Знание основ процессов углеобразования и условий применимости твёрдого топлива в металлургии позволяет гибко управлять технологическими процессами и экономической эффективностью производства чугуна и стали.

Использование горючих ископаемых в металлургии насчитывает на одну сотню лет. Исходный материал и условия образования ископаемых топлив стали причиной их видового разнообразия. Современная металлургия предъявляет высокие требования к качеству сырья, в т.ч. к коксу и вдуваемым добавкам. Знание основ процессов углеобразования и условий применимости твёрдого топлива в металлургии позволяет гибко управлять технологическими процессами и экономической эффективностью производства чугуна и стали.

Состав и структура исходного растительного материала

Сложившаяся к настоящему времени теория образования углей подразумевает происхождение горючих ископаемых из растительной массы, прошедшей определённый метаморфизм в течение длительного периода времени.

В образовании исходного материала для всех горючих ископаемых принимали участие разнообразные растения, начиная с одноклеточных водорослей и заканчивая деревьями. По современным представлениям в структуре растений выделяются вещества следующих химических групп: жиры, воски, смолы, углеводные комплексы (целлюлозы и пектиновые вещества), лигнин, белки.

Жиры широко распространены в растениях: в них насчитывают около 1700 различных видов жиров. По химическому составу жиры являются сложными эфирами трёхатомного спирта – глицерина – и предельных и непредельных кислот жирного ряда (монокарбоновых, с нормальной углеродной цепью и чётным числом атомов углерода). Жиры не растворимы в воде, но легко растворяются в диэтиловом эфире, сероуглероде, бензине, ароматических углеводородах.

Воски – это сложные эфиры высших монокарбоновых кислот и высших первичных одноатомных спиртов нормального строения. Воски в растениях покрывают тончайшим слоем стебли, листья, оболочки спор, предохраняя их от внешних воздействий. Воски имеют высокую для органических материалов температуру плавления (70...72 °С). Они представляют собой исключительно устойчивые вещества и благодаря своей стабильности почти всегда присутствуют в углях.

Смолы . Растительные смолы представляют собой смесь различных органических соединений (кислот, сложных эфиров, спиртов, фенолов и углеводородов). Смолы присущи высшим растениям, в которых они находятся в растворах эфирных масел (бальзамы). В растениях бальзамами заполнены смоляные ходы. При повреждении растения обильно выделяются смоляные концентраты, которые быстро густеют на воздухе в результате испарения эфирных масел, а также вследствие частичной полимеризации смоляных веществ. Такие сгустки твёрдой смолы доходят до нас в виде смоляных конкреций, вкрапленных в органическую часть угля.

Целлюлоза (С6Н10О5) – основной строительный материал растительных тканей, придающий растениям механическую прочность.

Гемицеллюлозы (гетерополисахариды) являются сложными органическими соединениями, при гидролизе которых получаются простейшие сахара (пентозы, гексозы и т.д.).

Пектиновые вещества – выполняют опорную функцию в стенках растительных клеток, молодых плодах и тканях.

Лигнин представляет собой полимер ароматической природы. Участвует в формировании клеточных стенок растений. Образование лигнина характерно только для сосудистых растений. В период эволюции (выход растений на сушу) сосудистые растения приобрели свойство вырабатывать ферменты, способные образовывать лигнин из углеводов. Лигнин играет роль цементирующего вещества, склеивающего пучки целлюлозных волокон, и составляет, таким образом, основную часть древесины. Примерное содержание лигнина в некоторых растениях (% масс.) составляет: бук – 22, ель – 27, древовидная люцерна – 23, плаун – 37, кукушкин лён – 38, сфагнум (особый род мха) – 4,5.

Белки – природные продукты макромолекулярного строения, превращающиеся при гидролизе в альфа-аминокислоты. Одно из важнейших свойств белков, отсутствующее у других растительных химических групп – специфичность.

Элементный состав углеобразователей приведён в табл. 1:

Таблица 1. Элементный состав углеобразователей

Количественное содержание химических групп веществ в различных видах растений приведено в табл. 2.

Таблица 2. Содержание в растениях основных групп химических веществ, % (масс.)

Исходный растительный материал и его превращения в ходе процессов углеобразования

В зависимости от состава исходного растительного материала угли делятся на гумусовые, сапропелитовые, липтобиолитовые и смешанные.

Гумусовые угли образуются из наземных растений.

Липтобиолитовые угли образуются также из наземной растительности, но из наиболее стойких в естественных условиях компонентов растений – покровных тканей (кутикулы, кора, смолы, споры, пыльца).

Сапропелитовые угли образуются исключительно из скоплений водорослей – зелёных, сине-зелёных.

Смешанные угли представляют собой продукт совместных превращений различной наземной и водной растительности.

Наряду с исходным материалом на состав и свойства углей оказывают влияние и физико-географические условия, при которых происходило накопление растительного материала. Это понятие охватывает ландшафтную обстановку, подразделяемую на озёрную, болотную, морскую, лагунную и т.д., и физико-химические (гидрохимические и микробиологические) её особенности, включающие солёность, проточность, застойность и др.

Важнейшим условием, обеспечивающим возможность формирования каменного угля, является отсутствие доступа к исходному материалу кислорода воздуха. Условия формирования и виды углей приведены в табл. 3.

Таблица 3. Условия формирования и виды углей

Коксующимися могут быть только гумусовые, полосчатые угли, т.е. клареновые угли:

• кларен (лат. clarus – блестящий) – уголь, слагаемый богатыми углеродом и микропримесями составляющими: витреном, микринитом и фюзеном.
• витрен, витрит, витринит (лат. vitrum – стекло) – чёрная блестящая, богатая углеводородами растительная ткань – основной носитель спекающих свойств. Образует "линзы" и "слои" в основной массе угля.
• микринит – чёрный матовый компонент из спор растений.
• фюзен, фюзинит (франц. fusain – линза) – чёрный порошкообразный, подобный древесному углю с шелковистым блеском.

Классификация углей по степени метаморфизма

Различия в исходном материале, степени обводнённости торфяников, химическом составе среды и фациальных обстановках осадко- и торфонакопления, обусловливающие направленность и интенсивность протекания окислительных и восстановительных микробиологических процессов, создали в торфяной стадии основу для образования различных генетических типов углей. Торфообразование и торфонакопление завершались перекрытием торфяника осадками, образующими породы кровли. Происходившие при относительно невысоких температурах и давлении диагенетические (уплотнение, дегидратация осадков, газовыделение) и биохимические процессы восстановительного характера приводили к превращению торфа в бурый уголь.

Угли, включающие слабо разложившиеся древесные остатки, сцементированные землистым углём, называемые лигнитами.

Бурые угли – одна из разновидностей углей – имеют широкое распространение. Доля запасов бурых углей и лигнитов в мировых запасах углей – 42%. Неглубокое залегание и большая мощность угольных пластов позволяют широко применять открытый способ разработки, экономические и технические преимущества которого во многом компенсируют относительно низкое качество сырья.

В результате длительного воздействия повышенных температур и давления бурые угли преобразуются в каменные угли, а последние – в антрациты. Необратимый процесс постепенного изменения химического состава (прежде всего в направлении обуглероживания), физических и технологических свойств органического вещества в преобразованиях от торфа до антрацита называются углефикацией. Углефикация на стадиях превращения бурых углей в каменные и последних в антрациты, обусловленная происходящими в земной коре процессами, носит название метаморфизма углей. Выделяют три основных вида метаморфизма углей:

• региональный, вызванный воздействием внутренней теплоты Земли и давления перекрывающей толщи пород при погружении углей в глубь земной коры;
• термальный – под влиянием тепла, выделяемого магматическими телами, перекрывшими или внедрившимися в угленосную толщу, либо в подстилающие её отложения;
• контактовый – под воздействием тепла изверженных пород, внедрившихся в угольные пласты или пересекших их непосредственно; проблематично признаётся возможным метаморфизм углей за счёт повышения температур в областях проявления тектонических сжимающих и скалывающих) усилий – динамометаморфизма.

Структурно-молекулярная перестройка органического вещества при метаморфизме углей сопровождается последовательным повышением в них относительного содержания углерода, снижением содержания кислорода, выхода летучих веществ; в определённых закономерностях с экстремальными значениями на средних стадиях углефикации изменяются содержание водорода, теплота сгорания, твёрдость, плотность, хрупкость, оптические, электрические и др. физические свойства углей. Для определения этих стадий используются: выход летучих веществ, содержание углерода, микротвёрдость и др. особенности химического состава и физических свойств углей. Наиболее эффективен метод определения стадии углефикации по отражательной способности витринита.

Каменные угли на средних стадиях метаморфизма приобретают спекающие свойства – способность гелифицированных и липоидных компонентов органического вещества переходить при нагревании в определённых условиях в пластического состояние и образовывать пористый монолит – кокс. Относительное количество запасов углей с высокой спекающейся способностью составляет 10...15% от общих запасов каменных углей, что связано с более высокой интенсивностью преобразования органических вещества на средних стадиях метаморфизма. Спекающиеся угли возникают при температурах примерно от 130 до 160...180 °С при общем диапазоне температур, обусловливающих протекание метаморфизма углей, от 70...90 °С для длиннопламенных углей до 300...350 °С для антрацитов. Наиболее высококачественные спекающиеся угли формировались в бассейнах, испытавших региональный метаморфизм при глубоком погружении угленосной толщи. При термальном и контактовом метаморфизме в связи с резким изменением температур и невысоким давлением преобразование органического вещества протекает неравномерно и качество углей отличается невыдержанностью технологических свойств. Породы угленосных формаций наряду с метаморфизмом углей испытывают катагенетические преобразования.

В зонах аэрации и активного действия подземных вод вблизи поверхности Земли угли подвергаются окислению. По своему воздействию на химический состав и физические свойства углей окисление имеет обратную направленность по сравнению с метаморфизмом: угли утрачивают прочностные свойства (до превращения их в сажистое вещество) и спекаемость; в них возрастает относительное содержание кислорода, снижается количество углерода, увеличиваются влажность и зольность, резко снижается теплота сгорания. Глубина окисления углей в зависимости от современного и древнего рельефа, положения зеркала грунтовых вод, характера климатических условий, вещественного состава и метаморфизма углей колеблется от 0 до 100 м по вертикали.

Различия в вещественном составе и степени метаморфизма обусловили большую дифференциацию технологических свойств углей. Для установления рационального направления промышленного использования углей подразделяются на марки и технологические группы; в основу такого подразделения положены параметры, характеризующие поведение углей в процессе термического воздействия на них. Границей между бурыми и каменными углями принята высшая теплота сгорания рабочей массы беззольного угля, равная 5700 ккал/кг (23,86 МДж).

Ведущий показатель при использовании углей в энергетических целях – низшая теплота сгорания – в пересчёте на рабочее топливо колеблется в пределах (ккал/кг): 2000...5000 (8,372...20,930 МДж) для бурых, 4100...6900 (17,162...28,893 МДж) для каменных углей и 5700...6400 (23,86...26,79 МДж) для антрацитов. Пониженная величина этого показателя у бурых углей объясняется низкой степенью углефикации органического вещества, слабой уплотнённостью материала и, соответственно, высокой их естественной влажностью, изменяющейся в пределах 15...58%. По содержанию рабочей влаги бурые угли подразделяются на технологические группы: Б1 с Wp > 40%, Б2 с Wp 30...40% и Б3 с Wp < 30%.
В основу промышленной маркировки каменных углей положены показатели, характеризующие результаты их высокотемпературной сухой перегонки (коксования): выход летучих веществ, образующихся при разложении органической массы (частично неорганического материала – сульфидов, карбонатов, гидратированных минералов), и характеристика беззольного горючего остатка – кокса по спекаемости. Весовой выход летучих веществ из углей последовательно снижается с повышением степени углефикации от 45 до 8% у каменных углей и до 8...2% у антрацитов.

