Уголь для плавки металла

Обновлено: 30.06.2024

Металлургический уголь, также известный как коксующийся уголь, используется для производства кокса, основного источника углерода, используемого в сталеплавильном производстве. Уголь — это естественная осадочная порода, образовавшаяся за миллионы лет, когда растения и другие органические материалы были погребены и подвергаются геологическим воздействиям. Тепло и давление вызывают физические и химические изменения, в результате которых образуется богатый углеродом уголь.

Металлургический уголь

Металлургический уголь отличается от термического угля. уголь, используемый для энергии и отопления, по содержанию углерода и его слеживаемости. Спекание относится к способности угля превращаться в кокс, чистую форму углерода, которую можно использовать в кислородных печах. Битуминозный уголь, обычно относящийся к металлургическим сортам, тверже и чернее. Он содержит больше углерода и меньше влаги и золы, чем угли с низким содержанием углерода.

Сорт угля и его слеживаемость определяются классом угля — мерой летучих веществ и степени метаморфизма, а также минеральных примесей и способности угля плавиться, набухать и повторно затвердевать при нагревании. К трем основным категориям металлургических углей относятся:

Твердые коксующиеся угли (HCC)
Полумягкие коксующийся уголь (SSCC)
Уголь для вдувания пылевидного угля (PCI)

Твердые коксующиеся угли, такие как антрацит, лучше коксовые свойства по сравнению с полумягкими коксующимися углями, что позволяет им получать более высокую цену. Австралийский уголь HCC считается отраслевым эталоном.

Хотя уголь PCI не часто классифицируется как коксующийся уголь, он по-прежнему используется в качестве источника энергии в сталеплавильном производстве. процесса и может частично заменять кокс в некоторых доменных печах.

Производство кокса

Производство кокса — это эффективно карбонизация угля при высокой температуры. Производство обычно происходит в коксовой батарее, расположенной рядом с металлургическим комбинатом. В батарее коксовые печи расположены рядами. Уголь загружается в печи и нагревается в отсутствие кислорода до температуры около 1100 градусов по Цельсию (2000 градусов по Фаренгейту).

Без кислорода уголь работает не гореть. Вместо этого он начинает таять. Высокие температуры улетучивают нежелательные примеси, такие как водород, кислород, азот и сера. Эти отходящие газы можно собирать и регенерировать как побочные продукты или сжигать в качестве источника тепла.

После охлаждения кокс затвердевает в виде комков пористый кристаллический углерод, достаточно большой, чтобы его можно было использовать в доменных печах. Весь процесс может занять от 12 до 36 часов.

Свойства, присущие исходному углю, сильно влияют на конечное качество производимого кокса. Отсутствие надежных поставок угля отдельных марок означает, что сегодня коксохимические предприятия часто используют смеси, состоящие из до 20 различных углей, чтобы предлагать сталелитейным предприятиям единый продукт.

Примерно 1. Для производства одной метрической тонны (1000 кг) кокса требуется 5 метрических тонн металлургического угля.

Кокс в сталеплавильном производстве

Основные кислородные печи (BOF), на которые приходится 70% производства стали во всем мире, требуют в качестве исходного материала при производстве стали железную руду, кокс и флюсы.

После загрузки этих материалов в доменную печь смесь вдувается горячим воздухом. Воздух вызывает горение кокса, повышая температуру до 1700 градусов по Цельсию, что окисляет примеси. Этот процесс снижает содержание углерода на 90% и приводит к получению расплавленного чугуна, известного как чугун.

Затем чугун сливается из доменной печи и отправляется в конвертерную печь, куда добавляют стальной лом и известняк для производства новой стали. Другие элементы, такие как молибден, хром или ванадий, могут быть добавлены для производства различных марок стали.

В среднем для производства требуется около 630 кг кокса. произвести одну метрическую тонну стали.

Эффективность производства в доменном процессе во многом зависит от качества используемого сырья. Доменная печь, в которую подается высококачественный кокс, потребует меньше кокса и флюса. Использование высококачественного продукта фактически снижает производственные затраты и приводит к получению более качественного чугуна.

