1) Какие функции выполняет кокс в доменной плавке? Охарактеризуйте эти функции.

В общем, кокс выполняет следующие как полезные, так и нежелательные для доменного процесса функции:

– генерацию теплоты и восстановительного газа в печи в процессе неполного окисления углерода кокса кислородом дутья;

– обеспечение газопроницаемости верхней (“сухой”) части столба шихты в доменной печи;

– создание проницаемой для газа и жидких продуктов плавки структуры кок-совой насадки в нижней части печи;

– генерацию восстановительного газа в реакциях взаимодействия углерода кокса с влагой дутья, углекислотой газа, оксидами трудновосстановимых элементов (кремния, марганца, фосфора, ванадия, хрома, титана и др.) и монооксидом железа;

– транспортировку в печь вредных элементов и соединений (серы, фосфора и щелочей), а также кислой золы, для офлюсования которой требуются дополнительные количества флюсов

2 Какими показателями характеризуются химический состав и технический анализ кокса? Как оценивается прочность и физико-химические свойства кокса?Химический состав кокса характеризуется прежде всего составом его органической массы. Органическое ве­щество кокса обычно содержит 96,5- 97,5% С, 0,5-0,8% Н₂, 0,3-0,4% О₂ и не­большие количества S и N₂. Анализ орга­нической массы иногда называют элемен­тарным анализом. Главным показателем такого анализа является содержание угле­рода. Однако для доменщика знание со­держания углерода недостаточно, так как не учитывается количество балласта (зо­лы и влаги), резко влияющего на факти­ческое количество углерода в печи, и не учитывается, в какой форме находится этот углерод. Дело в том, что в органиче­ской массе кокса имеется некоторое коли­чество летучих веществ, выделяющихся при температуре около 850°С и уносимых газом из печи. Для доменного процесса важен углерод в нелетучих соединениях, т. е. тот, который поступит с коксом в горн и сгорит. Это заставляет выделять углерод летучих (С_лет) и нелетучих (С_нелет) веществ. Элементарный анализ этого не учитывает, причем он сложен, трудоемок и требует много времени.

Технический анализ кокса более прост, оперативен и дает металлур­гам больше информации о качестве кокса. При таком анализе определяется содер­жание золы (А), влаги (W), летучих ве­ществ (ЛВ) и серы (S). При этом содер­жание золы, летучих веществ и серы опре­деляется в сухом коксе, а содержание влаги дается сверх 100%. Как видим, важнейшая характеристика кокса – со­держание углерода – здесь не определя­ется. Однако его можно определить по разности, считая, что С_нелет = 100 – (ЛВ + А + S).

Учитывая содержание влаги, можно определить количество углерода, посту­пающего в горн доменной печи. Правда, такое определение не совсем точно, так как Н₂, N₂ и О₂ кокса полностью удаляются с летучими веществами, в результате чего они увеличивают содержание С_нелет на 0,5-1,5%. Кроме того, при определении содержания золы сжиганием часть серни­стых соединений изменяет свой вес, что также искажает значение С_нелет. Однако для технологических целей технический анализ является вполне удовлетворительным.

Прочность кокса харак­теризуется двумя показателями: содержанием после разрушения в барабане фрак­ции >25 мм (показатель М₂₅) и фракции <10 мм (показатель М₁₀) в процентах к массе пробы. По двум пробам определя­ются средние арифметические данные, но расхождение между двумя определениями не должно превышать 3% для М₂₅ и 1% для М₁₀. Если оно больше, то испытывают третью пробу. Предельные значения этих показателей для различных сортов кокса обычно устанавливаются стандартами. На­пример, для коксов из донецких углей установлено, что среднее значение М₂₅ должно составлять для разных сортов 82,77 и 72%, а значение М₁₀ – 8,9 и 10%. Естественно, что чем выше показатель М₂₅ и ниже М₁₀, тем выше качество кокса.