В СССР спекаемость углей определяется в лабораторном аппарате пластометрическим методом, предложенным в 1932 советскими учёными Л. М. Сапожниковым и Л. П. Базилевич, по толщине образующегося при нагревании пластического слоя (у) с учётом усадки (х), выраженных в мм. Наибольшей спекающей способностью характеризуются каменные угли средних стадий углефикации с толщиной пластического слоя 10...35 мм (марок К и Ж). С понижением и увеличением степени метаморфизма спекаемость углей снижается. Угли марок Д и Т характеризуются слабоспекшимся порошкообразным нелетучим остатком. В табл. 4 приведены величины основных показателей качества углей на различных стадиях углефикации применительно к маркам согласно ГОСТ.

Таблица 4. Основные показатели качества углей марочного состава

Кроме указанных в таблице, в некоторых бассейнах выделяются промежуточные марки: газовые жирные (ГЖ), коксовые жирные (КЖ), коксовые вторые (K2), слабоспекающиеся (СС). Угли марок Г, ГЖ, Ж, КЖ, К и ОС подразделяются на технологические группы по спекающей способности; для указания технологической группы к буквенному обозначению марки прибавляется цифра, указывающая низшее значение толщины пластического слоя (у) в данных углях, например Г6, Г17, КЖ14 и т.п. Для углей конкретных бассейнов величины классификационных показателей (VГ и у) регламентируются ГОСТом. Для получения металлургического кокса используется смесь различных марок углей – шихта, основным компонентом которой являются угли с высокими спекающими свойствами.

Подразделение углей на бурые, каменные и антрациты принято в большинстве стран Европы (в некоторых – с выделением дополнительно лигнитов). В основу принятой в 1956 Европейской экономической комиссией ООН Международной системы классификации каменных углей также положены выход летучих веществ для углей с V >33% – высшая теплота сгорания влажной беззольной массы, спекающая способность и коксуемость. Тип угля обозначается кодовым трёхзначным номером, первая цифра которого указывает класс угля (по летучим или теплоте сгорания), вторая – группу (по спекающей способности, определённой методом Рога или индексом вспучивания в тигле), третья – подгруппу (по коксуемости, определённой методами Одибер-Арну или Грей-Кинга). В США и некоторых других странах угли подразделяются на лигниты, суббитуминозные, битуминозные угли и антрациты; классификационными параметрами приняты: для лигнитов, суббитуминозных и битуминозных (с выходом летучих >31%) углей – теплота сгорания беззольной массы, для битуминозных с летучими <31% и антрацитов – выход летучих веществ и содержание связанного углерода.

Маркировка углей, отражая комплекс определённых технологических свойств разновидностей углей, используется как основной критерий в практике промышленного использования углей. Для конкретных направлений потребления устанавливаются дополнительные технические требования. Резкое снижение теплового эффекта сгорания угля и экономических показателей их использования за счёт балласта (золы и влаги) определяет необходимость брикетирования углей с высокой естественной влажностью и предварительного обогащения высокозольных углей. Предельная зольность углей, направляемых на слоевое сжигание, не должна превышать 20...37%, на пылевидное сжигание – 45%.

Для коксования используются малозольные (обогащенные) спекающиеся каменные угли, в которых лимитируется содержание серы и фосфора. Для полукоксования, газификации, получения жидкого топлива, горного воска и др. направлений потребления нормируются спекаемость, сернистость, зольность, кусковатость, термическая стойкость, содержание смол, битумов и др. показатели качества.

Основные угольные бассейны РФ – источники коксующихся углей

Донецкий бассейн. Один из наиболее крупных европейских угольных бассейнов. На территории Ростовской области находится только крайняя восточная часть бассейна, где распространены преимущественно антрациты. Коксующиеся угли имеются в трёх районах из семи – Каменско-Гундоровском, Белокалитвенском, Тацинском – и характеризуются лёгкой и средней обогатимостью. Угли Донецкого бассейна характеризуются высоким содержанием серы.

Кузнецкий бассейн . Находится на территории Кемеровской и Новосибирской областей и занимает площадь 27 тыс. км2 (110 х 350 км). Из 25 геолого-промышленных районов коксующиеся угли развиты в 20. Обогатимость углей – лёгкая и средняя при выходе концентрата от 70 до 90%. Угли Кузнецкого бассейна характеризуются низким содержанием серы. В бассейне добывают все марки коксующихся углей. Благоприятные горно-геологические условия залегания углей, небольшая глубина их отработки делают использование этих углей экономически целесообразным практически на территории всей России.

Печорский бассейн. Входит в Северный район и находится на территории Республики Коми и Ненецкого автономного округа Архангельской области. Площадь бассейна 90 км2. Коксующиеся угли распространены на Воркутском, Воргашорском и Хальмеръюском месторождениях. Угли в основном среднеобогатимые (выход концентрата составляет от 70 до 85% (масс.), угли марок ГЖО, К, Ж – легкообогатимые (выход концентрата 85-93% масс.). Жирные и газовые жирные угли Воркутинского и Воргашорского месторождений способны принимать в качестве отощающей добавки до 50% отощенных углей со значительным увеличением прочности кокса. Угли марки К Хальмеръюского месторождения при коксовании дают прочный металлургический кокс высокого качества.

Карагандинский бассейн. Является источником коксующихся углей для предприятий Востока России, находится в Центральном Казахстане на территории одноименной области. Площадь его составляет 3000 км2 (30 х 100 км). Угли труднообогатимые, т.к. минеральные составляющие очень тонко распределены в органической массе угля. Выход концентрата составляет от 15 до 65% (масс.).

Показатели качества коксующихся углей

Качество углей определяется по их технологическим и петрографическим показателям.

Выход летучих веществ (V) – продукты за исключением влаги, выделяющиеся из угля в виде газа и пара. Образуются при разложении угля в условиях нагрева без доступа воздуха. Определяются на сухое (dry – Vd) или сухое беззольное состояние (dry ash free – Vdaf). В совокупности со спекаемостью он определяет пригодность углей для коксования. Именно этот показатель является ключевым при составлении угольной шихты и рассмотрении возможности замещения углей в шихте.

Зольность (A) – содержание негорючего неорганического материала в угле. Определяется как остаток, образующийся при нагреве угля в результате сгорания всей горючей массы. Определяется на сухое состояние (dry – Ad).

Сера (S) – содержание серы в угле. Содержится в виде сульфидов, сульфатов, органических соединений и элементарной серы. Определяется на сухое состояние (dry – Sd).

Витринит (Vt) – один из видов органического вещества (мацералы), образующего массу угля. Кроме витринита различают липтинит и инертинит. Витринит является наиболее ценным мацералом.

Показатель отражения витринита (R0) – отражательная способность витринита является показателем степени метаморфизма углей (чем больше, тем старше уголь). Для характеристики степени углефикации определяют средний показатель отражения витринита в обыкновенном монохроматической свете.

Толщина пластического слоя (y) – один из основных показателей спекаемости углей, характеризующий оценку качества коксующихся углей. Определяется как максимальное расстояние между поверхностями раздела «уголь – пластическая масса – полукокс», определяемое при пластометрических испытаниях.

Связанный углерод (FС) – часть углерода, остающаяся при нагревании угля в закрытом сосуде до полного удаления летучих веществ (т.е. это нелетучая часть за вычетом золы).

Общая влага (TM) – влага, содержащаяся в ископаемом углей, включая свободную, поверхностную и связанную. При коксовании влага отрицательно влияет на насыпную плотность угольной шихты, расход электроэнергии на дробление и тепла на коксование; при влажности более 8% затрудняется транспортировка шихты в углеподготовительных цехах.

Тип кокса по Грей-Кингу (Gray King coking index) – данный показатель является основной характеристикой коксуемости углей; тип кокса по Грей-Кингу определяется по эталонной шкале: A, B, C, D, E, F, G1, G2,...,G12; тип кокса "A" свидетельствует о том, что уголь не коксуется, типы "B", "C", "D" говорят о низкой коксуемости,..., типы "G5" – "G12" свидетельствуют о высоких коксующихся свойствах углей, причём, чем выше число, тем лучше коксуемость.

Индекс свободного вспучивания (Crucible Swelling Number (CSN)/Free Swelling Index (FSI)) – основная характеристика, по которой оценивается спекаемость углей во всем мире; спекаемость является одним из важнейших классификационных показателей для углей, используемых для коксования; спекаемость угольной шихты должна быть достаточной для обеспечения высокой прочности коксового вещества (как правило, чем выше значение CSN при прочих равных условиях, тем лучше).

Максимальная текучесть по Гизелеру (Gieseler Max Fluidity) – хорошо спекающиеся угли определяются по методу Гизелера; данный параметр очень важен для коксующихся углей, т.к. низкотекучие угли не способны самостоятельно участвовать в процессе коксования (требуют добавки высокотекучих углей для связки); для сравнения данного параметра используют логарифмическую (порядковую шкалу).

Индекс размолоспособности (Hardgrove Index) – эмпирический индекс, достигаемый в результате измельчения пробы угля. Измельчение узкоклассифицированного угля массой 50 г проводится в кольцевой шаровой мельнице в течение 60 оборотов. Индекс определяется на основе гранулометрического состава измельчённого угля.

Классификация коксующихся углей

В России и СНГ действует Единая классификация углей по ГОСТ 25543-88. Согласно этой классификации уголь разделяется на следующие марки:

• Б – бурый;
• Д – длиннопламенный;
• ДГ – длиннопламенный газовый;
• Г – газовый;
• ГЖО – газовый жирный отощенный;
• ГЖ – газовый жирный;
• Ж – жирный;
• КЖ – коксовый жирный;
• К – коксовый;
• КО – коксовый отщенный;
• КСН – коксовый спекающийся низкометаморфизированный;
• КС – коксовый слабоспекающийся;
• ОС – отощенный спекающийся;
• ТС – тощий спекающийся;
• СС – слабоспекающийся;
• Т – тощий;
• А – антрацит.

Мировая классификация разделяет угли на Hard Coking Coal (HCC), Semi-soft Coking Coal (SSCC), Pulverised Coal for Injection (PCI), Thermal Coal/Steam Coal (рис. 1):

Рисунок 1 - Мировая классификация углей

Соотношение мировых резервов углей и направления их использования в зависимости от содержания углерода и влаги приведено на рис. 2:

Рисунок 2 - Соотношение мировых резервов углей

ПУТ – пылеугольное топливо

История развития технологии вдувания пылеугольного топлива

Технология доменной плавки с использованием пылеугольного топлива известна с 1831 г. Промышленное применение технологии вдувания ПУТ началось лишь в середине XX века, а широкое распространение данная технология получила в 80-е годы XX века. Затяжной период освоения технологии ПУТ можно объяснить необходимостью разработки сложного и дорогостоящего оборудования для подготовки и вдувания ПУТ, а также успешной конкуренцией со стороны мазута и природного газа.

Первый патент на вдувание измельчённого твёрдого топлива в доменную печь через фурмы выдан в Англии в 1831 г. Аналогичный патент выдан в Германии в 1877 г. Данные о начале практического применения ПУТ разнятся: по одним источникам первые попытки вдувания были предприняты в 1840 г., по другим первое вдувание измельчённого угля в шахтную печь было осуществлено в Канаде при плавке черновой меди в 1911 г.

Масштабные экспериментальные работы по вдуванию ПУТ начались в 50...60-е годы ХХ века в США. В то время мазут выполнял ведущую роль в технологии вдувания топлива.
В 1955 г. в СССР на металлургическом заводе им. Дзержинского были проведены опыты по вдуванию угольной пыли через фурму в доменную печь объёмом 427 м3 при выплавке ферросилиция. Эти опыты положили начало исследованиям доменного процесса с применением пылевидного топлива на промышленных доменных печах СССР.

