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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流焦炭交割质量标准设计说明.精品文档.大连商品交易所焦炭交割质量标准设计说明焦炭是钢铁生产的重要原料，是钢铁工业的“食粮”，每生产1吨钢要消耗焦炭300400公斤。我国是全球最大的焦炭生产国和消费国，近年来产量和消费量始终保持在3亿吨以上，而且我国焦炭市场的价格波动很大，现货企业迫切需要通过期货市场回避价格风险。为此，大连商品交易所（以下简称我所）经过系统深入地调研和论证，参考冶金焦炭国家标准体系，分析了大量有代表性的检验数据，建立了焦炭期货交割质量指标体系。一、合约标的物为高炉冶金焦炭狭义的焦炭是指以烟煤中的炼焦煤作为主要原料，在隔绝空气条件
2、下通过室式焦炉加热至9501050，进而干馏得到的固体产物，其特征通常表现为质地坚硬、多孔、银灰色、不同粗细裂纹的炭质固体块状，其真相对密度（粒度小于0.2mm的干焦炭试样与同体积的水的质量之比）为1.81.95，堆积密度为400520kg/m3。广义的焦炭是指由烟煤、石油、沥青或者其他液体碳氢化合物为原料，在隔绝空气的条件下干馏得到的固体产物。另外，煤粉加压成型煤，经炭化处理后制成的焦炭称为型焦。根据原料煤的性质和干馏的条件，焦炭可以划分为不同规格和质量，通常按用途可以分为冶金焦、气化焦和电石用焦等。在冶金焦中，用于高炉炼铁的称为高炉焦，用于冲天炉熔铁的称为铸造焦，用于铁合金生产的称为铁合金
3、用焦，还有一些化工等方面的焦炭（详见表1）。由于90以上的冶金焦均用于高炉冶炼，因此往往把高炉焦炭称为冶金焦炭，我国冶金焦炭国家标准GB/T 1996-2003就是高炉冶炼用焦炭的质量标准。表1 焦炭的分类大 类小 类冶金焦高炉焦铸造焦铁合金焦化工焦气化焦电石焦高硫焦铝阳焦电极焦高强度低灰低硫焦碳素焦石油焦沥青焦针状焦焦炭是高炉炼铁过程必不可少的炉料，其质量对高炉炼铁工艺和产品品质的影响程度占总影响因素的30以上。焦炭对高炉炼铁的作用主要表现在4个方面：（1）主要的热量来源。焦炭炉料的5565在风口前燃烧，放出大量热量并产生煤气，煤气在上升过程中将热量传给炉料，并为炉料下降提供自由空间，使高炉
4、内的各种物理化学反应得以进行。高炉冶炼过程总热量的7080是由炼铁炭素(焦炭和煤粉)燃烧提供的，焦炭是其中的主要部分。尽管近年来，高炉喷煤技术的广泛应用使得焦炭总体的用量在逐步减少，但是焦炭在冶炼中的主要热量来源地位并没有从根本上改变，理论上最低焦比至少为250kg/t。（2）从铁矿石还原出金属铁的还原剂。焦炭燃烧产生的CO及焦炭中的固定碳是铁矿石的还原剂。（3）液铁渗碳剂。冶炼得到的生铁含碳量一般在4.3左右，在高炉炼铁过程中，焦炭中的碳会逐步渗透到生铁中，生铁渗碳消耗焦炭约710。（4）炉料的骨架作用。焦炭在料柱中占1/31/2的体积，尤其是在高炉下部高温区只有焦炭是以固体状态存在，它对料
5、柱起骨架作用，支撑着烧结矿、球团矿、天然块矿等炼铁原料，冶炼过程中高炉下部料柱的透气性几乎完全由焦炭来维持，起到煤气的透气窗作用。随着高炉喷吹煤粉技术的逐渐普及，焦炭的前三项作用不同程度地被煤粉所替代，唯有支撑骨架作用是煤粉无法替代的。高炉喷煤量增加后，焦比将降低，焦炭在高炉内所承担的矿石负荷和停留时间也将增加，焦炭受到更强烈的机械力、热应力和化学侵蚀作用，降解劣化加剧。由于焦炭的支撑骨架作用越来越重要，钢厂对焦炭的质量提出了更高的要求，尤其是要求焦炭具备更高的强度、更均匀的粒度和更好的化学稳定性。在过去的9年里，我国焦炭产量已由1亿吨增长到3.53亿吨，把焦炭视作一个大品种是毋庸置疑的（详见
