Каменноугольный кокс

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Каменноугольный кокс
Изображение
Метод изготовления коксование
Commons-logo.svg Медиафайлы на Викискладе

Кокс каменноу́гольный (от нем. Koks и англ. coke) — твёрдый пористый продукт серого цвета, получаемый путём коксования каменного угля при температурах 950—1100 °С без доступа кислорода в течение 14—18 часов.

Каменноугольный кокс является наиболее распространённым твёрдым топливом, использующимся в доменных печах для выплавки чугуна и других шахтных печах[1].

История[править | править код]

Начиная с железного века основным видом твёрдого топлива, использовавшимся для производства металла в сыродутных горнах, а затем в домницах и доменных печах был древесный уголь. В XVI—XVIII веках в Европе обострилась проблема истощения лесов, в связи с чем начали проводиться опытные доменные плавки с использованием каменного угля. Все они были безуспешными. В результате экспериментов по созданию искусственного топлива в XVIII веке был открыт каменноугольный кокс. Первая доменная плавка на каменноугольном коксе была осуществлена в Великобритании в 1735 году[2][3].

К середине XX века каменноугольный кокс стал единственным видом топлива для выплавки чугуна в больших доменных печах[4].

Состав и физические свойства[править | править код]

Состав:

Элемент Содержание, %
С 96—98
Н, S, N, O Остальное

Физические свойства:

Параметр Значение Единица измерения
Пористость 49—53 %
Истинная плотность 1,80—1,95 г/см³
Кажущаяся плотность ≈1 г/см³
Насыпная масса 400—500 кг/м³
Зольность 9—12 %
Выход летучих веществ 1 %
Влажность при тушении водой 2—4 %
Влажность при тушении инертным газом Не более 0,5 %
Предел прочности при сжатии 15—25 МПа
Предел прочности при срезе (характеризует устойчивость к истиранию) 6—12 МПа
Теплота сгорания 29—30 МДж/кг

Процесс коксования[править | править код]

Различают следующие последовательные стадии коксования каменного угля:

  • Сушка угля при температуре до 100—120 °С.
  • Нагрев угля до 300—350 °С.
  • Размягчение и плавление угля при температуре 350—500 °С.
  • Затвердевание расплава и образование полукокса при температуре 500—600 °С
  • Прокаливание кокса при температуре 600—1100 °С в течение нескольких часов. На этом этапе из шихты удаляются все летучие вещества, аморфный углерод превращается в кристаллический графит. В ходе этой перекристаллизации и спекания вещества кокса его прочность и твёрдость увеличиваются в 30—40 раз[5].

Коксование угля производят в коксовых печах, представляющих собой камеру высотой 4—6 м, длиной 12—15 м и шириной не более 0,5 м. Для сокращения потерь тепла печи, как правило, объединяют по 40—70 в коксовые батареи[1].

Физико-химические свойства[править | править код]

Выше 900 °C легко восстанавливает СО2 (С + СО2 = 2СО); при 1000 °C скорость процесса (стандартная реакционная способность кокса) в расчете на 1 г кокса 0,1—0,2 мл СО2 за 1 с, энергия активации 140—200 кДж/моль. Скорость взаимодействия с О2 (С +О2 = СО2), или горючесть кокса, значительно выше, чем с СО2, и составляет при 500 °C около 0,1 мл О2 за 1 с, энергия активации 100—140 кДж/моль.

Физико-химические свойства кокса каменноугольного определяются его структурой, приближающейся к гексагональной слоистой структуре графита. Структура кокса характеризуется неполной упорядоченностью: отдельные фрагменты (слои), связанные Ван-дер-Ваальсовыми силами, статистически занимают несколько возможных положений (например, накладываются один на другой). Наряду с атомами углерода в пространственной решетке кокса, особенно в её периферийной части, могут располагаться гетероатомы (S, N, O).

Строение и свойства кокса каменноугольного зависят от состава угольной шихты, конечной температуры и скорости нагрева коксуемой массы. С увеличением содержания в шихте газовых и др. углей, характеризующихся малой степенью метаморфизма, понижением конечной температуры коксования и уменьшением выдержки при этой температуре, реакционная способность и горючесть получаемого кокса возрастает. При увеличении содержания газовых углей в шихте прочность и средняя крупность кусков кокса уменьшаются, а пористость его возрастает. Повышение конечной температуры коксования способствует увеличению прочности кокса каменноугольного, особенно к истиранию. При удлинении периода коксования и снижении скорости нагрева коксуемой массы средняя крупность кусков кокса увеличивается.

Применение[править | править код]

Каменноугольный кокс применяют для выплавки чугуна (доменный кокс) как высококачественное бездымное топливо, восстановитель железной руды, разрыхлитель шихтовых материалов. Кокс используют также как ваграночное топливо в литейном производстве (литейный кокс), для бытовых целей (бытовой кокс), в химической и ферросплавной отраслях промышленности (специальные виды кокса).

