Что такое кокс металлургический — как получают и где используется

Кокс представляет собой остаток, который формируется в результате сильного нагрева какого-либо органического материала без доступа воздуха. Подобную процедуру термической переработки твердого или жидкого топлива называют коксованием. В ходе такой обработки увеличивается концентрация углерода в исходном материале, а содержание влаги и различных примесей уменьшается. Остаток, полученный на выходе, затем применяют в качестве качественного промышленного топлива.

Кокс в металлургии это достаточно твердый продукт темного (серого либо черного) цвета, имеющий пористое строение. Получают его путем обработки каменного угля без доступа атмосферного воздуха при рабочей температуре от 950 до 1100 градусов Цельсия.

Свойства и состав кокса

Характеристикой составляющих кокса служит соотношение различных химических веществ и наличие минеральных примесей в органическом материале. В зависимости от месторождения природного сырья (угля) состав кокса в процентном соотношении может быть не одинаков.

В целом он выглядит так:

• углерод 80-88%;
• сера 0,5-1,8%;
• фосфор 0,015-0,040%;
• зола 8-12%;
• влага 5%;
• летучие вещества 0,7-1,2%.

Точной химической формулы для кокса не существует, поэтому применяют общие характеристики. Следует отметить, что в процессе хранения и перевозки кокса его основные свойства, характеристики и соотношение компонентов не изменяются.

В перечень важных физических показателей кокса входит:

• пористость (49-53%);
• теплота горения (29—30 мДж/кг);
• насыпная масса (400—500 кг/м3);
• истинная плотность 1,8-1,9 г/см3;
• максимальная прочность при сжатии 18-25 МПа.

Свойства и структура конечного материала напрямую зависят от применяемой угольной смеси, температуры рабочей среды, скорости разогрева коксующейся массы. Прочный и устойчивый к истиранию каменноугольный кокс получают путем повышения температуры на последней стадии при его производстве.

Увеличение продолжительности времени обработки и снижение скорости разогрева массы приводит к формированию более крупных фракций кокса. Большое количество газовых сортов угля в шихте приводит к повышению пористости и снижению прочности конечного продукта. Для повышения горючести кокса в шихту вводят сорта угля, отличающиеся низкой степенью метаморфизма, снижают рабочую температуру и длительность последнего этапа обработки.

Одним из важных показателей служит пористость материала. В перечень его слабых мест входят трещины, поры различного размера, а также спекшиеся включения. Эти дефекты естественным образом оказывают влияние на твердость конечного продукта.

Наличие и размер пор определяет горючесть кокса, а этот показатель имеет большое значение при применении. Рабочая температура, возникающая при сжигании кокса, должна соответствовать требованиям технологии и быть постоянной в течение всего производственного цикла. В противном случае нестабильность разогрева доменной печи повлечет за собой различные дефекты, отрицательно влияющие на качество конечной продукции литейного производства.

Трещины, которые ослабляют поры, считаются более серьезным дефектом при оценке качества кокса. Они серьезно ухудшают показатель твердости топлива, что отрицательно влияет на его технические характеристики. Кокс для литейного производства тщательно отбирают с учетом этих показателей. В целях улучшения качества кокса для металлургии при выборе сырья для его производства учитывают состав и фракции исходных материалов. Кроме того, большое внимание уделяют определению рабочей температуры и продолжительности периода обработки.

Применение кокса

Каменноугольный кокс используют как эффективное и бездымное топливо при выплавке чугуна, для восстановления железной руды, в качестве разрыхлителя шихты.

Различают два вида кокса:

• доменный (выплавка разных марок чугуна);
• литейный кокс (выпуск различных сплавов).

В литейных цехах данный материал применяют в качестве ваграночного топлива для специальных печей. Возможно применение кокса в качестве топлива в быту, а специальные виды предназначены для химической отрасти и производства ферросплавов.

Нефтяной кокс, применение которого при изготовлении термостойких деталей основано на инертности, используют для выпуска электродов, проводников, деталей, предназначенных для агрессивной химической среды.

Для восстановления железной руды, выплавки чугуна, производства активированного угля применяют иногда торфяной кокс, схожий по химическому составу с каменноугольным аналогом.

Пековый кокс нужен для изготовления анодов. Кроме того, он востребован в цветной металлургии.

Особенности металлургического кокса

Выглядит кокс как россыпи твердых фракций различного размера, цвет материала варьируется от черного до темно-серого цвета. Топливо обладает пористой структурой. Примечательно, что плотность кокса разделяют на кажущуюся (примерно 1 г/см3) и истинную (1,80-1,95 г/см3). Этот показатель напрямую зависит от исходного сырья и особенностей технологического процесса производства. Большое содержание газовых углей в шихте позволяет получить менее плотный продукт с хорошей воспламеняемостью.

Повысить прочность топлива возможно путем уменьшения рабочей температуры коксования до 950 градусов. Металлургический кокс различается по составу сырья в зависимости от конечного назначения. Топливо для плавки чугуна разительно отличается от того, что требуется для литейного производства в ваграночных печах.

Наиболее востребованным в металлургическом производстве является литейный кокс. Технические требования к нему регламентированы ГОСТ 3340-88. Размер отдельных фракций колеблется от 60 до 80 мм. Эта разновидность кокса востребована на производстве различных марок стали, ферросплавов, различных отраслях машиностроения и тяжелой промышленности.

К достоинствам литейного кокса необходимо отнести:

• низкий процент серы в составе (до 1%);
• повышенную калорийность топлива;
• слабое выделение летучих веществ;
• слабую электропроводимость;
• высокую склонность к реакции.

