| ГЛАВА 1. СВОЙСТВА И ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ 1.1. Технические характеристики кокса Кокс — твёрдый пористый продукт, который получают путём коксования: нагревания исходного сырья (чаще всего каменного угля) без доступа воздуха. В результате из сырья удаляются летучие вещества, а остаётся богатый углеродом остаток. Полукокс — промежуточный продукт, который образуется на одном из этапов коксования (при температуре примерно 500–600 °C). Его также можно получать целенаправленно при более низкотемпературном пиролизе других горючих материалов — бурого угля. По сравнению с коксом полукокс менее прочен, имеет более высокую реакционную способность и часто используется в менее энергоёмких процессах (например, в электротермическом производстве или для бытовых целей). Свойства кокса Свойства кокса можно разделить на несколько групп. Физические: - Пористость (обычно 45–55% для доменного кокса, 35–45% для литейного). Пористая структура важна: она обеспечивает газопроницаемость, что критично для равномерного распределения газов в доменной печи.
- Плотность: истинная плотность (плотность самого углеродного вещества) — около 1,80–1,95 г/см³; кажущаяся плотность (с учётом пор) — примерно 1 г/см³.
- Насыпная масса — около 400–500 кг/м³.
- Прочность: предел прочности при сжатии — 15–25 МПа, при срезе (характеризует устойчивость к истиранию) — 6–12 МПа. Механическая прочность критически важна: кокс должен выдерживать нагрузки при загрузке в печь и транспортировке.
- Тепловые свойства: теплота сгорания — 29–30 МДж/кг
Химические: - Элементный состав: основной компонент — углерод (96–98%); остальное — водород, сера, азот, кислород.
- Зольность — обычно 9–12%.
- Содержание вредных примесей (серы, фосфора) строго контролируется, особенно в доменном производстве: высокое содержание серы ухудшает качество металла.
Физико-химические: - Горючесть — скорость взаимодействия с кислородом (реакция С + О₂ → СО₂). Она выше, чем реакционная способность по отношению к углекислому газу.
- Реакционная способность — способность вступать в реакции, например, с СО₂ (С + СО₂ → 2СО). Её часто оценивают по константе скорости реакции Будуара.
- Структура: молекулярная структура кокса приближается к гексагональной слоистой структуре графита, но остаётся неполностью упорядоченной: отдельные слои связаны ван-дер-ваальсовыми силами и статистически занимают разные положения. В периферийной части решётки могут присутствовать гетероатомы (S, N, O).
Технология производства. Процесс коксования включает несколько стадий: - Подготовка шихты. Уголь обогащают (удаляют минеральные примеси), измельчают до зёрен примерно 0,3 мм, смешивают разные сорта и сушат. Для коксования подходят специальные коксующиеся угли: они должны быть плотными, содержать мало примесей и хорошо спекаться (благодаря компоненту витрену).
- Собственно коксование. Подготовленную шихту загружают в коксовые печи (часто объединённые в «батареи»). Печи герметично закрывают, чтобы исключить доступ воздуха, и нагревают. Процесс длится 14–18 часов при температуре 950–1100 °C. В ходе нагрева последовательно уходят разные летучие вещества: сначала вода и простые газы (при ~250 °C), затем углеводороды и другие соединения (при ~350 °C), при ~500 °C происходит спекание и образуется полукокс, а при дальнейшем нагреве (выше 700 °C) улетучивается водород и формируется окончательный кокс.
- Выдача и охлаждение. Готовый «коксовый пирог» выталкивают из печи специальными машинами (коксовыталкивателями). Затем кокс охлаждают — либо водой, либо инертным газом (например, азотом).
- Переработка летучих продуктов. Парогазовая смесь, выделяющаяся в процессе, отводится и перерабатывается: из неё улавливают каменноугольную смолу, бензол, аммиак, фенолы и другие ценные химические продукты.
