Применение кокса

Почему каменноугольный кокс в металлургии вытеснил древесный уголь? Пользуясь древесным углем, невозможно было удовлетворить потребности промышленности в металле. Во-первых, это обратило бы земной шар в безлесную пустыню. Во-вторых, древесный уголь имел малую прочность. Для производства большого количества металла необходимо было строить доменные печи больших размеров. Чем выше доменная печь, тем больше столб руды, флюсов, угля, тем большая нагрузка приходится на уголь. Не выдерживая нагрузки, уголь крошится. Образовавшаяся при этом угольная пыль набивается между кусками руды. Газы не могут преодолеть сопротивление столба шихты, плавка замедляется, а то и прекращается полностью. Хрупкость, недостаточная прочность древесного угля не позволяла сооружать большие домны. Для этого необходим был более прочный углеродистый материал.

Все это не значит, естественно, что неизбежная победа каменноугольного кокса оказалась простой и легкой. Путь кокса в домны оказался длиной почти в двести лет.

И каменный уголь, и кокс, получаемый из него, содержат немало примесей, которых нет в древесном угле. Так, в древесном угле практически нет серы, а в каменных углях ее немало. Даже в малосернистых углях, добываемых в Кузнецком каменноугольном бассейне (Кузбассе), содержится до одного процента серы. В углях Донецкого угольного бассейна ее в три раза больше, а из шахт Кизеловского бассейна в Пермской области, где добывали коксующийся уголь в Х1Х – ХХ вв. серы 3 – 5%. Сера из кокса попадает в чугун, а из него в сталь. Чем больше серы в стали, тем хуже она работает при высоких температурах. Именно примеси серы делают металл ломким в нагретом состоянии (прокатка, штамповка). Это и называется «красноломкостью».

Стандарты устанавливают очень жесткие нормы содержания серы в сталях и ограничивают применение стали, в которой «много» серы. Конечно, серу кокса можно связать в шлаки. Но это означает, что в домну надо подать дополнительное количество флюсов, в основном, известняка и доломита. А чтобы их нагреть, расплавить шлак, нужно подавать дополнительные тонны кокса, при этом уменьшается производительность доменной печи.

После сгорания древесного угля остаются всего десятые доли процента золы. А зольность каменного угля и тем более кокса намного выше. В среднем, зольность металлургического кокса, полученного из каменного угля, составляет 10 – 12%. Зола является балластом, и ее обращают в плавкий шлак. А для этого в доменную печь надо добавлять дополнительно флюсы, в основном, известняки и доломиты, а значит расходовать больше тепла на плавление шлака.

Что же такое кокс? Сравним каменный уголь и приготовленный из него кокс. Уголь – вещество черного цвета. В нем заметны блестящие и матовые прослойки. Кокс – серо-стального цвета, плотный, оплавленный, намного прочнее угля. Уголь горит коптящим пламенем, а кокс дает розовато-голубое пламя без следов копоти. Отличаются они и по химическому составу.

Кокс – точнее его горючая масса – почти чистый углерод. В угле же содержится много водорода и кислорода. Получают кокс путем нагрева каменного угля без доступа воздуха. При этом разлагается вещество угля, выделяются газообразные продукты распада.

Как топливо уголь известен человечеству более 25 столетий, а поделочный камень (гагат), тот же уголь по происхождению, известен намного раньше.

Еще ученик Аристотеля Теофраст в книге «История камня» сравнивал каменный и древесный угли и указывал на возможность применения каменного угля для выплавки металлов.

В Европе добыча угля как топлива велась уже римлянами на территории Британии. Имеются сведения, что более двух тысяч лет назад в Китае, в провинции Юннань, производили кокс. Письменные источники указывают на подземную добычу угля в XII в. на территории Бельгии и Моравии (тогдашней Чехии). С XIII в. в Европе известны случаи применения каменного угля в кузнечных горнах. Эти сорта угля и в настоящее время в Западной Европе называют кузнечными.

Первые патенты по коксованию углей относятся к концу XVII в. Пионерами в этом деле не зря стали англичане.

Для получения древесного угля в XV—XVI вв. на английских островах было предано сожжению столько лесов, что над ними нависла угроза полного истребления. А ведь немало древесины требовалось и для строительства домов, кораблей, мостов. Было тут, отчего забить тревогу. Напомним, что в 1558 г. королева Елизавета издала указ, запрещавший на большей части территории Англии использовать лес для выжига древесного угля. Но, видимо, металлурги ухитрялись нарушать королевское веление, поэтому спустя четверть века появился новый государственный указ, согласно которому в ряде графств вообще не разрешалось заниматься выплавкой железа. В последующие годы этот запрет распространился почти на все районы Англии. Остывшие доменные печи «прозябали» без живительного топлива — выплавка чугуна в стране резко упала. Железо приходилось ввозить из России, Швеции и других стран.

