張代華，曹銀平，王士彬

（寶山鋼鐵股份有限公司，上海 201900）

2019年第3季度開始，進(jìn)口主焦煤與國內(nèi)主焦煤出現(xiàn)價(jià)格倒掛，為保證焦炭質(zhì)量滿足高爐要求且同時(shí)實(shí)現(xiàn)焦炭降本，國內(nèi)煉焦企業(yè)，尤其是高爐-煉焦聯(lián)合企業(yè)大量使用以澳大利亞煤和加拿大煤為主的進(jìn)口主焦煤。據(jù)國家海關(guān)總署統(tǒng)計(jì)，2019年和2020年國內(nèi)進(jìn)口煉焦煤量分別達(dá)到了7 465.8萬t和7 226.8萬t[1]。

關(guān)于進(jìn)口主焦煤的合理使用，國內(nèi)煉焦配煤工作者進(jìn)行了大量的研究，低灰、低硫、質(zhì)量穩(wěn)定基本在行業(yè)內(nèi)形成了共識，但是由于進(jìn)口焦煤的結(jié)焦性存在差異，其對焦炭強(qiáng)度的影響各方觀點(diǎn)不盡相同。程樂意等[2]根據(jù)小焦?fàn)t數(shù)據(jù)分析認(rèn)為，進(jìn)口焦煤焦炭的冷強(qiáng)度整體較好，熱性能指標(biāo)方面，在所考察的進(jìn)口煤種中澳大利亞焦煤最出色；胡夏雨等[3]則認(rèn)為，澳大利亞煤的優(yōu)勢在于較好的冷態(tài)性能，加拿大煤的優(yōu)勢在于較好的熱態(tài)性能；龍曉陽等[4]認(rèn)為，使用澳大利亞煤可同時(shí)改善焦炭冷態(tài)和熱態(tài)強(qiáng)度，加拿大煤與山西煤有較大差距，與東北中等黏結(jié)性和結(jié)焦性焦煤相當(dāng)，不能完全替代焦煤使用。針對澳大利亞煤，項(xiàng)茹等[5]認(rèn)為，按常規(guī)工業(yè)指標(biāo)及煤巖指標(biāo)應(yīng)劃分為優(yōu)質(zhì)焦煤，但將其簡單按優(yōu)質(zhì)焦煤使用，配用效果并不理想；張劍鋒等[6]認(rèn)為，適量使用澳大利亞煤有利于改善焦炭強(qiáng)度，但配入量過高時(shí)，焦炭強(qiáng)度反而下降。針對加拿大煤的使用，張代林等[7]經(jīng)研究得出，其與國內(nèi)優(yōu)質(zhì)焦煤雖然存在一定差異，但是同條件等量替代時(shí)焦炭質(zhì)量下降幅度并不大。可以看出，現(xiàn)有的研究基本聚焦于進(jìn)口主焦煤的具體品牌、且多數(shù)以實(shí)驗(yàn)室小焦?fàn)t研究為主，得出的觀點(diǎn)及使用方法存在很大差異。

國內(nèi)煉焦企業(yè)應(yīng)用進(jìn)口主焦煤的歷史可以追溯到20世紀(jì)80年代，但還未發(fā)現(xiàn)有學(xué)者將進(jìn)口主焦煤在大生產(chǎn)中的使用與高爐爐況結(jié)合起來進(jìn)行研究分析。本文主要研究了不同結(jié)焦性進(jìn)口主焦煤在大生產(chǎn)中配煤煉焦時(shí)，其配入比例對生產(chǎn)焦炭熱性能指標(biāo)及微觀質(zhì)量的影響規(guī)律，并分析所生產(chǎn)的焦炭供高爐使用時(shí)對高爐爐況的影響。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 樣品

煉焦生產(chǎn)中主要采用三種進(jìn)口焦煤（Imported coking coal，簡稱ICC1、ICC2、ICC3），三種進(jìn)口主焦煤及其在70 kg小焦?fàn)t中所煉焦炭的主要性質(zhì)見表1，其中，小焦?fàn)t煉焦溫度控制為1 200℃，結(jié)焦時(shí)間控制為20 h，煉焦結(jié)束后炙熱焦炭采用N2冷卻至常溫。

