炼焦煤特性对焦炭热态强度影响研究

王超 ，侯士彬 ，张军 ，甘秀石 ，王旭 ，武吉

（1.鞍钢集团钢铁研究院，辽宁 鞍山 114009；2.鞍钢股份有限公司炼焦总厂，辽宁 鞍山114021）

中国是世界第一大焦炭生产和消费国，2019年我国焦炭总产量为47 126万t，同比增长5.2%，其中钢铁联合企业焦化厂产量为11 414万t。截止到2016年，我国容积在4 000 m以上的高炉已达22 座，其中 5 000 m以上的有 5 座，同期全国炼焦煤资源探明储量3 073亿t，其中具有可开采价值的炼焦煤资源量仅为395亿t，占炼焦煤储量的12.9%，且以低变质的气煤为主，炼焦主力强黏结性的肥煤和焦煤明显短缺。

当前，随着高炉大型化发展及富氧喷吹辅助炼铁等技术的应用，高炉对焦炭质量的要求日益提高，焦炭在炼铁中的骨架作用越来越明显。由于炼焦煤资源有限，制约了焦炭质量的提升，与高炉对焦炭质量的需求相矛盾，向炼焦及炼铁工作者提出了挑战。技术人员在原料煤预处理技术、配煤炼焦工艺等方面开展了大量焦炭质量综合提升研究，并提出焦炭的热态强度性能是重要关注指标。为探索焦炭热态强度性能的影响因素，为配煤炼焦生产提供技术支持，研究了鞍钢股份有限公司（以下简称“鞍钢”）常用炼焦煤煤质对焦炭热态强度的影响，并进行了配煤优化及炼焦试验。

1 试验方法及原料

依据GB/T 212-2008煤的工业分析方法、GB/T 214-2007煤中全硫的测定方法、GB/T 479-2000烟煤胶质层指数测定方法、GB/T 5447-2014烟煤黏结性指数测定方法、GB/T 6948-2008煤的镜质体反射率显微镜测定方法等国标，完成炼焦煤性质指标的检测分析。依据GB/T 4000-2017焦炭反应性及反应后强度试验方法等国标，完成焦炭热态强度指标，即焦炭反应性（CRI）和焦炭反应后强度（CSR）的检测分析。炼焦试验采用200 kg顶装试验焦炉，加热方式为焦炉煤气加热，炼焦终温为1 050℃，结焦时间16 h。试验所用单种煤煤样取自鞍钢炼焦总厂备煤车间，严格按照GB 475-2008《商品煤样人工采取方法》取样。

2 试验结果与分析

2.1 焦炭热态强度影响因素分析

2.1.1 单种煤A对焦炭热态强度的影响

图1 单种煤Ad与焦炭热态强度拟合曲线Fig.1 Fitting Curves for Adof Individual Coal and Thermal Strength of Coke

由图1可以看出，常用炼焦单种煤A分布在6%～13%范围内，焦炭热态强度在A大于10%时呈现出较为明显的劣化趋势。但A与CRI和CSR的r分别只有0.48、0.39，拟合度较低。

图2 单种煤Ad与焦炭热态强度分段拟合曲线Fig.2 Fitting Curves by Section for Adof Individual Coal and Thermal Strength of Coke

由图2可以看出，当A大于10%时，焦炭热态强度随着A提高而明显劣化，且A与CRI和CSR的r分别达到了0.87和0.97，拟合度较高。因此，在配煤炼焦时配煤A不宜高于10%，应控制在10%以下，建议配煤A稳定在9.5%～10%范围。

2.1.2 单种煤V对焦炭热态性能的影响

图3 单种煤Vdaf与焦炭热态强度拟合曲线Fig.3 Fitting Curves for Vdafof Individual Coal and Thermal Strength of Coke

由图3可以看出，常用炼焦单种煤V分布在14%～39%范围，单种煤V与焦炭热态强度间存在较为明显的变化规律。且由于单种煤V与 CRI和CSR的r分别达到了 0.84和 0.87，拟合度较高，根据拟合曲线可以得出，焦炭热态强度随V提高先变好后劣化，当V约为26%时，焦炭热态强度相对最优，煤种采购时性价比较高。

