Роль кокса в доменном процессе

Функции кокса в доменной плавке:

Во-первых, кокс, сгорая в доменной печи, дает тепло и является источником получения восстановителя окислов железа. Чем больше в коксе содержится углерода, тем лучше качество кокса, а чем больше в коксе золы и влаги, тем качество кокса хуже. Если содержание влаги в коксе зависит от способа его охлаждения или, как говорят коксовики, «тушения» и, применяя различные способы тушения, можно свести содержание влаги в коксе до минимума, то количество минеральных составляющих (зольность) в коксе зависит от ее содержания в исходном угле.

Некоторые ученые считают, что каждый лишний процент золы в коксе на 1,5 – 2% снижает производительность доменной печи. Для одной современной домны это означает, что народное хозяйство не досчитается более ста тысяч тонн чугуна в год. Если зольность 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 мерами стараются избавиться. Сера переходит в чугун, из чугуна в сталь, ухудшая ее качество.

От серы в доменном процессе избавляются так же, как от золы, то есть путем добавления флюсов, в основном известняка. Дополнительное количество флюса требует дополнительного количества кокса, который вносит в домну новые порции серы. Специалисты считают, что увеличение в коксе содержания серы на 0,1% также снижает производительность доменной печи на 1,5 – 2%.

Кроме того, что кокс является в доменной печи источникам тепла и восстановительных газов, он выполняет еще одну важнейшую функцию разрыхлителя доменной шихты – столба шихтовых материалов. Куски кокса образуют своеобразное сито, через которое, равномерно распределяясь по сечению шихты, проходят газы, стекают металл и шлак.

Если кокс будет непрочным, легко раздробится при падении в домну или будет истираться при движении вниз по шахте вместе с другими компонентами доменной шихты, то образующаяся коксовая мелочь забьет проходы между кусками шихты. Газы пойдут в месте наименьшего сопротивления их движению, и в этом месте процесс образования металла и шлака пойдет интенсивнее. В то же время там, где проход газам затруднен, температура снизится, процесс образования металла и шлака замедлится, замедлится и оседание столба шихтовых материалов. В месте замедленного прохождения газов может произойти необратимый процесс – масса превратится в монолит. Чтобы газы проходили через столб шихтовых материалов равномерно, куски кокса должны быть средних размеров.

Каковы же основные требования, предъявляемые к качеству кокса? Кокс должен иметь минимум балластных составляющих: влаги, зольности, азота и кислорода. Содержание в коксе влаги зависит от способа его охлаждения. Если для тушения кокса используют воду, его влажность составляет 2 – 3%.. Если же тушение кокса осуществляется «сухим» способом, то есть путем продувки его каким-либо инертным газом, то влажность кокса составит 0,1 – 0,15%. Это та влага, которую при нормальной температуре кокс поглощает из воздуха. Содержание же кислорода, азота и зольность кокса зависят от содержания их в исходном угле.

Угля без минеральных составляющих, образующих при сжигании золу не бывает и не может быть, так как даже в исходном растительном материале, из которого образовался уголь, есть эти минеральные составляющие.

Зольность угля зависит от условий формирования угольного пласта и условий добычи угля. Зольность углей очень различна (от 5 до 50%), и может быть уменьшена. Процесс уменьшения содержания минеральных составляющих в углях называется обогащением углей. Но и после обогащения угля в нем может оставаться много минеральных включений. На коксование идут угли с зольностью от 7 до 15%, а иногда до 18%. Зольность после обогащения угля зависит от обогатимости угля.

Обогащение полезных ископаемых – процесс очень дорогой. Фактически, можно обогатить уголь до зольности менее одного процента. Но, поскольку с минеральной частью в отходы уходит и часть угольного вещества, выход обогащенного угля или, как его принято называть, «концентрата» снижается.

Бывают легко- и труднообогатимые угли. Легкообогатимый уголь дает до 90% концентрата, то есть из каждой тонны угля получится 900 килограммов угольного концентрата, да и зольность его будет невысокой – всего 7 – 8%. В то же время труднообогатимый уголь даст только 50 – 60% концентрата с зольностью 9 – 10%, то есть из тонны угля только около 600 килограммов пойдет на коксование и кокс получится более зольным. Поэтому в каждом отдельном случае уровень зольности в угле, идущем на коксование, определяется, исходя из соображений экономической эффективности получения необходимого количества концентрата (для получения необходимого количества кокса) оптимальной зольности.

Единого стандарта на кокс по зольности не может быть, так как в разных районах кокс получается из углей разных месторождений и обогатимость этих углей разная. Так, зольность кокса из углей Донецкого и Кузнецкого бассейнов около 10%, Карагандинского бассейна – примерно 12%. В коксе из углей Грузии 16, а металлургические заводы Индии работают на коксе с зольностью до 20%. Естественно, что и показатели работы доменных печей при работе на коксе разной зольности различны. Для получения одной тонны чугуна на коксе с зольностью до 10% расходуется около 500 – 550 кг кокса, а с зольностью 20% потребуется уже более 800 – 900 кг кокса.

Угли различных угольных бассейнов – Донецкого, Кузнецкого, Карагандинского, Печорского, Кизеловского – по содержанию серы весьма различны. Больше всего серы (5 – 6%) содержалось в коксе, полученном из углей Кизеловского бассейна. В коксе, полученном из донецких углей, серы до 1,6%, а в коксе, получаемом из углей Кузбасса, Печоры, Караганды, серы значительно меньше: 0,4 – 0,6%.

Сера придает металлу красноломкость, не позволяет получать тонкий стальной лист, вредит при ковке и штамповке. Поэтому кокс, который получали из углей с очень высоким содержанием серы (6 – 8%), например кизеловских, которые добывались на северном Урале (кокс Губахинского коксохимического завода) был вообще непригоден для доменного производства, использовался в цветной металлургии. Например, при выплавке меди из медных сернистых руд сера просто горючий материал. При сгорании продукт может быть использован для производства серной кислоты.

Кокс должен обладать определенной прочностью. Это значит, что зольность и сернистость кокса должны быть минимальными, а кокс должен быть более прочным, причем требования к прочности кокса с каждым годом возрастают. Кроме кокса, в доменной печи могут гореть угольная и коксовая пыль, мазут, природный газ, водород. Сгорая, они восстанавливают руду. При этом сокращается расход кокса в доменной плавке, удешевляется получаемый чугун, улучшается экономика доменного процесса.

Доменные печи растут в высоту, их диаметр увеличивается. Печи полезным объемом 3000, 5000 и даже 8000 м3 сегодня никого не удивляют. Но ведь совсем недавно доменная печь объемом 1500, 1700 кубометров считалась гигантом.

Что же получается? Кокса в домне становится все меньше, а нагрузка на него увеличивается. Кокс – единственный материал доменной шихты, который без изменения доходит до зоны фурм, зоны горения, это своеобразное сито, которое обеспечивает оптимальную газопроницаемость столба доменной шихты. Поэтому требование максимальной прочности кокса вполне обоснованно.

От чего же зависит прочность кокса? На этот вопрос нельзя ответить однозначно. Хотя начать следовало бы с утверждения, что прочность кокса во многом зависит от природы угля.

Вот здесь и начинаются тайны кокса, которые, несмотря на то, что науке об угле уже более 150 лет, во многом еще не разгаданы. Производство кокса увеличивается, хорошо коксующихся, малосернистых, легкообогатимых углей в обжитых разведанных районах становится все меньше.