Тяжелое положение, в котором оказалась в связи с этим английская промышленность, вынудило металлургов искать замену древесному углю. И, прежде всего их взоры обратились к каменному углю, которым природа, не скупясь, одарила британские острова. Крупные угольные залежи располагались близко к поверхности земли. После прядения и ткачества добыча угля и металлургия была одной из главных отраслей развивающейся промышленности.

 К этому времени каменный уголь, выделявший при сгорании больше тепла, чем древесный, уже успел снискать репутацию отлично­го топлива, но… не для доменных печей. Все попытки выплавить чугун на каменном угле кончались неудачей: металл содержал вред­ные примеси — серу и фосфор, расход топлива был очень большим.

И все же слишком заманчивой была идея замены в доменной плавке древесного угля каменным, крупные залежи которого могли надолго обеспечить топливом металлургическую промышленность. Не мудрено, что многие англичане, да и не только они, пытались решить эту задачу.

История донесла до нас имя священника Симона Стуртеванта, немца по происхождению, который в паузах между молитвами пре­давался сугубо земным металлургическим заботам. В 1611 г. он по­лучил привилегию, касающуюся употребления «морского или гор­ного угля» при различных железоделательных операциях. Но то ли наскучило ему вскоре это дело, то ли мысли о спасении души за­полнили все его бренное существование, во всяком случае, уже че­рез год Стуртевант отказался от своей привилегии.

Пожалуй, одним из первых, кому определенно удалось добиться успеха, был совсем еще молодой английский металлург Дод Додлей — побочный сын знатного лорда, владевшего несколькими железоделательными заводами. В 1619 г. Додлей получил королевский патент, свидетельствовавший о том, что его владелец «открыл после долгих трудов и многих дорогостоящих опытов секрет, способ и средства выплавки железной руды и производства из нее чугунного литья или брусков путем применения каменного угля в печах с раздувательными мехами, причем результаты получились такого же хорошего качества, как и те, что до сих пор производились при помощи древесного угля, — изобретение, еще никем до сих пор не совершенное в нашем английском королевстве…».

Долгая жизнь, прожитая Додлеем, была до краев наполнена дра­матическими событиями. Чего только не довелось ему испытать: конкуренты разрушили его завод, он сидел в лондонской долговой тюрьме, принимал участие в гражданской войне, дважды попадал в плен и приговаривался к расстрелу, но оба раза бежал, получил тя­желое ранение, был коварно обманут своими компаньонами — сло­вом, скучать ему не приходилось. Но, к сожалению, в этом жизненном калейдоскопе Додлей так и не смог осуществить на практике свое изобретение. Он никому не пожелал открыть секрет, и после его смерти металлургия вновь осталась без минерального топлива.

Дод Додлей в своей книге по металлу писал: «Если леса будут и впредь уменьшаться, для нас будет потеряно то, что составляет главную силу и величие Англии: ее корабли, ее торговля, ее матросы, ее рыболовство, военный флот ее величества, наше наступательное и оборонительное оружие».

Используя каменноугольный кокс, Додлей получил хороший чугун. Но ему не повезло. Повсеместного распространения его способ не получил, а патент был составлен, вероятно, не совсем понятно и поэтому не был расшифрован.

В 1651 г. англичанин Бук получил один из первых патентов на выработку железа с использованием каменного угля взамен древесного. Но железо или чугун получались плохого качества. В 1681 г. известный немецкий химик Иоганн Бехер затребовал патент на «новый метод получения кокса и смолы из торфа и каменного угля, никем никогда ранее не открытый и не примененный»

Лишь в 1735 г., т. е. спустя 116 лет после выдачи патента Додлею, доменный процесс был впервые осуществлен полно­стью на коксе — полученном из каменного угля – топливе, без которого немыслимы сегодня ни доменная плавка, ни ряд других металлургических процессов.

Изобретение коксования — важное событие в истории техники, связанное с именем английского железопромышленника Абрахама Дерби-сына. Семейный клан Дерби владел железоделательным заводом в Колбрукдейле.

Опыты по превращению каменного угля в кокс и использованию его при выплавке чугуна начал проводить еще родоначальник династии — Абрахам Дерби-отец, но до конца решить проблему ему не удалось.

Каменноугольный кокс получали также как и древесный – коксованием в кучах различных видов угля, но пригодного для доменной плавки получить никак не удавалось.