6、表2）。由于90的焦炭用于高炉冶炼，这意味着2009年有3.18亿吨焦炭在钢铁厂消费。目前我国城市化率仅为45，汽车、住房等钢铁的大宗消费行业仍处于上升期，我国人均粗钢消费与发达国家仍有很大差距，而废钢的存量还远未达到缓解铁矿石高炉炼钢的程度，加上焦炭在高炉中的骨架支撑作用是喷煤等各种技术所无法取代的，因此，我国钢铁行业将带动焦炭消费持续增长。在其它领域消费的焦炭，如铸造焦、铁合金焦、气化焦等，由于产量较小，定向生产，不适合作为标的物，而且这些焦炭质量普遍比高炉焦要好，价格较高，一般不会混入高炉焦中参与期货交割。因此我们选择高炉冶金焦炭作为期货交易标的。表2 2001年2009年中国焦炭产量
7、（万吨）年份200120022003200420052006200720082009焦炭产量100591120013800177492328128054328943275535300增长率（）5.310.3420.7525.8124.4317.3616.29-0.58.07数据来源：中国焦化行业年度报告，中国炼焦行业协会网站二、合约定位兼顾高炉的差异化需求1合约应体现出高炉大型化的发展趋势大型高炉具有单位投资省、效能高和成本低等特点，而且便于生产组织和管理，减少污染点，污染易于集中治理，有利于环保等优势，高炉大型化是钢铁工业技术装备的发展趋势。2009年，我国新建多座大型高炉，其中有曹妃甸55
8、00m3高炉、沙钢5800m3高炉、鞍钢鲅鱼圈4038m3高炉、武钢3800m3高炉，还有6座3200m3高炉、5座2500-2800m3高炉，以及10座1000-1780m3高炉。从我国重点钢铁企业情况看（见表3），2001年我国大于2000m3的高炉只有51座，没有大于5000m3的高炉，而到2010年，我国大于1000m3的高炉已达到224座，占高炉总数的39，占总产能的62，见图1。因此，焦炭交割质量标准应该具有前瞻性，反映高炉大型化需求的发展趋势。表3 我国高炉大型化的进度及重点钢铁企业高炉分布情况炉容(m3)50004000-49993000-39992000-29991000-1
9、999400-9994002001年0411729N/AN/A2010年3121872119225127图1 重点钢铁企业不同高炉的产能分布2交割标准品将体现1000m3以上主流高炉的需求从生产实践看，高炉容积越大，工序能耗越低，运行成本越低，高炉容积从600m3增至1000m3时，炼钢效益增长很显著，从1000m3增至2000m3时，增速虽然有所放缓，但是仍然持续增加，参见表4。所以，1000m3将成为门槛，1000m3以上的高炉未来将在钢铁行业全面普及，焦炭交割标准品也将体现这些高炉的炉料需求。表4 不同容积高炉能耗指标与运行成本比较炉容(m3)600100020004000能耗指标(kg
10、ce/t)450424430390运行成本(元/t)529489482450另一方面，由于优质炼焦煤的资源非常稀缺，焦炭质量越来越难以满足大型高炉的需求。尤其是4000m3以上的巨型高炉，需要12以下的灰分、0.6以下的硫分，其长期发展将受到主焦煤产量的限制，详见表5。预计10003000m3之间的炉型将是未来长期主流，目前这些炉型的产能已占总体的45，在华北等交割区域已占48，是当之无愧的主流炉型，焦炭合约质量标准应鼓励符合这些高炉要求的焦炭参与期货交割。表5 不同容积高炉对焦炭质量的要求（）容积级别(m3)10002000300040005000M407882848586M108.07.5
11、7.06.56.0反应后强度CSR5860626465反应性指数CRI2826252525焦炭灰分131312.51212焦炭硫分0.70.70.70.60.6焦炭粒度(mm)75-2575-2575-2575-2575-30大于上限1010101010小于下限88888数据来源：GB 5042720083交割标准也将兼顾1000m3以下的高炉需求从重点钢铁企业调查情况看，即使不考虑400m3以下即将被淘汰的产能，4001000m3的高炉产能仍然占到总体产能的29，详见图1。这些高炉大多属于中小钢铁企业，而这些钢厂大多没有配套焦炉，需要常年对外采购焦炭，由于高炉炉型较小，对焦炭质量要求也相对较
