武晋晶
（山西焦煤汾西矿业集团煤质加工处检测中心，山西 介休 032000）
引 言焦炭在冶金中起着骨架作用。近年来，随着高炉生产大型化及炼铁工艺的不断改进，对焦炭质量要求越来越高，被众多厂家所重视。焦炭的冷强度、反应性及反应后强度作为评价焦炭质量优劣的指标，已列入了焦炭日常检测中［1-3］。
焦炭中灰分的大小对强度和高炉指标有重要的影响。研究表明，焦炭在高炉内被加热到高于炼焦温度时，由于焦质与灰分的热膨胀性不同，焦炭沿灰分颗粒周围产生裂纹并扩大，使焦炭碎裂粉化，强度降低。同时，理论计算结果和生产实践证明，焦炭灰分每增加1%，高炉焦比提高约2%，石灰石用量增加约2.5%，高炉产量下降约3%。煤灰成分包括数十种矿物质，以氧化物的形式表示，而被研究的有10多种，如K2O、Na2O、CaO等。研究表明，根据对焦炭碳溶反应的强弱，将灰分划分为强、正催化剂，弱、正催化剂，强、负催化剂，弱、负催化剂［4-9］。
本文通过对集团公司各单种焦煤的结焦性指标和灰分及相应的焦炭反应性、反应后强度进行了实验，研究了焦炭的反应性与灰分碱性催化指数之间的关系。
1 实验部分1.1 实验仪器干燥箱；智能马弗炉，常州市方嘉电子仪器有限公司；自动测硫仪，徐州东翔电子科技有限公司。
黏结指数测定仪；全自动胶质层测定仪、奥亚膨胀度测定仪，常州市方嘉电子仪器有限公司。
4510 F原子吸收分光光度计，上海精密科学仪器有限公司；723N可见分光光度计，上海精密科学仪器有限公司；
捣固机；落下试验机；焦炭机械强度测定转鼓；试验小焦炉；焦炭反应性及反应后强度测定仪，鞍山科翔仪器仪表有限公司。
1.2 实验方法1.2.1 煤的工业分析和硫分（Mad、Ad、Vdaf、St，d等指标）
按照GB/212-2008《煤的工业分析方法》测定；GB214-2007《煤中全硫的测定方法》［10］。
1.2.2 煤的结焦性（GR.I、Y、X、b、a、T1、T2、T3）
按照GB/5447-1997《烟煤黏结指数测定方法》、GB/479-2000《烟煤胶质层指数测定方法》、奥亚膨胀度GB/5450-1997《烟煤奥亚膨胀度试验》测定。
1.2.3 煤的灰成分分析（K2O、Na2O、CaO、MgO、Fe2O3、Al2O3、SiO2、TiO2）
GB/1574-2007《煤灰成分测定方法》。
1.2.4 小焦炉实验及焦炭的工业分析和硫分分析
按照GB/2001-91《焦炭工业分析测定方法》、GB/T2286-2008《焦炭全硫含量的测定》测定。
1.2.5 焦炭的反应性及反应后强度（CRI、CSR）及冷态机械强度（M40、M10）
按照GB/T4000-2008《焦炭的反应性及反应后强度测定方法》、GB/T2006-2008《焦炭机械强度的测定方法》测定。
2 结果与讨论2.1 煤样的选取和煤质分析实验所选煤样均来自山西焦煤汾西矿业所属矿井。
汾矿各煤种的工业分析、结焦性指标如表1所示。
由表1可知，宜兴煤（FM36）、曙光煤（FM36）、双柳煤（FM26）属肥煤，贺西煤（JM25）、中兴煤（JM15）、高阳煤（JM15）、水峪煤（JM25）、柳湾煤（JM25）属焦煤，紫金煤（1/3JM）属1/3焦煤。同时可知，除高阳、水峪、紫金精煤的灰分小于10%，柳湾精煤灰分小于11.5%外，其余煤的灰分均小于11%。对于硫分来说，水峪、高阳、柳湾煤均属于中高硫煤，其余煤的灰分均为低硫煤。从表1中可看出，宜兴、曙光、双柳、紫金煤基氏最大流动度对数值4～5，而贺西、柳湾为3～4，水峪煤2～3，中兴煤1～2，高阳煤对数值小于1。
表1 各单种煤的煤质分析
