配合煤配比对焦炭综合热性质的影响*

程 欢 王新东 曾义君 梁英华 晁世永 谷 毅 孔德文 孙 章

(1.华北理工大学化学化工学院，063210 河北唐山；2.河钢股份有限公司唐山分公司，063016 河北唐山；3.华北理工大学管理学院，063210 河北唐山)

0 引 言

炼焦工业中采用几种不同变质程度炼焦煤按适当比例配合的方式进行焦炭生产，一般包括气煤、1/3焦煤、肥煤、焦煤和瘦煤等[1-2]。通常采用黏结性指标评价炼焦煤的性质，包括黏结指数G、胶质层指数Y和奥亚膨胀度指数b等[3-5]。虽然目前有胶质层重叠、互换性和共炭化等配煤原理，但生产上仍根据胶质层重叠的原则进行炼焦配煤，即配合煤料的塑性区间尽量拓展，从而使焦炭具有较低的反应性CRI和较高的反应后强度CSR指标[6-8]。

现有炼焦配煤方法的目标量均是焦炭的反应性指标CRI和反应后强度指标CSR。然而，这两个指标是否能充分模拟焦炭在高炉中的劣化行为以及能否准确评价焦炭热性能，一直存在争议。一是生产上出现了CRI和CSR指标无法解释的特殊现象，例如我国八一钢铁厂由于大幅度利用新疆自产煤，焦炭的反应后强度CSR指标只有30%～50%，但仍可用于大高炉炼铁[9]。二是部分学者对CRI和CSR指标的科学性提出了质疑，一些日本学者[10-11]提出高CRI焦炭同样可以用来高炉炼铁；BARNA-BA[12]也认为由溶损反应导致的焦炭溶蚀量在25%左右，解释了一些高CRI焦炭可用于高炉炼铁，同时也证实了国家标准CRI和CSR测定方法中恒反应时间2 h的缺陷性；WANG et al[13]认为国家标准CRI和CSR测定方法只检测1 100 ℃一个温度点，对焦炭在高炉中由低温到高温劣化条件的模拟存在不足。

本研究拟突破焦炭传统国家标准热性质评价CRI和CSR指标限制，基于国内某钢铁厂实际采用过的配合煤的配比实施40 kg焦炉炼焦试验，检测炼制焦炭的综合热性质指标信息，探究配合煤的配比对焦炭综合热性质的影响规律，进而为企业使用一些廉价煤提供理论参考。

1 实验部分

1.1 实验样品

通过对国内某重点钢铁企业进行调研，选取了该企业工业生产中曾使用过的3种配合煤的配比展开研究，具体的配比情况见表1。由表1可知，该企业配煤方案中采用的主要煤种为1/3焦煤、肥煤、焦煤和瘦煤。其中，1#配煤方案中1/3焦煤、肥煤、焦煤和瘦煤的配比分别为17%，19%，48%和16%。2#配煤方案与1#配煤方案相比，1/3焦煤和瘦煤配比基本不变，主要是肥煤的配比提高了7%。3#配煤方案与1#配煤方案相比，肥煤和瘦煤的配比基本不变，主要是1/3焦煤的配比提高了10%。

表1 三种配合煤的配比Table 1 Proportion of three blended coals

对3种配合煤的一系列性质评价指标进行检测，包括工业分析、黏结性指标和煤岩指标。工业分析测定方法参照GB/T 212-2008；黏结性指标中黏结指数测定方法参照GB/T 5447-2014，胶质层指数测定方法参照GB/T 479-2016；煤岩指标中的镜质体反射率测定方法参照GB/T 6948-2008。

1.2 40 kg焦炉配煤炼焦试验

采用新型环保荷重40 kg焦炉对3种配合煤实施炼焦试验。配合煤的细度(即粒度)小于3 mm的煤样质量占总煤样质量的百分比保持在85%左右。每次炼焦试验干基装煤量为40 kg，水分控制在10%左右，堆密度为0.75 t/m3。焦炉采用电加热，炼焦煤入炉炉膛温度为800 ℃，升温速率为3 ℃/min，炉膛最高设定温度为1 050 ℃，结焦时间为20 h。

