配煤煤質(zhì)對其搗固焦強(qiáng)度的影響研究

樊錦文 杜美利 劉 雷

(西安科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，陜西省西安市，710054)

鋼鐵行業(yè)作為我國國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)行業(yè)，對宏觀經(jīng)濟(jì)的發(fā)展至關(guān)重要，為了滿足社會的不斷發(fā)展，人們對鋼鐵材料的質(zhì)量要求也不斷提高，同時對低雜質(zhì)高強(qiáng)度焦炭的需求也持續(xù)增長。配煤煉焦作為一種常用的煉焦技術(shù)不僅可以擴(kuò)大煉焦用煤范圍、緩解我國優(yōu)質(zhì)煉焦煤資源緊缺現(xiàn)狀，同時可以提高資源利用效率，因此備受重視。我國配煤工藝及煉焦條件均處于較高且穩(wěn)定的水平，原料煤性質(zhì)對焦炭質(zhì)量的優(yōu)化仍具有較大的提升空間。

國內(nèi)外研究者對原料煤性質(zhì)影響焦炭質(zhì)量做了大量工作，朱子宗等研究人員通過添加改質(zhì)劑研究了庫拜煤改質(zhì)對焦炭冷態(tài)強(qiáng)度的影響；張文成等研究人員通過添加廢橡膠研究其對焦炭的基質(zhì)架構(gòu)、機(jī)械強(qiáng)度的影響；項茹等研究人員研究了配合煤不同粒度組成分布對焦炭冷態(tài)強(qiáng)度的影響；王浩研究了配煤中添加生物質(zhì)對冶金煉焦質(zhì)量的影響；崔平等研究人員研究了不粘煤、長焰煤、氣煤、肥煤、1/3焦煤、貧瘦煤、無煙煤等煤種對配煤煉焦的影響；Duffy.J J等研究人員認(rèn)為不同煤階的煤之間的混合程度小，而熔融僅限于顆粒表面，他們通過添加瀝青對共混煤焦化壓力機(jī)理進(jìn)行了研究；Kokonya.S研究了煤與生物質(zhì)共混物流動性對焦炭質(zhì)量的影響；Steel. K M等研究人員對熱塑性與焦化壓力產(chǎn)生的關(guān)系做了深入研究。

目前，研究原料煤性質(zhì)對焦炭質(zhì)量的影響多集中于單一煤種、單一影響因素的分析。本試驗在前人的研究基礎(chǔ)上以黃陵煤、朝川煤為配煤對象進(jìn)行配煤搗固煉焦試驗。通過調(diào)整黃陵煤的配入量調(diào)節(jié)配合煤煤質(zhì)參數(shù)，利用相關(guān)性分析研究配合煤煤質(zhì)參數(shù)對焦炭質(zhì)量的影響，利用因子分析研究配煤煤質(zhì)參數(shù)之間的內(nèi)在聯(lián)系，為配煤煤質(zhì)調(diào)整提供參考。

1 試驗部分

1.1 試驗樣品

試驗樣品采用黃陵礦區(qū)一號煤礦選煤廠洗選精煤(HL-1/2ZN 代表1/2中黏煤)、朝川焦化廠洗選精煤(CHCH-F代表朝川肥煤、CHCH-1/3J代表朝川1/3焦煤、CHCH-J代表朝川焦煤和CHCH-SH代表朝川瘦煤)，樣品基本煤質(zhì)檢測包括水分(Mad)、灰分(Aad)、揮發(fā)分(Vdaf)、全硫含量(St,d)、粘結(jié)指數(shù)(G)、有機(jī)顯微組分含量(鏡質(zhì)組V、惰質(zhì)組I、殼質(zhì)組E)、無機(jī)礦物質(zhì)含量(M)、活性組分含量(AM)以及鏡質(zhì)體最大平均反射率(Rmax)等影響配煤煉焦質(zhì)量參數(shù)，樣品煤質(zhì)分析見表1。

表1 樣品煤質(zhì)分析

1.2 配煤方案

以黃陵1/2中黏煤逐漸替代朝川1/3焦煤和焦煤為思路，共設(shè)計了15種不同的配比方案，各方案具體煤種及配比見表2和表3。

表2 黃陵1/2中黏煤替代朝川1/3焦煤試驗方案 %

表3 黃陵1/2中黏煤替代朝川焦煤試驗方案 %

1.3 試驗內(nèi)容

首先，將各種煤樣按國家標(biāo)準(zhǔn)要求縮分作為試驗原料煤，在空氣中自然干燥，使煤中水分達(dá)到平衡，將縮分出來的煤樣破碎至全部通過直徑為3 mm的圓孔篩；其次，依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)方法對配煤煤質(zhì)進(jìn)行檢測；然后，搗固裝箱進(jìn)行煉焦試驗，在室溫下將盛有配合煤樣的鐵箱放入高溫電阻爐中，煉焦試驗升溫曲線如圖1所示；熄焦后，進(jìn)行焦炭質(zhì)量檢測，檢測內(nèi)容包括焦炭抗碎強(qiáng)度(M25)和耐磨強(qiáng)度(M10)，焦炭熱反應(yīng)性(CRI)、反應(yīng)后強(qiáng)度(CSR)等；最后，再利用IMB SPSS statistics 21軟件，對配煤煤質(zhì)參數(shù)與焦炭質(zhì)量參數(shù)之間及配煤煤質(zhì)參數(shù)之間進(jìn)行分析，主要包括相關(guān)性分析和因子分析。

