2.2.3. Основные требования к качеству кокса

Кокс в доменной плавке играет основную роль. Можно вести доменный процесс с недостаточно подготовленной железорудной частью шихты, но с хорошим качеством кокса. Гораздо хуже сложится работа печи с хорошо подготовленной железорудной частью шихты, но с плохим качеством кокса. Это и понятно, так как в зоне когезии при практически газонепроницаемой размягченной и слипшейся железорудной составляющей шихты печные газы прорываются через коксовые окна. При недостаточно прочном при нагревании коксе и высокой его пористости печные газы проникают в куски кокса и там выделяется сажистый углерод (2СО↔С_саж+СО₂), который вызывает разбухание и разрушение кусков кокса. Коксовая мелочь обволакивается полужидкими и жидкими продуктами в зоне когезии. Образуется вязкая масса, которая затрудняет проход здесь печных газов.

Если кокс имеет высокие жаропрочность и плотность, то несмотря на недостаточную прочность железорудной части подачи, зона когезии будет достаточно проницаемой через коксовые окна. Условия плавки будут во многом более благоприятными, чем в первом случае при плохом качестве кокса.

Все свойства кокса можно подразделить на три группы: химический состав, физические и физико-химические характеристики. Химический состав определяют теханализом на влажность (W,%), зольность (А,%), содержание летучих (V,%) и серы (S,%), а также составом золы кокса. В таблице 2.5 представлены технические анализы кокса основных месторождений РФ, Украины и Казахстана.

Таблица 2.5 – Теханализ кокса стран СНГ, %

Показатели	РФ			Украина	Казахстан	Грузия
	Кузнец-кий	Алтай- ский	Печор- ский	Донец- кий	Караган- динский	Рустав-ский
W A V C S	1,0-1,9*) 3,0-4.8 10-12,5 0,6-0,8 87,5 0,52-0,53	7,8**) 0,2***) 12,2 1,2 87,0 0,39	3-4 10,5-11 0,8-0,9 87,8 0,47-0,48	3-4 9-11 0,9-1,1 87,3 1,3-1,7	4,0-4,5 13-15 1,0-1,1 85,0 0,7-0,8	3-4,5 13-14 1,2-1,3 86,5 1,2-1,3

_{Примечания:}

*⁾сухого тушения;

**⁾І-я батарея;

***⁾ІІ-я батарея, сухое тушение

Совместно с показателями прочности (М₄₀; М₂₅; М₁₀) технический анализ кокса достаточно полно характеризует его качество и используется для дозировки кокса. Но кроме оперативного дозирования в расходе кокса с изменением его качества при расчете шихт, материальных и тепловых балансов необходимо иметь химический состав золы кокса (табл. 2.6).

Количество летучих в коксе 0,7-1,0%. Состав летучих, %: 13,2 СО₂; 24,1 СО; 0,9 СН₄; 39,5 Н₂; 22,3 N₂. Реакционная способность кокса определяется при 950-1100⁰С в токе СО₂ (13мл) при массе кокса 10г для фракций 3-4 и 0,5-1,0 мм константой скорости реакции СО₂ + С_к = 2СО (мл/г.с).

К = VT_pR/qT₁,

где V – скорость подачи СО₂, мл/с; q – содержание углерода в навеске кокса,г; Т_р – температура реакции, К; Т₁ – температура помещения, К; R – степень преобразования газа реагента в ходе реакции.

Реакционная способность графита 0,22, кокса КМК 0,76; кокса НТМК 0,75; кокса ЧМЗ 0,25; полукокса до 8,0; формованного кокса до 9,0. Повышенная реакционная способность кокса способствует интенсификации реакции СО₂ + С_к = 2СО в шихте доменной печи, что снижает тепловой КПД углерода и повышает удельный расход кокса.

Прочностные показатели кокса в разных странах определяются по разному. Барабаны Сундгрена размером 2000* 800 мм с загрузкой массы кокса 410кг вращают 10 мин со скоростью 15 об/мин (150 оборотов). Остаток крупнее 25мм в % от общего веса и называют барабанным числом.

Малые сплошные барабаны 1000*500 или 1000*1000 мм с полками или стальными шарами заполняют массой 20кг (Рубина) или 50кг (Микум). Барабаны вращают 8мин со скоростью 25об/мин (200 оборотов), остаток >40 или >25 мм в % от веса загруженного кокса называют барабанным числом. Чаще всего применяют барабан Микум и тогда в зависимости от целей испытания в барабане остаток кокса обозначают М₄₀; М₂₅, М₁₀. Первый показатель применяют для определения прочности кокса для доменных сверхмощных печей полезным объемом выше 3000м³. Второй показатель (М₂₅) применяют для оценки прочностных свойств кокса для доменных печей среднего (<2700м³) и малых объемов. Обычно М₄₀ = 60÷70%; М₂₅>80%. Подрешетный показатель М₁₀ относят обычно к истираемости кокса, хотя достоверность этого никем не исследована. При снижении показателя М₁₀ на 1% расход кокса уменьшается на 2,8%, а производство чугуна увеличивается также на 2,8%. В таблице 2.7 представлены

показатели барабанных проб и гранулометрический состав кокса металлургических комбинатов стран СНГ [38].