1.3 焦炭热性质的检测方法及指标

对40 kg焦炉炼制焦炭的热性质进行测定。将焦炭试样加工至23 mm～25 mm，每种焦炭缩分出9组，每组试样质量为200 g±0.5 g。首先对国家标准热性质指标反应性CRI和反应后强度CSR进行测定，方法参照GB/T 4000-2017，焦炭试样在1 100 ℃与CO2气体反应2 h。然后，利用自主研制的装置对焦炭的综合热性质指标进行测定，实验装置见图1[14]。与常规国家标准热性质检测装置不同的是，该装置是一种支撑式大型热重装置。常规装置只能在1 100 ℃条件下使焦炭与CO2发生反应，而该装置可设置不同的目标温度，在变温和恒温多种温度制度条件下使焦炭与CO2发生反应，并实时记录焦炭试样的失重，最高加热温度可达到1 600 ℃。

图1 实验装置Fig.1 Schematic diagram of experimental apparatus

焦炭综合热性质评价方法包含三个试验：一是变温-恒温等溶损试验，将焦炭试样在CO2气氛下以5 ℃/min的升温速率加热，测定焦炭的起始反应温度ti(℃)，即焦炭试样溶损速率达到0.1%/min时对应的温度，当温度升至1 100 ℃时开始恒温，直至焦炭溶损率达到25%，计算整个过程的平均溶损速率vCR，non-iso-25(%/min)，作为代表焦炭反应性的指标。采用与国家标准相同的Ⅰ型转鼓装置及方法测定反应后焦炭的等溶损反应后强度CSRnon-iso-25(%)，作为代表焦炭反应后强度的指标；二是1 050 ℃，1 100 ℃，1 150 ℃，1 200 ℃，1 250 ℃和1 300 ℃六个温度点下的恒温等溶损试验，将焦炭试样在惰性气体保护下事先升温至以上指定温度，而后与CO2气体发生反应，直至溶损至25%，再通过Ⅰ型转鼓装置测定其恒温条件下的等溶损反应后强度CSRiso-25(%)；三是热处理试验，在变温-恒温等溶损试验焦炭溶损至25%的基础上，将CO2切换为惰性的N2进行保护，继续以5 ℃/min的升温速率升温至1 500 ℃，恒温30 min再停止加热，以该过程的质量损失率作为高温热失重率指数ICPHT(%)，冷却以后的焦炭经Ⅰ型转鼓装置测得热处理后强度SCPHT(%)。

2 结果与讨论

2.1 配合煤的基本性质

采用以上3种配煤方案得到的配合煤的工业分析指标见表2，黏结性和煤岩指标见表3。

由表2可知，3种配合煤的水分含量在1%～2%，灰分含量均在10%左右。1#配合煤的挥发分含量为22.48%，2#和3#配合煤由于各自大幅度提高了肥煤和1/3焦煤的配比，挥发分含量均略有升高，分别为23.09%和23.43%。而随着肥煤和1/3焦煤配比的提高，固定碳含量略有降低，由1#配合煤的66.20%分别降至2#配合煤的65.92%和3#配合煤的64.46%。

表2 三种配合煤的工业分析指标Table 2 Proximate analysis of three kinds of blended coals

由表3可知，1#配合煤的黏结指数G为82.28，随着肥煤和1/3焦煤大比例增配，2#和3#配合煤均显示出黏结指数降低的趋势，2#和3#配合煤的黏结指数分别为80.62和80.65。与1#配合煤相比，2#和3#配合煤的胶质层最大厚度Y值却没有降低，而是与1#配合煤的胶质层最大厚度相同，均为17.0 mm。配合煤的以上黏结性指标说明，肥煤和1/3焦煤大批量地配入，主要影响配合煤的黏结能力，并不影响胶质体的量。1#配合煤的镜质体平均最大反射率Rmax值为1.388%，随着肥煤和1/3焦煤配比的增大，配合煤的Rmax值降低，2#和3#配合煤的Rmax值分别为1.338%和1.279%。由于1/3焦煤的变质程度低于肥煤的变质程度，所以3#配合煤的Rmax值低于2#配合煤的Rmax值。

表3 三种配合煤的黏结性和煤岩指标Table 3 Indexes of caking property and coal petrography of three kinds of blended coals

