胶质层测定方法

烟煤胶质层指数的测定是由苏联列·萨保什尼克夫等人提出的。它测定烟煤在隔绝空气条件加热时所形成的胶质体的最大厚度（Y）、最终收缩度（X）和体积曲线类型等三个主要指标。胶质层指数通常由胶质体的最大厚度表示。它是评价炼焦煤质量和指导配煤炼焦的重要指标，也是我国现行烟煤分类的指标之一。

此法是在模拟工业炼焦的条件下进行的（GB／T479－2000）。

一、实验目的

（1）掌握胶质层指数测定的原理、方法及具体操作步骤，重点掌握胶质层最大厚度的测定方法。深入了解胶质层最大厚度与煤化度的关系和体积曲线与煤的胶质体性质的关系。

（2）了解胶质层指数测定仪的构造以及在加热过程中煤杯内煤样的变化特征。

（3）能够准确、完整地报出实验结果。

二、方法要点

将一定量煤样按规定方法装入特制煤杯，从煤杯底部进行单侧加热。加热到一定温度后，因为最上面的煤样还不到软化温度，所以保持原样不变，中间一部分因为到了软化温度，而变成沥青状的胶体——胶质体，而下面一部分因为到了固化温度，由胶质体变成半焦。因此，煤样中形成了半焦层、胶质层和未软化的煤样层三部分。煤样发生热解生成胶质体，通过探针测定出胶质体的厚度。由于胶质层内热解气体产生一定膨胀压，带动压力盘和记录笔上下移动，绘制出体积曲线。最后煤杯中的煤样全部转化为半焦，从体积曲线的初始位置和最终位置可以测得收缩度。

三、实验仪器设备

1．双杯胶质层指数测定仪

该仪器有带平衡砣（见图1）和不带平衡砣（除无平衡砣之外，其余构造同图1）两种类型。

2．程序控温仪

温度低于250℃时，升温速度约为8℃／min；250℃以上时，升温速度为3℃／min；在300℃～600℃期间，显示温度与应达到的温度差值不超过5℃，其余时间内不应超过10℃。

3．煤　杯

煤杯由45号钢制成。其规格如下：外径70mm；杯底内径59mm；从距杯底50mm处至杯口的内径60mm；从杯底到杯口的高度110mm。

煤杯使用部分的杯壁应当光滑，不应有条痕和缺陷，每使用50次后检查一次使用部分的直径。检查时，沿其高度每隔10mm测量一点，共测6点，测得结果的平均数与直径（59．5mm）相差不得超过0．5mm，杯底与杯体之间的间隙也不应超过0．5mm。

图1　带平衡铊的胶质层测定仪示意图
1—底座；2—水平螺丝；3—立柱；4—石棉板；5—下部砖垛；6—接线夹；7—硅碳棒；8—上部砖垛；9—煤杯；10—热电偶铁管；11—压板；12—平衡砣；13、17—活轴；14—杠杆；15—探针；16—压力盘；18—方向控制板；19—方向柱；20—砝码挂钩；21—记录笔；22—记录转筒；23—记录转筒支柱；24—砝码；25—固定螺钉

杯底和压力盘的规格及其上的布置方式如图2所示。

图2　煤杯及其他附件
1—杯体；2—杯底；3—细钢棍；4—热电偶铁管；5—压板；6—螺丝

图3　探针（测胶质层层面专用）

4．探　针

探针由钢针和铝制刻度尺组成（见图3）。钢针直径为1mm，下段是钝头。刻度尺上刻度的最小单位为1mm。刻度线应平直清晰，线粗0．1～0．2mm。对于已装好煤样而尚未进行实验的煤杯，用探针测量其纸管底部位置时，指针应指在刻度尺的零点上。

5．记录转筒

其转速应以记录笔每160min能绘出长度为（160±2）mm的线度为准。每月应检查一次记录转筒转速，检查时应至少测量80min所绘出的长度，并调整到合乎标准。

6．附属设备

推焦器、清洁煤杯用的机械装置和切制石棉圆垫的切垫机等。

四、实验准备

（1）胶质层测定应符合下列规定：①缩制方法应符合GB474《煤样的制备方法》并应达到空气干燥状态；②煤样应以对辊式破碎机破碎到全部通过1．5mm的圆孔筛，但不得过度粉碎；③供确定牌号的煤样，应一律按中国煤炭分类国家标准中的有关规定进行减灰；胶质层测定用煤样必须严格防止氧化。煤样应装在密封的容器中，储存在阴凉处。从制样到试验的时间不应超过半个月，如超过半个月，应在报告中注明。