Только после энергетического кризиса в 70-е годы обратили внимание на уголь как на более разумную экономическую альтернативу. Применяемая в 70-х годах ХХ века практика вдувания мазута и других производных нефти обеспечивала расход кокса на уровне 400 кг/т чугуна. Второй нефтяной кризис заставил отказаться от вдувания жидких агентов и резко увеличил потребление кокса.

80-е годы стали периодом быстрого роста строительства установок по вдуванию ПУТ в мире, в основном в Европе и Азии. В Северной Америке популярным стало вдувание природного газа совместно с другими видами жидкого и твёрдого топлива. К концу 80-х вдувание ПУТ значительно потеснило другие виды топлива и в США.

Вследствие противоположной направленности воздействия процессов вдувания ПУТ и природного газа на ход доменной печи стало очевидными совместить вдувание этих видов топлива для более мягкого влияния на ход печи. В США данная технология обрела широкое применение (табл. 5):

Таблица 5. Использование различных вдуваемых добавок в доменных печах США

Популярность такого решения объясняется тем, что комбинация двух материалов обеспечивает при менее строгих условиях максимально возможную экономию кокса.
К настоящему времени в результате совершенствования технология вдувания ПУТ нашла широкое практическое применение. Использование технологии вдувания ПУТ позволяет снизить удельный расход кокса до 325...350 кг/т чугуна. Лидером по удельному расходу ПУТ являются Нидерланды (рис. 3, ). В последнее время технология активно развивается в Китае ().

Рисунок 3. Уровень вдувания ПУТ

Необходимые условия успешной реализации технологии вдувания ПУТ

Для внедрения технологии вдувания ПУТ в доменную плавку необходимо выполнить комплекс следующих мероприятий:

• улучшить качество кокса по показателю CSR до 62% и более;
• снизить зольность шихты для коксования до 7,5%;
• обеспечить высокую стабильность показателей качества шихты для коксования;
• использовать для ПУТ угли с зольностью 6,0-8,5% и содержанием серы менее 0,5%;
• обеспечить стабильность качества показателей используемых для ПУТ углей;
• обеспечить стабильность качества компонентов железорудной шихты;
• уменьшить содержание мелочи в железорудном сырье до 3...5%;
• повысить температуру дутья до 1200...1250 °С;
• увеличить содержание кислорода в дутье до 28...33%.

Параллельно сокращению расхода кокса при вдувании больших количеств ПУТ прежде всего возрастают требования к качеству кокса (см. раздел "Скачать/Вспомогательная литература" ), поскольку кокс является единственным твёрдым материалом ниже зоны когезии доменной печи и расходуется здесь с более медленной скоростью, т.е. подвергается более длительному воздействию высоких температур и веса столба шихты. В связи с этим кокс должен быть более прочным физически и устойчивым к химическому воздействию, чтобы обеспечить высокую газопроницаемость шихты.

Показатель прочности кокса после взаимодействия с углекислым газом (CSR – coke stretch reactivity) в значительной степени зависит от химического состава золы, который влияет на реакционную способность кокса.

Состав доменного шлака также оказывает влияние на эффективность вдувания ПУТ – исследователями обнаружен значительный сдерживающий эффект увеличения потерь давления, возникающий в результате использования железорудного сырья с низким содержанием Al2O3.

Особенности сгорания угольной пыли в фурменных очагах доменной печи

Наиболее важным определяющим требованием новой технологи является обеспечение полного сгорания топлива в пределах фурменной зоны доменной печи. Выход частиц пылеугольного топлива за пределы фурменной зоны вызывает снижение коэффициента замены кокса, ухудшение вязкости шлака и газопроницаемости нижней части доменной печи.
Полное сгорание частиц угольной пыли в фурменных очагах определяется фракционным составом угля, содержанием летучих, температурой фурменной зоны и содержанием кислорода в дутье.

На основе теоретических и практических изысканий показано, что в пределах фурменных зон могут полностью сгорать частицы менее 200...100 мкм. Негативной стороной снижения крупности вдуваемого угля является значительное повышение затрат на подготовку ПУТ, снижение производительности помольного оборудования, увеличение потерь угля и т.д.
Процесс сгорания частицы угля можно разделить на три стадии:

1. нагрев и выделение летучих веществ;
2. воспламенение летучих веществ и дегазация;
3. горение углеродистого остатка и плавление неорганических элементов угля.

Первая стадия подразумевает нагрев частицы угля с температуры окружающей среды до 450 °C, протекает практически мгновенно и занимает не более 5% всего времени горения частицы. Время нагрева прямо пропорционально диаметру частицы и обратно пропорционально температуре вокруг частицы. Причём влияние диаметр частицы на скорость нагрева более значительно.

В реальности процесс дегазации и третья стадия – горение углеродистого остатка – проходят не строго последовательно, а накладываются друг на друга. Т.е., горение углеродистого остатка начинается до завершения процесса дегазации. Время горения определяется по формуле:

где ρ – плотность частицы, г/см3; d – диаметр частицы, мм; β – число переноса вещества (см/с), определяемое по уравнению Ранца и Маршалла; C_O2 – концентрация кислорода в газовом пространстве, моль/см3. Горение коксового остатка занимает значительную часть процесса, а время горения прямо пропорционально диаметру частиц, обратно пропорционально содержанию кислорода и на этой стадии не зависит от температуры окружающей среды.

Представленное описание даёт качественную характеристику процесса горения частиц угля в фурменном очаге. В действительности процесс сгорания частиц носит более сложный характер – частицы в ходе горения меняют свою скорость относительно потока, изменяется размер и форма частиц, изменяются коэффициенты тепло- и температуропроводности. Температура газовой среды и содержание кислорода в ней также являются переменными величинами.

Надо отметить, что в фурменном очаге доменной печи условия для сгорания угольной пыли более благоприятные:

• пыль подаётся в поток горячего дутья с температурой 1100...1250 °С, движущегося с высокой скоростью, вследствие чего пыль хорошо прогревается и диспергирует;
• перед фурмами доменной печи имеется значительное пространство с низкой концентрацией циркулирующих кусков кокса и высокой концентрацией кислорода – в этом объёме развит факельный процесс горения угольной пыли;
• несгоревшие пылинки, попадая на куски нагретого кокса с пленкой расплава могут прилипать к ним и, возвращаясь в фурменную зону сгорать.

Тем не менее, даже в таких условиях часть угольной пыли может не сгорать. Уменьшение размера угольных частиц и увеличение температуры сокращает время, необходимое для полного сгорания. При этом увеличение температуры оказывает большее влияние на полноту процесса, чем размеры частиц.

Произведённые расчёты показывают, что при вдувании в фурменную зону частиц размером 100 мкм и температуре дутья 1000 °С за время нахождения частицы в фурменной зоне (0,01...0,04 с) сгорит около 60...80% угля, а остальная часть достигнет границ зоны в виде дегазированных частиц. Дальнейшее поведение несгоревших частиц может развиваться по одному из сценариев:

• вторичная газификация углерода пыли с помощью СО2;
• окисление углерода угольной пыли при помощи оксидов жидкой фазы (FeO, SiO2, MnO и т.д.);
• улавливание частиц шихтой с переходом в нижние слои доменной печи с последующим сгоранием в фурменных очагах.

Согласно расчётам вне зависимости от расхода вдуваемого угля 66% всего несгоревшего угля выносится через колошник, 23% расходуется в реакции газификации углерода, а остальные 11% попадают в центральную зону горна доменной печи.

Исследование состава колошниковой пыли на содержание углерода кокса и вдуваемого угля показало, что в сухой пыли содержание углерода составляет около 55%, из которого 90% – углерод кокса, а 10% – углерод полукокса из угольной пыли. Исходя из общего выноса колошниковой пыли, вынос угольной пыли через колошник составляет около 1% от вдуваемого угля.

Реакционная способность угля, низкое содержание золы, низкая температура воспламенения и минимальное содержание летучих веществ являются наиболее благоприятным сочетанием. Содержание серы и фосфора ограничивается конкретными условиями плавки и требованиями к содержанию этих элементов в чугуне. Таким образом, в отношении качественных характеристик ПУТ и параметров доменной печи эффективность его вдувания определяется следующими принципиальными особенностями:

• применение для ПУТ низкозольных углей (5...14%);
• измельчение ПУТ до 22...75 мкм;
• приемлемый индекс размолоспособности угля (HGI);
• равномерная подача ПУТ в фурмы доменной печи (неравномерность ±4...10%).

Мировая практика использования углей для ПУТ

Характеристики используемых в качестве ПУТ углей приведены в табл. 6.

Таблица 6. Характеристики углей для ПУТ

Для целей вдувания используются угли с низкими коксующими свойствами – индекс CSNменее 4 ед., текучесть в пределах 200 ddpm. Содержание серы ограничено 0,6%, зольность – не более 10%.

Следует отметить, что для вдувания в основном используются угли с высоким содержанием летучих (32...38%) и угли с низкими летучими (15...20%):

Рисунок 4 - Содержание летучих веществ в углях для ПУТ

Угли с низким содержанием летучих веществ характеризуются высоким содержанием углерода, что в значительной степени увеличивает коэффициент замены кокса. В то же время, уголь с высоким содержанием летучих имеет низкий коэффициент замены кокса, но обладает хорошей эффективностью при сгорании. Кроме того, использование для вдувания углей с высоким содержанием летучих веществ способствует протеканию восстановительной реакции благодаря более высокому содержанию водорода в таких углях.

Во многих случаях с целью улучшения технологической управляемости процесса применяют угольные смеси из высоко- и низколетучих углей с тем, чтобы регулировать содержание летучих веществ и зольность вдуваемого ПУТ. Кроме того, при совместном вдувании ПУТ и природного газа для экономической эффективности можно увеличивать долю высоколетучих углей в смесях в периоды повышения стоимости природного газа. Это позволяет частично компенсировать восстановительную способность образующихся газов за счёт водорода летучих веществ.

На кривой взаимосвязи между типом угля и пластическими свойствами угли для вдувания в качестве ПУТ (PCI) занимают крайние положения:

Рисунок 5 - Взаимосвязь между типом угля и пластическими свойствами

Такое положение углей для ПУТ напрямую отражается на их цене. Уголь PCI – категория неподходящих для коксования углей. Этот уголь уступает в цене премиальным маркам коксующихся углей (-31% в среднем за год). Но использование технологии вдувания ПУТ позволяет экономить дорогостоящий кокс, следствием чего является превосходство по цене над коксующимися углями категории Semi Soft (+12% в среднем за год). Динамика изменения цен приведена на рис. 6.

Рисунок 6 - Соотношение котировок металлургических углей

Реализация технологии вдувания ПУТ в РФ

Несмотря на то, что первые опыты по вдуванию ПУТ в СССР относятся к середине XX века, эта технология пока не нашла широкого применения на предприятиях РФ. Причины:

• наличие избыточных запасов природного газа;
• сложная инфраструктура подготовки, хранения и подачи ПУТ;
• нерешённые проблемы с подачей ПУТ в доменные печи (конструкция фурм, равномерность распределения);
• необходимость параллельных инвестиций в улучшение качества кокса и железорудного сырья.

Последней попыткой внедрения технологии вдувания ПУТ в РФ была реализация проекта на Тулачермет в 1992...1993 г.г. В ходе проведения эксперимента так и не удалось решить вопросы, связанные с подачей ПУТ в доменную печь.