总结3种配合煤的各项基本性质评价指标可知，无论增配肥煤还是1/3焦煤，配合煤的挥发分含量升高，固定碳含量降低，黏结指数降低，镜质体平均最大反射率降低。

2.2 配合煤配比对焦炭传统国家标准热性质指标的影响

采用3种配合煤、40 kg焦炉炼制的焦炭的传统国家标准热性质指标反应性CRI和反应后强度CSR见表4。

表4 三种焦炭的传统国家标准热性质指标Table 4 Traditional national standard thermal property indexes of three coke samples

由表4可知，1#焦炭的反应性CRI指标为23.38%，反应后强度CSR指标为62.55%。当肥煤配比增大，2#焦炭的反应性指标CRI略有降低，反应后强度CSR指标略有升高，分别为22.05%和64.02%。当1/3焦煤配比升高，3#焦炭的反应性CRI指标和反应后强度CSR指标与1#焦炭相应指标相比，基本相同，分别为23.39%和62.50%。

综上可知，随着肥煤和1/3焦煤大比例增配，由于以上两种煤均具有较低的变质程度，导致配合煤的变质程度有降低的趋势(由Rmax指标看出)，挥发分含量升高(见表2)。然而，由配比变化导致的配合煤黏结性指标的改变(黏结指数G值降低)并未显现在焦炭的传统国家标准热性质指标CRI和CSR上。增配肥煤和1/3焦煤，焦炭的CRI指标并未大幅升高，CSR指标也没有大幅降低，这可能与配合煤在成焦过程中维持了一定的胶质体的量有关(由胶质层最大厚度Y值看出)。

2.3 配合煤配比对焦炭综合热性质指标的影响

2.3.1 变温-恒温等溶损试验

通过变温-恒温等溶损试验测得的3种焦炭反应温度和焦炭失重率与反应时间的关系见图2，测定的综合热性质指标(包括起始反应温度ti、平均溶损速率vCR，non-iso-25和等溶损反应后强度CSRnon-iso-25)见表5。

由图2可知，3种焦炭的失重率与反应时间的关系曲线基本重合，说明3种焦炭在中低温区的溶损行为较为接近。在反应开始阶段，与1#和3#焦炭相比，2#焦炭的失重率曲线偏向右下方，表明2#焦炭的起始反应温度略高于1#和3#焦炭的起始反应温度，这可由表5得到证实。2#焦炭的ti值为1 006 ℃，略高于1#焦炭的991 ℃和3#焦炭的992 ℃。当反应进入到中间阶段，温度达到1 100 ℃一段时间以后，3种焦炭的失重率曲线几乎完全重合。当反应进入到末段，失重率曲线由左到右的3种焦炭依次为3#、1#和2#焦炭，说明3#焦炭溶损至25%所需的时间略短于1#和2#焦炭溶损至25%所需的时间。这也表明3#焦炭的平均溶损速率略大于1#和2#焦炭的平均溶损速率。由表5可知，3#焦炭的vCR，non-iso-25值为0.160 3%/min，略大于1#焦炭的0.155 3%/min和2#焦炭的0.158 2%/min。

图2 反应温度和焦炭失重率与反应时间的关系Fig.2 Relationship between reaction temperature, weight loss rate and reaction time

vCR，non-iso-25指标同样可以被看作是代表焦炭反应性的指标，与CRI指标表现规律不同的是，增配低阶的肥煤和1/3焦煤，vCR，non-iso-25指标显示焦炭的反应性均有升高的趋势；从反应后强度指标来看，总体上3种焦炭的CSRnon-iso-25指标均低于CSR指标，这可能与试验条件变化导致焦炭的溶损程度不同有关。与CSR指标表现规律不同的是，CSRnon-iso-25指标显示增配肥煤会使焦炭的热强度值降低，由1#焦炭的60.29%降至2#焦炭的57.64%；而增配1/3焦煤后焦炭的热强度值变化较小，3#焦炭的热强度值为59.36%(见表5)。

表5 由变温-恒温等溶损试验得到的3种焦炭的综合热性能指标Table 5 Comprehensive thermal property indexes of three coke samples obtained from the same weight loss reaction test at variable-constant temperature condition

2.3.2 恒温等溶损试验

通过恒温等溶损试验测定的3种焦炭的综合热性质指标，即恒温等溶损反应后强度CSRiso-25见表6。六个不同温度下测得的热强度CSRiso-25值与CSR指标的差值见表7。