（2）煤杯、热电偶管及压力盘上的遗留的焦屑等用金刚砂布（3／2号为宜）人工清除干净。杯底及压力盘上各个气孔应通畅，热电偶管内不应有异物。

（3）纸管制作。在一根细钢棍上用香烟纸黏制成直径为2．5～3mm、高度约为60mm的纸管。装煤时将钢棍插入纸管，纸管下端折约2mm，纸管上端与钢棍贴紧，防止煤样进入纸管。

（4）滤纸条。宽约60mm，长190～220mm。

（5）石棉圆垫。用厚度为0．5～1．0mm的石棉纸做2个直径为59mm的石棉圆垫。在上部圆垫上有供热电偶铁管穿过的圆孔和上述纸管穿过的小孔；在下部圆垫上，对应压力盘上的探测孔处做一标记。

（6）体积曲线记录纸。用毫米方格纸做体积曲线记录纸，其高度与记录转筒的高度相同，长度略大于转筒圆周。

（7）装煤杯。

a．将杯底放入煤杯，使其下部凸出部分进入煤杯底部圆孔中，杯底上放置热电偶铁管的凹槽中心点与压力盘上放热电偶的孔洞中心点对准。

b．将石棉垫铺在杯底上，石棉垫上圆孔应对准杯底上的凹槽，在杯内下部沿壁围一条滤纸条。

将热电偶铁管插入煤杯底凹槽，把带有香烟纸管的钢棍放在下部石棉圆垫的探测孔标志处，用压板把热电偶铁管和钢棍固定，并使它们都保持在垂直状态。

c．将全部试样倒在缩分板上，掺和均匀，摊成厚约为10mm的方块。用直尺将方块划分为许多30mm×30mm左右的小块，用长方形小铲按棋盘式取样法隔块分别取出2份试样，每份试样质量为（100±0．5）g。

d．将每份试样用堆锥四分法分为四部分，分四次装入杯中。每装25g之后，用金属针将煤样摊平，但不得捣固。

e．试样装完后，将压板暂时取下，把上部石棉垫小心地平铺在煤样上，并将露出的滤纸边缘折复于石棉垫上，放入压力盘，再用压板固定热电偶管。将煤杯放入上部砖垛的炉孔中。把压力盘与杠杆连接起来，挂上砝码，调节杠杆到水平。

f．如试样在实验中生成流动性很大的胶质体溢出压力盘，则应按a重新装样实验。重新装样的过程中，须在折复滤纸后用压力盘压平，并用直径2～3mm的石棉绳在滤纸和石棉垫上方沿杯壁和热电偶铁管外壁围一圈，再放上压力盘，使石棉绳把压力盘和煤杯压力盘与热电偶铁管之间的缝隙严密地堵起来。

g．在整个装样过程中香烟纸管应保持垂直状态。当压力盘与杠杆连接好后，在杠杆上挂好砝码，把细钢棍小心地由纸管中抽出来（可轻轻旋转），务使纸管留在原有位置。如纸管被拔出，或颗粒进入了纸管（可用探针试出），须重新装样。

（8）用探针测量纸管底部时，将刻度尺放在压板上，检查指针是否在刻度尺的零点。如不在零点，则有煤粒进入纸管内，应重新装样。

（9）将热电偶置于热电偶铁管中，检查前杯和后杯热电偶连接是否正确。

（10）把毫米方格纸装在记录转筒上，并使纸上的水平线始、末端彼此衔接起来。调节记录转筒的高低，使其能同时记录前、后杯2个体积曲线。

（11）检查活轴轴心到记录笔尖的距离，并将其调整为600mm。

（12）加热以前按下式求出煤样的装填高度。

h＝H－（a＋b）

式中，h——煤样的装填高度，mm；

　　　H——由杯底上表面到杯口的高度，mm；

　　　a——由压力盘上表面到杯口的距离，mm；

　　　b——压力盘和两个石棉垫的总厚度，mm。

a值测量时，顺煤杯周围在4个不同地方共量4次，取平均值。H值应每次装煤前实测，b值可用卡尺实测。

（13）同一煤样重复测定时装煤高度的允许差为1mm，超过允许差时应重新装样。报告结果时，应将煤样的装填高度的平均值附注于X值之后。

五、实验步骤

（1）当上述准备工作就绪后，打开程序控温仪开关，通电加热，并控制两煤杯杯底升温速度，具体如下：250℃以前为8℃／min，并要求30min内升到250℃；250℃以后为3℃／min。每10min记录一次温度，在350℃～600℃期间，实际温度与应达到的温度的差不应超过5℃，在其余时间内不应超过10℃，否则，实验作废。