12、低。这些质量要求较低的焦炭需求也应在焦炭合约交割标准中体现出来，但是考虑到1000m3以下的高炉综合效益较差，从长期看处于产能淘汰的边缘，我们虽然不限制这些焦炭参与期货交割，但是也不应鼓励其参与交割。三、焦炭质量标准体系的构建我们在确定高炉冶金焦炭的期货交割质量标准时，主要考虑以下四个方面的因素：（1）冶金焦炭的国家标准GB/T 1996-2003；（2）现货贸易合同中约定的指标以及数值；（3）容易产生争议而送检的指标及其重要性的排序；（4）质量检验数据的敏感性。期货交割质量标准包括6项内容，分别是：主题内容与适用范围、规范性引用文件、术语和定义、质量要求、试验方法和检验规则、运输要求以及附加
13、说明。其中，我们根据现货企业的意见，着重对冶金焦炭国家标准中的质量指标、等级做了若干调整，并设置了升贴水。1采用国标体系构建焦炭交割质量体系在冶金焦炭国家标准GB/T 1996-2003中，焦炭的质量指标共有10项，分别是：灰分Ad、硫分St,d、挥发分Vdaf、抗碎强度M40、耐磨强度M10、反应性CRI、反应后强度CSR、全水分含量Mt、粒度和焦末含量。其中，抗碎强度M40、耐磨强度M10、反应性CRI、反应后强度CSR指标评价的是焦炭在高炉中的骨架支撑作用，灰分、硫分既影响焦炭的强度和支撑性能，也影响焦炭的供热性能。从生产实践上看，上述这些指标都会对高炉炼铁产生影响（见表6）。表6 焦炭
14、质量对高炉炼铁性能影响焦炭质量变化燃料比生铁产量高炉系数灰分 +1.0+（12）-（23）-（2.72.9）硫分 +0.1+（1.03.0）-（25）水分 +1.0+（1.11.3）-（25）M40 +1.0-5.6kg/t+0.04M10 -0.2-7kg/t+0.05我们收集了116份不同地区、不同质检机构出具的检验报告，发现在国家标准设定的灰分、硫分、机械强度、挥发分、反应性、反应后强度、水分含量、焦末含量等指标中，只有灰分、硫分、挥发分和水分是现货质检报告中的必检项目。我们按照各项指标对整体检验结果的贡献率，对各项指标的重要性进行分析，得到图2。检验报告还表明，M40作为抗碎强度指标比
15、M25应用得更加普及。在进行粒度和机械强度检验后，同是代表焦炭强度的焦末含量指标，一般不再专门进行检测。此外，部分检测报告还给出了固定碳的检测结果，部分外贸焦炭还要求检测磷含量。由图2可知，各个指标的重要性由大到小依次为灰分、硫分、挥发分、水分、机械强度、热反应性、固定碳和焦末含量。图2 焦炭各项指标重要性分析对于水分、粒度、固定碳、含磷量等是否进入质量指标体系，现货市场也存在一定的争议，对此我们进行了有针对性的调研。首先，对于水分，被调研钢铁企业反映，焦炭水分差异较大时，对高炉运行存在一定的影响，主要表现在影响炉温、CO反应、炉料分布、炉壁吸附水分等四个方面。而焦化企业表示，焦炭的水分差异很
16、大，从1.8到19.1都有分布，既与干法、湿法熄焦工艺有关，也与环境等因素有关，而且在冶金焦炭国标当中，湿法熄焦工艺的水分规定不作为质量评价依据，这说明水分并不影响焦炭品质，钢厂可以在焦炭入炉前人为调控水分，所以水分一般仅作为扣重指标，不作为质量评价指标。然后，现货企业对粒度指标的作用取得共识。焦炭作为高炉内料柱的骨架，不仅要求有足够的力学强度，还要求粒度大小适当和均匀，以保证透气性。在具体应用过程中，钢厂根据炉型和用途，对粒度有多种考察规格和范围，比较常用的有：25mm、30mm、80mm、90mm、100mm、25-80mm、30-90mm等，因此，焦炭的粒度也是现货贸易中衡量焦炭品质的重
17、要指标。最后，一般内贸对焦炭的固定碳、磷含量不进行检验，只有客户要求时，检验机构才出具相应的检验结果。综上，我们把水分作为扣重指标，与固定碳、含磷量指标一样，不列入质量指标体系，用M40取代M25作为抗碎强度指标，与其他8项指标构成焦炭期货的交割质量标准体系。2焦炭质量指标值的设定（1）灰分（Ad）第一，灰分指标的概念和对炼铁的影响灰分是指焦炭试样在85010温度下灰化至恒重，其残留物的质量占焦样的质量分数，其数值是在干燥炉烘干的基态下测得，用字母Ad表示。灰分是焦炭中的有害杂质，大约80的成分是高熔点的SiO2和Al2O3，还有部分氧化钙、氧化镁等氧化物。焦炭在高炉中被加热到高于炼焦温度时，