表1 三種進(jìn)口主焦煤的性質(zhì)指標(biāo)

由表1可知，ICC1的黏結(jié)指數(shù)G值為91、最大膠質(zhì)層厚度y值達(dá)18.5 mm，對應(yīng)小焦?fàn)t焦樣的CSR＞65%，表明其為結(jié)焦性較好的焦煤，即行業(yè)內(nèi)通常認(rèn)為的一類主焦煤；而ICC2和ICC3的黏結(jié)指數(shù)G值均小于75，基氏流動度l gMF、奧亞膨脹度b值及最大膠質(zhì)層厚度y值均處于較差水平，對應(yīng)小焦?fàn)t焦樣CRI均高于30%、CSR均低于50%，表明其結(jié)焦性能較差，即行業(yè)內(nèi)通常認(rèn)為的二類主焦煤。

將兩種弱結(jié)焦性進(jìn)口焦煤（ICC2、ICC3）按照ICC2+ICC3配入質(zhì)量分?jǐn)?shù)12%～30%、焦煤總質(zhì)量分?jǐn)?shù)維持38%構(gòu)成4種配煤方案，見表2，并在7 m焦?fàn)t上煉焦應(yīng)用，結(jié)焦時(shí)間21.29 h。

表2 不同配入比例的弱結(jié)焦性進(jìn)口主焦煤生產(chǎn)使用方案（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

1.2 表征

煉焦煤的各項(xiàng)工業(yè)指標(biāo)參照國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測定。焦炭的轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度、CRI、CSR參照J(rèn)IS K2151—2004測定。為考察焦炭與CO2反應(yīng)后氣孔壁的劣化程度，測定與CO2反應(yīng)冷卻后焦樣粒徑＜1.0 mm的粉焦質(zhì)量占反應(yīng)后剩余焦炭質(zhì)量的比值[8]，以粉化率f0表示；此外，將與CO2熱反應(yīng)后的焦炭放入I型轉(zhuǎn)鼓，N轉(zhuǎn)后，測定反應(yīng)冷卻后焦樣粒徑＜1.0 mm的粉焦質(zhì)量占反應(yīng)后剩余焦炭質(zhì)量的比值，以粉化率fN表示。焦炭的顯微組成采用數(shù)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)法，用德國進(jìn)口的Zeiss Axiopl an2型光學(xué)顯微鏡進(jìn)行測定。XRD測試使用日本Rigaku公司Model P.MAX/B型X射線衍射儀，射線源CuKα，射線波長0.154 18 nm，掃描步長為0.02°，間隔時(shí)間為0.1 s，掃描范圍為10°～80°。

2 結(jié)果與討論

2.1 焦炭工業(yè)指標(biāo)及冷熱態(tài)強(qiáng)度分析

依據(jù)表2配煤方案及在生產(chǎn)中的執(zhí)行時(shí)間，選取4個(gè)配煤方案對應(yīng)的4組焦樣進(jìn)行分析，其工業(yè)指標(biāo)、冷熱態(tài)強(qiáng)度以及焦炭的顯氣孔率（Ps）等指標(biāo)見表3。

1）加強(qiáng)醫(yī)教協(xié)同深化臨床醫(yī)學(xué)人才培養(yǎng)改革，加快構(gòu)建碩士研究生培養(yǎng)與住院醫(yī)生規(guī)范化培訓(xùn)緊密銜接的教育制度，改革入學(xué)制度和培養(yǎng)模式，創(chuàng)新教學(xué)方法和考核方式，確保合格的畢業(yè)生可獲得執(zhí)業(yè)醫(yī)師資格證、住院醫(yī)師規(guī)范化培訓(xùn)合格證書、研究生畢業(yè)證和學(xué)位證“四證合一”的培養(yǎng)模式。

表3 焦炭的性質(zhì)指標(biāo)