Таблица 1.1 Физико-химические характеристики кокса | Показатель | Значение (ориентировочно) | Единица измерения | | Пористость | 45–55 (доменный), 35–45 (литейный) | % | | Истинная плотность | 1,80–1,95 | г/см³ | | Кажущаяся плотность | ~1 | г/см³ | | Насыпная масса | 400–500 | кг/м³ | | Предел прочности при сжатии | 15–25 | МПа | | Предел прочности при срезе | 6–12 | МПа | | Теплота сгорания | 29–30 | МДж/кг | | Содержание углерода | 96–98 | % | | Зольность | 9–12 | % | | Содержание серы | до 1–2 (в доменном коксе) | % | Источник: по данным открытых источников информации В России кокс классифицируют прежде всего по назначению и фракционному составу — под требования конкретных технологических процессов. Доменный кокс. Это основной вид каменноугольного кокса в РФ (доля в потреблении — порядка 80 %). Производится на коксохимических батареях из коксующихся углей (преимущественно кузбасских марок). Требования и особенности: - Фракция: обычно >25 мм (в отдельных регламентах — 25–80 мм). Содержание мелочи (<25 мм) жёстко нормируют (не более 3 %), поскольку мелкие фракции ухудшают газопроницаемость шихты в доменной печи.
- Прочность: критически важна (показатели типа М25/М40), чтобы кокс не разрушался под давлением столба шихты.
- Зольность и сера: стремятся к минимуму; типичные пределы — зольность <11,5 %, сера <1,7 %. Сера особенно нежелательна: она переходит в чугун и ухудшает качество стали.
- Реакционная способность и горячая прочность: нормируются, потому что в нижней части доменной печи кокс работает в зоне высоких температур и восстановительной атмосферы.
Назначение: топливо, восстановитель железной руды и «пористая насадка», обеспечивающая газопроницаемость столба шихтовых материалов. Литейный кокс. Используется в литейном производстве (вагранки) для плавки чугуна. В России выпускается на тех же коксохимических мощностях, но с более жёсткими требованиями по сере. Требования и особенности: - Фракция: крупнее доменного — обычно >60 мм, часто 60–80 мм. Крупные куски обеспечивают хорошую газопроницаемость в вагранке и стабильную тягу.
- Сера: строго ограничена (обычно <1 %), потому что в литейных чугунах сера — вредная примесь, снижающая жидкотекучесть и вызывающая «красноломкость».
- Летучие вещества: не более 1,2 % — чтобы не создавать избыточного давления и нестабильного горения.
- Прочность: важна, но требования чуть мягче, чем у доменного кокса.
Кокс для агломерации руд и мелких металлургических процессов. Это мелкая фракция каменноугольного кокса, которая в доменном производстве считается «мелочью», а в агломерационном — ценным компонентом. Требования и особенности: - Фракция: <3 мм или 3–10 мм (под конкретные агломерационные машины).
- Зольность: может быть выше, чем у доменного (до 20 %), так как зола в агломерации частично участвует в формировании шлака.
- Реакционная способность: должна быть достаточно высокой, чтобы кокс быстро и равномерно сгорал в слое шихты и обеспечивал нужный температурный профиль.
Назначение: твёрдое топливо в агломерационных машинах при подготовке железорудного сырья. Кокс для ферросплавного и электротермического производства. Специализированный вид, востребованный на ферросплавных заводах. Требования и особенности: - Фракция: чаще всего 10–25 мм или узкие фракции под конкретную печь.
- Реакционная способность: намеренно поддерживают на более высоком уровне по сравнению с доменным коксом — это ускоряет восстановление оксидов в электротермических процессах.
- Химический состав: важна низкая зольность и контролируемое содержание фосфора и серы, поскольку эти примеси напрямую переходят в ферросплавы.
Бытовой (коммунально-бытовой) кокс. Производится из каменных и бурых углей для отопления в частном секторе и небольших котельных. Требования и особенности: - Дымность и выбросы: главный критерий — низкое выделение дыма и летучих веществ при горении.
- Прочность и фракция: достаточная, чтобы не рассыпаться в топке и обеспечивать устойчивое горение; обычно 20–50 мм.
- Сера и зола: нормируются с учётом экологических требований к бытовому топливу.
Таблица 1.2 Сравнительные характеристики основных видов кокса | Назначение | Типичная фракция, мм | Ключевые нормируемые параметры | | Доменный | >25 (часто 25–80) | Прочность (М25/М40), зольность, сера, реакционная способность | | Литейный | >60 (часто 60–80) | Сера (<1 %), летучие, фракционный состав | | Для агломерации | <3 или 3–10 | Реакционная способность, зольность | | Ферросплавный/электротермический | 10–25 | Реакционная способность, зола, фосфор, сера | | Бытовой | 20–50 | Дымность, прочность, сера, зола | Источник: по данным открытых источников информации 1.2. Области применения кокса 1. Металлургия. Это главная и самая объёмная сфера использования кокса. - Доменное производство. В доменной плавке кокс выполняет сразу три критически важные функции:
- Топливо. Кокс обеспечивает температуру свыше 1500 °C, необходимую для плавления железной руды и формирования чугуна.