В 2013 году было использовано около 1,2 миллиарда метрических тонн угля. сталелитейной промышленностью. Китай является крупнейшим в мире производителем и потребителем коксующегося угля, на долю которого в 2013 году приходилось около 527 миллионов метрических тонн. Далее следуют Австралия и США, производящие 158 миллионов и 78 миллионов метрических тонн соответственно.

Неудивительно, что международный рынок коксующегося угля сильно зависит от сталелитейной промышленности.

Основные производители включают BHP Billiton, Teck, Xstrata, Anglo American и Rio Tinto.

Более 90% всей морской торговли металлургическим углем приходится на поставки из Австралии и Канады. и США

Какой уголь используется в доменных печах

Основным видом топлива при выплавке чугуна является кокс.

Он получается в коксовых печах из специальных сортов коксующихся каменных углей.

На крупных металлургических заводах кокс вырабатывается в коксохимических цехах, где 50—70 печей или камер для коксования объединены в одну крупную батарею.

Управление такой батареей полностью механизировано.

Схема работы коксовой батареи: 1 — камеры с углем; 2 — межкамерные пространства.

Сущность процесса коксования заключается в том, что смесь раздробленных коксующихся и некоксующихся каменных углей загружают в камеры и подогревают без доступа воздуха до температуры 1000°. Камеры обогреваются снаружи. Чтобы температура внутри печи достигла 1000°, в пространствах между камерами необходимо развить температуру до 1400°. Коксовая батарея отапливается газом, смешанным с подогретым воздухом.

В процессе коксования при нагревании каменного угля до температуры 100° из него медленно испаряется влага. При дальнейшем нагревании до температуры 350° идет осушение угля и удаление из него смолы. Повышение температуры до 450° приводит к размягчению частиц коксующегося угля. Размягченные частицы обволакивают некоксующиеся частицы угля, образуя сплошную массу. При температуре 480—650° из этой массы начинают выделяться органические газообразные продукты сухой перегонки угля.

Выделяющиеся газы вспучивают сплошную угольную массу и, покидая ее, оставляют ноздреватый уголь с большим количеством мелких пор и трещин. Это полукокс. При температуре 650—1000° он переходит в кокс, который имеет серебристый, светловато-серый цвет.

Из 1 тонны каменного угля можно получить 750 килограммов кокса, около 300 кубических метров коксового газа, 35 килограммов каменноугольной смолы, 12 килограммов бензола и около 3 килограммов аммиака.

Доменная печь представляет собой громадное сооружение — до 20 метров высоты. Верхняя часть ее служит для загрузки шихты, состоящей из руды, угля и флюсов, и носит название колошника. Оно произошло от слова «колоша» — так в старину на Урале называли плетеные корзины, в которых переносили древесный уголь для загрузки его в домну. За колошником идет самая большая по высоте коническая часть домны — шахта. Ниже расположена цилиндрическая часть — распар, затем опять конусообразная часть — заплечики и, наконец, цилиндрическая часть — горн.

В горне собирается расплавленный металл — чугун.

В нижней части горна имеются отверстия: для выпуска чугуна — чугунная летка и для выпуска шлака — шлаковая летка.

На время накопления металла чугунную летку забивают огнеупорной глиной, а шлаковую летку закрывают конической пробкой из железа. В верхней части горна имеются фурмы — отверстия для подачи воздуха, необходимого для горения кокса. На уровне фурм развивается температура, которая достигает 1600°. По мере удаления от фурм вверх температура постепенно падает. У колошников она не превышает 300°.

Таким образом, в доменной печи на различной высоте устанавливается соответствующая температура и протекают различные процессы перехода руды в металл.

Профиль доменной печи. Цифры слева — высота в метрах; оправа — температура на этой высоте.

Каждый окисел имеет свою собственную температуру восстановления. Так, окись железа начинает восстанавливаться при температуре 300—350°, магнитная окись железа — при 450—500°, а закись железа — при 750—800°.