由表3可知，隨著兩種弱結(jié)焦性進(jìn)口焦煤（ICC2、ICC3）配入比例的增加，焦炭降灰降硫效果明顯；焦炭冷強(qiáng)度保持在88%以上，真密度變化不大，氣孔率呈無規(guī)律變化；適量地配入弱結(jié)焦性進(jìn)口焦煤，對焦炭的熱性能無明顯的影響，但當(dāng)ICC2、ICC3總的配入質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到24%時(shí)，焦炭的熱態(tài)性能呈劣化趨勢，且隨著配入比例增加，劣化趨勢更明顯，這主要是由于兩種弱結(jié)焦性進(jìn)口焦煤的黏結(jié)性指標(biāo)與主焦煤ICC1的差距較大，隨著他們在配合煤中比例的增加，可能影響配合煤在焦?fàn)t中熱解干餾時(shí)膠質(zhì)體的質(zhì)量；同時(shí)，兩種弱結(jié)焦性進(jìn)口焦煤單獨(dú)成焦后的CRI明顯高于主焦煤ICC1的，因此，ICC2和ICC3高比例的配入使焦炭的熱性能劣化。

焦炭在高爐運(yùn)行中于高溫下與不同氣氛介質(zhì)反應(yīng)，在反應(yīng)過程中，由于各種氣氛介質(zhì)在焦炭碳基質(zhì)壁和孔隙結(jié)構(gòu)中的反應(yīng)，會導(dǎo)致碳基質(zhì)壁的粉化和脫落。焦炭碳溶反應(yīng)后粉化率f0和fN計(jì)算結(jié)果如圖1所示。

從圖1可以看出，JC-1批次的焦炭f0值要明顯低于其他三種焦炭，說明該批次焦炭在碳溶反應(yīng)過程中碳基體粉化程度最低；JC-4批次的焦炭在與CO2發(fā)生碳溶反應(yīng)的同時(shí)產(chǎn)生的1 mm以下的焦粉量相對較大。焦粉產(chǎn)生量小，說明碳溶反應(yīng)速率相對較小，溶損僅發(fā)生在碳質(zhì)表面；焦粉產(chǎn)生量大，說明碳溶反應(yīng)速率相對較大，深層滲透反應(yīng)加劇，導(dǎo)致焦炭碳質(zhì)內(nèi)層結(jié)構(gòu)疏松，粉化現(xiàn)象明顯。粉化程度差異的產(chǎn)生，主要是因?yàn)椴煌固績?nèi)在結(jié)構(gòu)和動力學(xué)行為之間存在差異。大量焦粉的形成，勢必將對高爐的透氣性產(chǎn)生不良的影響。從圖1還可以看出，JC-1、JC-2和JC-3批次的焦炭碳溶反應(yīng)后經(jīng)I型轉(zhuǎn)鼓的轉(zhuǎn)數(shù)達(dá)到450 r時(shí)，粉化程度開始出現(xiàn)拐點(diǎn)；而JC-4批次的焦炭經(jīng)I型轉(zhuǎn)鼓的轉(zhuǎn)數(shù)達(dá)到600 r后，其粉化拐點(diǎn)才會出現(xiàn)，說明四種焦炭經(jīng)一定程度的碳溶反應(yīng)及機(jī)械破壞之后，JC-4批次的焦炭耐磨強(qiáng)度明顯低于其他三種焦炭，在高爐爐內(nèi)其粉化過程產(chǎn)生的焦粉對高爐爐況透氣性的影響程度要明顯高于其他三種焦炭。

圖1 碳溶反應(yīng)后的焦炭經(jīng)I型轉(zhuǎn)鼓后的粉化率

2.2 焦炭顯微組成分析

焦炭光學(xué)組織是影響焦炭熱態(tài)性質(zhì)的主要微觀因素[9-11］。JC-1～JC-4批次的焦炭光學(xué)組織測試結(jié)果見表4，其中光學(xué)組織指數(shù)OTI計(jì)算過程中各向異性組分賦值方式參照《中國冶金百科全書（煉焦化工）》[12]。

