Требования к качеству кокса

Кокс используется в различных процессах: доменный кокс — для выплавки чугуна в доменных печах; литейный кокс — для плавки чугуна и других металлов в вагранках; кокс для электротермических производств — применяется для получения фосфора, карбида кальция,

ферросплавов; кокс для шахтных печей — применяется для обжига руд цветных металлов (медь, олово, цинк, никель, кобальт) и для обжига известняка; кокс для бытовых целей; кокс — для подготовки рудного сырья (агломерация и окатыши).

Главным потребителем кокса до 80 % является черная металлургия — доменные печи и подготовка железорудного сырья. На литейные цели затрачивается до 10 % кокса, 6 % идет для получения цветных металлов и в химическую промышленность, 4 % на прочие цели.

Свойства кокса можно подразделить на: физико-механические, физико-химические и химические. К физико-механическим относятся гранулометрический состав и " чисто" физические свойства: пористость и электросопротивление. В свою очередь такое сложное понятие, как прочность можно подразделить на прочность насыпной массы кокса и прочность вещества кокса. К физико-механическим свойствам относят также трещиноватость, форму кусков, от этих свойств кокса зависит его дробимость и истираемость. Химические свойства кокса характеризуются показателями его технического и элементного анализов. Главные показатели технического анализа кокса это влажность, зольность, сернистость, выход летучих веществ.

Доменный кокс

В практике коксохимического производства сложились следующие названия различных видов доменного кокса, основанные, в основном, на его разделении по крупности и месту отбора. Кокс, выдаваемый из камеры коксования, называется валовым. Кокс, прошедший сортировку по крупности размером > 25 мм называется металлургическим или доменным. Кокс, переданный в доменный цех и прошедший там обязательную сортировку по крупности, называется скиповым. Металлургический и скиповый кокс различаются по качеству.

Любая доменная печь представляет собой конусообразную конструкцию (рис. 7) высотой 20 — 40 м, диаметром в самой широкой части 8 — 16 м, объемом до 6000 м³. Металлургический корпус внутри выложен (футерован) огнеупорным кирпичом.

Сверху в доменную печь загружают: железорудные материалы с содержанием железа до 60 % (агломерат, окатыши), горючее — кокс, флюсы легкоплавкие компоненты) — известняк, доломит, флюорит и другие компоненты доменной шихты, а образующийся в процессе доменной плавки газ отводят. Верхняя часть доменной печи называется колошником, поэтому и газы называются колошниковыми.

Средняя часть печи — конусообразная и самая большая по объему - называется шахтой, в ней находится столб загруженных материалов, и здесь происходят процессы восстановления оксидов железа в железо (а также оксидов марганца, кремния и др.) и, как результат науглероживания железа, образование чугуна.

Высокая температура, необходимая для ведения доменного процесса, достигается за счет интенсивного горения кокса. Для этого через специальные отверстия и устройства, называемые фурмами, в домну вдувают воздух, иногда обогащенный кислородом, нагретым до 1100 — 1300 °С. Кокс, сгорающий в зоне фурм, развивает температуру до 1800 — 2000 °С. Диоксид углерода, образующийся при горении кокса, поднимается вверх по шахте доменной печи и встречается с опускающимися сверху кусками кокса.

Рис. 7. Доменная печь

а- общий вид; б- шахта печи; 1- большой конус; 2- защитные сегменты колошника; 3- воздуховод; 4- воздушная фурма; 5- чугуновоз; 6- чугунная летка; 7- шлаковоз; 8- шлаковая летка.

При температурах выше 1000 °С интенсивно проходит реакция взаимодействия углерода кокса с диоксидом углерода, в результате которой образуется оксид углерода. Он то и является восстановителем оксидов железа (рудной части)

металлического железа. В результате значительная часть оксида углерода окисляется до диоксида по реакции 2С+О₂ = 2СО. Чем лучше работает домна, тем меньше в отходящих газах содержится оксида углерода. Образующиеся _ли железа стекают по кускам шахтных материалов вниз навстречу поднимающимся газам. По пути железо науглероживается, образуя чугун.

