焦炭交割质量标准设计说明.docx

1、焦炭交割质量标准设计说明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，在隔绝空气条件下通过室式焦炉加热至9501050，进而干馏得到的固体产物，其

2、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

3、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

4、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

5、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（详见表2）。由于90的焦炭用于高炉冶炼，这意味着2009年有3.1

6、8亿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 （万吨）年份2001200220032004200520062

7、00720082009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5500m3高炉、沙钢5800m3高炉、鞍钢鲅鱼圈4038m3高炉

8、、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)50004000-49993000-39992000-29991000-1999400-9994002001年0411729N/AN/A

9、2010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(kgce/t)450424430390运行成本(元/t)52948

10、9482450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)10002000300040005000M407882848586M108.07.57.06.56.0反应后强度CSR5860626465反应性指

11、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

12、，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

13、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

14、+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

15、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，焦炭的水分差异很大，从1.8到19.1都有分布，既与干法、湿法熄焦工艺有关，也

16、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

17、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，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

18、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

19、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差观测值灰分Ad（）12.8312.8414.509.910.

20、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要求容积（ ）10002000300040005000灰分（）

21、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，为了鼓励灰分位于(12.5，13区间的焦炭参与交割，设置倾向性交割贴水，

22、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

23、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

24、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

25、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/）0.680.680.850.480.07116调研中现货企业反映，国标中二级焦炭0.8的硫分限定

26、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0.6以内，10003000立方米的主流高炉仅要求硫分在0.7

27、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

28、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

29、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，产量降低，焦比增加。经测算，M40每提高1