 Работу отца продолжил сын, прекрасно понимавший значение перевода доменной плавки на минеральное топливо. Однако получить отвечающий всем требованиям кокс оказалось необычайно сложно. На эксперименты, проводившиеся один за другим, понадобился не один год. Когда же желаемый кокс, наконец, был получен, его тут же загрузили в доменную печь

Как пишет С.А. Венецкий, по семейному преданию, Дерби круглые сутки, не зная сна, дежурил у печи в ожидании результатов плавки. Прошло несколько дней, наполненных волнением и тревогой, надеждами и разочарованиями. Лишь на шестой день, под вечер, домна дала отличный чугун. И тут же прямо у печи счастливый Дерби уснул мертвецким сном. Так и отнесли его, спящего, домой.

 К концу XVIII в. практически все домен­ные печи Англии работали на каменноугольном коксе. Однако переход на топливо со значительно большей теплотой сгорания потребовал увеличить количество воздушного ду­тья, подаваемого в печь. Водяное колесо уже не могло справиться с такой задачей — на смену ему пришла паровая машина.

 Еще в 1711 г. англичанин Томас Ньюкомен изобрел пароатмосферную поршневую машину для подъема воды из шахт. Спустя четыре де­сятилетия все тот же Абрахам Дерби-сын применил эту машину для привода доменной воздуходувки. Но машина была далека от совершенства и работала с частыми перебоями. Усовершенствова­нием машины Ньюкомена в одно и то же время занимались два замечательных изобретателя — англичанин Джеймс Уатт и наш соотечественник И. И. Ползунов.

В 1763 г. Ползунов, работавший на медеплавильном заводе в Барнауле, создал проект «огнедействующей машины для заводских нужд». Ползунову не суждено было увидеть свое детище в работе: в 1763 г., за неделю до пробного пуска машины, изобретатель умер. В течение некоторого времени установка успешно обеспечивала воз­душным дутьем три плавильные печи. Однако квалифицированных специалистов, способных обслуживать машину, на заводе не было. Начались поломки, котел дал течь, машину остановили, а потом и вовсе сломали.

К работам Д. Уатта судьба оказалась благосклоннее: в 1784 г. он получил патент на универсальную паровую машину двойного действия. К этому периоду относится и появление первой паровой воздуходувки на доменных печах английских заводов.

Следующий значительный шаг в развитии доменного производ­ства был сделан спустя примерно полвека, когда шотландский изобретатель Джеймс Бомон Нилсон предложил нагревать воздух, прежде чем подавать его в доменную печь. Как это часто бывает, это замечательное открытие, произведшее подлинную революцию в металлургии, возродило английскую железоделательную индустрию и открыло широкие перспективы перед каменноугольной промышленностью и металлургией, сразу не было оценено.

Воздухонагреватель Нилсона был далек от совершенства: прохо­дя по чугунным трубам, расположенным в топке, воздух мог на­греваться лишь до 300 — 400С (иначе трубы перегорали и быст­ро выходили из строя). В 1857 г. английский инженер Эдуард Альфред Каупер предложил оригинальную конструкцию доменно­го воздухонагревателя — высокую цилиндрическую башню из стальных листов, внутри которой по всей ее высоте была выложе­на решетка из огнеупорного кирпича. Кирпичи нагревались докрас­на горячими газами, а затем подачу газов прекращали, и через ре­шетку, или, точнее, насадку, пропускали воздух. Благодаря большой поверхности кирпичей воздух теп0ерь мог нагреваться до 600 — 700С. Спустя несколько лет Каупер развил свою идею, предложив для нагрева огнеупорной насадки сжигать отходящие газы доменной печи.

Были заложены первые основы неразрывного союза этих двух гигантских областей производства. Логическим продолжением изобретения Додлея и Дерби явилось применение каменного угля при переработке чугуна в ковкое железо и сталь, осуществленное Генри Кортом в его пудлинговых печах.

Угольная промышленность Англии (особенно в окрестности Нью-Касла) становится центром мировой добычи угля. Удобный порт, он быстро становится центром добычи и торговли углем двух обширных графств – Нортумберленда и Дергема.

 «Черной Индией» называли этот край, приносящий их торговцам и владельцем копей баснословные богатства, такие же, какие английская аристократия и молодая буржуазия выкачивали из захваченной Индии. Уголь вывозился не только в разные районы Англии, но и за границу. «Неукостильское уголье» пылало в кузнечных горнах на заводах Кронштадта, Санкт-Петербурга, Сестрорецка, Петрозаводска.

В XVIII в. топливная проблема черной металлургии в Европе была разрешена, кокс начинают применять и в других отраслях промышленности.