Кокс и рудная часть шихты, кроме полезных составляющих углерода и железа, вносят в доменную печь балласт, в основном глинозем Аl₂О₃ и кремнезем _5Юг, и наряду с этим и вредные для конечного продукта вещества (например, серу). Минеральная часть руды и кокса, оксиды кремния и алюминия трудноплавкие вещества делают расплавленные примеси чугуна — шлак тугоплавким, плохо отделяющимся от чугуна. Чтобы шлак хорошо отделялся, был легким, подвижным в доменную шихту добавляют флюсы, которые, соединяясь с оксидом кремния, дают легкоплавкие подвижные шлаки. Образование шлаков такой же важнейший процесс, как и образование чугуна. В среднем по стране получалось 504 кг/т чугуна шлаков. Искусство металлурга-доменщика заключается в том, чтобы удачно отделить металл от примесей при максимальной производительности агрегата по металлу. На основании анализа доменного процесса можно определить роль кокса и требования к его качеству. Кокс, сгорая в доменной печи, дает тепло и является источником получения восстановителя оксидов железа. Чем больше в коксе углерода, тем лучше качество кокса, а чем больше в коксе минеральных веществ и влаги, тем качество кокса хуже. Влага просто балласт, но она испаряется еще на колошнике, а вот каждый лишний процент золы в коксе на 1, 5 — 2, 0 % снижает производительность доменной печи.

Если минеральные составляющие кокса в первом приближении балласт, то сера, которая обязательно присутствует в любом угле и на 80 % переходит в кокс, является самым вредным элементом, от которого металлурги всеми средствами стараются избавиться. Сера переходит в чугун, а из чугуна в сталь, ухудшая ее качество. От серы в доменной печи избавляются, так же как и от золы, путем добавления флюса. Дополнительное количество флюса требует дополнительного количества кокса для его расплавления, а это, в свою очередь, вносит в домну новые порции серы с коксом. Считается, что каждая десятая доля процента серы в коксе снижает производительность доменной печи на 1, 5 — 2, 0 %.

Кроме того, что кокс является в доменной печи источником тепла и восстановителем оксидов железа, он выполняет еще одну важную функцию — разрыхлителя столба шихтового материала, поскольку является единственным материалом в доменной печи, который практически без изменения физико-химических свойств доходит до зоны фурм (остальные материалы расплавляются). Куски кокса образуют своеобразное сито, через которое, равномерно распределяясь по сечению шахты, проходят газы, стекают в горн металл и шлак. Если кокс будет непрочным, то легко раздробится при транспортировке, при падении в домну, или будет истираться при движении газа по шахте вместе с другими компонентами доменной шихты, образующаяся коксовая мелочь забьет проходы между кусками шихты. Газы идут в месте наименьшего сопротивления их движению, и в этом месте процесс образования металла и шлака пойдет интенсивнее.

В то же время там, где проход газами затруднен, температура снизится, процесс образования металла и шлака замедлится, замедлится и оседание, столба шихтовых материалов.

_еМ донецких углей 1, 8%, а для кокса из углей Кузнецкого, Карагандинского бассейнов не выше 1 %.

Прочность кокса, как понятие, складывается из прочности его насыпной массы

В месте замедленного прохождения газов может образоваться монолит.

^ _{ы и} прочности отдельных кусков, которая определяет прочность насыпной
Значит, этот объем работать перестанет. Кроме того₍ ^м _сЫ Здесь можно выделить такие показатели, как дробимость, то есть накопленные в горне доменной печи мелкие классы, а их, по опытным данньм падаемость кусков кокса на отдельности под влиянием внешних нагрузок, и может образовываться до 70 — 80 кг на 1 т шлака, делают его малоподвижньм

истираемость, то есть процесс образования мелких кусков при трении кусков друг о друга, или о другие компоненты доменной шихты.

При этом снижается " серо-поглотительная" способность шлака. Дробимость

Чтобы газы проходили по сечению доменной печи равномерно, и каждый кубометр полезного объема доменной печи работал с полной отдачей, _оКСа тесно связана с его трещиноватостыо и " напряженностью", т.е. с
koi _еализованными и нереализованными при формировании кускового кокса
должен быть прочным и куски кокса должны быть равномерными ц, д_НУТренними напряжениями. Истираемость зависит от состава угольной шихты
крупности. режима коксования. При повышении долевого участия в шихте

Основными показателями работы доменной печи являюто _слабоспекающихся углей низко- и высокометаморфизованных, при снижении производительность — т/сутки, удельный расход кокса — т/т чугуна i _спекаемости шихты количество самых мелких классов кокса крупностью коэффициент использования полезного объема доменной печи (КИГЩ меньше 10 мм резко увеличивается.