До настоящего времени интерес к технологии вдувания ПУТ носил академический характер. Но изменившиеся экономические условия привели к пересмотру стратегии развития отечественной металлургии. Наметившийся в настоящее время тренд увеличения стоимости природного газа для промышленных предприятий подтолкнул ведущие металлургические компании РФ к реализации проектов по вдуванию ПУТ (НЛМК, Евраз ЗСМК, Евраз НТМК). Учитывая более сложные технические и технологические условия российских предприятий (табл. 7, см. раздел "Скачать/Вспомогательная литература" ) и качество отечественной угольной базы, реализация проектов по вдуванию ПУТ будет сопряжена с известными трудностями, и достижение высоких показателей по количеству вдуваемого ПУТ и коэффициенту замены кокса маловероятно.

Таблица 7. Технологические условия доменных печей

Тем не менее, переход на новую технологию является очевидным шагом на пути к оптимизации себестоимости чугуна путём комбинации различных технологических заменителей кокса.

Если говорить об угольной базе для ПУТ в РФ, то представляется возможным использовать для этих целей угли с низкими коксующими свойствами (ГЖО, СС, ТС) и пограничные с коксующимися марки энергетических углей (Г, Т). Сочетание высоколетучих (Г, ГЖО) и низколетучих (СС, ТС, Т) марок позволит создавать управляемые угольные смеси для использования в качестве ПУТ.

Качество и направления использования углей во многом определены составом исходного растительного материала и степенью метаморфизма. Приведено описание основных качественных характеристик металлургических углей. Особое место занимают угли для использования в качестве пылеугольного топлива (ПУТ). Перечислены требования для успешного внедрения технологии вдувания ПУТ, отражены особенности сгорания ПУТ в условиях доменной печи и особенности реализации технологии вдувания ПУТ в РФ. Приведены требования к углям для использования в качестве ПУТ и перечислены марки углей для использования в качестве ПУТ.

• пылеугольное топливо
• качество углей для ПУТ
• цена ПУТ
• требования к ПУТ

Основная литература:

Вспомогательная литература:

• Вдувание ПУТ на пороге нового столетия ("НЧМЗР" 02.2001)
• Улучшение качества сырья при вдувании ПУТ ("НЧМЗР" 03.2001)
• Требования к качеству кокса для ДП с высоким расходом ПУТ ("Сталь" 06.2009)
• Перспективы применения ПУТ в ДЦ Украины и России ("Сталь" 02.2008)

Марка А (антрацит).
Антрациты объединяют уголь с показателем отражения витринита более 2,59%.При выходе летучих веществ менее 8% к антрацитам относятся также угли с показателем отражения витринита от 2,2 до 2,59%. Основная масса антрацитов используется в энергетических целях. Средние и крупные классы их служат в качестве бездымного топлива в коммунально-бытовом секторе. Часть антрацитов направляется на производство термоантрацита, который, в свою очередь, используется в качестве основного углеродистого наполнителя при изготовлении катодных блоков для электролизеров в алюминиевой промышленности. Антрациты применяются также для производства карбида кремния и карбида алюминия.

Марка Д (длиннопламенный) .
Уголь длиннопламенный представляют собой угли с показателем отражения витринита от 0,4 до 0,79% с выходом летучих веществ более 28-30% при порошкообразном или слабоспекающемся нелетучем остатке. Длиннопламенные угли не спекаются и относятся к энергетическим углям. Направления использования этих углей - энергетическое и коммунально-бытовое топливо, поэтому их наиболее существенной характеристикой является теплота сгорания. При переходе к следующей марке ДГ теплотворная способность углей существенно увеличивается. Исследования показали, что длиннопламенный уголь с невысокой зольностью может служить хорошим сырьем для производства синтетического жидкого топлива и химических продуктов, получения формованного кокса и сферических абсорбентов,низкотемпературного (до 700 градусов) коксования.

Марка ДГ (длиннопламенный газовый).
Угли длиннопламенные газовые представляют собой уголь с показателем отражения витринита от 0,4 до 0,79% с выходом летучих веществ более 28-30% при порошкообразном или слабоспекающемся нелетучем остатке. Эти угли являются переходными между углями марок Д и Г. От длиннопламенных углей они отличаются наличием спекаемости (толщина пластического слоя 6-9 мм, а от газовых с аналогичной спекаемостью - более незначительной хрупкостью и повышенной механической прочностью. Последнее обстоятельство обусловливает преобладание среди таких углей крупно-средних классов. Уголь марки ДГ также относят к группе энергетических углей. Для участия в коксовых шихтах они мало пригодны, т.к. образующийся кокс отличается низкой механической прочностью и повышенной реакционной способностью.

Марка Г (газовый).
Уголь газовый имеет две технологические группы. Витринитовые угли (показатель отражения витринита от 0,5 до 0,89%) с выходом летучих веществ 38% и более, при толщине пластического слоя от 10 до 12 мм образуют группу 1Г, витринитовые и инертинитовые угли с показателем отражения витринита 0,8 - 0,99%, выходом летучих веществ 30% и выше и толщиной пластического слоя от 13 до 16 мм образуют группа 2Г.Влажность газового угля обычно не превышает 10 %, зольность изменяется в пределах от 7 до 35% с преобладанием зольности 10-15%. Газовые угли используются в основном как энергетическое и коммунально-бытовое топливо. На коксование направляют уголь группы 2Г с толщиной пластического слой более13мм.Ограниченная возможность применения газовых углей в шихтах коксохимических заводов, производящих металлурги¬ческий кокс, связана с тем, что они при слоевом коксовании обусловливают образование микротрещин в коксе, существенно снижающих его прочность. Газовый уголь с толщиной пластического слоя 8-12 мм используются для производства формованного кокса и сферических абсорбентов, а угли с толщиной пластического слоя менее 8 мм - для газификации и полукоксования. Витринитовые малозольные угли марки Г с выходом летучих веществ более 42% являются хорошим сырьем для производства синтетического жидкого топлива.
Марка Б (Бурый).
Уголь бурый характеризуется низким значением показателя отражения витринита (менее 0,6%) и высоким выходом летучих веществ (более 45%). Бурые угли делятся в зависимости от влажности на технологические группы: 1Б (влажность свыше 40%), 2Б (30-40%), 3Б (до 30%). Бурые угли Канско-Ачинского угольного бассейна представлены в основном группой 2Б и частично - 3Б (показатель отражения витринита 0,27-0,46%), бурые угли Подмосковного бассейна относятся к группе 2Б, угли Павловского и Бикинского месторождений (Приморский край) относятся к группе 1Б. Бурый уголь используют как энергетическое топливо и химическое сырье.

Марка ГЖО (газовый жирный отощенный).
Угли газовые жирные отощенные по значениям выхода летучих веществ и толщины пластического слоя занимают промежуточное положение между углями марок Г и ГЖ. Выделяют две технологические группы. В техноло-гическую группу 1ГЖО выделены уголь с показателем отражения витринита менее 0,8% и выходом летучих веществ менее 38%, с толщиной пластического слоя от 10 до 16 мм. В группу 2ГЖО входят угли с показателем отражения витринита 0,80-0,99%, выходом летучих веществ менее 38%, с толщиной пластического слоя 10-13 мм, а также угли с показателем отражения витринита 0,80-0,89% с выходом летучих веществ 36% и более при толщине пластического слоя 14-16мм. Влажность марки ГЖО колеблет¬ся в пределах 6-8%, зольность - 6-40%. Содержание уг¬лерода изменяется в пределах 78-85%, водорода - от 4,8 до 6,0%, серы 0,2-0,8%. Уголь марки ГЖО характеризуются широкой вариацией свойств, что не позволяет рекомендовать для их использования какое-либо одно направление. Уголь группы 1ГЖО при толщине пластического слоя менее 13 мм могут составлять не более 20% шихт коксохимических заводов, и лишь при условии, что остальная часть шихты содержит хорошо спекающиеся угли с показателем отражения витринита от 1 до 1,5%. Уголь группы 2ГЖО являются хорошим сырьем для коксования (особенно при показателе отражения витринита не менее 0,85%) и могут составлять более половины шихты. Фюзинитовый уголь группы 1ГЖО (подгруппа 1ГЖОФ) совершенно непригоден для производства металлургического кокса,и могут использоваться в коммунально-бытовом (крупные классы) или энергетическом (мелкие классы) секторах.

Марка ГЖ (газовый жирный).
Угли газовые жирные занимают промежуточное положение между марками углей Г и Ж и делятся на две группы. Группа 1ГЖ объединяет уголь с показателем отражения витринита 0,5-0,79%, выходом летучих веществ 38% и более и толщиной пластического слоя более 16 мм. Группа 2ГЖ объединяет уголь с показателем отражения витринита 0,8-0,99%, выходом летучих веществ 36% и более, толщиной пластического слоя 17-25 мм. От газовых углей марка ГЖ отличается более высокой спекаемостью, а от углей марки Ж — более высоким выходом летучих веществ. Угли марки ГЖ в основном используются в коксохимическойпромышленности и входят в группу марок углей, особо ценных для коксования. В большинстве случаев они могут полностью заменить жирные угли в шихтах коксохимических заводов. Концентраты угля марки ГЖ с зольностью менее 2% целесообразно применять в качестве связующего при производстве электродной и углеграфитовой продукции; угли марки ГЖ пригодны и для производства синтетического жидкого топлива.

Марка Ж (жирный).
Угли жирные подразделяются на две группы. К первой группе (1Ж) относятся уголь с показателем отражения витринита 0,8-1,19%, выходом летучих веществ 28-35,9% и толщиной пластического слоя 14-17 мм. Ко второй группе (2Ж) относятся угли с показателем отражения витринита 0,8-0,99%, выходом летучих веществ 36% и более, при толщине пластического слоя 26 мм и более. К этой же группе относятся угли с такими же значениями показателя отражения витринита, но с выходом летучих веществ от 30 до 36% при толщине пластического слоя 18 мм и выше. Также в группу 2Ж включаются уголь с показателем отражения витринита 1-1,19% с выходом летучих веществ не менее 30% при толщине пластического слоя не менее 18 мм. Уголь марки Ж относятся к особо ценным коксующимся углям и применяются главным образом в коксохимической промышленности, составляя от 20 до 70% коксовых шихт. Кокс, полученный из углей марки Ж, обладает высокой структурной прочностью.

Марка КЖ (коксовый жирный).
Угли коксовые жирные выделяются как уголь с показателем отражения витринита 0,9-1,29%, толщиной пластического слоя 18 мм, с выходом летучих веществ 25-30%. Основным потребителем угля марки КЖ является коксохимическая промышленность. Из всех марок уг¬лей, применяемых для получения кокса, они обладают наиболее высокой коксуемостью.Высококачественный металлургический кокс из них получается без смешивания с уг¬лями других марок. Кроме того, они способны принимать без изменения качества кокса до 20% присадочных углей марок КО, КС и ОС.

Марка К (Коксовый).
Уголь коксовый характеризуют показателем отражения витринита от 1 до 1,29%, а также хорошей спекаемостью. Толщина пластического слоя составляет 13-17 мм у углей с показателем отражения витринита 1,0-1,29% и 13 мм и выше с показателем отражения витринита 1,3-1,69%. Выход лету¬чих веществ находится в пределах 24-24,9%. Без смешивания их с углями других марок обеспечивают получение кондиционного металлургического кокса. Качество кокса может существенно возрастать при смешивании углей марки К с 20-40% углей марок Ж, ГЖ и КЖ.

Марка КО (Коксовый отощенный).
Уголь коксовый отощенный представляют собой уголь с выходом летучих веществ, близким по значениям к коксовым углям, но с меньшей толщиной пластического слоя - 10-12 мм. Показатель отражения витринита - 0,8-0,99%. Уголь марки КО применяются в основном для производства металлургического кокса в качестве одного из присадочных углей к маркам ГЖ и Ж.