Физико-химические свой­ства кокса определяются его горю­честью и реакционной способностью, при­чем под горючестью понимают взаимодей­ствие кокса с кислородом, а под реакци­онной способностью – с другими газами, но главным образом с двуокисью углеро­да и водяным паром.

Горючесть кокса оценивается скоростью образования двуокиси углерода при вза­имодействии углерода кокса с кислородом. Для насыпных масс кокса она опре­деляется по потере массы при стационар­ных условиях сжигания в специальных установках.

Характеристикой горючести является также температура воспламенения. Метал­лургический кокс загорается при темпера­турах 650-700° С, в то время как древес­ный уголь – при 250° С. Температура го­рения при теоретическом расходе воздуха составляет 2400° С. В условиях доменной печи, когда горение происходит не до СО₂, а до СО (расход воздуха ниже теоретиче­ского), эта температура гораздо ниже и составляет 1800-1900° С. Горючесть зави­сит от завершенности пирогенетических превращений углерода, поэтому различ­ные виды топлива располагаются в сле­дующий ряд по снижению горючести: дре­весный уголь, полукокс, кокс, графит.

Реакционная способность оценивается скоростью образования окиси углерода при взаимодействии двуокиси углерода с испытуемым коксом по реакции:

С + СО₂  2СО.

В настоящее время получил широкое распространение метод оценки свойств кокса фирмы NSC (Nippon Steel Corporation), стандартизованный позднее в Ве-ликобритании (BS 426261984) и в США (FSTM D 5341-93), по которому опре-деляют реакционную способность CRI (coke reactivity index) и послереакционную прочность кокса CSR (coke strength after reaction). В Украине – это национальный стандарт ДСТУ 4703:2006 “Метод визначення індексу реакційної здатності коксу (CRI) і міцності залишку коксу після реакції (CSR)” (ISO 18894:2006, MOD).

Для их определения пробу массой 200г помещают в электропечь, нагревают ее в токе азота до 1100°С и выдерживают при этой температуре. Затем прекращаю подачу азота и в течении 2 часов пробу продувают чистым СО2. После охлаждения пробу взвешивают, определяя при этом показатель CRI, %:

,

где М₁ – масса пробы до испытания, М₂ – масса пробы после испытания.

Далее эту же пробу помещают в барабан диаметром 700 мм и вращают его в течении 30 минут со скоростью 20 об/мин. После этого содержимое барабана рассеивают, отсевая фракцию +10 мм, по массовому содержанию которой определяют показатель CRS.

.

Наиболее высокая реакци­онная способность у древесного угля, наи­более низкая – у графита. Реакционная способность кокса увеличивается со сни­жением его крупности, повышением пори­стости, снижением температуры коксова­ния.

Требования доменного процесса к фи­зико-химическим свойствам кокса проти­воречивы. С одной стороны, желательно иметь низкую реакционную способность – это снизит непроизводительный расход углерода кокса в верхней части печи из-за взаимодействия с СО₂ газа. С другой стороны, для интенсивного горения кокса в горне желательна его высокая горю­честь.

В 2011 году лучший в Украине кокс, с учетом CRI и CSR, производят и на ПАО “Ясиновский КХЗ” с использованием технологии термической подготовки шихты (М₂₅ 88-89 %, М₁₀ 6,2-6,7 %, CRI 28-29 %, CSR 55-56 %). Технология стабильно обеспечивает высокое качество кокса. Также высококачественный кокс марки “Премиум”, который находит реализацию во многих странах Европы, производят на ЗАО “Макеевкокс” с показателями М₄₀ 78-80 %, CRI – 28 % и CSR – 58 %.

Таким образом для доменной плавки кокс должен характеризоваться: большой средней крупностью, высокой прочностью (М₂₅>90 %) и стойкостью к истиранию (М₁₀<7% ), узким диапазоном гранулометрического состава. По современным требованиям, для успешной реализации технологии доменной плавки с вдуванием пылеугольного топлива кокс должен обладать низкой реакционной способностью и высокой послереакционной прочностью (CRI<25 %; CSR>60 %)