Доменный кокс должен иметь размеры кусков не менее 25—40 мм при ограниченном содержании кусков менее 25 мм (не более 3 %) и более 80 мм. В нижней части доменной печи кокс является единственным шихтовым материалом, находящимся в твёрдом состоянии, выполняя роль пористой коксовой насадки. Каменноугольный кокс является наиболее распространённым твёрдым топливом, использующимся в доменных печах для выплавки чугуна и других шахтных печах[1][6].

Литейный кокс по размерам кусков крупнее доменного; наиболее пригоден продукт, в котором присутствуют куски менее 60—80 мм. Главное отличие литейного кокса от доменного — малое содержание серы, которое не должно превышать 1 % (в доменном коксе до 2 %). В промышленности ферросплавов используют мелкий кокс (например, фракцию 10—25 мм), при этом в отличие от доменного и литейного производств предпочитают применять продукт с большой реакционной способностью. Требования по прочности к бытовому коксу менее жесткие, чем к доменному и литейному. Во всех производствах лучшее сырье — наиболее прочный малозольный и малосернистый кокс, содержащий небольшое количество мелких фракций. Современное мировое производство кокса каменноугольного составляет около 550—650 млн т/год. От 60 до 70 % мирового производства осуществляется в КНР.

Коксующийся уголь[править | править код]

Каменноугольный кокс после извлечения из печи

В отличие от других типов каменных углей, коксующиеся угли при нагревании без доступа воздуха становятся пластичными и подвергаются спеканию[3].

Коксующиеся угли имеют зольность менее 10 % и относительно низкое содержание серы (менее 3,5 %), выход летучих веществ (Vdaf) составляет 15—37 %. По способности к коксообразованию коксующиеся угли подразделяются на 5 категорий — коксовые, жирные, отощённые коксовые, газовые и слабоспекающиеся. В стандартах CCCP к коксующимся углям относили угли марок Г, ГЖ, Ж, КЖ, К, К2, OC и CC[3].

Коксующиеся угли добываются в CНГ (Донецкий, Печорский, Кизеловский, Кузнецкий, Карагандинский, Южно-Якутский, Тунгусский и другие бассейны), США (Аппалачский, Западный, Юинта, Грин-Ривер и др.), Великобритании (Нортамберлендский, Южно-Уэльский, Ланкаширский и Йоркширский бассейны), Германии (Нижнерейнско-Вестфальский, или Рурский, Нижневестфальский), Польше (Верхне- и Нижнесилезский, Люблинский), Бельгии (Льежский), Индии (Бокаро, Ранигандж, Джхария), Канаде (Альберта), Австралии (Боуэн, Новый Южный Уэльс), Китае (Шаньси, Датун), Mонголии (Таван-Толгой), Чехии (Остравско-Карвинский и Трутновский)[3].

Около 10 % каменного угля подвергается коксованию.

Основное отличие коксового угля от энергетического — наличие в коксующемся угле витрена (от лат. vitrum — стекло). Особенностью витрена является то, что при высокой температуре он способен плавиться и обретает свойство спекания (склеивания) микрочастиц угля в плотную массу — кокс. Чем больше в угле витрена, тем выше его качество коксования.

См. также[править | править код]

Примечания[править | править код]

  1. 1 2 3 Коротич, 2000, с. 112.
  2. Вегман и др., 2004, с. 63—64.
  3. 1 2 3 4 Горная энциклопедия: [в 5 томах] / гл. ред. Е. А. Козловский. — М.: «Советская энциклопедия», 1987. — Т. 3. Кенган — Орт. — С. 49. — 592 с. — 56 540 экз. — ISBN 5-85270-007-X.
  4. Бабарыкин, 2009, с. 19.
  5. Вегман и др., 2004, с. 65.
  6. Бабарыкин, 2009, с. 28.

Литература[править | править код]

  • Луазон Р., Фош П., Буайе А. Кокс. Перевод с франц. — М.: 1975.
  • Скляр М. Г. Интенсификация коксования и качество кокса. — М.: Металлургия, 1976. — 256 с.
  • Вегман Е. Ф., Жеребин Б. Н., Похвиснев А. Н. и др. Металлургия чугуна: Учебник для вузов / под ред. Ю. С. Юсфина. — З-е издание, переработанное и дополненное. — М.: ИКЦ «Академкнига», 2004. — 774 с. — 2000 экз. — ISBN 5-94628-120-8.
  • Коротич В. И., Набойченко С. С., Сотников А. И., Грачев С. В., Фурман Е. Л., Ляшков В. Б. Начала металлургии: Учебник для вузов / под ред. В. И. Коротича. — Екатеринбург: УГТУ, 2000. — 392 с. — ISBN 5-230-06611-3.
  • Бабарыкин Н. Н. Теория и технология доменного процесса : Учебное пособие. — Магнитогорск : Издательский центр ГОУ ВПО «МГТУ», 2009. — 257 с. — 200 экз.