Марка КСН (коксовый слабоспекающийся низкометаморфизованный).
Угли коксовые слабоспекающиеся низкометаморфизованные характеризуются показателем отражения витринита от 0,8 до 1,09%. При коксовании без смешивания с другими углями они дают механически мало прочный, сильно истирающийся кокс. Применяются как в коксохимической промышленности, так и в энергетике и коммунально-бытовом секторе. Уголь марки КСН может также использоваться для получения синтетического газа.

Марка КС (Коксовый слабоспекающийся).
Угли коксовые слабоспекающиеся характеризуются низкой спекаемостью (толщина пластического слоя 6-9 мм с показателем отражения витринита 1,1-1,69%. Уголь марки КС используются в основном в коксохимической промышленности в качестве отощающего компонента. Часть угля используется для слоевого сжигания в промышленных котельных и в коммунально-бытовом секторе. Угли коксовые слабоспекающиеся характеризуются низкой спекаемостью (толщина пластического слоя 6-9 мм с показателем отражения витринита 1,1-1,69%. Уголь марки КС используются в основном в коксохимической промышленности в качестве отощающего компонента. Часть угля используется для слоевого сжигания в промышленных котельных и в коммунально-бытовом секторе.

Марка ОС (отощенный спекающийся).
Угли отощенные спекающиеся имеют показатели отражения витринита от 1,3 до 1,8% и выход летучих веществ не более 21,9%. Толщина пластического слоя для группы 2ОС составляет 6-7 мм, а для группы 1ОС - 9-12 мм при витринитовом составе и 10-12 мм при фюзинитовом. Влажность добытых углей марки ОС не превы¬шает 8-10%. Зольность колеблется от 7 до 40%. Содержание серы в Кузнецком бассейне не превышает 0,6%, в Ка¬рагандинском достигает иногда 1,2%, в Донбассе 1,2-4,0%. Содержание углерода составляет 88-91%, водорода 4,2-5,%. Основным потребителем угля марки ОС является коксохимическая промышленность; эти угли - одна из лучших отощающих компонентов в коксовых шихтах. Некоторые угли марки ОС даже без смешивания с углями других марок дают высококачественный металлургический кокс; но при коксовании они развивают большое давление распирания на стенки коксовых печей, кокс из печей выдается с большим трудом, что приводит к быстрому выходу печей из строя. Поэтому уголь марки ОС обычно коксуют в смеси с углями марок Г и ГЖ, обладающими высокой степенью усадки.

Марка ТС (тощий слабоспекающийся).
Угли тощие слабоспекающиеся характеризуются выходом летучих веществ менее 22% и весьма низкой спекаемостью (толщина пластического слоя менее 6 мм. Влажность добытого угля марки ТС низкая - 4-6%. Зольность находится в пределах 6-45%. Содержание углерода 89-91%, водоро¬да 4,0-4,8%.Содержа¬ние серы в углях Кузбасса 0,3-0,5%, Донбасса 0,8-4,5%. Уголь марки ТС используются как в коксохимической промышленности, так и, в основном, в энергетике; крупно-средние классы углей этой марки являются хорошим бездымным топливом для мелких котельных и индивидуального бытового применения.

Марка СС (слабоспекающийся).
Угли слабоспекающиеся характеризуются показателем отражения витринита в пределах 0,7-1,79%, толщиной пластического слоя менее 6 мм и выходом летучих веществ, характерным для хорошо коксующихся углей марок Ж, КЖ, К, КС и ОС. Влажность добытого угля достигает 8-9%. Зольность колеблется от 8 до 45%. Содержание серы обычно не превышает 0,8%. Содержание углерода колеблется от 74 до 90%, водорода от 4,0 до 5,0%. Применяются главным образом на крупных электростанциях, в промышленных котельных и коммунально-бытовом секторе. В ограниченном количестве отдельные разновидности углей марки СС применяются в шихтах коксохимических заводов.

Марка Т (тощий).
Уголь тощий характеризуется выходом летучих веществ от 8 до 15,9% с показателем отражения витринита от 1,3 до 2,59%; спекаемость отсутствует. Используются в основном в электроэнергетике и в коммунально-бытовом секторе; при условии малой зольности могут использоваться для получения углеродистых наполнителей в электродном производстве.

где коэффициент k характеризует скорость захвата, а показатель степени т - порядок реакции. Величина k изменяется от 0 до оо. При этом при Кг- коэффициент, учитывающий качество основания; Я - высота свободного падения угля, м.

где Р - угол наклона отражающей поверхности, градус; W+5~- содержание класса крупнее 6 мм, %.

И характер воздействий, и внешние механические нагрузки, имеющие место на перепадах транспортного потока, определяются конструктивными параметрами перегрузочных устройств и средств транспорта: высотой перепада, жесткостью и углом наклона отражающей поверхности, скоростью и углом наклона подающего конвейера и другими факторами.

ростью под углом и к горизонту с высоты h на отражающую поверхность, наклоненную в свою очередь под углом Р. В месте соударения отражающей поверхности и антрацита скорость его падения может быть разложена на нормальную vn и касательную vr по отношению к отражающей поверхности составляющие. Кинетическая энергия соударения определяется нормальной составляющей У„, которая может быть определена по формуле

Действующие сегодня классификации рассматривают уголь в основном как энергетическое топливо, поэтому в них недостаточно отражены свойства, важные для процессов химико-технологической переработки. В настоящее время во многих странах ведутся исследования по разработке методов однозначной оценки пригодности любого угля для различных направлений его технологического использования, в.том числе и для переработки в моторные топлива. В Советском Союзе в последние годы завершена разработка такой единой классифика-: дни углей на основе их генетических и технологических параметров. По этой классификации петрографический состав угля выражается содержанием фю-зинизированных микрокомпонентов. Стадия метаморфизма определяется по показателю отражения витринита, а степень восстановленности выражается комплексным показателем: для бурых углей - по выходу смолы полукоксования, а для каменных углей - по выходу летучих веществ и спекае-мости. Каждый из классификационных параметров отражает те или иные особенности вещественного состава и молекулярной структуры углей.

До 1989 г. по каждому угольному бассейну имелась своя классификация, закрепленная соответствующим ГОСТом. Основами этих классификаций для разделения углей на марки и внутри каждой марки на группы были: выход летучих веществ, толщина пластического слоя и характеристика нелетучего остатка при определении выхода летучих веществ. С 1991 года введена Единая классификация каменных углей. По стандарту, который предусматривает новые классификационные параметры, угли делятся по видам, в зависимости от величины показателя отражения витринита, теплоты сгорания и выхода летучих веществ на бурые, каменные и антрациты.

кевич и Ю.А.Золотухин пытались разработать методику прогноза прочности кокса с учетом петрографического состава и показателя отражения витринита. Принималась во внимание неоднородность углей в шихтах по степени метаморфизма и микролитотипному составу. Учитывался также показатель толшины пластического слоя, а также зольность прогнозируемой шихты, вычисляемая по аддитивности.

Как видно, в пределах каждой пары дифференцированных по батареям шихт нет заметных различий по зольности, содержанию общей серы, спе-каемости. Выход летучих веществ несколько ниже у шихт, предназначенных для коксовой батареи № 1-бис. Величины комплексных показателей для всех вариантов соответствуют или близки оптимальным срединным значениям, некоторое предпочтение при этом можно все же отдать шихтам для батареи № 1-бис. В табл. 6 приведены подтверждающие это положение характеристики спе-каемости. Петрографические характеристики опытных шихт, включающие средние величины показателя отражения витринита и распределение различных стадий метаморфизма в пределах вит-ринитовой составляющей угольных шихт, представлены в табл. 7.

Варианты шихт Показатель отражения витринита р О/ "0, /О Стадия метаморфизма витринита, %

петрографический;

Стадия метаморфизма устанавливается по отражательной способности витринита. Сущность метода заключается в измерении и сопоставлении электрических токов, возникающих в фотоэлектронном умножителе при отраженном свете от полированных поверхностей образца и образца сравнения. Показатель отражения витринита для каменных углей находится в пределах от 0,40 до 2,59 .

Углями низкого ранга считаются угли с высшей теплотой сгорания менее 24 МДж/кг и средним показателем отражения витринита /?„ менее 0,6 %;

Углями более высокого ранга считаются угли с высшей теплотой сгорания равной или более 24 МДж/кг, а также с высшей теплотой сгорания менее 24 МДж/кг при условии, что средний показатель отражения витринита равен или превышает 0,б %.

Средний показатель отражения витринита, К,„% -две цифры

Первые две цифры кода обозначают отражательную способность вмтри-нита, соответствующую нижнему пределу 0, 1%-ного диапазона значений среднего показателя отражения витринита, умноженному на 10;

Рассчитываются показатели отражательной способности витринита как на воздухе R а, так и в масляной иммерсии R o . r . По значению R o . r оценивается класс каменного угля в промышленно – генетической классификации (ГОСТ 25543-88).

На рис. 2.1 приведена связь между расчётным значением параметра и показателем отражения витринита на воздухе R а.

Между и R а имеется тесная корреляционная связь: коэффициент парной корреляции r = 0,996, детерминации – 0,992.

Рис.2.1. Взаимосвязь между параметром каменного угля и показателем

отражения витринита на воздухе R а (светлые и тёмные точки –

различные источники)

Представленная зависимость описывается уравнением:

R а = 1,17 - 2,01. (2.6)

Между расчётным значением и показателем отражения витринита в масляной иммерсии R о. r связь нелинейная. Результаты исследований показали, что имеется прямолинейная связь структурного параметра витринита ( Vt) с показателями липтинита ( L) и инертинита ( I).

Для углей Кузбасса взаимосвязь между показателями R о. r и следующая:

R о. r = 5,493 - 1,3797 + 0,09689 2 . (2.7)

На рис.2.2 приведена взаимосвязь между показателями отражения витринита в масляной иммерсии R о. r (оп) и вычисленном по уравнению (2.7) R o . r (выч).

Рис.2.2. Корреляция между опытными R о. r (оп) и вычисленными R o . r (выч)

значениями показателя отражения витринита углей Кузбасса

Представленная на рис. 2.2 графическая зависимость характеризуется следующими статистическими показателями: r = 0,990; R 2 = 0,9801.

Таким образом, параметр однозначно характеризует степень метаморфизма каменных углей.

2.3.Действительная плотность угля d r

Является важнейшей физической характеристикой ТГИ. Используется

при расчёте пористости топлив, процессов и аппаратов их переработки и др.

Действительная плотность угляd r рассчитывается по аддитивности с учётом содержания в нём количества молей углерода, водорода, азота, кислорода и серы, а также минеральных компонентов по уравнению:

d = V o d + ΣV Mi d Mi + 0,021, (2.8)

где V о и V – объёмное содержание в угле органической массы и отдельных минеральных примесей в долях единицы, %;

d и d Mi – значения действительных плотностей органической массы угля и минеральных примесей;

0,021- поправочный коэффициент.

Плотность органической массы угля рассчитывается на 100г её массы d 100 ;

d 100 = 100/V 100 , (2.9)

где величина V 100 – объёмное содержание в угле органической массы, доли единицы. Определяется по уравнению:

V 100 = n C + H n H + N n N + O n O + S n S , (2.10)

где n C o , n H o , n N o , n O o и n S o – число молей углерода, водорода, азота и серы в 100г ОМУ;

H , N , O и S – эмпирические коэффициенты, определённые экспериментально для различных углей.

