3.3.1 Составление и подготовка угольной шихты к коксованию

Результаты лабораторных исследований и промышленного опыта коксования углей привели к очень важному, уже упоминавшемуся практическому выводу: в обычных условиях коксования качественный металлургический кокс можно получить только из специально выбранных и качественно подготовленных угольных шихт – смесей определенных доз и разновидностей коксующихся углей.

3.3.1.1 Разновидности и свойства углей, принципы составления угольных шихт

Основными свойствами углей являются спекаемость и коксуемость.

Спекаемость – свойство измельченного угля образовывать кусковый пористый остаток, называемый полукоксом в процессах нагревания до 500-550⁰С без доступа воздуха, плавления и затвердевания пластической угольной массы.

Коксуемость – свойство угля образовывать при нагревании до 900-1000⁰С без доступа воздуха крупные куски кокса высокой прочности.

Коксуемость угольной шихты, определяющая прочность и крупность кокса зависит, во-первых, от природных свойств углей – спекаемости, вязкости пластической массы, газовыделения в отдельные периоды коксования, степени вспучивания плавящейся массы и величины давления её на стенки камеры коксования. В значительной мере проявление этих свойств зависит от режима коксования. Во-вторых, коксуемость шихты зависит от технологии её подготовки, регламентов загрузки и коксования: насыпной массы шихты, степени измельчения, распределения петрографических составляющих по отдельным классам крупности, температуры и скорости коксования. В общем случае ориентировочный состав угольных шихт выбирают на основании данных технического анализа, показателей спекаемости и коксуемости отдельных марок углей, их взаимного влияния на эти свойства в процессе спекания.

Для коксования применяют угли Донецкого, Кузнецкого, Львовско-Волынского и других бассейнов (табл. 3.7). По наименованию марок известные каменные угли подразделяют на длиннопламенные (Д), газовые (Г), жирные (Ж), коксовые (К), отощенные спекающиеся (ОС), тощие (Т) и антрациты (А).

Последние, как наиболее древние по степени метаморфизма, к каменным углям не относят и в коксовании не используют.

Группы углей условно обозначают первыми буквами наименований марок и цифрами, указывающими нижний предел спекаемости углей в виде толщины пластического слоя (Y – игрек в мм) – определяемой в лабораторных условиях. Вторым важным показателем качества угля является выход летучих веществ – величина V, в %.

Данные исследований и промышленного опыта показывают качественную зависимость прочности кокса от величин V и Y, позволившую сформулировать принципы составления угольных шихт:

1. При одной и той же толщине пластического слоя в обычных условиях коксования образуется тем более прочный и крупнокусковый кокс, чем меньше выход летучих веществ.

2. При одном и том же выходе летучих веществ с увеличением толщины пластического слоя повышаются спекаемость угля и способность его принимать отощающие присадки с возрастанием или без снижения прочности получаемого кокса.

3. При одном и том же выходе летучих веществ с увеличением толщины пластического слоя обычно снижается крупность кусков кокса и увеличивается структурная прочность вещества кокса.

4. При одинаковой толщине пластического слоя способность уг­лей принимать отощающие присадки повышается с увеличением выхода из них летучих веществ

5. Слабоспекающиеся газовые угли группы Г6 при обычном коксовании не образуют кускового продукта. При средней (группы Г10-Г12) и более высокой спекаемости (группа Г17) газовых углей образуется хорошо проплавленный кокс, но обладающий небольшим сопротивлением дробящим усилиям. Поэтому газовые угли следует сочетать с углями марок К и Ж.

6. Жирные угли (Ж, КЖ) легко плавятся, ассимилируя отощающие присадки углей, не обладающие достаточной спекаемостью. Кокс из жирных углей устойчив к истиранию, но легко дробится вследствие развития высокой поперечной трещиноватости.

7. Угли марок К в составе шихты обеспечивают получение кокса высокой прочности с хорошей структурой и однородной крупностью. При коксовании только одних остродефицитных коксовых углей получается крупный, малотрещиноватый кокс с высоким сопротивлением дробящим и истирающим усилиям.

С 1991 года введена Единая, более сложная классификация каменных углей (ГОСТ 25543-88). В соответствии с этим ГОСТом в Украине разработаны

технические условия ДСТУ 3472-96 на угли, используемые на украинских заводах.

Угли разделяют по маркам, группам и подгруппам (табл. 3.8), в зависимости от величины показателя отражения витринита (петрографической составляющей органической массы угольного вещества), теплоты сгорания и выхода летучих веществ.

Таблица 3.7 Классификация*) каменных углей важнейших месторождений России, Украины и Казахстана.

*)Классификация является устаревшей ( ГОСТы 1976 – 1985гг), но часто используемой в технической литературе периода бурного развития подотрасли (60-80-ые годы XX века) и потому необходимой для аналитических исследований

Семизначный код (табл.3.8) в обозначении конкретного вида угля обозначает: первые две цифры – класс по минимальной величине показателя отражения витринита; третья цифра – категорию по содержанию фюзенита (еще одной разновидности органического вещества в угольной массе); четвертая и пятая указывают тип угля – по минимальному выходу летучих веществ; шестая и седьмая цифры – подтип по минимальной толщине пластического слоя. Таким образом, новая классификация, в первую очередь, подчеркивает природные, генетические особенности угля и затем его технологические характеристики – выход летучих V и плавкость Y.