- Восстановитель. Углерод кокса вступает в реакции с оксидами железа, переводя их в металлическое состояние.
- Разрыхлитель шихты. Благодаря своей прочности и пористой структуре кокс формирует устойчивый «скелет» слоя материалов в печи. Это обеспечивает газопроницаемость — раскалённые газы свободно проходят сквозь шихту, что принципиально важно для хода доменного процесса. В нижней части печи кокс остаётся единственным твёрдым компонентом шихты.
- Литейное производство. Для плавки чугуна в вагранках применяют литейный кокс, который отличается, в частности, пониженным содержанием серы. Помимо использования как топлива, кокс включают в формовочные смеси: он повышает их термостойкость, улучшает отвод газов при заливке металла и способствует равномерному прогреву форм. Иногда кокс добавляют непосредственно в расплав — он помогает связать растворённый кислород, улучшая механические свойства сплава (прочность, пластичность, плотность). Также кокс может служить фильтрующим слоем, задерживая шлаки и неметаллические включения для получения более чистого металла.
- Цветная металлургия. Кокс используют при выплавке меди, свинца, цинка и других цветных металлов. Здесь он, как и в чёрной металлургии, работает одновременно как источник тепла и как восстановитель оксидов металлов.
- Производство ферросплавов. В этом сегменте кокс также служит топливом и восстановителем. Для ферросплавного производства часто выбирают мелкую фракцию (например, 10–25 мм) и отдают предпочтение коксу с повышенной реакционной способностью — это ускоряет нужные химические реакции.
- Агломерация руд. Коксовая мелочь (мелкие фракции кокса) применяется на этапе агломерации железных, никелевых и других руд. Это подготовительная операция перед доменной плавкой: кокс обеспечивает необходимую температуру для спекания рудной мелочи и концентратов в прочные пористые куски — агломерат.
2. Химическая промышленность. Кокс — важное сырьё для ряда крупнотоннажных химических производств: - Карбид кальция и ацетилен. Из кокса получают карбид кальция, который затем используют для производства ацетилена. Ацетилен — ключевой полупродукт для органического синтеза и важное топливо для газовой сварки и резки металлов.
- Фосфор и другие продукты. Кокс применяют как восстановитель в производстве фосфора и в ряде других технологических процессов химической промышленности.
- Переработка побочных продуктов коксования. Хотя сам кокс здесь не расходуется напрямую, важно отметить, что коксохимическое производство даёт ценные сопутствующие продукты: коксовый газ, каменноугольную смолу и аммиачную воду. Из смолы выделяют бензол, толуол, нафталин, фенолы и другие органические соединения. Аммиак используют для выпуска удобрений, а компоненты коксового газа (водород, метан) служат сырьём для различных синтезов.
3. Производство электродов и углеграфитовых материалов Для этой сферы нужны специальные виды кокса — прежде всего пековый и нефтяной. Их используют как основное углеродное сырьё при изготовлении графитированных электродов, которые необходимы для работы электродуговых печей (в том числе при выплавке стали). Нефтяной кокс также востребован в производстве широкого спектра углеграфитовых изделий — от конструкционных материалов до электротехнических компонентов. 4. Другие промышленные и технические задачи - Абразивы и огнеупоры. Отдельные виды кокса применяют в составе абразивных материалов и огнеупорных изделий, где важны высокая термостойкость и определённые механические характеристики.
- Ядерная энергетика. В этой отрасли используют специализированные углеродные материалы, в том числе на базе кокса, для изготовления компонентов, устойчивых к радиации и высоким температурам.
- Бытовые цели. Для отопления и в бытовых нагревательных приборах применяют бытовой кокс. Его получают при низкотемпературном пиролизе каменного или бурого угля; такой продукт отличается меньшей механической прочностью, но вполне подходит для относительно небольших и не столь жёстких по параметрам режимов горения.
- Фильтрация. Пористая структура кокса позволяет использовать его как фильтрующий материал в некоторых промышленных системах очистки жидкостей и газов.
|