который представляет собой частное от деления величины полезного объема в Прочность кусков кокса, кроме видимой и невидимой трещиноватости и

производительность. Чем лучше ведется процесс, тем ниже показатель, так кг напряженности, определяется прочностью вещества кокса, то есть материала с каждого м³ объема печи снимается больше чугуна. В среднем и _стенок пор, так как кокс — пористое вещество. Их распределение по размеру отечественным заводам удельный расход кокса составлял 500 кг/т чугук зависит от исходного угля и условий коксования.

КИПО 0, 54 (лучшие показатели 410 кг/т чугуна и 0, 42). В общем, требования

Пористость кокса зависит от соотношения действительной и кажущейся плотности кокса. Кажущаяся плотность - это плотность куска кокса,

качеству кокса могут быть сформулированы следующим образом.

Кокс должен иметь минимум влаги, минеральных веществ, серы, бьп включающая объем пор. Действительная плотность — это масса вещества прочным. Влажность кокса зависит от способа его охлаждения (тушения). Ecj кокса в единице объема не содержащего пор, т.е. вещества, из которого состоят применялась вода (мокрое тушение), его влажность составляет 2 — 4%. Ем перегородки между порами, П = [d_HCT - d_ra]/d„_cr,

где d_HCT - истинная плотность же тушение кокса осуществлялось " сухим" способом, т.е. путем продувки ег кокса г/см³; d_{K! m} - кажущаяся плотность кокса г/см³. Пористость каким-либо инертным газом, то влажность кокса составляет 0, 1 — 0, 15%. 3i металлургического кокса может составлять 45- 55%.

та влага, которую кокс поглощает из воздуха. Главное, чтобы количество влаги Прочность насыпной массы кокса определяют по затраченной на его

бошо постоянным, чтобы в доменную печь поступало постоянное количеств разрушение работы. Наибольшее распространение получили способы
углерода. определения прочности насыпной массы кокса при разрушении его в барабанах

Содержание минеральных веществ в коксе зависит от содержания их разных конструкций. В производстве принят метод определения прочности
исходном угле. Зольность угля зависит от условий формирования угольно! кокса заключающийся в испытании пробы кокса массой 50 кг, составленную
пласта и условий его добычи, так как при этом в угольную массу попадай пропорционально содержанию в коксе стандартных классов крупности более 80;
куски породы. Зольность добываемых углей различна, от 5 до 50 %. В шихт 60 - 80; 40 - 50; 25 - 40 мм, в так называемом малом барабане,
для коксования обычно до 7 — 12 % золы, но единого стандарта на кокс г

Этот барабан закрытого типа — цилиндр из листовой стали длиной 1 м и

зольности не может быть, так как в разных районах страны кокс получается > Диаметром 1 м. Внутри барабана по всей длине приварены через 90 ° четыре
углей разных месторождений с разной зольностью и обогатимостью. Так, ко» уголка М 50. Загруженная проба вращается 4 минуты со скоростью 25 об/мин.
из углей Донецкого и Кузнецкого бассейнов имеет зольность около 10 %, ко! После 100 оборотов проба выгружается и рассеивается на ситах с квадратными
из углей Карагандинского бассейна примерно 12 %, а кокс из углей Индии 22°/i ^отверстиями; 40x40 мм 25x25 мм и 10x10 мм. Показателями прочности являются,
Естественно, что и показатели работы доменных печей при работе на кокс определяемые в % к исходной навеске - М25 — выход кокса крупнее 25 imm, для
различной зольности различны. Для получения одной тонны чугуна на коксе Донбасса этот показатель должен был составлять 88-89 %, для Кузбасса — 84
зольностью до 10% расходуется около 400-450 кг кокса, а с зольностью 20%' °" %, М10 — выход кокса крупностью менее 10 мм, характеризующий
более 700 кг.

истираемость кокса, для Донбасса 6, 4 — 7, 2 %; Кузбасса — 7, 3 — 7, 6 %.