В ферросплавном производстве востребовано топливо, отличающееся мелким размером отдельных фракций (от 10 до 25 мм). По этому показателю литейный кокс не соответствует технологическим требованиям. Учитывая отличные качественные характеристики, для производства ферросплавов применяют отходы литейного кокса (побочные продукты).

Производство кокса

Это очень важная отрасль, объем которой, согласно статистике, ежегодно достигает 27 миллионов тонн. Именно такое количество требуется для удовлетворения запросов литейного производства и металлургии.

Получают кокс путем нагревания исходного сырья без доступа воздуха. Технология основана на гидролизе, конечной целью которого является процесс отделения углерода от иных веществ, имеющихся в составе используемого угля.

Делают кокс из угля:

• жирного;
• газового;
• тощего;
• коксового.

Наиболее дорогостоящим вариантом сырья является коксующийся уголь.

Для перевозки угля используют насыпные вагоны, которые при необходимости загоняют в специальные ангары для отогрева шихты в зимнее время. Первым этапом производства служит подготовка шихты. Поступивший на предприятие уголь сортируют на разные по составу и свойствам группы. Затем материал подвергают дроблению, и перемешивают.

Операцию по дозировке шихты выполняют при помощи специальных весов, работающих в автоматическом режиме. Шихту в обязательном порядке обогащают путем мытья, обеспыливания, грохочения, флотации. Это дает возможность убрать из шихты ненужные примеси. Шихту после обогащения тщательно просушивают, затем дробят для получения фракций диаметром в 6 мм. На хранение полученный материал помещают в специальные угольные башни с накопительными бункерами.

Для отправки готового сырья в коксовые батареи используют загрузочные вагоны, имеющие засыпной способ погрузки. Коксовые батареи сформированы из нескольких технологических камер, объединенных в систему для непосредственного изготовления конечного продукта.

Сооружение обладает внушительными габаритными размерами. Длина от 13 до 15 метров, высота 5-5,5 метров, ширина до 0,5 метра. Внутренние стены облицованы огнеупорным кирпичом. Солидные размера камер позволяют создать условия для достаточно быстрого технологического цикла.

Камеры имеют верхнюю загрузку через люки, а для отвода газов предусмотрены торцевые дверки. Конечный продукт выталкивают по рельсам при помощи специальной машины. Раскаленную массу принимает специальный тушильный вагон. Важнейшим условием получения качественного кокса является абсолютное исключение попадания в коксовые камеры воздуха. Добиться этого удается путем строгого соблюдения технологии производства.

На начальном этапе осуществляется отделение из массы сырья влаги и газов. При этом шихта начинает плавиться, а ее объем уменьшается. При дальнейшем повышении рабочей температуры наблюдается увеличение объема из-за выделения пара и газов. После этого шихта приобретает твердость, формируется «пирог». Газы выходят по специальным отводам в газосборные камеры.

Технологический процесс длится от 14 до 17 часов в зависимости от размеров рабочей установки, состава применяемой сырьевой смеси, рабочей температуры. После очистки камер посредством выталкивателя герметичные двери закрываются, и установка готова к загрузке новой партии шихты.

Готовый продукт нуждается в тушении, поскольку при контакте с воздухом происходит процесс самовозгорания. Тушильные вагоны перемещаются в специальную башню, где происходит гашение кокса при помощи воды. После этого материал высыпают на бетонную площадку-рампу. Около 20 минут требуется для того, чтобы масса остыла. Следующим этапом является перемещение кокса на сортировку при помощи транспортерных лент.

Попутные продукты

Смесь пара и газов, выделяющихся при нагревании шихты в коксовых камерах, именуют прямым коксовым газом. В результате выпуска из камеры 1000 кг кокса в полученном прямом газе содержится:

• каменноугольная смола (30 кг);
• обратный газ (140 кг);
• вода (80 кг);
• сырой бензол (10 кг);
• сероводород (5 кг);
• аммиак (3 кг).

В течение длительного периода времени это был единственный источник получения бензольных углеводородов, применяемых в качестве основы для органического синтеза. Переработка других попутных отходов позволяет получить около 3 сотен сложных химических соединений.

Особенности нефтяного кокса

Исходным сырьём в данном случае служат отходы от термической переработки основного продукта. В зависимости от содержания серы выделяют:

• малосернистый;
• сернистый;
• высокосернистый (более 2%) кокс.

Отличительной чертой нефтяных коксов служит наличие четкой маркировки для каждого типа топлива, которая определяет назначение материала.

Кокс, предназначенный для изготовления анодов и анодной массы, отмечен маркировкой КЗА. При его производстве применяется технология медленного коксования, а размер фракций на выходе колеблется в пределах от 8 до 250 мм. Топливо необходимо для технологического цикла в производстве алюминия.

Важной сферой применения нефтяного кокса служит производство карбидов кальция и кремния, востребованных в машиностроительной отрасли, строительном производстве, изготовлении защитных пленок.

При производстве нефтяного кокса применяют замедленный процесс в условиях низкого давления с границами рабочих температур от 480 до 560 градусов. На выходе помимо основного продукта (нефтяного кокса) получают:

• углеводородный газ;
• бензины;
• керосино-газойлевые элементы.

Сложная технология предполагает применение трех разных типов рабочих установок. В мировой практике чаще всего используют замедленное (полунепрерывное) коксование в специальных установках, функционирующих в условиях атмосферного давления. Востребованность кокса различных типов в металлургии, химической промышленности и других отраслях предполагает рост объемов производства.