烟煤胶质层指数的测定

方法提要

煤干馏时能炼出适合高炉用的有足够强度的冶金焦炭的性能。煤的结焦性与煤的变质程度与煤岩类型有关，光亮型、半亮型的中变质烟煤的结焦性最好，煤中矿物质含量过高或受氧化后，其结焦性变差。

胶质层指数是由萨波日柯夫提出的一种表征烟煤塑性的指标，以胶质层的最大厚度 Y值和最终体积收缩度 X 值表示。测定方法是用胶质层测定仪。胶质层指数也是中国现行煤分类的重要参数。

按规定将煤样装入煤杯中，煤杯放在特制的电炉内以规定的升温速度进行单侧加热，煤样则相应形成半焦层、胶质层和未软化的煤样层 3 个等温层面。用探针测量胶质体的最大厚度 Y，从试验的体积曲线测得最终收缩度 X。

仪器装置

双杯胶质层测定仪 有带平衡铊 (图7317) 和不带平衡铊 (除无平衡铊外，其余构造相同) 两种类型。

程序控温仪 温度低于 250℃ 时，升温速度约为 8℃ /min; 250℃ 以上，升温速度为3℃ / min。在 350～ 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℃。也可用电位差计 (05 级) 和调压器来控温。

图7317 带平衡铊的胶质层测定仪示意图

煤杯 由 45 号钢制成，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为 110mm。煤杯使用部分的杯壁应当光滑，不应有条痕和缺凹，每使用 50 次后应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平均直径 (595mm) 相差不得超过 05mm，杯底与杯体之间的间隙也不应超过 05mm。

探针 探针由钢针和铝制刻度尺组成。钢针直径 1mm，下端是钝头。刻度尺上刻度的单位 1mm。刻度线应平直清晰，线粗 01～02mm。对于已装好煤样而尚未进行试验的煤杯，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。

热炉 由上部砖垛、下部砖垛和电热元件组成。上、下部炉砖的物理化学性能应能保证对煤样的测定结果与标准炉砖的测定结果一致。炉砖可同时放两个煤杯，称前杯和后杯。

硅碳棒电加热元件 电阻 6～ 8Ω; 使用部分长度 150mm，直径 8mm; 冷端长度60mm，直径 16mm; 灼热部分温度极限 1200～ 1400℃ 。硅碳棒的灼热强度能在距冷端15mm 处降下来。每个煤杯下面串联两支电阻值相近的硅碳棒。也可使用镍铬丝加热盘，但必须加热均匀，并确保满足本方法的升温速度和最终的温度要求。

长方形小铲 宽 30mm，长 45mm。

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

测定时，煤样横断面上所承受的压强 p 应为 98 ×104Pa。

不带平衡铊的仪器用下式检查压强:

岩石矿物分析第四分册资源与环境调查分析技术

式中:L为活轴轴心13与杠杆上砝码挂钩20的刻痕间的距离，cm;m为砝码和挂钩的总质量，kg;L1为从活轴轴心13到压力盘与杠杆联结的轴心17的距离，等于20cm;m1为压力盘16的质量，kg;L2为从活轴轴心13到杠杆(包括记录笔部件)重心的距离，cm，该重心用实测方法求出;m2为杠杆及记录笔部件的质量，kg;p为煤样上承受的压强，等于98×104Pa;A为煤样横断面的面积，约等于274cm2［计算式A=314(D2-d2)/4，D为煤杯使用部分的平均直径，等于595cm;d为热电偶铁管的外径，cm］。

为了检查压强，应测出式(7326)中各项距离和质量，并代入该式。如式的两端不相等，则应适当调整砝码质量，或在杠杆上另刻一新的刻痕以改变距离L，直到式(7326)的两端相等为止。

对于带平衡铊的仪器，检查煤样负荷的方法如下。

首先调节平衡铊的位置，使其与带压力盘和记录笔部件的杠杆平衡(两边力矩相等，杠杆成水平)，再将平衡铊固定。

煤样横断面上所承受的压力按下式检查:

岩石矿物分析第四分册资源与环境调查分析技术

式中各符号的意义与式 (7326) 相同。

测出式 (7327) 中各项距离和质量，代入式中后，如式的两端不相等，则应调整砝码质量或在杠杆上另刻一新的刻痕改变距离 L，直到式 (7327) 的两端相等为止。