圖1 煉焦試驗升溫曲線

2 結(jié)果與討論

2.1 配合煤煤質(zhì)分析

對15種配合煤煤質(zhì)檢測結(jié)果見表4。

由表4可以看出，配合煤的水分分布范圍為0.76%～2.31%，平均值為1.57%；灰分分布范圍為9.96%～10.96%，平均值為10.39%；揮發(fā)分分布范圍為24.43%～29.14%，平均值為26.71%；全硫含量分布范圍為0.69%～0.75%，平均值為0.72%；粘結(jié)指數(shù)分布范圍為47.80～74.80，平均值為61.66%；V分布范圍為42.00%～77.45%，平均值為65.45%；I分布范圍為16.77%～51.50%，平均值為29.64%；E分布范圍為0.44%～2.20%，平均值為1.17%；AM分布范圍為43.00～79.64%，平均值為66.62%；Rmax分布范圍為0.89～1.07%，平均值為1.00%。隨著黃陵1/2中黏煤配入量的增加，配合煤的Mad依次增大、Aad依次減小、St,d依次增大、主要是由于黃陵1/2中黏煤的水分、灰分及硫含量均高于其它煤種。15種配煤煤質(zhì)指標(biāo)基本符合煉焦工藝設(shè)計技術(shù)要求。

2.2 焦炭質(zhì)量分析

根據(jù)冶金焦炭強(qiáng)度國家標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)對配煤搗固焦強(qiáng)度進(jìn)行分析，對15種配煤方案的焦炭質(zhì)量檢測結(jié)果見表5。

表4 配煤煤質(zhì)分析

注：配合煤序號與方案序號相同，僅在方案序號前加P以示區(qū)別

由表5可以看出，焦炭J1、J3的M25指標(biāo)符合國家一級標(biāo)準(zhǔn)，焦炭J11、J12和J13的M25指標(biāo)符合國家三級級標(biāo)準(zhǔn)，其它10種焦炭的M25指標(biāo)均符合國家二級標(biāo)準(zhǔn)；焦炭J12、J13的M10指標(biāo)符合國家二級標(biāo)準(zhǔn)，其它13種焦炭的M10指標(biāo)均符合國家一級標(biāo)準(zhǔn)；焦炭J1、J2、J3、J7和J8的CRI指標(biāo)符合國家一級標(biāo)準(zhǔn)，焦炭的J4、J5、J6、J7、J9、J10、J11、J12和J13的CRI指標(biāo)符合國家二級標(biāo)準(zhǔn)，焦炭的J14和J15的CRI指標(biāo)接近國家二級標(biāo)準(zhǔn)；焦炭的J1、J2、J3、J4、J5、J6、J7、J8、J9和J10的CSR指標(biāo)符合國家一級標(biāo)準(zhǔn)，焦炭的J11、J12、J13、J14和J15的CSR指標(biāo)符合國家二級級標(biāo)準(zhǔn)。整體上分析，隨著黃陵煤配入量的增加，焦炭M10和CRI指標(biāo)呈增大趨勢，隨著黃陵煤配入量的增加，焦炭M25和CSI指標(biāo)呈減小趨勢。綜上分析焦炭J1和焦炭J3各項指標(biāo)均符合冶金焦炭國家一級標(biāo)準(zhǔn)，焦炭J11、J12和J13符合國家三級級標(biāo)準(zhǔn)，其它10種焦炭各項指標(biāo)均符合冶金焦炭國家二級標(biāo)準(zhǔn)。

表5 焦炭質(zhì)量分析

注：焦炭序列號與配合煤相同，僅在焦炭樣品號前加J以示區(qū)別

2.3 相關(guān)性分析

利用SPSS軟件對配煤煤質(zhì)參數(shù)與焦炭強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行雙變量相關(guān)性分析，配煤煤質(zhì)參數(shù)與焦炭強(qiáng)度參數(shù)相關(guān)性系數(shù)表見表6。