По данным украинского углехимического института (УХИН, г. Харьков) в условиях коксохимических предприятий Украины качественные кокс для доменного производства можно получить только из угольных шихт с выходом летучих не более 28% и толщиной пластического слоя Y не менее 16мм. Угли с выходом летучих более 28% (до 35-37%) и толщиной пластического слоя более 28мм образуют подвижную пластическую массу, ведущую к большому вспучиванию коксуемого слоя, формированию кокса с губчатой структурой, хрупкого и легкодробимого. В условиях обычного слоевого коксования, как правило, используют многокомпонентные шихты, в состав которых входят как хорошо спекающиеся угли, образующие достаточное количество жидкоподвижной массы, так и менее плавкие угли, повышающие вязкость пластической массы и способствующие получению кокса необходимой крупности и прочности. Соотношение компонентов в шихте изменяется в широких пределах: например, шихта из донецких углей может включать, %: 30-40 марки Г; 30-35 Ж; 13-18 К; 13-20 ОС; 0-5 Т.

В шихту иногда вводят неспекающиеся добавки (коксовую мелочь, колошниковую пыль) с целью утилизации отходов, расширения сырьевой базы коксования и даже увеличения прочности кокса.

Коксовая мелочь является основным твердым топливом агломерации руд и концентратов, но значительную ее часть (до 60-70% и более) заменяют антрацитовым углем, а освободившиеся ресурсы иногда используют в угольной шихте. Она уменьшает газовыделение из спекаемого слоя и полукокса при его превращении в кокс, что способствует снижению усадочных напряжений и уменьшению образования трещин в коксовом спеке.

Важно подчеркнуть, что до настоящего времени еще не созданы глубокие теоретические основы составления угольных шихт для производства кокса с заданными свойствами.

Объясняется это нижеследующим.

Исследованиями установлена аддитивность показателей технического анализа (содержания золы, серы, летучих), выхода многих продуктов коксования, показателей элементарного и петрографического составов для угольной шихты и её компонентов. Однако, такие важнейшие свойства, как прочность и гранулометрический состав кокса, менее значимые – внутрипечное давление распирания и усадка коксового пирога, - определяются преимущественно свойствами углей в процессе пиролиза угольного вещества. В зависимости от природы, степени метаморфизма, преобразования органической массы углей, изменяется их поведение при коксовании. Так, температурные границы пластического состояния углей различных марок неодинаковы: для марки Г – 330 – 430⁰С, для марок К, КЖ, Ж – 360-475⁰С, ОС – 410-490⁰С. При относительно низких скоростях одновременного нагрева угольной массы в малом объеме коксовой печи разные угли находятся на несколько смещенных стадиях процесса коксования.

Таблица 3.8 Единая маркировка коксующихся углей (ГОСТ 25543 – 88)

Марка	Группы	Подгруппа
Слоевое коксование
КЖ	-	-
К	1К 2К	1КВ, 1КФ 2КВ, 2КФ
Ж	1Ж, 2Ж	- -
ГЖ	1ГЖ, 2ГЖ	- -
ОС	1ОС, 2ОС	1ОСВ, 1ОСФ 2ОСВ, 2ОСФ
ГЖО	1ГЖО 2ГЖО	1ГЖОВ, 1ГЖОФ 2ГЖОВ, 2ГЖОФ
КО	1КО	1КОВ, 1КОФ 2КОВ, 2КОФ
Г	1Г 2Г	1ГВ, 1ГФ 1ГВ, 1ГФ
КС	1КС 2КС	1КСВ, 1КСФ
КСН	-	2КСВ, 2КСФ
ДГ	-	КСНВ, КСНФ
ТС	-	ДГВ, ДГФ ТСВ, ТСФ
СС	1СС, 2СС, 3СС	-
Специальные процессы коксования
Т	1Т 2Т	1ТВ, 1ТФ 2ТВ, 2ТФ
Д	-	ДВ

*Примечания:

1. Для специальных процессов подготовки и коксования углей можно также использовать любые марки углей, предназначенных для слоевого коксования

2. К – коксовый, Ж – жирный, Г – газовый, КЖ – коксовый жирный, ГЖ – газовый жирный, Д – длиннопламенный, Т – тощий, С – спекающийся, СС – слабоспекающийся, О – отощенный, Н – низкометаморфизованный, В – витринитовый, Ф – фюзинитовый. Из этих обозначений формируются одно-четырехбуквенные обозначения (например, ГЖОВ – газовый, жирный, отощенный, витринитовый).

Возможно усиление или ослабление свойств определенных углей при развитии физических и термохимических процессов в коксуемой угольной шихте. Поэтому основные свойства шихты, определяющие качество кокса – спекаемость и коксуемость, - не подчиняются закону аддитивности, то есть значения величин, соответствующих целому объекту (шихте) не равны сумме значений величин, соответствующих его частям (компонентам шихты). Истинные данные о свойствах угольных шихт и их влиянии на качество кокса можно получить только при исследовании процесса коксования в определенных промышленных условиях. И все-таки, изначально, производственные шихты составляют с учетом, прежде всего, их спекаемости и коксуемости, а также таких совокупных показателей, как обогатимость, содержание в смеси углей золы, серы, фосфора, летучих веществ, ожидаемый выход химических продуктов коксования, величина усадки и возможное давление распирания, обеспечивающих легкую или затрудненную выдачу кокса из печей.

Качество кокса зависит не только от компонентного состава угольной шихты (влияние набора углей является преобладающим), но и от степени подготовки компонентов к процессу коксования по таким показателям, как: гранулометрический состав, насыпная плотность, влажность, исходная температура угольной массы, содержание в ней упомянутых элементов и соединений.