До чистого железа восстанавливается сразу только закись железа (FeO + СО → Fe + СO₂) — весь кислород переходит к окиси углерода, и образуется углекислый газ. В двух остальных окислах кислород переходит к окиси углерода не сразу, а частями. Окись железа сначала восстанавливается до магнитной окиси (3Fe₂O₃ + СО → 2Fe₃O₄ + СO₂), а затем магнитная окись железа — до закиси (Fe₃O₄ + СО → 3FeO + CO₂).

В то время как в верхних частях доменной печи — у колошников — при температуре примерно 350° идет восстановление окиси железа до магнитной окиси, в нижней части печи — в горне — при температуре 1600° происходит энергичное сгорание кокса. Образуется углекислый газ (O₂ + С → СO₂). Углекислый газ, покидая горн, встречает на своем пути углерод верхних слоев кокса и при высокой температуре взаимодействует с ним, переходя в окись углерода (СO₂ + С → 2СО).

Одновременно в горне кокс, догорая, превращается в золу. Его место занимают лежащие над ним слои кокса. Шихта медленно опускается вниз, проходя все области температур — от 300 до 1600°.

На уровне 14—15 метров шихта попадает в область температуры около 500°. Здесь идет дальнейший процесс восстановления окислов железа.

В этой части печи магнитная окись железа, отдавая часть кислорода окиси углерода, переходит в закись железа. Продолжая опускаться вместе с флюсами, закись железа на восьмиметровой высоте нагревается до 750—800°.

При этой температуре начинается процесс восстановления закиси железа до металла. Так как окись углерода не в состоянии проникнуть вглубь больших кусков руды, не все окислы успевают до конца восстановиться в шахте. Восстановление окислов железа продолжается в более низких частях доменной печи — в распаре и даже в верхней части заплечиков. В зоне температуры примерно 1100° железо полностью восстанавливается и превращается в твердую губчатую массу. Когда процесс восстановления окислов железа завершается, начинается процесс науглероживания: железо, соединяясь с углеродом, образует железоуглеродистый сплав (3Fe + 2СО → Fe₃C + СO₂). Так как температура плавления сплава железа с углеродом на 250° ниже температуры плавления чистого железа, сплав, опускаясь до зоны температуры около 1250°, начинает расплавляться. Капли чугуна собираются вместе и струйками стекают в нижнюю часть горна. Чугун сливают в ковши и увозят к разливочным машинам.

Через определенные промежутки времени бурильной машиной вскрывают чугунную летку, накопившийся в горне чугун сливают по жолобу в большие ковши и увозят к разливочной машине. Затем выстрелом из специальной пневматической пушки летка снова забивается огнеупорной глиной, и расплавленный чугун опять накопляется в горне.

Так благодаря кислороду из бесформенной массы железной руды, периодически добавляемой вместе с коксом и флюсами в однажды зажженную доменную печь, непрерывно в течение нескольких лет выплавляют чугун.

Чугун содержит небольшое количество примесей углерода, кремния, марганца и других элементов. Эти элементы попадают в доменную печь с железной рудой и в процессе выплавки чугуна сами восстанавливаются и переходят в расплав.

Другие примеси, содержащиеся в железной руде, обладают очень высокой температурой плавления. Флюсы соединяются с этими примесями и образуют легкоплавкие шлаки, которые всплывают на поверхность жидкого чугуна и время от времени сливаются через шлаковую летку.

В настоящее время доменные печи работают в основном на воздушном дутье. Но ведутся исследования по использованию в доменных печах кислорода. Хотя этот вопрос еще полностью технически не разрешен, но уже некоторые печи работают на воздухе, обогащенном кислородом.

Объем воздуха, подаваемого в современную доменную печь, составляет примерно 4 тысячи кубических метров в минуту при давлении около 3 атмосфер.

Ученые-металлурги подсчитали, что продуваемый воздух находится в доменной печи всего лишь 5,5 секунды. Отсюда следует, что в течение минуты газ обменивается более 10 раз. На горение кокса идет только кислород, который составляет 21 процент всего проходящего воздуха, а остальные 79 процентов составляет азот и другие газы, которые, поступая в доменную печь, нагреваются и бесполезно уносят с собой тепло. Учитывая это, металлурги еще в середине прошлого века стали подавать в доменную печь подогретый воздух.