一般認(rèn)為相關(guān)系數(shù)|r|在0.8～1.0之間是極強(qiáng)相關(guān)，0.6～0.8之間是強(qiáng)相關(guān)，0.4～0.6 之間是中等程度相關(guān)，0.2～0.4之間是弱相關(guān)，0.0～0.2則是極弱相關(guān)或無相關(guān)。10個配煤煤質(zhì)參數(shù)與4個焦炭強(qiáng)度參數(shù)兩兩之間做相關(guān)性分析共得到40組數(shù)據(jù)。由表6可以看出，30組數(shù)據(jù)之間呈強(qiáng)相關(guān)性甚至極強(qiáng)相關(guān)性， 5組數(shù)據(jù)之間呈中等相關(guān)性，5組數(shù)據(jù)之間呈弱相關(guān)性甚至無相關(guān)性。殼質(zhì)組含量與4種焦炭強(qiáng)度參數(shù)均呈極弱相關(guān)或無相關(guān)，這主要是由于殼質(zhì)組在煤中的含量極少(15中配煤方案中，殼質(zhì)組含量最高為2.2%，最小為0.44%，平均含量僅1.17%)造成的影響無法直觀反映出來。其它9種煤質(zhì)參數(shù)與焦炭強(qiáng)度參數(shù)均存在一定的相關(guān)性。M25與V、I、AM、G之間呈極強(qiáng)相關(guān)性，與Mad、Ad、Vdaf、St,d、Rmax呈中等相關(guān)性；M10與Mad、Ad、Vdaf、St,d呈中等相關(guān)性，與G、V、I、AM、Rmax之間均呈強(qiáng)相關(guān)性；CRI與Mad、Ad、Vdaf、St,d、Rmax呈極強(qiáng)相關(guān)性，與V、I、AM呈強(qiáng)相關(guān)性，與G呈弱相關(guān)性，CSR與Mad、Ad、Vdaf、St,d、G、Rmax呈極強(qiáng)相關(guān)性，與V、I、AM呈強(qiáng)相關(guān)性。

表6 配煤煤質(zhì)參數(shù)與焦炭強(qiáng)度參數(shù)相關(guān)性系數(shù)表

2.4 因子分析

利用SPSS軟件主成分分析方法對配煤煤質(zhì)參數(shù)進(jìn)行因子分析，借助KMO及Bartlett檢驗方法分析，KMO 和 Bartlett 的檢驗結(jié)果見表7。

表7 KMO和Bartlett的檢驗

由表7可以看，在Bartlett 的球形度檢驗中，Sig.值為0.000小于顯著性水平，拒絕原假設(shè)；Kaiser-Meyer-Olkin 度量值為0.882，大于0.7，說明適合因子分析?；谔卣髦荡笥?抽提因子做碎石圖，碎石圖如圖2所示，解釋的總方差結(jié)果見表8。

圖2 碎石圖

由圖2可以看出，只有因子1和因子2初始特征合計值大于1故提取2個因子。

表8 解釋的總方差表

由表8可以看出，因子1初始特征值為7.829，方差貢獻(xiàn)率為86.989%；因子2初始特值為1.019，方差貢獻(xiàn)率為11.318%；且因子1與因子2共同解釋累計值達(dá)到98.306%，丟失的信息較少。其余因子特征值均小于1，方差貢獻(xiàn)率極小，包含信息極少。采用方差極大法對因子載荷矩陣實行正交旋轉(zhuǎn)得到旋轉(zhuǎn)成份矩陣見表9。

表9 旋轉(zhuǎn)成份矩陣表

由表9可以看出，G、Vdaf、Mad、Aad、S和Rmax在第1因子有較高載荷，此類煤質(zhì)參數(shù)均與煤的變質(zhì)程度有一定關(guān)系，可解釋為煤的變質(zhì)程度單位因子，V、I、AM在第2個因子的載荷高，此類因子能夠反映煤的有機(jī)顯微組成，可解釋為有機(jī)顯微組成單位因子。

3 結(jié)論

(1)配合煤屬于低中灰煤、中等揮發(fā)分，低硫分、中等粘結(jié)性，且與黃陵1/2中黏煤的配入量關(guān)系密切；配合煤活性組分分布范圍含為43.00%～79.64%。配煤煤質(zhì)指標(biāo)基本符合煉焦工藝設(shè)計技術(shù)要求。

(2)黃陵1/2中黏煤部分替代朝川焦煤、1/3焦煤煉焦試驗基本可行。在15種配煤方案中，10種焦炭強(qiáng)度指標(biāo)達(dá)到冶金焦炭國家二級標(biāo)準(zhǔn)要求，3種焦炭強(qiáng)度指標(biāo)達(dá)到冶金焦炭國家三級標(biāo)準(zhǔn)，2種焦炭強(qiáng)度指標(biāo)達(dá)到冶金焦炭國家一級標(biāo)準(zhǔn)。

(3)僅殼質(zhì)組含量與焦炭強(qiáng)度參數(shù)均呈極弱相關(guān)或無相關(guān)、G與CRI呈弱相關(guān)性，M25與Mad、Aad、Vdaf、St,d、Rmax呈中等相關(guān)性，其余30組煤質(zhì)參數(shù)與焦炭強(qiáng)度均呈強(qiáng)相關(guān)性甚至極強(qiáng)相關(guān)性。對煤質(zhì)參數(shù)經(jīng)因子分析得到兩個主因子：第1因子為煤的變質(zhì)程度單位因子(G、Vdaf、Mad、Aad、S、Rmax)，第2因子為煤的有機(jī)顯微組分組成單位因子(V、I、AM)，且此二因子同解釋累計值高達(dá)達(dá)到98.306%，丟失的信息較少。