Содержание серы в коксе должно быть минимальным. Поскольку показателем является также коэффициент дробимости К = d„_cx • 100/d_pa3p, где d„_cx сернистость кокса также зависит от содержания серы в угле, то стандарт¹ ко_Р средние диаметры кусков кокса до и после испытания рассчитанные по устанавливают разное допустимое содержание серы в коксе из углей разнЫ Ч> рмуле dc_P = 1/юо • Еа₍ • dj где а< — выход класса при стандартном рассеве, d; — месторождений. Так, браковочный предел по сере для кокса из шихты' ^р

^№н& диаметр класса.

Данные ситового анализа позволяют охарактеризовать крупность кокса, Л г-„_не кокс рассеивается на квадратных проволочных ситах с размером

фракционный состав, средний размер кусков и важный показатель J _сТИй 9, 5 мм. Каждую фракцию кокса взвешивают отдельно и определяют

равномерность (однородность), которая зависит от распределения кусков по по классам крупности.°^Т, _ентное её содержание. Показатель прочности кокса после реакции с С0₂:

Р„ _ сЮ х ЮО, ^гД^е С~ вся масса кокса крупностью более 9, 5 мм после реакции

Фракционный состав кокса зависит от многих факторов: состава шихц бпаботки в барабане; D - общая масса кокса после реакции и обработки в

технологии коксования, методов транспортирования; однотипное изменещ _{д а}бане. Индекс CRI - это реакционная способность кокса. Он равен (А- В) / А,

гранулометрического состава может быть вызвано разными причинами. д_ _пер_Воначальный вес образца до реакции; В- вес образца после реакции.

Требования к фракционному составу кокса определяются технологу ц„_я хорошего кокса, полученного из шихт сырьевой базы России, индекс CSR

доменной плавки. Для малых доменных печей используется мелкий кокс класс лжен быть > 60%, a CRI < 30%.

25-40 мм; для крупных доменных печей с объемом 1200 м и более предпочтителен

кокс крупностью 25-60 мм.д_ля снижения расхода кокса, который является самым дорогим

компонентом доменной шихты, в доменную печь вдувают различные

Равномерность фракционного состава кокса определяется соотношение углеродсодержащие материалы: природный газ, угольную пыль и т.д. В период1990 - 2002 гг. из-за ухудшения сырьевой базы коксования заводов России

крупных и мелких классов. В металлургическом коксе должно быть по возможности как можно меньше фракций более 80 и менее 40 мм, и минимуму мелочи меньше 25 мм. Оценку кокса по его фракционному составу чаще всего ведут по среднему размеру кусков и коэффициентам равномерности, причем для кокса, предназначенного для различных доменных печей, можно использовать разные коэффициенты.

8 7% по Мю В результате удельный расход кокса возрос с 504 до 530 т/т

_Чугуна, снизилась и производительность доменных печей,!

прочность кокса снизилась по показателям: с 86, 4% до 82 % по М25 и с 7, 6% до

Специальные сорта кокса

K_p=d_a4o-8(/(da> 80+< la25-4o); Kp⁼da25-6c/cla> 6o- Литейный кокс. Технико-экономические показатели работы вагранки в

основном зависят от качества используемого кокса. Основная его роль в процессе

Характеризует фракционный состав и плотность насыпной массы — чв расплавления чугуна — источник тепла и создание условий газопроницаемости равномернее куски, тем насыпная масса меньше. Для современного доменног загрузки.

кокса она равняется 430-480 кг/м. Тесно связанной с характеристикам Важнейшие показатели качества литейного кокса - это его прочность и

гранулометрического состава является трещиноватость кокса, так как от к фракционный состав. Для достижения высоких температур в возможно большем
зависит оценка дробимости кокса. Все методы оценки прочности кокса имеют объеме вагранки и требуемой температуры металла (от этого зависит качество
те или иные недостатки, главным образом выражающиеся в том, что конечны литья) необходимо применять крупные куски возможно меньшей пористости,
результаты испытания характеризуют только одну какую-нибудь сторон Чем больше диаметр вагранки, тем крупнее должен быть кокс. Прочность
качества. Поэтому постоянно ведутся работы по созданию универсального литейного кокса должна быть высокой, особенно прочность кусков (М40 — 80
показателя качества кокса. Одним из таких показателей является предложенный %), чтобы он не разрушался в вагранке, увеличивая поверхность кусков.
К. И. Сысковым показатель газопроницаемости насыпной массы кокса Г = 10 < * Прочность вещества кокса (истираемость) может быть ниже, чем у доменного
где h — критерий гидравлических свойств по данным ситового анализа сменных кокса (МЮ не выше 15 %), так как вагранка значительно ниже и меньше
проб и испытанию их в малом барабане. Сысковым К. И. обработан больше доменной печи, поэтому истирающие усилия в вагранке слабее,
материал по влиянию взаимосвязи газопроницаемости коксов разных заводов Зольность и сернистость литейного кокса должны быть меньше, чем у