表6 由恒温等溶损试验得到的3种焦炭的综合热性能指标Table 6 Comprehensive thermal property indexes of three coke samples obtained from the same weight loss reaction test at constant temperature condition

表7 不同温度条件下测得的CSRiso-25值与CSR指标的差值Table 7 Differences between CSRiso-25 values measured at different temperatures and the CSR index

由表6可知，1 050 ℃时1#焦炭的CSRiso-25值为61.90%，2#和3#焦炭的CSRiso-25值均低于1#焦炭的CSRiso-25值，分别为59.10%和60.44%，其中2#焦炭的CSRiso-25值最低。由表7可知，1 050 ℃时测得的3种焦炭的CSRiso-25值均低于CSR指标，其中2#焦炭降低的幅度最大，为4.92%。1 100 ℃时测得的3种焦炭的CSRiso-25值变化规律基本与1 050 ℃时测得的3种焦炭的CSRiso-25值变化规律一致，只是热强度值更低。1 150 ℃时3种焦炭的CSRiso-25值变化规律发生较大变化，2#和3#焦炭的CSRiso-25值均略高于1#焦炭的CSRiso-25值，分别为55.47%和55.23%；与CSR指标相比，1 150 ℃时测得的3种焦炭的CSRiso-25值都出现了大幅度降低，降幅达到了7%～8%。1 200 ℃时3#焦炭的CSRiso-25值明显高于1#和2#焦炭的CSRiso-25值，为57.10%，与CSR指标相比得到的差值也最小，为5.40%。1 250 ℃时2#焦炭的CSRiso-25值明显低于1#和3#焦炭的CSRiso-25值，为54.99%，与CSR指标相比得到的差值也最大，为9.03%。1 300 ℃时2#焦炭的CSRiso-25值最低，为58.85%，而3#焦炭的CSRiso-25值最高，为60.95%；2#焦炭的CSRiso-25值与CSR指标的差值最大，为5.17%，而3#焦炭的CSRiso-25值与CSR指标的差值最小，为1.55%。

分析以上恒温等溶损试验测得的结果可知，不同温度点下测定的3种焦炭的热强度值高低规律并不一致，说明反应温度对等溶损反应后强度CSRiso-25值具有重要影响。3种焦炭在不同温度点测得的CSRiso-25指标随反应温度的变化如图3所示。

图3 CSRiso-25指标与反应温度的关系Fig.3 Relationship between CSRiso-25 index and reaction temperature

由图3可知，3种焦炭的CSRiso-25值均随反应温度的升高呈现先降低后升高的趋势。这主要与反应温度对焦炭的溶损反应模式产生重要影响有关[15]。焦炭与CO2发生的溶损反应是典型的气-固两相反应，焦炭又是多孔体，溶损反应模式主要取决于焦质的气化反应速率和CO2气体沿焦体气孔的内扩散阻力，而焦炭的劣化是以上两者竞争的结果。低温条件下，焦质的气化反应速率慢，焦炭的溶损主要受气化反应速率控制，焦块呈整体破损，因此测得的焦炭热强度值较高。随着反应温度升高，焦质的气化反应速率加快，焦炭的溶损受气化反应速率和内扩散阻力混合控制，焦块呈局部“劣化带”形式破损，因此测得的热强度值较低。当反应温度进一步升高，焦质的气化反应速率进一步加快，焦炭的溶损主要受内扩散阻力控制，焦块呈表面破损，保护了内核，因此测得的热强度值较高。

结合表6和图3可知，无论是增配肥煤得到的2#焦炭还是增配1/3焦煤得到的3#焦炭，低温条件(1 050 ℃和1 100 ℃)下的热强度值均较低。但当反应温度达到1 150 ℃，3种焦炭的CSRiso-25-t曲线基本汇于一点，三者的热强度值较为接近。当反应温度进一步升高(高于1 150 ℃)，2#焦炭的热强度值仍低于1#焦炭的热强度值，尤其是当温度超过1 200 ℃，两者热强度值差距变大。然而，3#焦炭的CSRiso-25-t曲线却与1#焦炭的曲线在1 150 ℃实现交叉，当反应温度高于1 150 ℃，3#焦炭的热强度值高于1#焦炭的热强度值。从以上分析可知，对增配肥煤得到的焦炭，在多数温度点测得的热强度值均较低，焦炭的综合热性质较差。但增配1/3焦煤，使焦炭在高温区的热强度值提高，焦炭的综合热性质较好。因此，由恒温等溶损试验结果可知，增配肥煤不利于焦炭的综合热性质，而增配1/3焦煤有利于提高焦炭在高温区的热强度。

