煤的膨胀与塑性煤料形成过程的关系

煤的膨胀与塑性煤料形成过程的关系

请注意，当皮带型梁启超形成纳米颗粒时，在上拉伸和上压辊对水泥层的压力做出回应，压辊开始膨胀，压辊开始提升（例如，在压式原型中）。图76和图77示出:开始膨胀时间随截面积增大而延长,随料层厚度与其长度之比值减小而延长。由此可见,煤料层厚度40mm,截面积约0.4m2(1100×420mm)时,在外压下不应该发生膨胀,但撤除形变应力后,开始膨胀。为了使履带式成型机稳定可靠地操作,开始膨胀时间应该在8～12s之内,当加热少先队员煤矿的煤超过442～445℃,发现其开始膨胀时间较短(4～5s),此时发生了流动性很好的煤料过分剧烈分解。这种软的、高膨胀性的煤料在传送到对辊成型机时,引起煤带膨胀并粘着在对辊成型机的球模上。在外压下引起膨胀说明胶质体形成过程的终止,胶质体的剧烈分解,随后胶质体粘度迅速提高,物料固化。当开始膨胀时间超过12s,在履带式成型机内,塑性煤料来不及形成,达不到煤带的完全熔融,造成上部横构件抬起,在对辊机前积料。在此情况下,必须提高履带成型机速度,直至加热煤温度的变化能保证形成所需性质的塑性煤料。图78示出了在外压下煤的开始膨胀时间随煤加热温度变化的曲线。这些数据是在试验装置上使用少先队员矿煤操作时获得的。这种相关关系对于其它煤种也不止一次地被证实，但是温度变化的区间不同。随着煤加热温度提高,煤料在外压下开始膨胀的时间缩短。温度在435～440℃之间,开始膨胀时间为12～8s,在此操作温度区间,能保证在履带式成型机内,由上述煤形成塑性煤料。正如第二章所叙述的那样,用实验室方法对单种煤及配合煤进行详细研究后,可确定其最佳的热处理工艺参数以及所获型焦性质。然后在工业性试验装置上对最佳的工艺参数进行验证。煤热处理的恒定性根据其堆密度和开始膨胀时间监控,用改变其加热温度来调整(见表43)。在履带式成型机内,塑性煤料形成的主要参数决定于在外压下加热煤的压实程度,详见表41。制取塑性型块只完成了工艺过程的前一半,然后塑性型煤经链板运输机输送并分配至炭化炉内焙烧和炭化(第五章)。为了监测并控制在履带式成型机和对辊成型机内塑性煤料的形成过程,必须开发快速且有一定精确度的测定方法,以便测定进入炭化焙烧炉前塑性型煤的性质。焦炭的气孔结构起源于胶质状态阶段,其结构特性与其形成条件有关,而其形成条件又对塑性煤料的流变性和透气性程度有影响。如前所述,当解除外压后型煤体积增大是塑性煤料气密性的标志。但是,为了形成高强度的焦炭,塑性煤料的气密性要达到一定程度,该程度相当于塑性型煤允许的膨胀值。在热处理煤料真密度波动量不大的情况下,塑性型煤的气孔率与其视密度成正比。为了系统监测型煤的视密度,(每班120～150个型煤),研制了快速且足够精确的测定方法。塑性型煤具有光滑的、憎水的表面与细微气孔结构,所以短时间浸入水中不会引起吸水。这就成为用排水法测定型煤体积的先决条件。为此,选用直径150mm,高200mm的容器,在容器内靠近底部的侧壁上开一小孔,并焊一支直径2mm的玻璃弯管,玻璃管的上端相当于固定的水位高度,当水位超过时,水经过玻璃管溢流入量筒内。经称量后的塑性型煤放置在编织的大孔网套内(其体积已知并为一常数),浸入液面高度恒定的容器中,被排入量筒的水的体积减去网套的体积就是型煤的体积。同一块型煤反复测定几次体积,所得结果重复性很好。