加熱速度對焦炭質量影響研究

杜慶海 ，王超 ，王旭 ，趙鋒 ，肖澤堅

（1.鞍鋼股份有限公司煉焦總廠，遼寧 鞍山114021；2.鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009）

我國是煤炭大國，但煉焦煤資源相對匱乏，隨著高爐大型化發(fā)展及富氧噴吹等煉鐵技術的應用，高爐對焦炭質量的要求日漸提高，而當前配煤煉焦生產(chǎn)的主焦煤配比達到50%以上，優(yōu)質煉焦煤資源短缺問題越發(fā)凸顯，對配煤煉焦技術發(fā)展及生產(chǎn)進步提出了更高要求［1-5］。根據(jù)煉焦煤成焦特性，提高煉焦煤加熱速度，煤的軟化點和固化點均向高溫側移動，液態(tài)產(chǎn)物增加，膠質體塑性溫度范圍加寬、流動性改善，奧亞膨脹度顯著提高［6］。利用快速加熱，可以提高弱黏結性氣煤甚至長焰煤的黏結性，從而改善焦炭質量，擴大煉焦煤資源［7-8］。

為了研究加熱速度對焦炭質量的影響，給配煤煉焦生產(chǎn)提供理論支撐，對煉焦生產(chǎn)中常用主焦煤進行了黏結性指標試驗及配合煤300 kg煉焦試驗研究，分析了加熱速度對煤黏結性及煉焦過程影響情況。

1 試驗方法

根據(jù)生產(chǎn)用單種煤和配合煤情況，進行加熱速度變化條件下煤黏結性試驗。通過進行不同加熱速度、降溫速度條件下的配合煤煉焦試驗研究，獲得最佳溫度制度。根據(jù)最佳溫度制度進行配比優(yōu)化煉焦試驗，考察焦炭質量變化情況。

依據(jù)GB/T 5450-2014《煙煤奧阿膨脹計試驗》測定軟化溫度（T1）、開始膨脹溫度（T2）、固化溫度（T3）、最大收縮度（a）、最大膨脹度（b）。 依據(jù) GB/T 479-2000《煙煤膠質層指數(shù)測定方法》測定煙煤膠質層指數(shù)（Y）。參照GB/T 5447-2014《煙煤黏結指數(shù)測定方法》測定來煤黏結指數(shù)指標 （G）。依據(jù)GB/T 2006-2008《焦炭機械強度的測定方法》測定焦炭機械強度指標抗碎強度（M40）和耐磨強度（M10）。 依據(jù) GB/T 4000-2008《焦炭反應性及反應后強度試驗方法》測定焦炭熱態(tài)質量指標焦炭反應性（CRI）和焦炭反應后強度（CSR）。

采用300 kg頂裝試驗焦爐進行煉焦試驗，加熱方式為電加熱，煉焦終溫為1 020℃，結焦時間16 h。

試驗所用單種煤取自煉焦總廠，試驗用配合煤根據(jù)煉焦生產(chǎn)配煤方案制備得到，嚴格按照GB 475-2008《商品煤樣人工采取方法》取樣。

2 試驗結果與分析

為了研究加熱速度對焦炭質量影響情況，進行了加熱速度對煤黏結性影響、對煉焦過程影響研究以及在研究分析結果基礎上的優(yōu)化配煤試驗，具體試驗分析結果如下。

2.1 加熱速度對煤黏結性的影響

根據(jù)生產(chǎn)用煤分組情況，取煉焦常用的10種焦煤、5種肥煤、4種瘦焦煤及4個批次的配合煤樣，在完成工業(yè)分析、全硫、黏結指數(shù)、膠質層厚度、奧亞膨脹度等基礎檢測指標分析基礎上，進行改變加熱速度條件下的煉焦煤奧亞膨脹度指標試驗分析，在奧亞膨脹度測定升溫速度3℃/min的基礎上，分別進行5℃/min和10℃/min的黏結性試驗，考察煤的加熱速度對黏結性的影響。不同加熱速度條件下的各焦煤、肥煤、瘦焦煤、配合煤的奧亞膨脹度試驗結果分別如表1、表2、表3、表4所示。

表1 不同加熱速度條件下焦煤奧亞膨脹度試驗結果Table 1 Test Results of Audibert-Arnu Dilatation of Coking Coal under Different Heating Rates

表2 不同加熱速度條件下肥煤奧亞膨脹度試驗結果Table 2 Test Results of Audibert-Arnu Dilatation of Fat Coal under Different Heating Rates