18、由于焦质和灰分热膨胀性不同，会在灰分颗粒周围产生裂纹，使得焦炭加速破裂或粉化。灰分中的碱金属还会加速焦炭同二氧化碳的反应，也加剧了焦炭的破坏作用，同时增强焦炭的热反应性，降低反应后强度。焦炭灰分在高炉冶炼中要用CaO等熔剂使之生成低熔点化合物，并以炉渣形式排出。焦炭灰分高时，就会提高炉渣碱度，不利于高炉生产。焦炭的灰分对高炉冶炼的影响十分显著，据统计，焦炭灰分每增加1，焦炭强度下降2.2，焦炭用量增加2-2.5，焦比增加1.17，高炉生产能力降低2.2，生铁成本上升0.72。第二，影响焦炭灰分的因素煤中的灰分在炼焦过程中全部转入焦炭，所以焦炭灰分高低主要取决于煤的灰分高低，仅有很少一部分是由焦
19、炭运输和储存环节的环境灰尘带来。由于不同的炼焦煤灰分含量差异较大，焦化企业在生产环节主要通过洗煤和配煤工艺降低灰分，通常要求炼焦煤的灰分不得大于10。第三，灰分指标值的设定在国家标准GB/T 1996-2003中，冶金焦炭根据灰分不同分为三个等级，要求一级焦灰分12.0,二级焦灰分13.5，三级焦灰分15。在现货贸易中，三级灰分的焦炭很少见，大约80的贸易焦炭集中在一级与二级之间。我们对收集到的116份检验报告中灰分指标进行统计，从结果看，焦炭灰分指标的中位数为12.84，能达到三级焦炭灰分含量标准的占100，达到二级标准的焦炭占58.62，达到一级焦炭仅占6.89。均值中位数最大值最小值标准
20、差观测值灰分Ad（）12.8312.8414.509.910.75116被调研的钢铁企业表示，灰分是焦炭所有指标中最为重要的一项，直接影响焦炭强度，所以企业对灰的测试精度也较高，在实践中能达到0.01，且检测无技术障碍。近年来，大多数钢厂的焦炭灰分指标波动范围一般在12-13之间，对于灰分每变动0.1的升扣价标准，尽管出现了2、3、5、7、10元/吨等各种情况，但是大多数升扣价标准集中在35元/吨。在2008年7月国家建设部和质量监督检验检疫总局联合公布的GB 50427-2008高炉炼铁工艺设计规范中，对不同容积的高炉所适用的焦炭灰分提出了具体要求，具体见表7。表7 不同容积高炉对焦炭灰分的
21、要求容积（ ）10002000300040005000灰分（）131312.51212从实际数据看，能达到12灰分的国标一级的焦炭数量很少，而且只有4000立方米以上的高炉才需要12以下灰分的焦炭。考虑到4003000立方米之间的炉型才是主流，现实贸易的焦炭受优质炼焦煤资源稀少的影响，灰分也不易达到国标一级，我们把交割标准品的灰分指标设定为12.5，超过13.5的拒收，低于12.5的不设升水，允许灰分在（12.5，13.5区间的焦炭用于替代交割。为了简化期货贴水设计，我们在该区间平均划分两个区间，每个区间整体设置贴水。由于10003000立方米的主流高炉可以使用灰分不高于13的焦炭，为了鼓励灰
22、分位于(12.5，13区间的焦炭参与交割，设置倾向性交割贴水，每升高0.1的扣价取最低的3元/吨，因这一区间跨越0.5，则设置整体贴水值为15元/吨。由于1000立方米以下的高炉对灰分要求不高，可以高于13，而且从长远看处于淘汰边缘，允许但不鼓励灰分位于(13，13.5区间的焦炭参与交割，设置歧视性贴水，每升高0.1的扣价取最高的5元/吨，则这一区间的整体贴水值为50元/吨。（2）硫分（St,d）第一，硫分的概念焦炭中的硫有无机硫、硫酸盐硫和有机硫三种形态，这些硫分的总和称为全硫，工业上通常在烘干基态测定全硫，用字母表示为St,d。高炉冶金焦炭中的硫约占整个高炉炉料中硫的6080，焦炭中有少部