Уравнение для расчета V 100 витринита углей в интервале содержания в ОМУ углерода от 70,5% до 95,0% имеет вид

V 100 = 5,35 C o + 5,32 H o + 81,61 N o + 4,06 O o + 119,20 S o (2.11)

На рис.2.3 приведена графическая зависимость между расчётными и действительными значениями плотности витринита углей, т.е. d = (d )

Между значениями истинной плотности витринита расчетной и экспериментальной имеется тесная корреляционная связь. При этом коэффициент множественной корреляции составляет 0,998, детерминации – 0,9960.

Рис.2.3. Сопоставление расчётных и экспериментальных

значений истинной плотности витринита

Выход летучих веществ

Рассчитывается по уравнению:

V daf = V x Vt + V x L + V x I (2.12)

где x Vt ,x L и x I – доля витринита, липтинита и инертинита в составе угля (x Vt + x L + x I = 1);

V , V и V – зависимость выхода летучих веществ из витринита, липтинита и инертинита от параметра :

V = 63,608 + (2,389 – 0,6527 Vt) Vt , (2.7)

V = 109,344 – 8,439 L , (2.8)

V = 20,23 exp [ (0,4478 – 0,1218 L) ( L – 10,26)], (2.9)

где Vt , L и I – значения параметров , рассчитанные для витринита, липтинита и инертинита по их элементному составу.

На рис.2.4 представлена связь расчётного выхода летучих веществ на сухое беззольное состояние с определённым по ГОСТ. Коэффициент парной корреляции r = 0,986 и детерминации R 2 = 0,972.

Рис.2.4. Сопоставление опытных V daf (оп) и расчётных V daf (расч) значе

ний выхода летучих веществ из петрографически неоднородных углей

Кузнецкого бассейна

Взаимосвязь параметра с выходом летучих веществ из углей месторождений ЮАР,США и Австралии представлена на рис. 2.5.

Рис.2.5.Зависимость выхода летучих веществ V daf от структурно - химического

параметра витринитовых углей:

1 – Кузнецкого угольного бассейна;

2 – месторождений угля ЮАР, США и Австралии.

Как следует из данных рисунка связь с выходом летучих веществ указанных стран очень тесная. Коэффициент парной корреляции составляет 0,969, детерминации - 0,939. Таким образом параметр с высокой достоверностью позволяет прогнозировать выход летучих веществ из каменных углей мировых месторождений.

Теплота сгорания Q

Важнейшая характеристика ТГИ как энергетического топлива показывает возможное количество тепла, которое выделяется при сжигании 1кг твёрдого или жидкого или 1м 3 газообразного топлив.

Различают высшую (Q S) и низшую (Q i) теплоты сгорания топлив.

Высшая теплота сгорания определяется в колориметре с учётом теплоты конденсации водяных паров, образовавшихся при сгорании топлива.

Расчёт теплоты сгорания твёрдого топлива производится по формуле Д.И.Менделеева на основании данных элементного состава:

Q = 4,184 [ 81C daf +300H daf +26 (S - O daf)], (2.16)

где Q - низшая теплота сгорания, кДж/кг;

4,184 –коэффициент перевода ккал в мДж.

Данные результатов исследований ТГИ показали, что учитывая неидентичные условия углеобразования угольных бассейнов значение коэффициентов при C daf , H daf , S и O daf будут отличными и формула для расчёта теплоты сгорания имеет вид:

Q = 4,184, (2.17)

где q C , q H , q SO – коэффициенты, определяемые экспериментально для различных угольных месторождений.

В табл. 2.1 приведены уравнения регрессии для расчёта низшей теплоты сгорания углей различных месторождений ТГИ Российской Федерации.

Таблица 2.1 - Уравнения для расчёта низшей теплоты сгорания по бомбе углей

различных бассейнов Российской Федерации

Представленные в таблице значения коэффициента парной корреляции между теплотами сгорания расчётными по уравнениям и определёнными по бомбе показывают их тесную корреляционную связь. При этом коэффициент детерминации изменяется в пределах 0,9804 – 0,9880.

Количество фюзенизированных компонентов ∑ОК определяют категорию каменного угля и позволяют в комплексе с другими показателями дать оценку использования угля в технологии коксования.

Параметр ∑ОК представляет собой сумму содержания в угле инертинита I и части (2/3) семивитринита S v:

∑ОК = I+ 2/3 S v . (2.18)

Результатами исследований показано, что наиболее тесно содержание в углях отощающих компонентов коррелируется с совместным влиянием параметров и H/C. Уравнение для расчёта ∑ОК имеет вид:

∑ОК = b 0 + b 1 + b 2 (H/C) + b 3 (H/C) + b 4 (H/C) 2 +b 5 2 . (2.19)

Коэффициент парной корреляции взаимосвязи ∑ОК различных марок углей и шихт Кузнецкого бассейна изменяется от 0,891 до 0,956.

Установлено, что более высокая взаимосвязь расчётных значений ∑ОК по уравнениям и определённых экспериментально у среднеметаморфизованных углей. Взаимосвязь ∑ОК с углями более высокой степени метаморфизма снижается.

ВНЕСЕН Госстандартом России

2. ПРИНЯТ Межгосударственным Советом по стандартизации, метрологии и сертификации (протокол № 6-94 от 21 октября 1994 г.)

3. Настоящий стандарт представляет собой полный аутентичный текст ИСО 7404-5-85 «Уголь битуминозный и антрацит. Методы петрографического анализа. Часть 5. Метод микроскопического определения показателей отражения витринита» и содержит дополнительные требования, отражающие потребности народного хозяйства

4. ВЗАМЕН ГОСТ 12113-83

Дата введения 1996-01-01

Настоящий стандарт распространяется на угли бурые, каменные, антрациты, угольные смеси, твердые рассеянные органические вещества и углеродистые материалы и устанавливает метод определения показателей отражения.

Показатель отражения витринита применяется для характеристики степени метаморфизма углей, при их поисках и разведке, разработке месторождений и классификации, для установления термогенетической преобразованности твердого рассеянного органического вещества в осадочных породах, а также для определения состава угольных смесей при обогащении и коксовании.

Дополнительные требования, отражающие потребности народного хозяйства, выделены курсивом.

1. НАЗНАЧЕНИЕ И ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ

Настоящий стандарт устанавливает метод определения минимального, максимального и произвольного показателей отражения с помощью микроскопа в иммерсионном масле и в воздухе на полированных поверхностях аншлиф-брикетов и аншлиф-штуфов витринитовой составляющей угля.

ГОСТ 12112-78Угли бурые. Метод определения петрографического состава

ГОСТ 9414.2-93 Уголь каменный и антрацит. Методы петрографического анализа. Часть 2. Метод подготовки образцов угля

3. СУЩНОСТЬ МЕТОДА

Сущность метода заключается в измерении и сравнении электрических токов, возникающих в фотоэлектронном, умножителе (ФЭУ) под влиянием светового потока, отраженного от полированных поверхностей мацералов или субмацералов исследуемого образца и стандартных образцов (эталонов) с установленным показателем отражения.

4. ОТБОР ПРОБ И ПОДГОТОВКА ОБРАЗЦОВ

4.1. Отбор проб для приготовления аншлиф-брикетов производят по ГОСТ 10742 .

4.2. Аншлиф-брикеты изготовляют по ГОСТ 9414.2 .

Из проб, предназначенных для измерения показателей отражения с построением рефлектограмм, изготовляют по два аншлиф-брикета диаметром не менее 20 мм.

4.3. Для приготовления аншлиф-брикетов из пород с включениями твердого рассеянного органического вещества предварительно производят обогащение измельченной породы, например методом флотации, методом химического разложения составной неорганической части пород и другими.

4.4. Для приготовления аншлиф-штуфов углей отбирают образцы от основных пластообразующих литотипов размером не менее 30?30?30 мм. При взятии проб из керна буровых скважин допускается отбирать образцы размером 20?20?20 мм.

4.5. Для приготовления аншлиф-штуфов из пород с включениями твердого рассеянного органического вещества отбирают образцы, в которых включения твердого органического вещества видны микроскопически или по типу отложений можно предположить их наличие. Размер образцов зависит от возможности отбора (естественные обнажения, горные выработки, керн буровых скважин).

4.6. Приготовление аншлиф-штуфов состоит из трех операций: пропитывания с целью придания образцам прочности и монолитности для последующих шлифования и полирования.

4.6.1. В качестве пропитывающих веществ применяют синтетические смолы, карнаубский воск, канифоль с ксилолом и др.

Для некоторых видов углей и пород с включениями твердого рассеянного органического вещества достаточно погрузить образец в пропитывающее вещество.

Если образец обладает достаточной прочностью, поверхность, перпендикулярную к плоскости наслоения, слегка шлифуют.

Образцы слабоуплотненных песчано-глинистых пород, содержащих мелкие рассеянные органические включения, перед пропитыванием в канифоли с ксилолом просушивают в сушильном шкафу при температуре 70 °C в течение 48 ч.

Образцы обвязывают проволокой, к концу которой прикрепляют этикетку с паспортом, и помещают в один слой в фарфоровую чашку, насыпают в нее канифоль, раздробленную на зерна величиной от 3 до 7 мм, и заливают ксилолом (3 см 3 на 1 г канифоли) так, чтобы образцы были покрыты раствором полностью.

Пропитывание проводят в вытяжном шкафу при нагревании на закрытой плитке в течение 50 - 60 мин до полного выпаривания ксилола. Затем образцы извлекают из чашки и охлаждают до комнатной температуры.

4.6.2. Шлифуют две взаимно параллельные плоскости пропитанного образца, перпендикулярные к наслоению, и полируют одну из них.

Шлифование и полирование проводят по ГОСТ Р 50177.2 и ГОСТ 12113.

4.7. При исследовании длительно хранившихся аншлиф-брикетов и аншлиф-штуфов, а также ранее измерявшихся образцов необходимо их перед измерениями показателя отражения сошлифовать на 1,5 - 2 мм и заново отполировать.

5. МАТЕРИАЛЫ И РЕАКТИВЫ

5.1. Калибровочные эталоны

5.1.1. Эталоны показателя отражения, представляющие собой образцы с полированной поверхностью, удовлетворяют следующим требованиям:

а) изотропны или представляют собой основное сечение одноосных минералов;

б) прочны и коррозионноустойчивы;

в) сохраняют постоянный показатель отражения в течение длительного времени;

д) имеют низкий показатель абсорбции.

5.1.2. Эталоны должны быть толщиной свыше 5 мм или иметь форму трехгранной призмы (30/60°) во избежание попадания в объектив количества света больше того, которое отражается от его верхней (рабочей) поверхности.

В качестве рабочей поверхности для определения показателя отражения используют отполированную грань. Основание и боковые стороны эталона покрывают непрозрачным черным лаком или помещают в прочную непрозрачную оправу.

Ход луча в клинообразном эталоне, вставленном в черную смолу, при фотометрических измерениях показателя отражения показан на рисунке 1.

5.1.3. При проведении измерений применяют не менее трех эталонов с показателями отражения, близкими или перекрывающими область измерения показателей отражения исследуемых образцов. Для измерения показателя отражения угля, равного 1,0 %, следует применять эталоны с показателями отражения приблизительно 0,6; 1,0; 1,6 %.

Средние показатели преломления и отражения для общеупотребительных эталонов приведены в таблице 1.

5.1.4. Истинные значения показателя отражения эталонов определяют в специальных оптических лабораториях или рассчитывают по показателю преломления.

Зная показатель преломления n и показатель абсорбции? (если он значительный) эталона при длине волны 546 нм, можно вычислить показатель отражения (R ) в процентах по формуле

Если показатель преломления не известен или предполагается, что свойства поверхности могут не точно соответствовать номинальным основным свойствам, показатель отражения определяют тщательным сравнением с эталоном с известным показателем отражения.