在实验中应按时记录时间和温度。时间从250℃起开始计时，以分为单位。

（2）温度达到250℃时，调节记录笔尖，使之接触到记录转筒上，固定其位置，并旋转记录转筒一周，画出一条“零点线”，再将笔尖对准起点，开始记录体积曲线。

（3）对一般煤样，测量胶质层层面在体积曲线开始下降后几分钟开始，到温度升至650℃时停止。当试样的体积曲线呈“山形”或生成流动性很大的胶质体时，其胶质层层面的测定可适当地提前停止，一般可在胶质层最大厚度出现后再对上下部层面各测2～3次即可停止，并立即用石棉绳或石棉绒把压力盘上探测孔严密地堵起来，以免胶质体溢出。

（4）测量胶质层上部层面时，将探针刻度尺放在压板上，使探针通过压板和压力盘上的专用小孔小心地插入纸管中，轻轻往下探测，直到探针下端接触到胶质层层面（手感有了阻力为上部层面）。读取探针刻度毫米数（为层面到杯底的距离），将读数填入记录表中“胶质层上部层面”栏内，并同时记录测量层面的时间。

（5）测量胶质层下部层面时，用探针首先测出上部层面，然后轻轻穿透胶质体到半焦面（手感阻力明显加大为下部层面），将读数填入记录表中“胶质体下部层面”栏内，同时记录测量层面的时间。探针穿透胶质层和从胶质层中抽出时，均应小心缓慢从事。在抽出时还应轻轻转动，防止带出胶质体或使胶质层内积存的煤气突然溢出，以免破坏体积曲线形状和影响层面位置。

（6）根据转筒所记录的体积曲线的形状及胶质体的特性，来确定测量胶质层上、下部层面的频率。a．当体积曲线呈“之”字形或波形时，在体积曲线上升到最高点时测量上部层面，在体积曲线下降到最低点时测量上部层面和下部层面（但下部层面的测量不应太频繁，约8～10min测量一次）。如果曲线起伏非常频繁，可间隔一次或两次起伏，在体积曲线的最高点和最低点测量上部层面，并每隔8～10min在体积曲线的最低点测量一次下部层面。

b．当体积曲线呈山形、平滑下降形或微波形时，上部层面每5min测量一次，下部层面每10min测量一次。

c．当体积曲线分阶段符合上述典型情况时，上下部层面测量应分阶段按其特点依上述规定进行。

d．当体积曲线呈平滑斜下降形时（属结焦性不好的煤，Y值一般在7mm以下），胶质层上、下部层面往往不明显，总是一穿即达杯底。遇此情况时，可暂停20～25min，使层面恢复，然后以每15min不多于一次的频率测量上部和下部层面，并力求准确地探测出下部层面的位置。

e．如果煤在实验时形成流动性很大的胶质体，下部层面的测定可稍晚开始，然后每隔7～8min测量一次，到620℃应堵孔。在测量这种煤的上、下部胶质层层面时应特别注意，以免探针带出胶质体或胶质体溢出。

（7）当温度到达730℃时，实验结束。此时调节记录笔离开转筒，关闭电源，卸下砝码，使仪器冷却。

（8）当胶质层测定结束后，必须等上部砖垛完全冷却或更换上部砖垛，方可进行下一次实验。

（9）在实验过程中，当煤气大量从杯底析出时，应不时地向电热元件吹风，使从杯底析出的煤气和炭黑烧掉，以免发生短路，烧坏硅碳棒、镍铬线或影响热电偶正常工作。

（10）如实验时煤的胶质体溢出到压力盘上，或在香烟纸管中的胶质层层面骤然高起，则实验应作废。

（11）推焦。推焦器如图4所示。仪器全部冷却至室温后，将煤杯倒置在底座上的圆孔上，并把煤杯底对准丝杆中心，然后旋转丝杆，直至焦块被推出煤杯为止，尽可能保持焦块的完整。