23、分硫是以硫化物和硫酸盐形态存在于灰分中，大部分的硫是呈硫碳复合物形态与焦炭紧密结合，其中有机硫在高炉中随着炉料的下降而逐渐挥发，其余的硫在到达风口时被氧化成SO2,继而在高温下与固态碳和氢反应生成S、CO2和H2S等气态硫和硫化物，在上升煤气流中被上部炉料中的CaO、FeO和金属铁吸收，存在于炉渣和生铁之中，炉料中的硫有520随高炉煤气逸出，剩余部分始终在高炉内循环。第二，硫分对炼铁的影响硫是生铁冶炼的有害杂质之一，它会使生铁具有热脆性，生铁允许的最高含硫量为 0.074，高含硫量的生铁炼成钢后不能轧制成材，粗钢中硫含量大于0.07即为废品。如果焦炭含硫量高，则要求脱硫时炉缸温度提高，还会引起
24、熔剂（主要是氧化钙等）增加，进而渣量增加，渣碱度提高，不仅降低炉渣流动性，降低高炉产量、冶炼强度和焦比，还会导致炉况的恶化，使生铁质量降低，严重时甚至危及高炉顺行。资料显示，焦炭硫分每增加0.1，焦比增加1.22.0，生铁减产2以上。第三，硫分的影响因素焦炭中的硫分主要来自于炼焦煤。煤中硫分的60（也有文献显示在7090之间）会在炼焦过程中进入焦炭，所以焦炭硫分的高低取决于煤的硫分高低。煤中的硫通常以有机硫和无机硫状态存在：有机硫一般与有机质共生，结为一体，分布均匀，不易清除；无机硫是高硫煤的主要成分，大多数是硫化物，也有少数是硫酸盐和硫元素。洗选和配煤工艺是降低焦炭硫分的主要方法，一般炼制冶
25、金焦的配煤硫分要求不大于0.9。粒度大的硫化物或硫酸盐可用洗选法除去，粒度小且分布均匀的就难以除去。第四，硫分指标值的设定在国家标准GB/T 1996-2003中，冶金焦炭根据硫分不同分为三个等级，一级焦硫分要求0.60，二级焦0.80，三级焦1.00。在实际贸易中，硫分处于三级的焦炭几乎不存在，90的贸易焦炭处于国标二级与一级之间。我们对收集到的116份检验报告中硫分指标进行统计，结果显示，硫分指标中位数为0.68，能达到国标三级硫分的焦炭占100，达到二级标准的占97.41，达到一级标准的仅占19.83。均值中位数最大值最小值标准差观测值硫分（St,d/）0.680.680.850.480
26、.07116调研中现货企业反映，国标中二级焦炭0.8的硫分限定过于宽松，尽管近期山西地区焦炭质量下降，但是都能达到0.75以下，在焦炭贸易合同中硫分通常规定在0.6-0.75之间，大于0.75时，下游钢铁厂往往拒收，硫分每增加0.01，折价35元/吨。在GB 50427-2008高炉炼铁工艺设计规范中，对不同容积的高炉所适用的焦炭硫分提出了具体要求，见表8。表8 不同容积高炉对焦炭硫分的要求容积（ ）10002000300040005000硫分（）0.70.70.70.60.6从现货实际情况看，受优质炼焦煤资源稀少的影响，硫分达到国标一级的焦炭不多，而且只有4000立方米以上的高炉才要求硫分在
27、0.6以内，10003000立方米的主流高炉仅要求硫分在0.7以内。因此，我们把交割标准品的硫分指标设定为0.65，超过0.75的拒收，低于0.65的不设升水，允许硫分在（0.65，0.75区间的焦炭用于替代交割。为了简化期货贴水设计，我们在该区间平均划分两个区间，每个区间整体设置贴水。由于10003000立方米的主流高炉可以使用硫分不高于0.7的焦炭，为了鼓励硫分位于(0.65，0.7区间的焦炭参与交割，设置倾向性交割贴水，每升高0.01的扣价取最低的3元/吨，因这一区间跨越0.05，则设置整体贴水值为15元/吨。由于1000立方米以下的高炉对硫分要求不高，可以高于0.7，而且从长远看处于淘
28、汰边缘，允许但不鼓励硫分位于(0.7，0.75区间的焦炭参与交割，设置歧视性贴水，每升高0.01的扣价取最高的5元/吨，则这一区间的整体贴水值为50元/吨。（3）机械强度（抗碎强度M40和耐磨强度M10）第一，机械强度的概念焦炭的强度是衡量焦炭能否起到支撑骨架的作用、保证高炉操作顺行的最重要指标。焦炭从焦化厂的焦台上经过筛分、装车、运输以及卸车等流程，要经受各种撞击和摩擦，原来的焦块沿着裂纹破裂，产生一些细粉和碎块，焦炭装入高炉时跌落在料柱面上，上面炉料向下运行时，其质量导致每块焦炭都承受碾压力，在发生崩料和滑料时承受撞击力，与矿石和其他焦炭摩擦时承受摩擦力。焦炭在机械力下的破坏程度取决于焦炭