2.2 单种煤的灰分分析经过研究证明，煤灰成分的10多种矿物质（氧化物）中，碱性氧化物（K2O、Na2O）是焦炭碳溶反应的强、正催化剂；碱土金属（MgO、CaO、BaO）和过渡金属（V2O5、MnO2、Fe2O3、CuO、ZnO）是弱、正催化剂，TiO2是强、负催化剂；硼族氧化物中B2O3是强、负催化剂，而Al2O3对焦炭的碳溶反应并无影响；碳族氧化物中PbO2是正催化剂、SiO2对焦炭的反应性没有影响［11-12］。可以看出，对焦炭碳溶反应增大起正催化作用的有 K2O、Na2O、Fe2O3、BaO、CaO、V2O5、MnO、CuO、ZnO、PbO2，其作用大小顺序为K2O＞Na2O＞BaO＞CaO＞Fe2O3＞PbO2＞ZnO＞V2O5＞CuO＞MgO≈MnO2；对焦炭碳溶反应起负催化作用、使碳溶反应减小的有B2O3、TiO2，其作用顺序为B2O3＞TiO2；对焦炭碳溶反应几乎不起作用的有 Al2O3、SiO2。
本实验中，我们取 K2O、Na2O、MgO、CaO、Fe2O3、Al2O3、TiO2、SiO28种灰分，根据各种灰分对焦炭反应性催化作用的不同而将各种成分加以量化，见表2。模拟出了灰分催化指数MCI，定义为式（1）。
表2 单种煤的煤灰成分分析
从表2看出，灰分中主要成分为SiO2和Al2O3，两者相加为79%～92%。碱金属化合物对焦炭的正催化能力最强，碱质量分数（K2O＋Na2O）来说，除中兴、曙光、水峪大于1%外，其余大部分接近1%。而碱土金属（CaO、MgO）对焦炭的正催化作用仅次于碱金属，曙光、高阳、水峪、柳湾的碱土金属质量分数在2%～6%，其余矿均小于2%。而对于过渡金属氧化物Fe2O3，除宜兴和贺西占灰分总量小于2%以外，其余在2%～8%。通过计算，曙光、高阳、水峪、柳湾的催化指数均大于2；柳湾最高，为3.95。
2.3 单种煤的焦炭指标分析为了研究各矿煤质、灰成分与焦炭热反应性及反应后强度之间的关联性，对各矿精煤进行了40kg小焦炉实验（入炉全水分8%～10%，堆密度均在0.97t/m3左右），并对焦炭进行工业分析，测定了焦炭的机械强度、反应性和反应后强度。如表3所示。
表3 单种煤的焦炭指标分析
由表3可以看出，宜兴、中兴、双柳、贺西的焦炭反应性均在20.0以下，其余矿的煤焦炭反应性在20.0～30.0。而相对应的反应后强度，宜兴、中兴、双柳、贺西均在70.0%～80.0%，曙光、紫金、水峪在60.0%～70.0%。其中，高阳的最低，柳湾次之。
2.4 各单种煤的煤灰成分与焦炭反应性及反应后强度关系根据表2及表3中的数据，将MCI对CRI和CSR作图，可以得到煤灰成分催化指数与焦炭反应性和反应后强度的关系，如图1所示。由图1可知，焦炭的反应性CRI随着灰分催化指数的增加而增大；焦炭的反应后强度CSR随着灰分催化指数MCI的增加而减小。此规律性与已经研究过的实验结果相吻合。
图1 灰分催化指数与焦炭热性质的关系
3 结论1）对各单种炼焦煤碱质量分数（K2O＋Na2O）来说，除中兴、曙光、水峪大于1%，其余大部分接近1%。而碱土金属（CaO、MgO）对焦炭的正催化作用仅次于碱金属，曙光、高阳、水峪、柳湾的碱土金属质量分数在2%～6%，其余矿均小于2%。而对于过渡金属氧化物Fe2O3，除宜兴和贺西占灰分总量小于2%以外，其余在2%～8%。通过计算，曙光、高阳、水峪、柳湾的催化指数均大于2，柳湾最高为3.95。
2）灰分催化指数对焦炭的反应性和反应后强度的影响显着。焦炭的反应性与灰分催化指数呈正线性相关，焦炭的反应后强度与灰分催化指数呈负线性相关。
3）通过各种单种煤的煤质分析及小焦炉实验，揭示了各煤种对焦炭反应性和反应后强度影响的本质，可以用来预测焦炭的反应性和反应后强度，指导生产、优化配煤、改善焦炭质量。
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