热电偶 镍铬-镍铝电偶，一般每半年校准一次。在更换或重焊热电偶后应重新校准。

仪器的附属设备 焦块的推出器、煤杯清洁机械装置和石棉圆垫切垫机。

试样要求

胶质层测定用的煤样应符合下列规定: 缩制方法应符合 GB 474—2008 《煤样的制备方法》。煤样应用对辊式破碎机破碎到全部通过 15mm 的圆孔筛，但不得过度粉碎。供确定煤炭牌号的煤样，应一律按 GB/T 5751—2009 中国煤炭分类中的有关规定进行减灰。为防止煤的氧化对测定结果的影响，试样应装在磨口玻璃瓶或其他密闭容器中，且放在阴凉处，试验应在制样后不超过半个月内完成。

试验准备

煤杯、热电偶管及压力盘上遗留的焦屑等用金刚砂布( 号为宜) 人工清除干净，也可用机械方法清除。杯底及压力盘上各析气孔应畅通，热电偶管内不应有异物。

纸管制作在一根细钢棍上用香烟纸粘制成直径为25～3mm、高度约为60mm的纸管。装煤杯时将钢棍插入纸管，纸管下端折约2mm，纸管上端与钢棍贴紧，防止煤样进入纸管。

滤纸条宽约60mm，长190～200mm。

石棉圆垫用厚度为05～10mm的石棉纸做两个直径为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面所述纸管穿过的小孔;在下部圆垫上对应压力盘上的探测孔处作一标记。石棉垫可切制或手工制成。

体积曲线记录纸用毫米方格纸作体积曲线记录纸，其高度与记录转筒的高度相同，其长度略大于转筒圆周。

装煤杯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。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，并使它们都保持垂直状态。

将全部试样倒在缩分板上，掺和均匀，摊成厚约 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两份试样，每份试样质量为 (100 ±05) g。将每份试样用堆锥四分法分为4 部分，分4 次装入杯中。每装 25g 之后，用金属针将煤样摊平，但不得捣固。

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

如试样在试验中生成流动性很大的胶质体溢出压力盘，则应重新装样试验。重新装样的过程中，需在折复滤纸后，用压力盘压平，再用直径 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，使石棉绳把压力盘与煤杯、压力盘与热电偶铁管之间的缝隙严密地堵起来。

在整个装样过程中香烟纸管应保持垂直状态。当压力盘与杠杆连结好后，在杠杆上挂上砝码，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，或煤粒进入了纸管 (可用探针试出) ，需重新装样。

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

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。

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、后杯两个体积曲线。

检查活轴轴心 13 到记录笔尖的距离，并将其调整为 600mm，将记录笔充好墨水。

加热以前按下式求出煤样的装填高度:

岩石矿物分析第四分册资源与环境调查分析技术

式中: h 为煤样的装填高度，mm; H 为由杯底上表面到杯口的高度，mm; a 为由压力盘上表面到杯口的距离，mm; b 为压力盘和两个石棉圆垫的总厚度，mm。

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

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。

分析步骤

当上述试验准备工作就绪后，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，试验作废。

在试验中应按时记录 “时间”和 “温度”。 “时间”从 250℃起开始计算，以 min 为单位。温度到达 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，划出一条 “零点线”，再将笔尖对准起点，开始记录体积曲线。

对一般煤样，测定胶质层层面在体积曲线开始下降后几分钟开始，到温度升至约650℃ 时停止。当试样的体积曲线呈山型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 2～4 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。

测定胶质层上部层面时，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面 (手感有阻力了为上部层面) 。读取探针刻度数值 (mm) (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，并同时记录测定层面的时间。

测定胶质层下部层面时，用探针首先测出上部层面，然后轻轻穿透胶质体到半焦表面(手感阻力明显加大为下部层面) ，将读数填入记录表中 “胶质层下部层面”栏内，同时记录测定层面的时间。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逸出，以免破坏体积曲线形状和影响层面位置。

根据转筒所记录的体积曲线的形状及胶质体的特性，确定测定胶质层上、下部层面的频率。当曲线呈 “之”字型或波型时，在体积曲线上升到最高点时测定上部层面，在体积曲线下降到最低点时测定上部层面和下部层面 (但下部层面的测定不应太频繁，约每8～ 10min 测定一次) 。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定上部层面，并每隔 8～10min 在体积曲线的最低点测定一次下部层面。