表3 不同加熱速度條件下瘦焦煤奧亞膨脹度試驗結果Table 3 Test Results of Audibert-Arnu Dilatation of Lean Coal under Different Heating Rates

表4 不同加熱速度條件下配合煤奧亞膨脹度試驗結果Table 4 Test Results of Audibert-Arnu Dilatation of Blended Coal under Different Heating

結合表1～4可以看出：

（1）隨著加熱速度提高，各煤樣奧亞膨脹度的軟化溫度、開始膨脹溫度和固化溫度明顯向高溫側移動，軟化溫度區(qū)間增大，膠質體塑性范圍變寬，奧亞膨脹度顯著提高，煉焦煤黏結性得到改善。

（2）隨著加熱速度提高，焦煤、瘦焦煤的膨脹特性提高幅度明顯大于肥煤，但由于肥煤自身具有良好的膨脹特性，其軟化溫度區(qū)間增大量相對較大。可以看出，提高加熱速度可以更好的區(qū)分焦煤、瘦焦煤和配合煤的膨脹特性，但對肥煤的區(qū)分能力有所降低。因此，在煤質分析中可以根據(jù)煤種不同而選用不同升溫速度，以更好的區(qū)別煤種的膨脹特性。

根據(jù)煤的塑性成焦機理，加熱速度的提高能夠使塑性溫度區(qū)間變寬，改善流動性，有利于提高焦炭質量。當加熱速率較低時，單位時間內(nèi)煉焦煤揮發(fā)分的析出量較少，能夠比較容易的通過煤顆粒表面的孔隙向外部擴散，不會明顯增加煤顆粒內(nèi)部的壓力，揮發(fā)分氣體對煤顆粒形狀產(chǎn)生影響較小，因此，煤焦過程中的煤膨脹程度較小或者不發(fā)生膨脹。但隨著加熱速率的增加，揮發(fā)分產(chǎn)率隨之增大，氣體不能通過孔隙順利擴散出去，從而在煤顆粒內(nèi)部逐漸累積，造成壓力增大，促使煤顆粒發(fā)生膨脹。同時，加熱速率越高，單位時間內(nèi)產(chǎn)生的揮發(fā)性氣體相對越多，膨脹壓力越大，煤粒的流動性也越強，這也將使得最終形成的焦炭裂紋增大，焦炭塊度降低。因此，在配煤煉焦過程中，焦爐炭化室高度一定的情況下，寬炭化室焦爐煉焦速度較慢對黏結性較強、膨脹壓力較高的煉焦煤有利。

2.2 加熱速度對煉焦過程的影響

在完成加熱速度對煤黏結性試驗考察基礎上，開展300 kg試驗焦爐煉焦試驗，提高配合煤在形成膠質體到開始固化期間的加熱速度，研究加熱速度改善煤黏結性對煉焦過程的影響，考察焦炭質量變化情況。

根據(jù)成焦機理，快速加熱對半焦收縮是不利的，這是因為提高加熱速度使收縮速度加快，相鄰層的連接強度加大，從而收縮應力大，導致產(chǎn)生的裂紋多，故合理的加熱速度應是黏結階段快，收縮階段慢。本實驗在升溫速度和降溫速度方面設置如下：基準煉焦加熱制度為裝爐后3 h降溫至1 000℃，升溫速度10℃，煉焦終溫1 020℃。在基準煉焦加熱制度基礎上，對配合煤進行先升溫再降溫，最后降溫終溫回到1 020℃的煉焦試驗，考察不同升溫速度、升溫終溫、降溫速度條件下煉焦所得焦炭質量情況。

試驗所用配合煤指標如表5所示。

表5 試驗用配合煤指標Table 5 Indexes of Blended Coal for Testing

制定的各試驗方案及所得焦炭質量如表6所示。由表6可以看出：

（1）方案1～4主要考察了不同升溫速度對焦炭質量的影響。當試驗焦爐煉焦升溫速度提高至15℃/h，與基準方案相比，對焦炭的M40、M10及焦炭熱態(tài)強度指標CRI、CSR的影響較為明顯。其中，焦炭M40提高1.8個百分點，M10降低0.5個百分點，CSR提高1.8個百分點，CRI降低1.3個百分點。而當試驗焦爐煉焦升溫速度提高至20℃/h、25℃/h后，對焦炭質量影響變小。因此，在一定范圍內(nèi)提高煉焦加熱速度，有助于提高焦炭冷熱態(tài)質量。

