ，最佳配煤区的Vdaf=2820%，G=5872。图 1 VdafG 配煤图图 2 VdafG 等强度曲线以 VdafG 预测焦炭强度的等强度曲线如图 2 所示。由图表明，当 Vdaf310kg 时可符合优质冶金焦的要求 22,23。阿莫索夫拟定的方法奠定了 CBISI 预测法的基础，开创了煤岩学应用于
11、焦炭强度的预测。3.3.2 夏皮洛法美国钢铁公司夏皮洛在阿莫索夫方法基础上进一步发展和完善了这种煤岩配煤法，提出了 CBI-SI 预测焦炭强度的方法 24。他也把煤的显微组分分为两大类，即活性组分和惰性组分。活性组分=镜质祖+稳定组+1/3 半镜质组惰性组分=丝质组+2/3 半镜质组+矿物组他的主要发展是把活性成分（主要是镜质组）按 0.1%为间隔，把 Rmax =0.32.1%的煤分成 18 个组型，一次标志煤的变质程度，在结焦过程中每一组型的活性组分均有其最佳的惰性组分配比。配合煤中实际的惰性组分含量与按活性组分最佳比得到的最佳惰性组分含量之比是标志配合煤中实际惰性组分含量是否合适的一个指
12、标，称组成平衡指数（CBI） 25,26。夏皮洛以 CBI 为横坐标和 SI 为纵坐标作出了一组预测焦炭强度的等强度曲线（图 3） ，实测和预测强度的相关系数为 0.93，因此可较好的指导配煤。图 3 用 CBISI 预测焦炭稳定度因素图当 CBI=1 时，配合煤中惰性组分含量最合适， CBI1 则惰性组分含量太高，CBI1 则惰性组分含量太低。3.4 煤岩参数和粘结性参数预测法3.4.1 镜质组反射率奥亚膨胀度预测法荷兰的 Krevelex 于 1958 年提出了以镜质组反射率 和用惰性组分含量计maxR算的奥亚总膨胀度 T.D.预测焦炭稳定度因素的方法。总膨胀度按下式计算T.D.=T.D0
13、VIf式中 T.D0无惰性组分时的总膨胀度；V镜质组含量，If惰性因素，它标志惰性组分对膨胀度的影响。3.4.2 镜质组反射率惰性组分含量预测法1996 年美国勃利恒钢铁公司的 Thonmpson 提出以镜质组分反射率 和惰maxR性组分含量 IC 作为预测焦炭强度的指标。考虑到高反射率、低粘结性的镜质组含大量半惰性 惰性的组分， Thonmpson 称之为加镜质组，由此引出了有效惰性组的概念 27,28。有效惰性组=惰性组分+ 假镜质组 其中所含惰性组；惰性组分=惰性组 +2/3 半镜质组+0.6（灰分+硫分）分别 =0.81.3%和 =1.41.8%绘制 有效惰性组的预测焦炭maxRmax
14、RmaxR稳定度因素图。 =0.81.3%时，焦炭强度随 提高而增大， 1.4%时，a maxR焦炭强度随 提高而降低。mx3.4.3 镜质组反射率最大流动度预测法日本钢管宫津隆等在研究 CBI 过程中发现 CBI 与煤的最大流动度 MF 密切相关，但用 CBI、反射率预测焦炭强度时所得到的规律性不如用 MF 和反射率预测焦炭强度。这可能是由于各国煤的惰性组分评价方法有差异，因此宫津隆提出以煤的 和 MF 综合反映煤的结焦性质， MF 包含了惰性组分的质和量因maxR素，通过试验得出了 MF 预测图。 ax加拿大的 Leeder，以加拿大煤研究了各国采用的预测方法，得出当以半丝质组的 50%作
15、为活性组分时，以 MF 法预测焦炭强度得到良好效果 28。maxR3.4.4 镜质组反射率惰性组分容惰能力预测法中国周师庸教授于 80 年代初在对新疆钢铁公司的配煤预测焦炭强度的研究中，为全面反映煤的特性，采用镜质组反射率作为煤化度指标，以惰性组分含量作为煤岩组成指标，还通 过试验选择罗加指数或容惰能力作为煤的还原maxR程度指标，周师庸定义的容惰能力是通过在煤中加入不同数量的惰性物质后（如无烟煤） ，考察奥亚总膨胀度的变化来获得 29,30。在对新疆钢铁公司配煤的研究中发现，当镜质组平均最大反射率 0.6%时，煤加热时不软化熔融，max故以 =0.6%作为划分镜质组属于惰性组份还是活性组分的
16、界限，据此对煤的maxR镜质组反射率和惰性组分含量加以校正，得到校正后的值，分别为 和 。maxRI以上几种采用煤岩参数的预测方法表明，各国或不同地区在划分活性组分和惰性组分时均根据实际试验结果，加以修正和确定。3.5 用煤料性质和操作参数结合预测焦炭强度的方法由于操作工艺因素的多变，仅以煤料性质预测焦炭强度的方法，常因操作条件与提出预测方程或图表时的工艺条件不同，而影响预测技术的实际应用。因此焦炭质量预测方法发展的一个预测是同时包括煤料性质和操作参数两方面的指标。例如：日本美浦义在用 VdafMF 预测焦炭强度基础上加入了配合煤细度D（3mm，% ）水分 Wp（%） ，火道温度 t（） 、闷炉时间 Z（h）等因素，提出以下预测方程：时lg4MF150 0=2.9lg0.45.01.530.1()+.3167.985pdafIV