当体积曲线呈山型、平滑下降型或微波型时，上部层面每 5min 测定一次，下部层面每 10min 测定一次。

当体积曲线分阶段符合上述典型情况时，上、下部层面测定应分阶段按其特点依上述规定进行。

当体积曲线呈平滑斜降型时 (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。遇此种情况时，可暂停 20～25min，使层面恢复; 然后，以每 15min 不多于一次的频数测定上部和下部层面，并力求准确地探测出下部层面的位置。

如果煤在试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 测定一次，到 620℃ 也应堵孔。在测定这种煤的上、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。

当温度到达 730℃时，试验结束。此时调节记录笔使之离开转筒，关闭电源，卸下砝码，使仪器冷却。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试验。

在试验过程中，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。

如试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时，则试验应作废。

分析结果的表述 (包括焦块技术特征的鉴定)

曲线的加工及胶质层测定结果的确定: 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，在其左侧标出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”的数据，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”字型，则应通过 “之”字型部分各线段的中部连接平滑曲线作为最终的层面曲线 (图7318) 。

图7318 胶质层曲线加工示意图

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 05mm) 作为胶质层最大厚度 Y (图7318) 。取 730℃ 时体积曲线与零点线间的距离 (读准到 05mm)作为最终收缩度 X (图7318) 。

体积曲线类型用下列名称表示 (图7319) 。

在报告 X 值时，应注明试样装填高度。如果测得的胶质层厚度为零，在报告 Y 值时应注明焦块的熔合状况。必要时，应将体积曲线及上、下部层面曲线的复制图附在结果报告上。取前杯和后杯重复测定的算术平均值，计算到小数后一位，然后修约到 05，作为测定结果报出。

注意事项

1) 胶质层指数测定法的优点是: ① 烟煤，尤其是中等粘结性的烟煤区分得较好;② Y值有可加性; ③ 该方法是模拟工业生产条件而设计的，能较好地表征煤的结焦性。也存在着一些缺点: ① 用煤量大对地质勘探试样少，取样困难的条件来讲，是非常不利的; ② 测定时间长 (约 3h 10min) ，效率低; ③ 主要指标 Y 值是用探针凭人的感觉来测定的，因此带有主观性是不科学的; ④ 该方法不适于弱粘结和强粘结煤 (主要是液肥煤) ，因为测不准或根本无法测; ⑤ 该方法规范性太强，使得统一仪器和 *** 作都比较困难。与其他结焦性指数相比，不同实验室测定结果相差较大，这是有待解决的问题。

2) 用探针测量纸管底部时，将刻度尺放在压板上，检查指针是否指在刻度尺的零点，如不在零点，应加以调整。

3) 检查记录转筒的运转是否正常的记录转筒的转速应以每 160min 记录笔能绘出 (160 ±2) mm 的线段为准。每月检查一次记录转筒速度。检查时，至少测量 80min 所绘出的线段的长度，并调整其符合要求。

4) 插入和拔出探针时，需缓慢并稍加旋转，避免带出胶质体而破坏体积曲线。探针拔出后，应立即擦净。

5) 试验中，若杯底有大量煤气析出并形成絮状炭黑时，为防止电热元件短路，应适时向电热元件吹热风，吹掉絮状炭黑或用隔绝的办法，在硅碳棒上套上一根石英管。

6) 如果试样在试验过程中生成流动性很大的胶质体并溢出压力盘时，试验作废。重新装样试验时，用石棉绳将压力盘与煤杯、压力盘与热电偶铁管之间的缝隙堵严。

7) 由于煤样氧化后会影响 Y 值的大小，所以胶质层测定用煤样，从制样到试验的时间不应超过 15d。

图7319 胶质层体积曲线类型图

8) 因为胶质层指数测定采用的是单侧加热方法，并以在煤杯中形成一系列平整等温层面为基础。这就要求炉砖有良好的散热性，否则煤杯壁上的热不能及时散去而积蓄起来，靠近煤杯壁的煤就会提前软化生成胶质体，使之不能形成平整的等温面而形成中间凹、周围高的等温面，使得 Y 值测定不准确。