六、注意事项

（1）装煤前，煤杯、热电偶管内等相关部件要清除干净，杯底及压力盘上各析气孔应通畅。

（2）装煤样时，热电偶、纸管都必须保持垂直并与杯底标志对准，而且要防止煤样进入纸管。

（3）装好煤样后，用探针测量纸管底部时，指针必须指在刻度尺的零点。

（4）升温速度必须严格按照实验步骤（1）规定进行，否则实验作废。

（5）使用探针测量时，一定要小心缓慢从事，严防带出胶质体或使胶质层内积存的煤气突然溢出而影响体积曲线形状和层面位置。

（6）开电前务必检查热电偶是否已经插入煤杯的热电偶套管。

（7）注意安全用电，特别注意热电偶的线不要与程序控温仪的红色接线开关接触，以免造成短路。

七、实验记录及结果的报出

1．实验记录表（供参考）

见表1。

图4　推焦器

表1　胶质层指数实验记录表

2．曲线的加工及胶质层测定结果的确定

（1）取下记录转筒上的毫米方格纸，在体积曲线上方水平方向标出温度，在下方水平方向标出“时间”作为横坐标。在体积曲线下方、温度和时间坐标之间留一适当位置，在其左侧标处层面距杯底的距离作为纵坐标。根据记录表上所记录的各个上、下部层面位置和相应的“时间”数据，按坐标在图纸上标出“上部层面”和“下部层面”的各点，分别以平滑的线加以连接，得出上下部层面曲线。如按上法连成的层面曲线呈“之”字形，则应通过“之”字形部分各线段的中点连成平滑曲线作为最终的层面曲线，如图5所示。

图5　胶质层曲线加工示意图

（2）取胶质层上、下部层面曲线之间沿纵坐标方向的最大距离（读准到0．5mm）作为胶质层最大厚度Y（如图5）。（结果的报出取前杯和后杯重复测定的算术平均值，计算到小数点后一位）

（3）取730℃时体积曲线与零点线间的距离（准确到0．5mm）作为最终收缩度X（如图5）。（结果的报出取前杯和后杯重复测定的算术平均值，计算到小数点后一位，并注明试样装填高度）

（4）在整理完毕的曲线图上，标明试样的编号，贴在记录表上一并保存。

（5）体积曲线的类型及名称见图6。

图6　胶质层体积曲线类型图
（a）平滑下降形；（b）平滑斜降形；（c）波形；（d）微波形；（e）之字形；（f）山形；（g）和（h）之山混合形

3．焦块技术特征的鉴别方法

（1）缝隙的鉴定以焦块底面（加热侧）为准，一般以无缝隙、少缝隙和多缝隙三种特征表示，并附以底部缝隙示意图（如图7所示）。

无缝隙、少缝隙和多缝隙按单体焦块的多少区分。单体焦块是指裂缝把焦块底面划分成的区域数额。当一条裂缝的一小部分不完全时，允许沿其走向延长，以清楚地划出区域。如图7所示焦块的单体数为8块，虚线为裂缝沿走向的延长线。

无缝隙：单体焦块数为1块。

缝隙：单体焦块数为2～6块。

多缝隙：单体焦块数为6块以上。

（2）孔隙指焦块剖面的孔隙情况，以小孔隙、小孔隙带大孔隙和大孔隙很多来表示。

（3）海绵体指焦块上部的蜂焦部分，分为无海绵体、小泡状海绵体和敞开的海绵体。

（4）绽边指有些煤的焦块由于收缩应力而裂成的裙状周边（如图8所示），依其高度分为无绽边、低绽边（约占焦块全高1／3以下）、高绽边（约占焦块全高2／3以上）和中等绽边（介于高绽边和低绽边之间）。

海绵体和焦块绽边的情况应记录在表上，以剖面图表示。

（5）色泽以焦块断面接近杯底部分的颜色和光泽为准。焦色分黑色（不结焦或凝结的焦块）、深灰色、银灰色等。

（6）熔合情况分为粉状（不结焦）、凝结、部分熔合、完全熔合等。

图7　单体焦块及缝隙示意图
—缝隙　　－－－不完全缝隙

图8　焦块绽边示意图
a—低绽边；b—中等绽边；c—高绽边