Производство металлургического кокса

 

Высокотемпературного коксование угля заключается в пиролизе угля без доступа воздуха при 900–1100°С в течение 14–18 ч.

Перед загрузкой в коксовую печь угольная шихта измельчается до фракции 3 мм. Компоненты шихты усредняются по составу на специальных складах, затем тщательно смешиваются.

Нагрев шихты в печи происходит теплопроводностью от двух стен, внутри которых в отопительных простенках сжигается смесь доменного и коксового газов при температурах до 1350–1400 °С.

Задача процесса коксования состоит в удалении главной массы летучих веществ еще в коксовой печи и создании прочного кускового продукта, содержащего не более 1,5–2% летучих веществ, для предотвращения разрушения кокса в доменной печи.

Различают следующие последовательные стадии коксования каменного угля:

1. Сушка угля при температуре до 100–120 °С.

2. Нагрев угля до 300–350 °С. Происходит физический прогрев частиц без разрушения легкоплавких соединений – битумов, при распаде которых и выделяются летучие вещества.

3. Размягчение и плавление угля при 350–500 °С. Первыми плавятся легкоплавкие битумы. Из расплава интенсивно выделяются летучие, что резко меняет его химический состав, увеличивает вязкость. Поры в коксе – это пузыри и трубки, по которым двигались летучие в массе расплава; стенки их твердеют и сохраняются затем в готовом продукте.

4. При 500–600 °С расплав затвердевает в виде еще слабого в механическом отношении продукта – полукокса, содержащего обычно еще около 50% всех летучих исходной угольной шихты.

5. При 600–1100 °С удаляются летучие, происходит графитизация кокса, т.е. превращение аморфного углерода в кристаллический гексагональный графит. При этом его прочность и твердость возрастают в 30–40 раз.

Рабочее пространство коксовой печи представляет собой прямоугольный параллелепипед, слегка расширяющийся в сторону выдачи кокса. Средний выход металлургического кокса (>25 мм) от общего составляет 93–94%.

В процессе коксования угольная шихта теряет 300–330 м³ летучих/т шихты. Выделяющиеся из коксовой печи летучие («грязный» коксовый газ) направляются в химические цехи, где из них извлекают смолы, аммиак, бензол и другие ценные компоненты. При их дальнейшей переработке получают более 500 ценных продуктов, таких как лаки, краски, растворители, сульфат аммония, нафталин, серу, лекарства и взрывчатые вещества, минеральные масла и т.д.

I-IV – последовательные стадии коксования; 1 – шихта; 2 – пластический слой;

3 – полукокс; 4 – кокс; 5 – осевая вертикальная трещина

Рисунок 1.3 – Стадии коксования угля

 

Очищенный коксовый газ содержит, %: 60 Н₂; 26 СН₄; 2,7 N₂; 2,6 СО₂; 2,2 С_mН_n; 0,5 О₂. Его теплота сгорания близка к 18400 кДж/м₃. Коксовый газ широко используется на металлургических заводах для отопления коксовых батарей, мартеновских печей, кауперов, для вдувания в фурмы доменных печей с целью экономии кокса. Каждая коксовая печь батареи заключена между двумя отопительными простенками. Под каждым простенком располагаются два кирпичных регенератора.

Готовый пирог кокса выгружается в тушильный вагон и по традиционной технологии заливается водой (4-5 м³/т кокса).

Мгновенное охлаждение создает в кусках кокса значительные внутренние напряжения, измельчает кокс, увеличивает его трещиноватость. Тепло коксового пирога теряется при такой технологии безвозвратно.

Технология сухого тушения кокса холодным азотом - раскаленный (1000-1050 °С) кокс загружается сверху в бункер, через который непрерывно продувается азот. Расход циркулирующего по контуру охлаждения азота составляет 75000-80000 м³/ч. После парового котла остаточная теплота азота может быть использована для сушки и подогрева угольной шихты перед коксованием.

Качество кокса

 

Кокс выполняет следующие функции.

Является источником тепла, необходимого для протекания эндотермических реакций восстановления окислов, подогрева шихты и восстановительных газов до температур, обеспечивающих скорость протекания реакций, а также плавления и перегрева жидких продуктов плавки и доведения их до необходимой жидкотекучести, позволяющей удалять их из горна печи.

Обеспечивает проведение процессов восстановления, а также является поставщиком углерода для науглероживания металла и восстановления трудновосстановимых оксидов.

Выполняет роль разрыхлителя шихты в зонах, где плавильные материалы еще находятся в твердом и пластичном состоянии, обеспечивает достаточную газопроницаемость столба шихты, предотвращает слипание железорудных материалов и играет важную роль в распределении шихтовых железорудных материалов по горизонтальному и вертикальному сечениям пространства печи.

Обеспечивает формирование гарниссажа, заменяющего огнеупорную кладку по мере ее выгорания, а также выполняет функцию насадки, которая вызывает в нижних зонах печи перегрев и дренаж жидких продуктов плавки при наличии мощного встречного газового потока.

К качеству кокса предъявляются требования.

Низкая зольность кокса оказывает влияние на выход доменного шлака и прочность кокса, каждый 1 % увеличения зольности приводит к снижению производительности доменных печей на 1-2% и повышению удельного расхода кокса на 1,2-2,0%.

Высокое содержание серы в коксе приводит к необходимости работы с высокоосновными вязкими шлаками и к ухудшению хода доменных печей с соответствующим снижением технико-экономических показателей планки. Считается, что при увеличении содержания серы в коксе на 0,1% удельный расход кокса в среднем возрастает на 1-1,4%.

Содержание остаточных летучих веществ в коксе не должно превышать 1,5%.

Одной из наиболее важных характеристик кокса является содержание в нем 83-88% нелетучего углерода.

К физико-химическим характеристикам кокса относятся его горючесть и реакционная способность.

Горючесть кокса определяется скоростью взаимодействия его вещества с кислородом.

Реакционная способность кокса определяется его способностью взаимодействия с диоксидом углерода при 1100 °С.

По пористости (45–55%) кокс занимает промежуточное положение между плотным каменным (1–10%) и древесным (75–85%) углями. Насыпная масса кокса около 450 кг/м³.

 

Контрольные вопросы для самопроверки

1. Дайте характеристику современного доменного производства.

2. Опишите технологию двухстадийного производства стали.

3. В чем заключаются особенности доменного процесса?

4. Какие функции выполняет кокс в доменной плавке?

5. Опишите процесс коксования.

6. Какими показателями определяется качество кокса?