Качественные показатели кокса, представленные в таблицах 2.5; 2.6; 2.7 справедливы только в условиях отдельных месторождений коксующихся и других углей, применяемых для производства кокса. Если же сравнить донецкий кокс с кузнецким, то по содержанию серы его перерасход должен составить: (1,52-0,52) * 3,0 = 3,0 %, где 1,52 % - среднее содержание серы в донецком, а 0,52 % среднее содержание серы в кузнецком коксах; 3,0 % - изменение расхода кокса от содержания в нем серы на 1 % (МЧМ СССР от 10.05.84г. ). При сравнении в коксах золы, которой больше в кузнецком (11,25-10,0)*1,3=1,95%, то расход донецкого кокса будет на 1,95% меньше расхода кузнецкого кокса (11,25 и 10,0 средние содержания золы в донецком и кузнецком коксах соответственно); 1,3 – изменение расхода кокса от содержания золы на 1%. Показатель М₁₀ в кузнецком коксе 8,1 %, а в донецком 7,0 %. Приведение к равным условиям [(8,1-7,0) * 2,8 = 3,08 %] показывает, что донецкий кокс должен быть меньше по расходу на 3,08%. Состав фракций >80мм и <25мм примерно одинаков. Следовательно, применение донецкого кокса вместо кузнецкого должно снизить его расход на 2,03% (+3,0-1,95-3,08=-2,03). Еще большая экономия донецкого кокса (~4,0) должна бы быть при замене алтайского кокса. На практике же известно, что в доменных печах расход кокса кузнецкого и алтайского значительно ниже расхода донецкого кокса. Так, например, замена донецкого кокса на МК им.Ильича и «Запорожстали» на алтайский кокс позволила снизить его расход на 3-4% соответственно. Указанная разница в качестве кокса по теханализу и показателям М₂₅ и М₁₀ с действительным его расходом в основном объясняется различной термостойкостью и плотностью кокса. При низкой термостойкости в зоне высоких температур кокс растрескивается и разрушается, что увеличивает его расход.

Мелкие частички кокса частично выносятся из печи, частично запутываются в зоне когезии в размягченной и полужидкой железорудной части подачи, делая эту зону более газонепроницаемой. Измельчение кокса в доменных печах достоверно, поскольку при извлечении кокса из фурменной зоны и при разборке шихты в замороженных печах обнаружено наличие фракции < 5мм [38,90,91]. Чисто механическое разрушение кокса исключено, поскольку он разрушается для разных КХЗ при 15-20 МПа, а в доменной печи статические нагрузки на кокс не превышают 0,2-0,3 МПа. Большое значение имеет плотность кокса. Во время движения шихты от колошника до фурменной зоны происходит увеличение пористости, из-за воздействия газовой среды (2СО↔С_саж + СО₂). Сажистый углерод в кусках кокса выделяется в больших количествах, вызывает разбухание кусков кокса и последний при этом частично разрушается.

Учитывая значительное влияние термостойкости на показатели доменной плавки на многих металлургических предприятиях вводят показатель его реакционной активности ( обработка СО₂ при температуре 1100-1300⁰С в течении 3-5час.) с последующим определением барабанного числа. В рассмотренном выше сравнении донецкого кокса с кузнецким и алтайским барабанное число последних после термообработки с участием СО₂ было в два раза выше (соответственно 60 и 30) по сравнению данного показателя для донецкого кокса.

Ситовый состав кокса весьма различен, но отдают предпочтение менее крупным фракциям 25-50мм. В настоящее время для печей малого объема (1000-1500м³) отсеивают вместо <25мм кусочки <15÷18мм, а для печей >1500м³ вместо 40мм отсеивают куски <25мм. Во многих ГОСТах и технических нормах ограничивают количество фракции +60мм (или +80мм).

Иногда (в основном на зарубежных заводах) используют комплексные показатели, величина которых хорошо отражает показатели доменной плавки [38].

Индекс Ильзедера :

I = (A/Д)  100-С, (2.1)

где А и С – массы фракций >60 и <40мм после барабанного испытания, %;

Д – масса фракции >60мм в товарном коксе, %.

Показатель Графа:

К = А  Д/[100(L+0,75  S)], (2.2)

где А, S, L – массы фракций >60, 20-40 и <10мм после барабанного испытания, %.

К сожалению на МК стран СНГ индекс Ильзедера и показатель Графа не применяются и нет данных о наиболее оптимальных их значениях.

Исследование влияния крупных кусков кокса +80мм и мелких менее 25мм показало, что увеличение фр. +80мм на 1% увеличивает расход кокса на 0,2% и снижает производство также на 0,2%. Снижение фр. <25мм на 1% увеличивает производство чугуна на 1,0% при одновременном снижении расхода кокса также на 1,0%.