5.1.5. Нулевой эталон применяют для устранения влияния темнового тока фотоэлектронного умножителя и рассеянного света в оптической системе микроскопа. В качестве нулевого эталона можно использовать оптическое стекло К8 или аншлиф-брикет, изготовленный из угля с размером частиц менее 0,06 мм и имеющий в центре углубление диаметром и глубиной 5 мм, заполненное иммерсионным маслом.

Рисунок 1 - Ход луча в клинообразном эталоне, вставленном в черную смолу,
при фотометрических измерениях показателя отражения

Таблица 1

Средние показатели преломления отражения для общеупотребительных эталонов

5.1.6. При чистке эталонов следует соблюдать осторожность, чтобы не повредить полированную поверхность. В противном случае необходимо заново отполировать его рабочую поверхность.

5.2. Масло иммерсионное, удовлетворяющее следующим требованиям:

некоррозионное;

не высыхающее;

с показателем преломления при длине волны 546 нм 1,5180 ± 0,0004 при 23 °C;

с температурным коэффициентом d n /d t менее чем 0,005 K -1 .

Масло не должно содержать токсичные компоненты и необходимо ежегодно проверять его показатель преломления.

5.3. Спирт-ректификат,

5.4. Вата гигроскопическая, ткань для оптики.

5.5. Предметные стекла и пластилин для закрепления исследуемых образцов.

6. АППАРАТУРА

6.1. Монокулярный или бинокулярный поляризационный микроскоп с фотометром для измерения показателя в отраженном свете. Оптические части микроскопа, применяемые для измерения показателя отражения, показаны на рисунке 2. Составляющие детали не всегда располагаются в указанной последовательности.

6.1.1. Источник света А. Можно использовать любой источник света со стабильным излучением; рекомендуется кварцевая галогенная лампа мощностью 100 Вт.

6.1.2. Поляризатор Д - поляризационный фильтр или призма.

6.1.3. Апертура для регулировки света, состоящая из двух переменных диафрагм, одна из которых фокусирует свет на задней фокальной плоскости объектива (осветителя В ), другая - на поверхности образца (полевая диафрагма Е ). Должна быть обеспечена возможность центровки по отношению к оптической оси системы микроскопа.

6.1.4. Вертикальный осветитель - призма Берека, пластинка из простого стекла с покрытием или осветитель Смита (сочетание зеркала со стеклянной пластинкой З ). Типы вертикальных осветителей показаны на рисунке 3.

6.1.6. Окуляр Л - два окуляра, один из которых снабжен перекрестием нитей, которое может иметь такую шкалу, чтобы общее увеличение объектива, окуляров и в некоторых случаях тубуса составляло от 250 ° до 750 ° . Может потребоваться третий окуляр М на пути света к фотоумножителю.

А - лампа; Б - собирающая линза; В - апертура осветителя; Г - тепловой фильтр;
Д - поляризатор; Е - полевая диафрагма; Ж - фокусирующая линза полевой диафрагмы;
З - вертикальный осветитель; И - объектив; Р - образец; К - столик; Л - окуляры;
М - третий окуляр; Н - измерительная апертура, О - 546 нм интерференционный фильтр;
П - фотоэлектронный умножитель

Рисунок 2 - Оптические части микроскопа, применяемого для измерения показателя отражения

6.1.7. Тубус микроскопа, имеющий следующие приспособления:

а) измерительную апертуру Н , которая позволяет регулировать световой поток, отраженный в фотоумножитель от поверхности образца Р , площадью менее 80 мкм 2 . Апертура должна быть отцентрирована с перекрестием нитей окуляра;

б) приспособления для оптической изоляции окуляров для предотвращения попадания лишнего света во время измерений;

в) необходимое зачернение для поглощения рассеянного света.

Примечание- Соблюдая предосторожность, часть светового потока можно отводить в окуляр или телекамеру для непрерывного наблюдения при измерении показателя отражения.

6.1.8. Фильтр О с максимумом полосы пропускания при (546 ± 5) нм и полушириной полосы пропускания менее 30 нм. Фильтр должен располагаться на пути светового потока непосредственно перед фотоумножителем.

А - нить накала; Б - собирающая линза; В - апертура осветителя (положение отражения нити накала);
Г - полевая диафрагма; Д - фокусирующая линза полевой диафрагмы; Е - призма Берека;
Ж - обратная фокальная плоскость объектива (положение изображения нити накала и апертуры осветителя);
З - объектив; И - поверхность образца (положение изображения поля зрения);

а - вертикальный осветитель с призмой Берека; б - осветитель со стеклянной пластиной; в - осветитель Смита

Рисунок 3 - Схема вертикальных осветителей

6.1.9. Фотоумножитель П , закрепленный в насадке, смонтированной на микроскопе и дающий возможность световому потоку через измерительную апертуру и фильтр попадать в окно фотоумножителя.

Фотоумножитель должен быть типа, рекомендуемого для измерения световых потоков небольшой интенсивности, должен иметь достаточную чувствительность при 546 нм и малый темновой ток. Его характеристика должна быть линейной в области измерений, а сигнал должен быть стабилен в течение 2 ч. Обычно применяют прямой умножитель диаметром 50 мм с оптическим входом на торце, имеющим 11 диодов.

6.1.10. Предметный столик микроскопа К , способный поворачиваться на 360° перпендикулярно к оптической оси, который может быть отцентрирован регулировкой столика или объектива. Вращающийся столик соединен с препаратоводителем, обеспечивающим перемещение образца, с шагом 0,5 мм в направлениях X и Y , оснащенным приспособлением, позволяющим производить небольшую регулировку перемещений в обоих направлениях в пределах 10 мкм.

6.2. Стабилизатор постоянного тока для источника света. Характеристики должны удовлетворять следующим условиям:

1) мощность лампы должна составлять 90 - 95 % нормы;

2) колебания мощности лампы должны быть менее 0,02 % при изменении мощности источника питания на 10 %;

3) пульсация при полной нагрузке менее 0,07 %;

4) температурный коэффициент менее 0,05 % К -1 .

6.3. Стабилизатор постоянного напряжения для фотоумножителя.

Характеристики должны удовлетворять следующим условиям:

1) колебания напряжения на выходе должны быть не менее 0,05 % при изменении напряжения источника тока на 10 %;

2) пульсация при полной нагрузке менее 0,07 %;

3) температурный коэффициент менее 0,05 % К -1 ;

4) изменение нагрузки от нулевой до полной не должно изменять напряжение на выходе более чем на 0,1 %.

Примечание - Если в период измерений напряжение источника питания падает на 90 %, между источником питания и обоими стабилизаторами следует установить автотрансформатор.

6.4. Показывающее устройство (дисплей), состоящее из одного из следующих приборов:

1) гальванометра с минимальной чувствительностью 10 -10 А/мм;

2) самописца;

3) цифрового вольтметра или цифрового индикатора.

Прибор должен быть отрегулирован так, чтобы его время срабатывания на всю шкалу значений составляло менее 1 с, а разрешение составляло 0,005 % показателя отражения. Прибор должен быть оснащен приспособлением для снятия небольшого положительного потенциала, возникающего при разряде фотоумножителя и за счет темнового тока.

Примечания

1. Цифровой вольтметр или индикатор должны позволять хорошо различать значения максимального показателя отражения, когда образец поворачивают на предметном столике. Отдельные значения показателя отражения могут запоминаться электронной аппаратурой или записываться на магнитной ленте для последующей обработки.

2. Для усиления сигнала фотоумножителя при подаче его на показывающий прибор можно использовать усилитель с низким уровнем шумов.

6.5. Приспособление для придания полированной поверхности исследуемого образца или эталона положения, параллельного предметному стеклу (пресс).

7. ПРОВЕДЕНИЕ ИЗМЕРЕНИЙ

7.1. Подготовка аппаратуры (в 7.1.3 и 7.1.4 буквы в круглых скобках относятся к рисунку 2).

7.1.1. Начальные операции

Убеждаются, что температура в помещении (23 ± 3) °C.

Включают источники тока, света и другую электроаппаратуру. Устанавливают напряжение, рекомендуемое для данного фотоумножителя его изготовителем. Для стабилизации аппаратуры до начала измерений выдерживают 30 мин.

7.1.2. Регулировка микроскопа для измерения показателей отражения.

Если измеряют произвольный показатель отражения, поляризатор удаляют. Если измеряют максимальный показатель отражения, поляризатор устанавливают в нулевое положение при использовании стеклянной пластинки или осветителя Смита, или под углом 45°, когда используют призму Берека. Если применяют поляризационный фильтр, его проверяют и заменяют в том случае, когда он дает значительное обесцвечивание.

7.1.3. Освещение

На полированную поверхность установленного на предметном стекле и выравненного аншлиф-брикета наносят каплю иммерсионного масла и помещают его на предметный столик микроскопа.

Проверяют правильность регулировки микроскопа для освещения по Келеру. Регулируют освещенное поле с помощью полевой диафрагмы (Е ) так, чтобы его диаметр составлял около 1 / 3 всего поля. Апертуру осветителя (В ) регулируют так, чтобы снизить отсвечивание, но без излишнего снижения интенсивности светового потока. В дальнейшем размер отрегулированной апертуры не меняют.

7.1.4. Регулировка оптической системы. Центрируют и фокусируют изображение полевой диафрагмы. Центрируют объектив (И ) но отношению к оси вращения предметного столика и регулируют центр измерительной апертуры (Н ) так, чтобы он совпадал или с перекрестием нитей или с заданной точкой в поле зрения оптической системы. Если изображение измерительной апертуры невозможно увидеть на образце, выбирают поле, содержащее маленькое блестящее включение, например кристалл пирита, и совмещают его с перекрестием нитей. Регулируют центровку измерительной апертуры (Н ) до тех пор, пока фотоумножитель не даст наивысший сигнал.

7.2. Проверка надежности и калибровка аппаратуры

7.2.1. Стабильность аппаратуры.

Эталон с самым высоким показателем отражения помещают под микроскопом, фокусируют в иммерсионном масле. Напряжение фотоумножителя регулируют, пока показание на дисплее не совпадает с показателем отражения эталона (например 173 мВ соответствует показателю отражения 173 %). Сигнал должен быть постоянным, изменения показания не должны превышать 0,02 % в течение 15 мин.

7.2.2. Изменения показаний при вращении эталона показателя отражения на предметном столике.

Помещают эталон с показателем отражения в масле от 1,65 до 2,0 % на столик и фокусируют в иммерсионном масле. Медленно поворачивают столик, чтобы убедиться, что максимальное изменение показателей составляет менее 2 % показателя отражения взятого эталона. Если отклонение выше этого значения, необходимо проверить горизонтальность положения эталона и обеспечить строгую перпендикулярность его к оптической оси и вращение в одной и той же плоскости. Если после этого колебания не станут менее 2 %, проверку механической устойчивости столика и геометрию микроскопа должен проверить изготовитель.

7.2.4. Линейность сигнала фотоумножителя

Измеряют показатель отражения других эталонов при том же постоянном напряжении и той же настройке световой апертуры, чтобы проверить, что система измерения имеет линейную зависимость в измеряемых пределах и эталоны соответствуют своим расчетным значениям. Вращают каждый эталон так, чтобы максимально приблизить показания к расчетному значению. Если значение для какого-либо из эталонов отличается от расчетного показателя отражения более чем на 0,02 %, эталон следует почистить и повторить процесс эталонирования. Эталон нужно еще раз отполировать до тех пор, пока показатель отражения не будет отличаться от расчетного более чем на 0,02 %.

Если показатель отражения эталонов не дает линейной диаграммы, проверяют линейность сигнала фотоумножителя, используя эталоны из других источников. Если они не дают линейный график, снова проверяют линейность сигнала, применяя несколько калибровочных фильтров нейтральной плотности, чтобы снизить поток света до известной величины. Если подтверждаются нелинейность сигнала фотоумножителя, заменяют лампу фотоумножителя и проводят дальнейшую проверку до тех пор, пока не будет получена линейность сигнала.