работы доменных печей различных регионов (Донбасс, Кузбасс, Центр) Доменного кокса (соответственно < 10, 5 и < 1 %). В настоящее время литейный кокс установлено, что для различных коксов Г меняется в пределах 230-290, и чв производится только из углей Кузнецкого бассейна, поэтому его сернистость больше этот показатель, тем выше производительность

доменных печей и ни* невысока (0, 5-0, 6 %). расход кокса.

В настоящее время на заводах, поставляющих кокс для крупных Кокс для электротермических производств. Электротермические процессы

доменных печей и отправляющих кокс на экспорт, внедряется метод Р меняются для производства специальных чугунов-ферросплавов
определения прочности кокса по показателям CSR и CRI, которые определяют ^^еРРомарганец до 80 % Mg, ферросилиций до 13 % Si, и др.), которые
после того как проба кокса 57 кг, усредненная и уменьшенная стандартным ^0дьзуются в производстве специальных сталей для придания им
методом измельченная до крупности 22, 4 мм массой 200 г, выдерживается при nf Р^еДеленных свойств (жаростойкости, коррозионной стойкости, пластичности,
температуре 1100 °С в потоке диоксида углерода (углекислого газа) в течение РДости и пр.); производстве карбида кальция, желтого фосфора,
двух часов. Затем охлаждается и испытывается в барабане, который вращает' Электротермические процессы осуществляются в электропечах при

со скоростью 20 об/мин в течение 30 минут (600 оборотов). После разрушении ^вд" ^еРатуре 1550 — 1570 °С. Тепло подводится за счет образующейся между

двумя электродами вольтовой дуги. Главными показателями качества кокса электротермических производств являются показатели технического анад (зольность и выход летучих), реакционная способность и электросопротивления Механическая прочность кокса не имеет большого значения, так как koki невысоких электропечах не испытывает больших нагрузок.

Зольность кокса должна быть по возможности меньше, однако п производстве желтого фосфора, где в шихту вводится кремнезем, _t присутствие в золе угля является положительным фактором, так как уменьшу количество необходимой добавки последнего на плавку. Такое же положен при выплавке ферросилиция, силикокальция.

Повышенный выход летучих веществ кокса нежелателен, так как лету!: загрязняют продукты возгонки, например в производстве желтого фосфора Практика показывает, что выход летучих веществ кокса не должен быть более 3, 5 %.

Сернистость кокса не ограничивается, так как сера удаляется в вид летучих соединений. Однако в связи с повышением требований по снижению выбросов вредных продуктов в окружающую среду, содержание серы в коксе дл электротермических производств ограничивается 3 %.

Кокс для агломерации руд. В процессе агломерации руд важнейшим показателями качества кокса являются зольность и реакционная способной Зольные составляющие полностью переходят в агломерат, снижая его прочность Кроме того, минеральные составляющие уменьшают содержание углерода! единице объема топлива, уменьшая его ценность. Поэтому его зольность ограничивается 15 — 17 %. Высокая реакционная способность [выше 4, 5 —5, (мл /(г • с)] приводит к существенному угару в слое шихты, повышенной скорост спекания, а значит получению мелкого агломерата. При этом уменьшается выхо; товарного продукта. Повышенный выход летучих веществ, особенно если в ни содержатся смолистые вещества, приводит к образованию отложений i газоходах и на лопатках эксгаустера, отсасывающего дымовые газы о агломашины. Это может привести к дисбалансу рабочего колеса и нарушениям! работе эксгаустера.

Сернистость кокса для агломерации не влияет на процесс, так как сер сгорает в рабочей зоне. Сернистость кокса, применяемого в агломерации ограничивается условиями охраны окружающей среды и не должна превышая 2, 5 %.

Глава 4. КОНСТРУКЦИИ КОКСОВЫХ ПЕЧЕЙ И КОКСОВЫХ