9) 煤杯的材质对测定结果也有类似于炉砖的影响，因为煤杯的材质不同，其导热系数就不相同，造成煤受热的强度也不一样。因此，用不同材质的煤杯测出的 Y 值也不相同，所以方法中规定了统一使用 45#钢做煤杯。

10) 加热一定要均匀，因为加热不均匀，就可能产生等温面的不平整现象，温度高的地方，等温面凸起，温度低的地方等温面凹进。探针的测点如果在凸起部位，测值就偏高; 若在凹进部分，测值就偏低。

11) 煤杯上、下部圆垫要用厚 05～ 10mm 的石棉垫。用厚 05～ 10mm 的石棉垫，是因为它具有良好的透气性，可使试验中生成的挥发物顺利地透过石棉垫排出煤杯外。不可用厚石棉垫，更不能使用橡胶石棉 (俗称鸡毛纸) 一类透气性极差的材料制圆垫，否则会因透气性太差，而使结果偏高。

12) 遇到膨胀性很大的煤 (一般是山型或之山混合型的煤样) 时，730℃ 已到，但是体积曲线还没有走平线，应继续加热，直到曲线走平线为止 5～10min。

13) 升温速度是胶质层测定中第一位重要因素，尤其是在 350～ 600℃ 的升温速度。若升温速度快，Y 值偏高，反之则偏低。

14) 试验开始时，炉砖必须处于室温。因为热炉砖增加煤样的受热强度，故使 Y 值偏高。

15) 装杯时，一定要按 *** 作规定进行 *** 作，切忌捣固或敲击煤杯而改变煤样的堆积密度，影响测定结果。

16) 煤样粒度要求小于 15mm，在制样过程中应该用对辊破碎机逐次破碎，以保证细煤粉所占比例不大，否则会影响测定结果。

17) 如果不是立即做试验，装入杯中的煤样上面不应加任何负荷 (包括压力盘等) ，以免改变原始煤样的堆积密度而影响结果。

18) 按国标及时检查煤杯使用部分的内径，一旦发现不合格，要及时更换以免影响结果。

19) 按国标规定的装煤杯方式，是为了取得有一个相同的装煤高度。因为装入方式不同，煤样的堆积密度亦不同。在固定直径的煤杯中的装煤高度也就不同。这将影响测定结果，当煤杯装完放入炉孔内加以恒压后，所测得的装煤高度在两杯之间，超过 ± 1mm时，应重新装杯，以求得合适的装煤高度。

金属熔点使用外推起始温度的原因：

因为起始温度与仪器的灵敏度有关，灵敏度越高则出现越早，即起始温度重复性较差。而外推起始温度和峰温的重复性较好，故常以此作为特征温度。

相关知识：

综合热分析仪的结构、原理及性能

1、程序控温系统：主要由加热炉和控温两部分组成。在热分析仪中常用的程序控温系统通常是以比例-积分-微分调节器通过可控硅触发器进行温度控制。

2、测量系统：是热分析仪的核心部分，测量物质的物理性能与温度的关系。各种热分析仪所测量的物理性能不同。

3、显示部分：把测量系统的电信号通过放大器进行放大并直接记录下来。

4、气氛控制系统：主要提供反应气氛和保护气氛。主要有氮气、空气、氩气等。

5、计算机控制与数据分析系统：由计算机控制 *** 作的热分析仪可完成程序设定、加热炉开启闭合、实验开始与结束、记录与打印数据、绘制热分析图谱、分析热分析图谱等功能。

热重法（TG）是在程序控制温度下，测量物质的质量与温度关系的一种热分析技术。热重法纪录的是热重曲线（TG曲线），它以质量（m）作纵坐标，以温度（T）或时间（t）作为横坐标。通常有等温热重法（在恒温下测定物质质量变化与时间的关系）和非等温热重法（在程序升温下测定物质质量变化与温度d关系）。

差热分析（DTA）是在程序控制温度条件下，测量样品与参比物（一种在测量温度范围内不发生任何热效应的物质，如MgO等）之间的温度差与温度关系的一种热分析技术。差热分析法纪录的是差热分析曲线（DTA曲线）。

差示扫描量热法（DSC）是在程序控制温度下，测量输入给样品和参比物的功率差与温度关系的一种热分析方法。DSC按测定方法不同可分为两种类型，功率补偿示差示扫描量热法和热流示差示扫描量热法。

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