29、裂纹和局部缺陷的大小、多孔炭质脆性材料的抗断裂能力和焦炭气孔壁的抗粉碎或耐磨能力。高炉对焦炭机械性质的要求，就是要限制它的磨损性和破碎性。根据岩石破裂和力学等相关理论，落下强度、转鼓强度和热强度是评价焦炭机械强度的重要指标。转鼓强度具有试验简单易行、试样量大、代表性好等特点，目前是评定焦炭机械强度的最重要方法。焦炭转鼓强度通常用抗碎强度和耐磨强度两个指标来表示，前者是指焦炭能抵抗外来冲击力而不沿结构的裂纹和缺陷处破裂的能力，后者是指焦炭能抵抗外来摩擦力而不产生表面碎屑和粉末的能力。为了考察冶金焦抵抗破碎的特征，一般检验焦炭经过米库姆转鼓后大于40毫米级的留存比率，通常认为，如果这一大小等级的焦
30、炭达到高炉风口处越多，则焦炭的机械性质越好，这就是M40。而焦炭耐磨性应当用小于1毫米级焦粉的产率来表示，但实际工厂中采用细筛是有困难的，且易造成误差，因此生产上常用小于10毫米级表示焦炭耐磨性，这就是M10。第二，机械强度对炼铁的影响在富氧喷煤的情况下，高炉料柱中1kg焦炭的负荷由3kg增大到5kg，焦炭在高炉中除了承受机械作用力外，还要承受热破坏作用和化学侵蚀作用，这些作用力会促使焦炭应力集中处的细裂纹向外扩展而断裂，形成较多小块焦，进入风口回旋区后进一步破裂粉化，焦炭的快速劣化会导致高炉冶炼不能顺行。如果焦炭没有足够的抗碎及耐磨强度就会产生很多细粉和碎焦，不利于料柱的透气性，使炉况不顺，
31、产量降低，焦比增加。经测算，M40每提高1，高炉利用系数增加0.04，综合焦比下降5.6kg；M10每降低0.2，高炉利用系数增加0.05，综合焦比下降7kg。第三，机械强度的影响因素焦炭的强度在很大程度上取决于原料煤的性质。瘦煤可以生成抗碎强度较好的焦炭，但其耐磨强度较差，焦煤、肥煤炼焦生成的焦炭抗碎强度和耐磨强度均较好，气煤和气肥煤生成的焦炭两项指标相对较差，1/3焦煤生成的焦炭抗碎强度接近于焦煤与肥煤，耐磨强度则高于气煤和气肥煤。通过焦炭生产中的一些工艺措施，如捣固焦技术、煤调湿技术等，也可以提高焦炭的机械强度，详见表9。表9 炼焦煤预处理技术措施对提高焦炭机械强度质量的效果炼焦煤预处理
32、技术措施焦炭质量提高（）M40M10煤捣固1-62-4配型煤1-31-4煤水分控制1-21-3煤预热1-62-5选择粉碎1-41-2配添加物1-31-4焦炉大型化1-31-2干法熄焦3-80.3-0.8数据来源：张孝天，冶金管理，2007.10，17-19另外，从实际应用情况看,焦炭粒度对机械强度有一定的影响，相同情况下，块度越大的焦炭,焦块稳定性越低，越容易破碎，较小块度的焦炭由于其本身强度和稳定性较高，所以在炉内破碎的程度较低。因此,测定小块焦炭冷态强度的必要性不是很大,测定大块焦炭的机械强度指标更具有实用性。第四，机械强度指标值的设定在冶金焦炭国标GB/T 1996-2003中的4.2规
33、定，经供需双方协商，抗碎强度可按M40或M25供货。根据调研情况，我们发现M40比M25在现货贸易中更广泛使用，从收集到的116份检验报告显示，在同一份检验报告中，不会同时出现M40和M25两种抗碎强度指标的检验结果，因此我们根据现货通用习惯，采用M40作为抗碎强度的指标。在国标中，一级、二级和三级焦炭对M40的要求分别是80、76、72；对M10的要求分别是7.5、8.5、10.5。检验报告中机械强度的检验结果统计如下：抗碎强度（M40/）耐磨强度（M10/）均值85.869646.511111中位数85.700006.400000最大值93.2000011.20000最小值76.80000
34、2.400000标准差3.8687521.574548观测值5690数据分析显示，M40中位数为85.7, M10中位数为6.4，在这两个指标上，能够达到国标三级标准的焦炭分别占100、98.89，达到二级标准的焦炭占100、91.11，达到一级标准的焦炭占87.72、74.44。同样，在GB 504272008高炉炼铁工艺设计规范中，对不同容积的高炉所适用的焦炭机械强度也提出了不同的要求，具体见表10。表10 不同容积高炉对焦炭机械强度要求容积（ ）10002000300040005000（）7882848586（）8.07.57.06.56.0考虑到主流炉型仍然在3000立方米以下，我们参
