摘 要：采用炼焦煤炭化关联性检测装置研究了几种典型炼焦煤炭化形成胶质层的性质。发现胶质层从生成到固化存在四个具有不同探针阻力特征的区域，即阻力上升区、下降区、恒定区和再上升区，各结构区域的厚度和阻力变化反映了胶质层内部热塑性状态。采用“炼焦煤炭化关联性检测技术”可以获得胶质层形成过程中的状态参数，为衡量不同炼焦煤种在炭化过程中形成胶质层的内部热塑性能提供了定量表征依据。

关键词：炼焦煤；炭化关联性检测技术；胶质层性质；定量表征

1 引言

室式炼焦过程中，煤料经胶质层转变为焦炭。受温度梯度影响，胶质层内渐进的发生多种炭化行为（也称热塑性行为），包括煤料的软化、熔融、凝聚成胶质体，胶质体进一步分解、膨胀、流动，然后在持续脱气过程中黏结固化为半焦。这些行为彼此关联，影响与焦炭质量密切相关的碳基质和气孔结构的形成与发展。因此，充分认识胶质层内的行为特性，对于煤质评价、焦炭质量预测具有重要意义。

目前，对胶质层内热塑性行为的认识通常是利用间接的检测方法进行推断的。如，用奥阿膨胀仪分析软化膨胀行为，用吉泽勒塑性仪分析流动行为，用粘结指数实验分析粘结行为，用一些组合技术分析胶质层透气性等。但这些方法只针对某一特定行为的性质进行分析，对于行为间关联的认识，还需通过综合各检测结果来进一步推测。采用萨堡什尼科夫于1932年提出的胶质层指数测定仪测得的最大胶质层厚度（Y值）也只是反映了胶质层内胶质体的数量，而不能反映其性能。这将影响对焦炉内煤料成焦行为及性能的认识，导致生产中对某些炼焦煤的性质评价与其成焦性能不相符的案例时常出现。为此，亟需开发能在接近焦炉炼焦条件下来同步分析胶质层内炭化行为特征的技术。近些年，已有研究者进行了尝试，利用具备单向加热条件的电炉结合X射线扫描、SEM以及CT技术，或结合XRD、FTIR和Raman技术来分析胶质层内发生的物理和化学结构演变特征。但遗憾的是，这些技术均无法实现对胶质层内热塑性特征的直接测量。事实上，目前还没有一项技术方法可以实现，在贴近焦炉炼焦的条件下，对炼焦煤成焦过程中胶质层内发生的各种行为进行同步检测。

在此背景下，辽宁科技大学汪琦教授等[–]在胶质层指数测定仪基础上开发了一种炼焦煤炭化关联性检测技术，该技术的特色在于能够在模拟炼焦条件下，实现对炼焦煤炭化形成胶质层内发生的各关联炭化行为的同步测量，实现了从直接认识胶质层内行为特征的角度来评价煤炼焦性能的跨越。为此，本文采用该技术分析了四种典型炼焦煤炭化形成胶质层的特征，以期为炼焦煤性质评价和配煤炼焦提供一新思路。

2 实验部分

略

3 结果与讨论

基于“炼焦煤炭化关联性检测装置”对实验煤样炭化过程中形成胶质层的检测结果，来分析胶质层的有关特性。

3.1 结构特征

C2煤在不同炭化时刻形成胶质层所具有的探针阻力曲线如图2所示。可见，在I~VI时刻，探针在胶质层内运行时所遇阻力均呈现由零增至一最大值，后降低至一基本恒定值，最后再次上升的变化趋势。与煤在焦炉内的成焦过程类似，胶质层首先形成于靠近加热杯底的部位，后随杯底温度升高（383℃~542℃）而逐渐向上迁移。胶质层厚度由探针阻力开始增加至达到20 N时位置间的高度差表示[]。据探针阻力变化特征，可将胶质层划分成阻力上升区、下降区、恒定区和再上升区四个结构区域，如图2右侧所示。

3.2 形貌特征

在垂直热梯度作用下，探针通过胶质层所遇阻力变化特征应是胶质层内热塑性状态的一种反映[9]。为此，通过实验进程中断来提取胶质层不同阻力区域内代表性样本，用扫描电镜（SEM）进行形貌分析，结果如图3所示。

图3(a)为探针阻力刚开始上升区域样本图像，含未转变的、发生变形的以及软化的煤颗粒，证明该区域上部为原煤层，探针阻力为零。

图3(b)为探针阻力上升区域样本图像，示出了软化煤粒发生融合的状态。表明煤粒热解形成的塑性物质逐渐填充煤粒间空隙，加之相邻区域的膨胀，导致该区域致密化程度增加，从而引起探针阻力上升。为此，探针阻力上升区是胶质层内发生软化、融合的区域，阻力增加是软融和相邻区域膨胀综合作用的结果。

图3(c)为探针阻力达到最大值后开始下降区域样本图像，含球状的气泡和熔化的煤样。说明该区域内煤粒间空隙被完全填满，煤粒黏结聚集发生合并，阻碍热解产生的挥发性物质的释放而形成气泡。随熔化与气泡长大的发生，促进了该区域内塑性物质的流动与膨胀，从而导致探针阻力出现最值后逐渐下降。因此，探针阻力下降区是胶质层内发生熔化-热解-冒泡的区域。

图3(d)为探针阻力恒定区域样本图像，呈现泡沫般的特征。这表明受困于粘流性介质中的挥发性物质发生了剧烈演变，使得气泡长大并发生破裂，促进了泡沫状塑形物质的迁移和该区域的膨胀，从而导致该区域内出现大的孔隙结构并使探针阻力在一较大区域内维持恒定。因此，探针阻力恒定区是胶质层内气、液、固三相充分混合接触的胶质体区。

图3(e)为探针阻力再上升区域样本图像，呈现压缩的孔隙结构特征。由于上部区域膨胀将塑性物向半焦侧压缩，使受困的气体被排出，造成孔隙结构收缩，阻力再上升区对应于胶质体向半焦转变的再固化阶段，因此，该区域是胶质层内发生再固化的区域。

图3(f)为超出探针阻力上限（20 N）区域样本图像，呈多孔状的形貌。胶质层在此区域已完全固化成半焦，故为半焦层。

综上可以看出，探针阻力曲线可用于识别胶质层内部发生的相态演变，不同探针阻力区域的厚度与区域内的热解程度有关，是胶质层内热塑性状态特征的直观反映。

3.3 表征参数

结合胶质层的形貌分析，根据探针阻力曲线确定了反映不同炭化时刻形成胶质层特征的参数，即胶质层厚度Y及其各结构区的厚度，表示为YIZ、YDZ、YCZ、YRe-rZ，以及探针在胶质层内运行时所遇最大阻力和在恒定区运行时所遇最小阻力，表示为PRmax, PRmin（见图2）。

图4为C2煤不同炭化时刻形成的胶质层所具有的特征参数。可见，随温度升高胶质厚度（Y）逐渐增加，在时刻III达到最大，后逐渐降低。期间，PRmax也呈现相同变化趋势，而其它特征参数存在波动性。为此，提出用不同炭化时刻胶质层特征参数的平均值（`Yi ,`PRv）来综合衡量煤炭化形成胶质层的特征，表达式如下：