表4 焦炭的光學(xué)組織

由表4可知，隨著弱結(jié)焦性進(jìn)口焦煤配入比例由12%增加至30%，焦炭各向同性顯微結(jié)構(gòu)ΣISO略有增加；而焦炭各向異性組分中，粗粒鑲嵌組分下降12.0個(gè)百分點(diǎn)，細(xì)粒鑲嵌組分上升8.1個(gè)百分點(diǎn)，中粒鑲嵌組分基本無變化；絲質(zhì)與破片組分增加4.2個(gè)百分點(diǎn)，造成光學(xué)組織指數(shù)OTI下降21.5。根據(jù)曾濤等[13-14]關(guān)于不同類型焦炭光學(xué)組織對焦炭熱反應(yīng)性和反應(yīng)后強(qiáng)度的研究結(jié)果，粗粒鑲嵌和細(xì)粒鑲嵌組分對焦炭熱反應(yīng)性和反應(yīng)后強(qiáng)度影響程度存在差異，但二者影響權(quán)重系數(shù)差別并不是特別大，因此大量配用弱結(jié)焦性進(jìn)口焦煤時(shí)，盡管所得焦炭內(nèi)在的各向異性顯微結(jié)構(gòu)變化很大，但反映到焦炭的熱反應(yīng)性CRI和反應(yīng)后強(qiáng)度CSR的劣化并不是特別明顯，從這個(gè)角度看，焦炭的CRI和CSR作為多年以來衡量焦炭質(zhì)量的重要指標(biāo)，其在測試條件以及焦炭在大容積高爐內(nèi)行為過程的模擬性等方面的影響仍需進(jìn)一步探討。

弱結(jié)焦性進(jìn)口焦煤在煉焦生產(chǎn)中的大量配用，造成焦炭中細(xì)粒鑲嵌結(jié)構(gòu)含量上升，粗粒鑲嵌結(jié)構(gòu)含量下降，是因?yàn)闊捊姑撼山构鈱W(xué)組織不僅與煉焦煤的變質(zhì)程度有關(guān)，也與煉焦煤的工藝性質(zhì)相關(guān)，對于中等變質(zhì)程度的煉焦煤，隨著黏結(jié)性降低，粗粒鑲嵌結(jié)構(gòu)會向細(xì)粒鑲嵌結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變[15]，進(jìn)而造成光學(xué)組織指數(shù)OTI下降。

2.3 焦炭物相分析

研究者在對焦炭XRD 進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，焦炭基質(zhì)的碳質(zhì)結(jié)構(gòu)由兩部分構(gòu)成，一部分是結(jié)構(gòu)規(guī)整的類石墨微晶碳G峰，另一部分是不規(guī)則的無定形碳γ峰[17]。具體各批次焦樣的XRD圖如圖2所示。

圖2 焦炭XRD圖及其分峰擬合結(jié)果

從圖2可以看出，各焦炭基質(zhì)的XRD圖中主要有002和100兩個(gè)衍射峰，其中002衍射峰是一個(gè)總包峰，采用近似圖解法對002衍射峰用or igin軟件進(jìn)行分峰擬合，可分解為類石墨化G峰和無定形散射γ峰，γ峰是由煤焦樣品中的非晶碳結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的，主要來源于無定形碳的衍射峰[18]。

根據(jù)XRD定量計(jì)算方法，在對002峰和100峰進(jìn)行分峰擬合的基礎(chǔ)上，計(jì)算出JC-1～JC-4批次焦樣中的石墨化碳和無定形碳的相對含量（用峰面積百分比來表示），如表5所示。

表5 焦炭中石墨化碳和無定形碳的相對含量

焦炭中的無定形碳是由直鏈脂肪結(jié)構(gòu)和亞甲基結(jié)構(gòu)所組成，其分布特征與芳香結(jié)構(gòu)、分支程度、測量長度以及煤焦的孔隙結(jié)構(gòu)有關(guān)。因石墨化碳在結(jié)構(gòu)上更接近于石墨晶體結(jié)構(gòu)，其構(gòu)成的焦炭微晶單元耐CO2的侵蝕能力更強(qiáng)，表現(xiàn)在焦炭的熱態(tài)性能上，其較無定形碳具有更低的熱反應(yīng)性和更高的反應(yīng)后強(qiáng)度。從表5可以看出，JC-1～JC-4的四批焦樣中，隨著弱結(jié)焦性進(jìn)口焦煤在煉焦生產(chǎn)中配入比例的增加，焦炭中石墨化碳含量逐漸減少，對應(yīng)的無定形碳含量逐漸增加，最終表現(xiàn)出焦炭的熱反應(yīng)性CRI會增大，反應(yīng)后強(qiáng)度CSR會降低。

