В § 22.2 приведено определение термина «спекающая способность» по ГОСТ 17070–2014. Показателями спекающей способности служат индекс Рога RI и индекс спекаемости G, которые характеризуют способность угля не только спекаться, но и спекать инертные (отощающие) компоненты.
Сущность методов определения индекса Рога и индекса спекаемости заключается в быстром нагревании при постоянном давлении смеси угля с инертным материалом (эталонным антрацитом) и определении механической прочности нелетучего остатка (кокса) в лабораторном барабане. Спекающую способность оценивают по прочности кокса на истирание, т.е. по величине сопротивления измельчению.
Методика определения индекса Рога установлена в ГОСТ 9318–91 (ИСО 335–74) «Уголь каменный. Метод определения спекающей способности по Рога».
Для проведения испытания уголь, доведенный до воздушно-сухого состояния, измельчают до крупности менее 0,2 мм, не допуская переизмельчения. Масса частиц размером от 0,1 до 0,2 мм в пробе должна составлять не менее 40%. Зольность угля не должна превышать 10%. Чтобы избежать окисления угля и снижения его спекаемости, пробу измельчают в день испытания.
Инертной добавкой служит эталонный антрацит со строго установленными показателями: выход летучих веществ Vdaf — от 5 до 6,5%, зольность Ad — не более 4%, содержание витринита — не менее 85%, произвольный показатель отражения витринита Ro,r — от 2,60 до 3,00%, анизотропия отражения витринита AR — не менее 30%. Этим требованиям отвечает антрацит Донецкого бассейна пласта к5 шахты Коммунарская.
Фарфоровый или кварцевый тигель прокаливают в муфеле при температуре 900 °С в течение 30 мин и охлаждают до комнатной температуры. В этот тигель помещают навеску угля массой 1 г и навеску антрацита массой 5 г*.
* Если уголь имеет y 6 мм, то готовят смесь из 2 г угля и 4 г эталонного антрацита (2:4). В этом случае индекс Рога получается больше по абсолютной величине и лучше дифференцирует слабоспекающиеся угли.Для испытания используют антрацит с частицами размером от 0,315 до 0,400 мм. Содержимое тигля тщательно перемешивают в течение 2 мин проволочной мешалкой с петлей на конце. Затем поверхность смеси разравнивают, кладут на нее асбестовый кружок и металлический груз массой 110–150 г и помещают тигель на 30 с под пресс.
Вынимают тигель из пресса, закрывают крышкой поверх груза и вносят на подставке в муфельную печь, предварительно нагретую до (850±10)°С. При этом температура печи понижается. После закрытия печи температура должна повыситься до прежнего уровня не более чем за 5 мин. Через 15 мин после внесения тигля в печь его вынимают и охлаждают до комнатной температуры.
После охлаждения взвешивают тигель с нелетучим остатком (коксом), а затем осторожно переносят содержимое тигля на сито с круглыми отверстиями диаметром 1 мм.
Крупные кусочки сразу переносят обратно в тигель, а остальные просеивают. Надрешетный продукт переносят в тот же тигель и взвешивают.
После этого содержимое тигля помещают в стальной барабан с двумя ребрами, приваренными к внутренней боковой стенке.
Два таких барабана закреплены на горизонтальном валу, который приводится во вращение двигателем.
Барабаны закрывают крышками и включают мотор. Частота вращения барабана должна составлять (50±2) мин–1.
Одна обработка пробы в барабане продолжается 5 мин. После остановки барабана его содержимое просеивают на сите с круглыми отверстиями диаметром 1 мм.
Надрешетный продукт переносят в тигель и взвешивают. Обработку в барабане повторяют еще 2 раза (всего 3 раза).
Индекс Рога RI вычисляют по формуле:
Индекс Рога — величина безразмерная. Его вычисляют как среднее арифметическое результатов двух определений и округляют до целого числа. Значения индекса Рога могут составлять от 0 до 80–85 ед. Расхождения между результатами двух параллельных определений в одной лаборатории не должны превышать 3 ед., при испытаниях в разных лабораториях — 5 ед.
Индекс Рога являлся одним из параметров единой классификации по ГОСТ 25543–88, в которой он использовался для определения подтипа каменных углей при толщине пластического слоя у менее 6 мм. Угли с высокой спекаемостью мало различаются по индексу Рога или вообще не различаются. Например, угли с толщиной пластического слоя около 20 и более 30 мм могут иметь одинаковый показатель RI — около 80.