2.1.3 单种煤S对焦炭热态性能的影响

对单种煤S与焦炭热态强度进行拟合分析，得出 CRI=36.2-4.43S，r=0.50；CSR=48.38+3.147S，r=0.19。具体拟合曲线如图4所示。

图4 单种煤St,d与焦炭热态强度拟合曲线Fig.4 Fitting Curves for St,dof Individual Coal and Thermal Strength of Coke

由图4可以看出，常用炼焦单种煤S分布在0.2%～2.8%范围。随着单种煤S的增加，CRI呈下降趋势，CSR呈上升趋势，但由于单种煤S与CRI和CSR的r分别为0.50和0.19，拟合度较低，不能以此为依据预测相关趋势。但基于当前炼焦用煤条件，合理调控高硫煤的使用，对提质降本具有积极效果。

2.1.4 单种煤Y值对焦炭热态性能的影响

对单种煤Y值与焦炭热态强度进行拟合分析，得出 CRI=71.233 1-4.120 53Y-0.092 54Y，r=0.81；CSR=1.136 09+4.923 41Y-0.103 9Y，r=0.90。具体拟合曲线如图5所示。由图5可以看出，常用单种煤Y值分布在5.0%～35.0%范围。单种煤Y值与焦炭热态强度间存在较为明显的变化规律。且由于单种煤Y值与CRI和CSR的r分别达到0.81和0.90，拟合度较高，根据拟合曲线可以得出，随着Y值的增大，CRI呈先下降后升高趋势，CSR呈先升高后下降趋势。

图5 单种煤Y值与焦炭热态强度拟合曲线Fig.5 Fitting Curves for Y Value of Individual Coal and Thermal Strength of Coke

在生产配煤中考虑到需要将不同变质程度炼焦煤配合使用生产焦炭和控制配煤成本，配合煤Y值通常控制在20 mm以下。因此，对5 mm≤Y≤20 mm时单种煤Y值与焦炭热态强度进行拟合分析，得出 CRI=62.76-2.24Y，r=0.80；CSR=9.77+2.90Y，r=0.96。具体拟合结果如图6所示。

图6 Y≤20 mm时单种煤Y值与焦炭热态强度拟合结果Fig.6 Fitting Curves for Y Value of Individual Coal and Thermal Strength of Coke When Y≤20 mm

由图6可以看出，在Y≤20 mm区域内，单种煤Y值和焦炭热态强度指标之间的线性关系良好，且由于Y值与CRI和CSR的r分别为0.80和0.96，拟合度较高，根据拟合曲线可以得出，随着Y值的增加，CRI明显呈下降趋势，CSR呈上升趋势，焦炭热态强度整体变好。

2.1.5 单种煤G值对焦炭热态性能的影响

对单种煤G值与焦炭热态强度进行拟合分析，结果得到 CRI=95.936-1.314 7G+0.006 0G，r=0.92；CSR=7.669 6-0.240 04G+0.001 77G，r=0.91。具体拟合曲线如图7所示。由图7可以看出，单种煤G值分布在30～105范围，随着G值的升高，CRI呈下降趋势，CSR呈上升趋势。且由于单种煤G值与CRI和CSR的r分别为0.92和0.91，拟合度较高，根据拟合曲线可以得出，焦炭热态强度随着G值的升高，明显整体持续提高。在成本可控条件下，合理提高配合煤G值有利于焦炭质量的提高。

图7 单种煤G值与焦炭热态强度拟合曲线Fig.7 Fitting Curves for G Value of Individual Coal and Thermal Strength of Coke

图8 单种煤与焦炭热态强度拟合曲线Fig.8 Fitting Curves for of Individual Coal and Thermal Strength of Coke

2.2 配煤优化及炼焦试验

2.2.1 配煤方案

配煤方案煤质指标如表1所示。

表1 配煤方案煤质指标Table 1 Coal Quality Index for Coal Blending Scheme

2.2.2 炼焦试验分析

图9 配合煤与焦炭热态强度关系Fig.9 Relationship between of Blended Coal and Thermal Strength of Coke

2.2.3 优化配煤试验效果

图10 配煤方案优化前后生产焦炭质量指标Fig.10 Index for Coke Quality before and after Optimization of Coal Blending Scheme

3 结论