类似的方法在捷克斯洛伐克也被开发,并进行了不同的焦炭视密度测定方法的比较研究,应用了四种方法进行比较:(1)测定棱柱状样品的体积和重量;(2)在水中煮沸,冷却后称量并测定体积;(3)把试样放在细网套中,测定其置于容器后的排水量;(4)试样用蜡浸润,再用排水法测定。确认,第三种方法与第一种方法相比,能获得更精确的结果,平均偏差0.7%,第二种方法和第四种方法的测定偏差值较大,相应为5.1%与2.7%。至于重现性,第三种方法的平均偏差为平均值的0.33%。第三种方法的优点是测定时间短。为了测定型煤的视比重,用水煮法不合适。因为有少量的型煤物质会被冲刷,减小其重量,使型煤的视比重测定产生偏差。第一种测定方法不适用的原因是型煤的脆性较强。而第四种方法由于操作时间长,蜡用量大而不适用。也使用了将型煤置于砂中,然后加振的方法。但此方法也因操作时间延长,并需要粒度组成稳定的砂子而未用来研究大批量的型煤。表44列出了用上述方法测定同一批型煤所得的数据,测定误差不超过1.6%。表45列出了在水中煮沸或不煮沸情况下,用容积计测得的视密度及用涂蜡法和快速测定法测得的视密度数据。这些数据表明,在研究塑性煤料不同的成型条件时,新开发的快速测定法可以确立一系列的关系并具有足够的置信度。但是,型煤的视密度不能同义地表征形成均匀的塑性煤料结构。例如,当制得的型煤其视密度为0.7～0.85g/cm3,而成型前其煤料层的压实度为1g/cm3,密度的下降证明形成气密性的塑性煤料。但是,煤料层在下履带机上的分布有可能不太均匀,即在煤料层薄的位置,由于压实程度低会造成型煤的视密度也低。在那样的型煤中,保存有粒状结构,物料并未熔融,型煤经焙烧炭化后制得的型焦,其强度差。冷却后型煤的强度取决于结构的熔融程度。一般的测定固体物料强度的方法,包括焦炭强度测定方法不能适用。原因是凝固后的塑性煤料具有很强的脆性,对撞击和磨损的稳定性很差,为了测定型煤的均匀程度及内聚力,开发了一种既简单又快速的测定方法,即对型煤施加破坏性外力的方法。测定型煤强度的转鼓,直径300mm,宽180mm,转鼓的侧壁做成筛孔状,孔径10mm,鼓内侧壁上设有四块挡板,挡板宽20mm。转鼓放置在有机玻璃外壳内,转鼓旋转时,产生的细粒沿溜槽进入放置在秤上的方盘内。转鼓由电动机带动,以固定的转速6r/min旋转。鼓内装5～6个整型煤,总重600～800g。在开发测定方法时,转鼓旋转1、2、3、5转后,测量方盘中<10mm级的量,然后每转10转再测定一次。总转数100转。研究确定,转鼓旋转2～5转后所得的细粒量表征型煤表面颗粒的粘着强度。随后型煤继续破坏分成碎块露出其内表面。经过30～70转后<10mm细粒的产率反映出型煤的熔结性和整体强度。对于在同样的热处理条件下,在相近的视密度值下成型的塑性型煤,其平行试验的数据,很好地排列在一条积分线上。同时,熔融性好的煤料与熔融性差的煤料所制得的型煤,其被破坏时所形成的细粒动态也各不相同。图79示出了三种不同类型的塑性型煤随转鼓转数的变化所产生的细粒的积分曲线。在同一图中也列出了每旋转5转后,生成细粒的微分曲线。曲线1为熔融好的煤料制得型煤的破坏动态曲线。此种型煤经焙烧炭化后可制得高结构强度的型焦(>1mm产率超过70%)。曲线2为熔融的但气孔率过高(由于过高的胶质层内压力)的型煤的破坏动态曲线。曲线3为不熔融结构的型煤即尚未形成塑性物料的破坏动态曲线。上述三种型煤均由同种煤料制得,但是塑性煤料的形成条件各不相同。上述三种情况的微分曲线表明,在塑性煤料已形成时所制得的型煤,在转鼓内,细粒的生成几乎是匀速的。