35、照2000立方米级别的高炉要求，将抗碎强度M4082、耐磨强度M107.5作为期货标准。由于现货贸易中有较多焦炭低于上述标准，而且10002000立方米之间的高炉可以使用M4078、M108.0的焦炭，1000立方米以下的高炉甚至要求更低，我们允许M40处于78，82）区间、M10处于（7.5，8.5区间的焦炭用于替代交割。有文献认为，正常情况下冷态强度，特别是M10指标好的冶金焦，其热转鼓强度CSR和CO2反应后强度CRI也会较好。所以，我们把这两项机械强度指标与热性质指标CSR和CRI协同一致，共同设置贴水，只要出现任何一项指标达不到标准品要求，则贴水50元/吨，如果同时出现两项以上的指标
36、不达标，也只贴水50元/吨，并且不累加贴水。（4）反应性CRI和反应后强度CSR第一，反应性和反应后强度的概念反应性是指焦炭与二氧化碳、氧和水蒸汽等进行化学反应的能力，由于焦炭与后两者的反应与二氧化碳类似，大多数国家都用焦炭与二氧化碳的反应特性来评定焦炭反应性。焦炭反应性的化学反应式为C十C022C0，可以反映在一定温度下CO生成的速度。焦炭的气化反应从高炉软熔带开始，其反应程度直接影响着滴下带及风口回旋区的工作状况。反应后强度反映焦炭在使用环境的温度和气氛下，受到外力作用时，抵抗破碎和磨损的能力。第二，反应性和反应后强度的检测方法反应性指数和反应后强度是在规定温度下测定块状焦炭与二氧化碳的反
37、应特性时，同时得到的两个指标，用来评价焦炭的热性质。GB/T 4000-2008焦炭反应性及反应后强度试验方法中规定的测定标准是在11005的恒定温度下，将一定质量焦炭置于耐高温合金钢反应器或刚玉质反应器中，用二氧化碳与其反应2小时后，以焦炭质量损失的百分数表示焦炭反应性CRI，而反应后的焦炭经型转鼓试验后，以大于10mm粒级焦炭占反应后焦炭的质量分数表示焦炭反应后强度CSR。第三，反应性和反应后强度的作用从进入高炉开始，焦炭历经各种热力和化学过程，为了保证高炉顺行，应在高炉风口回旋区保持一定的块度，减少雀巢焦的数量，增加炉腹焦的数量，增强透气性，所以焦炭在热态下的强度和反应程度至关重要。一般
38、认为，焦炭在与二氧化碳反应过程中，气化反应使得焦炭中的炭元素被用于直接还原而消耗，侵蚀作用会使焦炭失重而产生裂缝，同时内部的气孔壁变薄，从而降低焦炭强度，加快焦炭破损。如果焦炭在软熔带反应性过大，会导致煤气利用程度变差，焦比升高，同时焦炭破损产生较多的碎块和焦粉也将恶化高炉料柱的透气性，影响高炉顺行。为了提高炉顶煤气中的二氧化碳含量，改善煤气利用程度，使炉缸温度及煤气流分布更为合理，炉料顺利下降，改善焦炭骨架支撑作用，钢厂要求焦炭在一定温度下的热反应性尽量小些，反应后强度尽量高些。第三，影响反应性与反应后强度的因素1）炼焦煤的性质是影响焦炭反应性最重要的因素。焦炭反应性与所用原料煤的煤化度有关
39、，用低煤化度的煤炼制的焦炭，其反应性较高，随着煤化度的加深，所得焦炭的反应性逐渐降低。因此炼焦煤中应多用低挥发分煤和中挥发分煤，少用高挥发分煤，这是降低焦炭反应性的根本途径。2）炼焦工艺，尤其是提高炼焦终温可降低焦炭反应性。在相同原料煤条件下，炼焦终温为1100的焦炭比炼焦终温为1000的焦炭反应性降低10。在结焦末期保持一段维温时间，也可使焦炭反应性略有下降。增加装炉煤的散密度、调整装炉煤的粒度组成可使焦炭气孔分布均匀，也有降低焦炭反应性的效果。另外，干法熄焦避免了水蒸汽与焦炭气孔表面的反应，减少了活化点，也有助于降低焦炭的反应性。3）焦炭的比表面积是影响反应性的结构参数。焦炭反应性随气孔比