2.3.3 热处理试验

通过热处理试验测定的3种焦炭的综合热性质指标，即高温热失重率指数ICPHT和热处理后强度SCPHT见表8。

由表8可知，3种焦炭的高温热失重率指数ICPHT较为接近，均在6%左右，其中3#焦炭的高温热失重率指数略高，为6.15%；3种焦炭的热处理后强度SCPHT也比较接近，其中1#焦炭的SCPHT值略高于2#和3#焦炭的SCPHT值，为57.06%。总体来看，无论是增配肥煤还是1/3焦煤，对焦炭的耐高温热性质影响不大。

表8 由高温热处理试验得到的3种焦炭的综合热性能指标Table 8 Comprehensive thermal property indexes of three coke samples obtained from the high temperature heat treatment test

从代表焦炭中低温热性能的国家标准CRI和CSR指标及变温-恒温等溶损试验测得的ti，vCR，non-iso-25和CSRnon-iso-25指标可看出，配比变化引起的配合煤性质变化并未反映在传统国家标准热性质指标CRI和CSR上，但vCR，non-iso-25指标清晰地显示出配入低阶煤，焦炭与CO2反应的速率加快，这与黏结能力指标下降有一定的对应关系，也符合一般性认识。从CSRnon-iso-25指标来看，配入肥煤会使变温条件下的等溶损反应后强度值降低，但配入1/3焦煤则不会，这与CSR指标表现的规律显著不同，可能与两者选取的试验条件不同有关。

从代表焦炭中高温热性能的恒温等溶损试验测得的CSRiso-25指标发现，配入低阶的肥煤和1/3焦煤，会导致较低温度条件(1 050 ℃和1 100 ℃)下的热强度值降低，这与配合煤的黏结能力指标下降存在一定的对应关系。但当反应达到较高温度(高于1 150 ℃)，虽然增配肥煤使焦炭的热强度值依然降低，但增配1/3焦煤会使焦炭高温区的热强度值明显升高，这可能与增配1/3焦煤使焦炭与CO2在不同温度条件下发生溶损的反应模式的转变机制发生较大变化有关。

从代表焦炭耐高温的ICPHT和SCPHT指标来看，增配低阶肥煤和1/3焦煤均对焦炭的耐高温热性能影响不大。

综上所述，配合煤配比变化引起的焦炭的综合热性质指标变化比传统国家标准CRI和CSR指标变化更为敏感，且反映出更多的焦炭质量信息，在预测焦炭热性能方面对CRI和CSR指标起到了很好的补充作用。由焦炭综合热性质指标的变化规律可知，与肥煤相比，增配一些更低阶的经济性更好的1/3焦煤，可能对提高焦炭热性能和降低配煤成本起到很好的推动作用。

3 结 论

1) 增配肥煤和1/3焦煤，会引起配合煤的变质程度降低，挥发分含量升高，胶质体黏结能力下降，但胶质体的量不会减少。以上配合煤的各项性质评价指标变化，没有显现在表征焦炭热性能的传统国家标准热性质指标反应性CRI和反应后强度CSR上。

2) 配合煤配比变化所导致的焦炭综合热性质指标变化规律与传统国家标准CRI和CSR指标的变化规律存在差异。代表焦炭中低温热性能的vCR，non-iso-25指标表明，无论配入低阶的肥煤还是1/3焦煤，焦炭与CO2发生溶损反应的速率都会加快，CSRnon-iso-25指标还表明配入肥煤会使焦炭的热强度值变差。而代表焦炭中高温热性能的CSRiso-25指标表明，增配1/3焦煤可提高焦炭在高温区的热强度值。无论是增配肥煤还是1/3焦煤，对焦炭的耐高温热性能指标ICPHT和SCPHT影响都不大。

3) 配合煤配比变化引起的焦炭综合热性质指标变化比国家标准热性质指标CRI和CSR变化更为敏感，主要与综合热性质指标反映了焦炭某些新的特征有关。焦炭综合热性质指标的变化规律显示，增配1/3焦煤会在提高焦炭质量和降低配煤成本方面取得较好的效果。