（2）方案5～8主要考察了不同加熱終溫對焦炭質量的影響。當試驗焦爐煉焦升溫速度提高至15℃/h、升溫終溫達到1 060℃時，與基準試驗方案相比，焦炭M40提高2個百分點，M10降低0.6個百分點，CSR提高2.3個百分點，CRI降低1.7個百分點。試驗表明，加熱終溫對焦炭冷、熱態(tài)強度指標具有一定影響。

（3）方案9～12主要考察了不同降溫速度對焦炭質量的影響。當試驗焦爐煉焦升溫速度提高至15℃/h、升溫終溫達到1 060℃時、降溫速度達到10℃/h，與基準方案相比，焦炭M40提高4.3個百分點，M10降低0.8個百分點，CSR提高4個百分點，CRI降低2.9個百分點，達到了實驗條件下的最好水平。

綜合上述結果可以看出，煉焦加熱速度、升溫終溫、降溫速度等因素對焦炭質量存在較為明顯的影響，其中試驗條件下獲得的最佳溫度制度為升溫速度15℃/h、升溫終溫1 060℃、降溫速度10℃/h。

表6 煉焦試驗方案及所得焦炭質量Table 6 Coking Test Plan and Quality of Coke Produced in Testing

2.3 最佳溫度制度在提高弱黏煤配煤方面的應用

采用最佳溫度制度，通過配比調整，增加弱黏結性1/3焦煤用量，降低強黏結性肥煤配入量，考察焦炭質量變化情況。配煤煉焦試驗方案如表7所示，配煤質量及所得焦炭質量結果如表8所示。

由表7、8中試驗數(shù)據(jù)可以看出，調整配煤比例，1/3焦煤配比提高3個百分點，肥煤配比降低3個百分點，即方案2#，焦炭M40提高1.7個百分點，M10下降0.1個百分點，焦炭熱態(tài)指標基本穩(wěn)定；調整配煤比例，1/3焦煤配比提高加5個百分點，肥煤配比降低5個百分點，焦炭強度指標整體出現(xiàn)明顯降低。因此，在保證焦炭質量的基礎上，根據(jù)最佳試驗升溫方案，提高弱黏結性1/3焦煤配比提高3%的用量，能夠達到焦炭質量提升、節(jié)約優(yōu)質主焦煤用量的效果。

表7 配煤煉焦試驗方案Table 7 Test Plan of Blended Coal for Coking

表8 配煤質量及所得焦炭質量Table 8 Blended Coal Quality and Quality of Coke Produced in Testing

以煉焦產(chǎn)能730萬t計算，年消耗洗精煤約1 000萬t，如在配煤煉焦生產(chǎn)中進行此技術的應用，按1/3焦煤配比增加3%，肥煤配比減少3%，預計可實現(xiàn)年降本增效1 000萬元以上。因此，提高煤加熱速度能夠增加一定量的弱黏結性煉焦煤用量，同時有利于焦炭質量提高，此外還能節(jié)約優(yōu)質主焦煤用量，具有一定的降本提質及資源保護效果。

3 結論

為研究煉焦加熱速度對焦炭質量影響，給配煤煉焦生產(chǎn)提供技術支撐，進行了煉焦加熱速度對焦炭質量影響試驗，分析了加熱速度對煉焦煤黏結性影響以及煉焦過程加熱速度、升溫終溫、降溫速度等因素對焦炭質量的影響，得出最佳溫度制度，用于提高弱粘煤配比的試驗后得到如下結果：

（1）提高煉焦加熱速度，各煤樣奧亞膨脹度的軟化溫度、開始膨脹溫度和固化溫度均呈上升趨勢，各指標明顯向高溫側移動，軟化溫度區(qū)間增大，膠質體塑性范圍變寬，奧亞膨脹度顯著提高，煤的黏結性隨升溫速度的提升明顯改善，其中瘦焦煤和焦煤的提升幅度明顯大于肥煤。

（2）提高煤的加熱速度，有利于提高焦炭質量。在試驗用煤條件下，得到最佳溫度制度：煉焦升溫速度為15℃/h、升溫終溫為1 060℃時、降溫速度為10℃/h。在此條件下，焦炭M40提高了4.3個百分點，M10降低了了0.8個百分點，CSR提高了4個百分點，CRI降低了2.9個百分點。

（3）最佳溫度制度用于弱黏結性煉焦煤配比試驗時，能夠增加弱黏結性1/3焦煤用量3個百分點，同時實現(xiàn)焦炭質量穩(wěn)定向好。