而对于塑性煤料尚未生成时制得的型煤,在旋转15转之后,细粒产生速度增大,至旋转22转后,细粒产生速度重新减慢。在转鼓旋转10～15转之后,这类型煤被裂成小块,将型煤不均匀的内部结构暴露,这就是细颗粒加速产生的原因。部分在实验室和工业性试验装置上制得的塑性型煤被置于砂子中冷却。部分塑性型煤送至管式电炉内焙烧及炭化。第一批试样用于测定冷却后的塑性型煤,在转鼓内旋转70转后,<10mm细粒的产率。而后一批样用于测定炭化焙烧后型焦的结构强度,即经破坏后>1mm的产率。测定结果见图80。大量的试验数据表明,塑性型煤冷却后的强度与型焦的结构强度之间有着明显的关系。由图80的曲线可见,当型煤生成的细粒在5%～11%之间,型焦的结构强度仍然很高,在75%～70%间波动。型煤的强度进一步下降,即细粒子产率增至15%～17%,型焦结构强度明显下降。因此,根据这些数据,可确定冷却后的塑性型煤的允许强度极限。即在转鼓内旋转70转后,细颗粒(<10mm)的产率,不得超过11%。积分曲线的形状,可描绘出型煤外表面和内表面性态的概念。当型煤有颗粒状或有裂纹的表面,经过转鼓旋转3～5转后,即生成大量细颗粒。如果型煤表面是光滑的,但塑性煤料并未形成,转鼓旋转15～20转后,细颗粒的产生速度加快。如果塑性型煤结构均一,其破坏速度亦均匀,转鼓旋转70转后,卸出的仍是整型煤,只是型煤尺寸及重量较试验前小。试验及结构处理需耗时约20min。这就可以对送去焙烧和炭化的型煤进行系统的监测。以煤料开始膨胀时间(f,s)表征煤料的热处理程度和塑性性质;以型煤的视密度(dφ)评价型煤的透气性程度;以型煤的强度(cφ)表示其结构的均匀性,上述指标即可定量说明型煤的性质与其制备条件的关系。为保证制取高强度的冶金型焦,需研究这些指标的相互关系及这些指标的允许波动范围。图81示出了由成型机制得的型煤视密度与煤热处理程度(f,s)的关系。当煤经热处理后,其塑性性质表现为开始膨胀时间8～12s时,在履带式成型机上形成气密性的塑性煤料。开始膨胀时间缩短,表明胶质体流动性过高,在胶质体内产生巨大的内压力,使制得的塑性型煤视密度变小(见图81)。延长开始膨胀时间(超过12s),表明胶质体粘度过大,在此情况下成型,不能保证生成熔融结构。解除外压力后,型煤膨胀很小,证明其视密度太高。在图81中标出了型煤视密度的极限值,0.68～0.82g/cm3,这类型煤是在开始膨胀时间为8～12s于履带式成型机上制得的。当煤被加热至较低的温度,开始膨胀时间延长至14～16s,此时所得的型煤是致密的,但具有不均匀的粒状结构。当煤热处理程度不足时,可观察到履带成型机的横梁被抬起。塑性煤料的粘度过大,阻碍它达到必要的密度(>1g/cm3)。所以在规定的温度制度下,在履带成型机出口处,煤料层厚度减至70～75mm。在此期间,形成大量的未成型的煤,大多以小碎粒(大部分<1mm)形式由成型机排出。如果煤的加热温度超过最佳温度区域,(见图59)开始膨胀时间缩短到6～5s;型煤的视密度降至0.55～0.65g/cm3。在这样的操作制度下,可引起塑性物料在履带式成型机上粘着,也不易从对辊成型机上脱模冷却后的型煤强度表示塑性煤料的熔融程度,它取决于煤的性质及用指标(f,s)表示的煤的热处理程度。上述相关关系示于图82和图83。当开始膨胀时间值较小时(τ<8s),塑性型煤由对辊成型机排出后,剧烈膨胀,引起其表面被破坏,降低其强度。开始膨胀温度延长至τ>12s,可制得结实的型煤,但是结构不均匀。同样也增加转鼓试验时<10mm级的量(见图82和图83)。