40、表面积增加而提高，虽然小于10m的气孔容积只占焦炭总气孔容积的10，但其比表面积却占焦炭全部比表面积的95以上，因此小于10m的气孔对反应性起重要作用。4）焦炭灰分中的金属氧化物对焦炭的反应性有正催化剂作用，其中尤以钾、钠的催化作用更大。通常焦炭中的K2O和Na2O含量很少，仅为0.10.3，但在高炉中由于碱循环作用，焦炭所吸附的钾、钠含量可达3以上，这就会对焦炭产生破坏作用，使焦炭的反应性增大,反应后强度降低, 还会使焦炭结构疏松导致反应后强度进一步下降。研究表明，焦炭中的钾、钠每增加0.30.5，焦炭与二氧化碳的反应速度可以提高1015，钾、钠含量高时还会使焦炭与二氧化碳的反应开始温度提前
41、，从而导致高炉中下部的焦炭强度减弱，块度减小，并形成过多的焦粉，不利于高炉顺行。另一方面，灰分中的酸性氧化物是焦炭碳溶反应的负催化剂,可使焦炭的反应性降低，反应后强度提高。焦炭中的SiO2和B2O3有抑制二氧化碳反应性的作用，尤以B2O3 更明显，如在焦炭添加0.5的B2O3，反应性可以降低3050。5）炼焦煤预处理技术也会提高焦炭的CSR指标。详见表11。表11 炼焦煤预处理技术措施对提高CSR的效果炼焦煤预处理技术措施CSR提高（）多用气煤和弱黏结性煤（）煤捣固16配型煤151020煤水分控制510煤预热1101525选择粉碎14510配添加物1525焦炉大型化13干法熄焦2数据来源：张孝
42、天，冶金管理，2007.10，17-19第四，焦炭热性质指标值的设定在冶金焦炭国标GB/T 1996-2003中，一级、二级焦炭要求CSR55、50，要求CRI30、35。从检验报告的分析结果看，反应性与反应后强度能达到二级标准的焦炭分别占90.91和92.73，达到一级标准的分别占58.18和89.09。现货企业普遍反映国标制定较早，热性质指标偏低。反应后强度CSR（）反应性CRI（）均值60.1709129.36182中位数60.8000029.30000最大值75.2000042.40000最小值45.2000019.70000标准差6.4089834.676715观测值5555反应性与
43、反应后强度指标可以在一次检验过程中同时得到，两者之间具有显著的负相关关系，当CSR为62时，CRI大约在28，当CSR为55时，CRI大约在32，见图3。CSRCRICSR 1.000000-0.798250CRI-0.798250 1.000000图3 热反应性样本散点在GB 50427-2008当中，不同容积的高炉对热性质的要求不同，见表12。表12 不同容积高炉对焦炭热性质指标的要求容积（ ）10002000300040005000CSR（）5860626465CRI（）2826252525由于1000立方米级别的高炉就要求CRI28，考虑到高炉大型化的发展趋势，焦炭交割标准品不能低于该
44、水平。与该CRI值相对应的CSR值是62，虽然可以满足3000立方米级别的高炉使用，但是也必须采用，所以我们将标准品规定为CRI28，CSR62。考虑到1000立方米以下的高炉对热性质指标要求不高，而且很多独立焦化厂采用捣固炼焦技术，很难达到标准品要求，我们允许CSR处于55，62）区间、CRI处于（28，32区间的焦炭用于替代交割。这两个热性质指标与上文所述的两个机械强度指标共同设置贴水，只要出现四者中任何一项达不到标准品要求，则实行贴水50元/吨，而且多项指标不达标时不累加贴水，仍然按照50元/吨贴水。（5）挥发分（Vdaf）挥发分是焦炭分析试样在90010下隔绝空气快速加热后的失重占原焦样的百分率，并减去该试样的水分所得到的数值，是在烘干无灰基态下测得的。它的主要成分是在炼焦过程中未完全分解挥发完的氢气、甲烷、氮气以及一氧化碳、二氧化碳、各种烷烃和芳香烃等物质。焦炭挥发分大小与炼焦煤的煤化度和惰性组分含量、煤料的预处理和炼焦最终温度等有关。根据焦炭中的挥发分大小可以判断焦炭的成熟度，通常成熟焦炭的空气干燥基挥发分为12，如果挥发分大于1.5，则表示焦炭偏生，而生焦的耐磨性差，影响高炉透气性，可能引起挂料，使吹损增加，并破坏高炉操作流程；如果挥发分太小，低于0.5-0.7，则表示焦炭过火，过火焦容易碎，易落入熔渣中，造成排渣难和风口烧坏等。在冶金焦炭国家标准GB/T