7.2.5. Калибровка аппаратуры

Установив надежность аппаратуры, нужно добиться того, чтобы показывающий прибор давал правильные показания для нулевого эталона и трех эталонов отражения исследуемого угля, как указано в 7.2.1 - 7.2.4. Показатель отражения каждого эталона, показанный на дисплее, не должен отличаться от расчетного более чем на 0,02 %.

7.3. Измерение показателя отражения витринита

7.3.1. Общие положения

Методика измерения максимального и минимального показателей отражения приведена в 7.3.2, а произвольного в 7.3.3. В этих подпунктах термин витринит относится к одному или более субмацералам группы витринита.

Как сказано в разделе 1, от выбора субмацералов, на которых производятся замеры, зависит результат и, поэтому важно решить, на каких субмацералах следует производить замеры показателя отражения и отметить их при сообщении результатов.

7.3.2. Измерение максимального и минимального показателей отражения витринита в масле.

Устанавливают поляризатор и проверяют аппаратуру согласно 7.1 и 7.2.

Сразу после калибровки аппаратуры помещают выравненный полированный препарат, изготовленный из испытуемой пробы, на механический столик (препаратоводитель), позволяющий производить измерения, начиная с одного угла. Наносят иммерсионное масло на поверхность образца и производят фокусировку. Слегка передвигают образец с помощью препаратоводителя, пока перекрестие не сфокусируется на подходящей поверхности витринита. Поверхность, на которой производят измерения, не должна иметь трещин, дефектов полирования, минеральных включений или рельефа и должна находиться на некотором расстоянии от границ мацерала.

Пропускают свет через фотоумножитель и поворачивают столик на 360° со скоростью не более 10 мин -1 . Записывают наибольшее и наименьшее значения показателя отражения, которое отмечено при вращении столика.

Примечание- При повороте препарата на 360° в идеальном случае могут быть получены два идентичных максимальных и минимальных показания. Если два показания сильно различаются, следует установить причину и скорректировать погрешность. Иногда причиной ошибки могут быть пузырьки воздуха в масле, попадающие на измеряемый участок. В таком случае показания не учитывают и устраняют пузырьки воздуха, опуская или поднимая столик микроскопа (в зависимости от конструкции). Переднюю поверхность линзы объектива протирают тканью для оптики, снова наносят каплю масла на поверхность образца и производят фокусировку.

Образец перемещают в направлении X (длина шага 0,5 мм) и производят измерения, когда перекрестие попадает на подходящую поверхность витринита. Для того, чтобы быть уверенным, что измерения производятся на подходящем участке витринита, образец можно переместить препаратоводителем на расстояние до 10 мкм. В конце пути образец передвигается на следующую линию: расстояние между линиями не менее 0,5 мм. Расстояние между линиями выбирают такое, чтобы измерения распределились равномерно на поверхности шлифа. Продолжают измерять показатель отражения, пользуясь этой методикой опробования.

Через каждые 60 мин снова проверяют калибровку аппаратуры по эталону, который ближе всего к наивысшему показателю отражения (7.2.5). Если показатель отражения эталона отличается более чем на 0,01 % от теоретического значения, отбрасывают последние показания и выполняют их снова после перекалибровки аппаратуры по всем эталонам.

Измерения показателя отражения делают до тех пор, пока не будет получено требуемое число измерений. Если аншлиф-брикет подготовлен из угля одного пласта, то производят от 40 до 100 измерений и выше (см. таблицу 3 ). Количество измерений увеличивают с повышением степени анизотропии витринита. В каждом измеряемом зерне определяют максимальное и минимальное значения отсчета и при вращении предметного столика микроскопа. Средние максимальные и минимальные показатели отражения вычисляют как среднее арифметическое значение максимальных и минимальных отчетов.

Если используемый образец является смесью углей, то производят 500 измерений.

На каждом аншлиф-штуфе должно быть измерено 10 или более участков витринита, в зависимости от степени анизотропии исследуемого образца и целей исследования.

Перед началом измерений аншлиф-штуф устанавливают так, чтобы плоскость наслоения была перпендикулярна к падающему лучу оптической системы микроскопа. В каждой измеряемой точке находят положение максимального отсчета, а затем записывают отсчеты через каждые 90° поворота столика микроскопа при его вращении на 360°.

Максимальный и минимальный показатели отражения (R 0, max и R 0, min) вычисляют как средние арифметические значения максимальных и минимальных отсчетов соответственно.

7.3.3. Измерение произвольного показателя отражения витринита в иммерсионном масле (R 0, r )

Применяют методику, описанную в 7.3.2, но без поляризатора и вращения образца. Выполняют калибровку, как описано в 7.2.5

Измеряют показатель отражения витринита до тех пор, пока не будет зарегистрировано требуемое количество измерений.

На каждом аншлиф-брикете необходимо выполнить от 40 до 100 и более измерений (таблица 3 ) в зависимости от однородности и степени анизотропии исследуемого образца.

Количество измерений увеличивают с повышением неоднородности в составе группы гуминита и витринита, а также при выраженной анизотропии каменных углей и антрацитов.

Количество измерений для образцов, содержащих твердое рассеянное органическое вещество, определяется характером и размерами этих включений и может быть значительно ниже.

Для установления состава угольных смесей по рефлектограммам необходимо провести не менее 500 измерений на двух образцах, исследуемой пробы угля. Если участие углей различной степени метаморфизма, входящих в состав шихты, нельзя установить однозначно, проводят еще 100 измерений и в дальнейшем до тех пор, пока их количество не будет достаточным. Предельное количество измерений - 1000.

На каждом аншлиф-штуфе выполняют до 20 измерений в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Для этого аншлиф-штуф устанавливают так, чтобы плоскость наслоения была перпендикулярна к падающему лучу оптической системы микроскопа. Участки для измерений выбирают так, чтобы они располагались равномерно по всей поверхности витринита исследуемого аншлиф-штуфа.

Произвольный показатель отражения (R 0, r ) вычисляют как среднее арифметическое всех измерений.

7.3.4. Измерения показателей отражения в воздухе.

Определения максимального, минимального и произвольного показателей отражения (R a, max , R a, min и R a, r) допускается проводить для предварительной оценки стадий метаморфизма.

Измерения в воздухе проводят аналогично измерениям в иммерсионном масле при более низких значениях апертурной диафрагмы, напряжения осветителя и рабочего напряжения ФЭУ.

На исследуемом аншлиф-брикете необходимо выполнить 20 - 30 измерений, на аншлиф-штуфе - 10 и более.

8. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ

8.1. Результаты могут быть выражены в виде отдельного значения или рядом чисел с интервалом 0,05 % показателя отражения (1 / 2 V -шага) или с интервалом 0,10 % показателя отражения (V -шаг). Средний показатель отражения и стандартное отклонение вычисляют следующим образом:

1) Если известны отдельные показания, то средний показатель отражения и стандартное отклонение вычисляют по формулам (1) и (2) соответственно:

(2)

где ?R - средний максимальный, средний минимальный или средний произвольный показатель отражения, %.

Ri - отдельное показание (измерение);

n - число измерений;

Стандартное отклонение.

2) Если результаты представлены в виде ряда измерений в 1 / 2 V -шаге или V -шаге, используют следующие уравнения:

где R t - среднее значение 1 / 2 V -шага или V -шага;

X - число замеров показателя отражения в 1 / 2 V -шаге или V -шаге.

Регистрируют субмацералы витринита, к которым относятся значения ?R независимо от того, какой показатель отражения измеряли, максимальный, минимальный или произвольный, и количество точек измерения. Процентное содержание витринита для каждого 1 / 2 V -шага или V -шага можно представить в виде рефлектограммы. Пример выражения результатов приведен в таблице 2, соответствующая рефлектограмма на рисунке 4.

Примечание - V -шаг имеет диапазон в 0,1 показателя отражения, а 1 / 2 - 0,05 %. Во избежание перекрытия значений показателя отражения, выраженных с точностью до второго знака после запятой, интервалы значений представлены, например, следующим образом:

V- шаг - 0,60 - 0,69; 0,70 - 0,79 и т.д. (включ.).

1 / 2 V- шага: 0,60 - 0,64; 0,65 - 0,69 и т.д. (включ.).

Средняя величина ряда (0,60 - 0,69) - 0,645.

Средняя величина ряда (0,60 - 0,64) - 0,62.

8.2. При необходимости произвольный показатель отражения (R 0, r ) вычисляют по средним значениям максимального и минимального показателей отражения по формулам:

для аншлиф-штуфа R 0, r = 2 / 3 R 0, max + 1 / 3 R 0, min

для аншлиф-брикета

Величина занимает промежуточное положение между R 0, max и R 0, min и связана с ориентировкой зерна в аншлиф-брикете.

8.3. В качестве дополнительного параметра вычисляют показатель анизотропии отражения (A R) no формулам:

8.4. Обработку результатов измерений в обыкновенном и поляризованном свете в воздухе по аншлиф-брикетам и аншлиф-штуфам проводят аналогично обработке результатов измерений в иммерсионном масле (8.1 ).

Рисунок 4 - Рефлектограмма, составленная по результатам таблицы 2

Таблица 2

Измеренный показатель отражения произвольный

Субмацералы витринита телоколлинит и десмоколлинит

Общее количество измерений n = 500

Средний показатель отражения ?R 0, r = 1,32 %

Стандартное отклонение? = 0,20 %

9. ТОЧНОСТЬ

9.1. Сходимость

Сходимость определений средних значений максимального, минимального или произвольного показателей отражения представляет собой значение, на которое отличаются два отдельных показания, выполненных при одинаковом числе измерений одним и тем же оператором на одном и том же препарате с использованием одной и той же аппаратуры при доверительной вероятности 95 %.

Сходимость вычисляют по формуле

где? t - теоретическое стандартное отклонение.

Сходимость зависит от ряда факторов, включающих:

1) ограниченную точность калибровки с помощью эталонов показателя отражения (6.2.5);

2) допустимое смещение калибровки во время измерений (6.3.2);

3) число сделанных измерений и диапазон значений показателя отражения для витринита одного угольного пласта.

Общее влияние этих факторов может быть выражено стандартным отклонением среднего показателя отражения до 0,02 % для пробы одного отдельного угля из одного пласта. Это соответствует сходимости до 0,06 %.

9.2. Воспроизводимость

Воспроизводимость определений средних значений максимального, минимального или произвольного показателей - это значение, на которое отличаются значения двух определений, выполненных с одинаковым числом измерений двумя различными операторами на двух различных препаратах, изготовленных из одной и той же пробы, и использованием различной аппаратуры, с доверительной вероятностью 95 %.

Воспроизводимость вычисляют по формуле

где? 0 - действительное стандартное отклонение.

Если операторы соответствующим образом подготовлены для идентификации витринита или соответствующих субмацералов, а показатель отражения эталона достоверно известен, стандартные отклонения определений среднего показателя отражения различными операторами в разных лабораториях составляют 0,03 %. Воспроизводимость таким образом составляет 0,08 %

9.3. Допускаемые расхождения между результатами средних значений показателей отражения двух определений указаны в таблице 3 .

Таблица 3

10. ПРОТОКОЛ ИСПЫТАНИЯ

Протокол испытания должен включать:

2) все подробности, необходимые для идентификации пробы;

3) общее число измерений;

4) тип выполненных измерений, т.е. максимальный, минимальный или произвольный показатель отражения;

5) тип и соотношение субмацералов витринита, использованных в этом определении;

6) полученные результаты;

7) другие особенности образца, замеченные при анализе и которые могут быть полезными при использовании результатов.