当煤被热处理至开始膨胀时间8～12s时,型煤的强度指标为8%～11%。所导出的关系及开发的研究方法,可用来确定工业性试验装置最佳的操作制度及日常监测。下面提出在制取塑性型煤阶段对装置操作制度监控的建议。由采得的塑性型煤试样,先测定未成型的煤粒量。然后将每一个型煤称重,测量其体积并计算视密度(dφ)。从同一批试样取出整型煤以测定其强度。如果型煤的视密度低于0.65g/cm3,在转鼓内转70转后<10mm级含量超过11%,且开始膨胀时间少于8s,那么必须降低煤的热处理温度2～5℃。若型煤强度偏低,煤料开始膨胀时间过长,型煤视密度增高,说明煤热处理温度不够,需要提高煤热处理温度。但是,塑性型煤的质量不仅取决于煤的热处理温度,也取决于煤料在下履带成型机上的维温时间,施加外压的大小及施压时间和成型表面温度等。所以,如果用开始膨胀时间表示的煤热处理程度为8～12s,但型煤的密度仍然很高,强度也很低,则必须缩短维温时间,增大施加的外压力,提高成型机表面温度。如果型煤强度过低是由于剧烈膨胀所致,需延长维温时间,减小施加外压力或者添加惰性物质。当煤的塑性性质足够高时,外压力的大小对所获型煤的强度影响很小(图84直线1)。在同样的情况下,若使用的是弱粘结性煤、被氧化了的气煤或含有大量不粘结组份的配煤(例如巴洽斯克露天矿的煤),甚至在热处理极好(f=8～12s),外压力增大至0.5MPa时,才能明显提高型煤的强度(图84直线2),因而所获型焦的强度也较高(见图80)。在同样的焙烧与炭化条件下,型煤的密度与型焦气孔率之间有一定的关系,可用图85的曲线表示。但是,炭化段的加热速度在更大的程度上影响着型焦的气孔率。型煤密度小说明其透气性差。所以,在炭化段的加热速度应该比密实的但透气性好的型煤低些。在履带式成型机和对辊成型机后所制得的塑性型煤,其质量和截面尺寸均有差别。这是因为送入对辊成型机的塑性煤带在宽向与长度方面厚度不尽相同,此外,对辊成型机中心与两侧的间隙也不相同,对煤带的咬入条件也不尽相同。在上履带或一系列光辊对热处理煤料层施加外压的过程中形成塑性煤料。随着上下履带机间的间距加大,外加压力逐渐解除,塑性煤料层高度增大,意味着气密性的塑性煤料已经形成。所以,当煤带在对辊成型机内被切割并再次压实时,最大压实度只取决于进入每一个球碗的煤料量,而对所形成的塑性型煤的密度和强度没有大的影响。这一点可由一系列在规定的操作制度下完成的试验证明。对辊成型机整球碗的容积135ml,为方枕型整球碗尺寸(mm)70×70×56。型煤重量在100～140g之间波动。主要原因是型煤厚度在45～60mm间变化,而其它尺寸基本保持恒定(70×70mm)(图86)。在型煤厚度<56mm的情况下,对辊对塑性煤带只起切割而无压实作用。而较厚的煤带制得的型煤,能被压实到不同的数值。因此,具有一定气密性程度的塑性煤料,应该在对辊成型机切割成小块之前完成其形成过程。如果送入对辊成型机的是未完全形成的塑性煤料,则不同重量和厚度的型煤在性质和结构方面会有很大的差别。为了监测在履带成型机内塑性煤料形成条件的完成情况,在线采集塑性型煤的平均试样,按重量分成若干个组,重量差别±5g。每一个试样组约有40～50个型煤。测定型煤截面尺寸(厚度)的平均值、密度和强度。图87示出了型煤视密度的研究结果。图88示出了由不同的煤(见表43)在装置的五个操作周期内所获型煤的强度。由此两图可见,用对辊成型机切割在履带式成型机内已形成的塑性煤料时,所制得的型煤