В Международной системе кодификации углей среднего и высокого рангов (ГОСТ 30313–95) индекс Рога включен в число дополнительных параметров. Несмотря на это, в 2004 г. стандарт ISO 335:1974 «Hard coal. Determination of caking power. Roga test» был отменен. В то же время, гармонизированный с данным международным стандартом ГОСТ 9318–91 действует в России и странах СНГ до сих пор.
Полагаем, что причина отмены ISO 335:1974 заключается в том, что для получения воспроизводимых результатов необходимо, чтобы отощающая добавка имела постоянные свойства. На практике свойства эталонного антрацита, даже полученного из одного и того же пласта, изменяются, а его количество конечно. К 2006 году донецкий антрацит, которым пользовались в углехимических лабораториях СССР, а затем России, закончился. Вероятно, с этим же столкнулись углехимики других стран, и встал вопрос о подборе нового эталонного антрацита. При замене эталонного антрацита исходили из требования, регламентированного ISO 335: «Допускается применять любой другой антрацит, если при его использовании получаются результаты, аналогичные полученным при проведении испытания с эталонным антрацитом». В России подбором новых эталонных антрацитов занимались научно-исследовательские институты, курирующие определенные угольные бассейны, крупные испытательные центры и геологические организации. Специалисты Западно-Сибирского испытательного центра (ОАО ЗСИЦ) под руководством Т.Н. Воропаевой и О.П. Кузнецовой проводили подбор эталонного антрацита в Кузнецком бассейне с 2006 г., руководствуясь известными характеристиками качества антрацитов. Наиболее подходящим оказался антрацит термально-контактного метаморфизма разреза «Красногорский» (Южный Кузбасс). Затем была проведена работа по проверке воспроизводимости результатов определения индекса Рога с использованием донецкого и красногорского антрацитов при испытании углей с различной спекаемостью. После этого был сделан запас антрацита на десяток лет, но, как сообщают сотрудники ЗСИЦ, запас подходит к концу. Представляется рациональным провести исследование метода Рога, заменить эталонный антрацит на отощающую добавку постоянного состава и создать единый банк, в котором можно было бы приобретать сертифицированную отощающую добавку*. * В качестве отощающей добавки могут быть испытаны стандартный электродный углерод (§ 22.7), электродный пековый или нефтяной кокс, электротехнический уголь, изготовленный из сажи, каменного угля, кокса, графита и каменноугольной смолы.В классификацию углей по ГОСТ 25543–88 было внесено изменение, в соответствии с которым для определения подтипа слабоспекающихся каменных углей индекс Рога был заменен на индекс свободного вспучивания SI (Изменение № 2 ГОСТ 25543–88, ИУС № 1, 2004 г.).
В 2006 г. был введен в действие новый международный стандарт ISO 15585:2006 «Hard coal. Determination of caking index». На основе этого международного стандарта был разработан ГОСТ ISO 15585–2013 «Уголь каменный. Определение индекса спекаемости», идентичный ISO 15585:2006. Стандарт распространяется на каменные угли с величиной показателя отражения витринита Ro,r в интервале от 0,6 до 1,8% вкл. и устанавливает метод определения индекса спекаемости углей G на основе характеристики механической прочности нелетучего остатка, полученного при быстром нагревании (при 850°С) смеси угля и эталонного антрацита. Механическую прочность оценивают по результатам двукратной обработки нелетучего остатка во вращающемся барабане.
В ГОСТ ISO 15585–2013 сохранены принцип и основные условия определения спекающей способности по методу Рога. Отличие этих методов заключается в том, что трехкратная обработка нелетучего остатка заменена двукратной, а индекс Рога (RI) — индексом спекаемости (G).
В качестве эталонного антрацита рекомендованы рядовые антрациты двух пластов месторождения Ruqigou (Китай), имеющие следующие показатели: W a — менее 2,5%, A d — менее 4%, V daf — менее 8%, размер частиц в пределах от 0,1 до 0,2 мм, массовая доля класса менее 0,1 мм — менее 6%, а класса более 0,2 мм — 4%. В стандарте приведена исчерпывающая информация о получении, приготовлении и испытании эталонного антрацита.
Индекс спекаемости — величина безразмерная. Его вычисляют как среднее арифметическое результатов двух определений и округляют до целого числа. Расхождение между результатами двух параллельных определений в одной лаборатории не должно превышать 3 ед. (при G ≥ 18) и 1 ед. (при G < 18), а в разных лабораториях — соответственно 4 и 2 ед. В ГОСТ ISO 15585–2013 сохраняется основной недостаток метода Рога — необходимость работать с эталонным антрацитом из Китая и проводить исследования для подбора эталонного антрацита, идентичного китайскому.