2.4 對高爐爐況的影響分析

四組弱結(jié)焦性進(jìn)口焦煤配煤方案所生產(chǎn)的焦炭投入煉鐵高爐大生產(chǎn)，對應(yīng)高爐表征爐況的主要參數(shù)的變化趨勢見圖3，其中高爐用某批焦炭時(shí)間與配煤執(zhí)行時(shí)間一致，即編號為CA01～CA03的配煤方案所生產(chǎn)焦炭進(jìn)入高爐使用對應(yīng)天數(shù)為第1—10天，對應(yīng)小時(shí)為0—240 h。

圖3 高爐主要參數(shù)變化趨勢

從圖3可以看出，CA01～CA03的配煤方案生產(chǎn)的焦炭進(jìn)入高爐使用后，高爐透氣性指數(shù)K值呈略升高趨勢，中心氣流Z值呈略下行趨勢，但總體爐況可控，高爐焦比及噴煤比仍能維持較好水平，高爐熱負(fù)荷也處于較穩(wěn)定水平。當(dāng)弱結(jié)焦性進(jìn)口焦煤配入質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加至30%時(shí)，對應(yīng)焦炭進(jìn)入高爐約12 h之后，高爐爐況便表現(xiàn)出明顯的不適應(yīng)性，高爐透氣性指數(shù)K值升高至2.6左右，透氣性變差；Z值下行，中心氣流阻力增大；高爐熱負(fù)荷同步發(fā)生劇烈波動且明顯上升，高爐被迫減風(fēng)減氧以及退負(fù)荷應(yīng)對。

在高爐冶煉過程中，焦炭對高爐爐料起著骨架作用，并提供一個(gè)爐內(nèi)氣體通過的透氣層，尤其對處于高煤比、低焦比運(yùn)行的大型高爐而言，其骨架作用尤為重要。當(dāng)弱結(jié)焦性進(jìn)口焦煤在煉焦生產(chǎn)中配入比例過高時(shí)，生產(chǎn)的焦炭熱態(tài)性能明顯變?nèi)酰M(jìn)入高爐后發(fā)生碳溶反應(yīng)，碎裂嚴(yán)重，粉化率上升，導(dǎo)致高爐料柱透氣性變差，壓差上升，中心氣流阻力增大，邊緣氣流有所發(fā)展，進(jìn)一步造成爐體熱負(fù)荷大幅波動，高爐順行受到破壞。后續(xù)鐵、焦聯(lián)動，在煉焦配煤大結(jié)構(gòu)未作調(diào)整的前提下，將弱結(jié)焦性進(jìn)口焦煤的配入質(zhì)量分?jǐn)?shù)由30%降至12%，高爐爐況逐步企穩(wěn)。

3 結(jié) 論

3.1 弱結(jié)焦性進(jìn)口焦煤配入使用對焦炭降灰降硫效果較為明顯，當(dāng)其配入比例過高時(shí)，焦炭碳溶反應(yīng)后的粉化率會增加，熱強(qiáng)度會劣化。

3.2 弱結(jié)焦性進(jìn)口焦煤在煉焦生產(chǎn)中的大量配用，會造成焦炭中細(xì)粒鑲嵌結(jié)構(gòu)含量上升，粗粒鑲嵌結(jié)構(gòu)含量下降，光學(xué)組織指數(shù)OTI下降；焦炭中石墨化碳含量逐漸減少，無定形碳含量逐漸增加，最終表現(xiàn)出焦炭的熱反應(yīng)性CRI增大，反應(yīng)后強(qiáng)度CSR降低。

3.3 大量配用弱結(jié)焦性進(jìn)口焦煤生產(chǎn)的焦炭供高爐使用時(shí)，高爐透氣性變差，中心氣流阻力增大，高爐熱負(fù)荷上升且波動加劇。