Для подогрева воздуха используются колошниковые газы, выходящие из доменной печи, и кислород воздуха.

Колошниковые газы, сгорая в специальных воздухонагревательных печах — кауперах, накаляют огнеупорные кирпичи, выложенные в них в виде решеток. Когда температура внутри такой печи достигает 1200—1350°, нагревание прекращают и через воздухонагреватели пропускают обычный воздух, который подогревается до температуры 850°. Нагретый до такой температуры воздух подается в доменную печь. Проходящие через нее огромные объемы азота не только не уносят тепло, а, наоборот, приносят его с собой, так как при выходе из домны их температура не превышает 300°.

Воздухонагреватель обогревается в течение 2 часов, а используется для нагревания воздуха в продолжение часа. Поэтому для бесперебойного снабжения одной доменной печи горячим воздухом необходимо иметь не менее трех воздухонагревателей. Для нагнетания воздуха в доменную печь применяются мощные турбовоздуходувки.

На современных металлургических заводах доменная печь обслуживается целым рядом крупных агрегатов-цехов. Среди них коксовые и воздухонагревательные цехи занимают ведущее место.

Получением чугуна еще не завершается процесс получения металла на крупном металлургическом заводе.

В нашей стране только 10—12 процентов всего выплавляемого чугуна идет на отливку различных деталей. Остальной чугун идет в переработку на железо и сталь, которые обладают более высокими механическими и химическими свойствами.

В чем же заключается процесс переработки чугуна в железо и сталь и какое участие в этом процессе принимает кислород?

Среднее содержание углерода в чугуне составляет примерно 4 процента, марганца — около 2 процентов, кремния — 1,2 процента.

Содержание этих элементов в стали должно быть значительно меньше. Так, например, углерода в ней должно содержаться в 8 раз, кремния в 4 раза, а марганца в 3 раза меньше, чем в чугуне. Следовательно, для того чтобы превратить чугун в сталь, необходимо уменьшить в нем содержание примесей.

Как удалить углерод из чугуна?

Металлурги установили, что если через расплавленный чугун пропустить некоторое количество кислорода, углерод выгорит, то есть окислится и вынесется кислородом из расплавленной массы в виде углекислого газа.

Кремний и марганец также окислятся. Но так как их окислы плохо растворяются в жидком металле и плотность их меньше плотности чугуна, они всплывут на его поверхность. Этот принцип удаления из чугуна вредных примесей используется металлургами в различных вариантах.

В настоящее время наиболее распространенным процессом получения стали из чугуна является мартеновский. В расплавленный чугун добавляют стальной лом и руду, которые содержат в себе окислы железа. Кислород этих окислов выполняет функции окислителя. Изменяя количество лома и руды, можно изменить состав стали.

В последнее время широкое распространение получила электроплавка стали.

В специальных электрических печах плавится железный лом, к нему добавляют нужное количество чугуна и пропускают кислород; в результате получают сталь нужного состава.

Расплавленная сталь разливается по чугунным формам, называемым изложницами. Полученные слитки идут на обработку в последний цех металлургического комбината — прокатный.

Источник: В. Медведовский. Кислород. Государственное Издательство Детской литературы Министерства Просвещения РСФСР. Ленинград. Москва. 1953

Кокс в металлургии и для чего нужен литейный кокс

Что такое кокс? Процесс переработки жидкого или твердого топлива путем его нагрева до высоких температур называют коксованием. Результатом становится твердый осадок, впоследствии используемый, как топливный материал – это и есть кокс.

Если говорить проще, то кокс – это твердый (каменный) уголь, запеченный при высоких температурах в специальных печах, температура запекания составляет 950-1200 °C.

Остывание запеченного кокса – одна из конечных стадий производства кокса

Для чего нужен кокс в металлургии? Основная область применения – плавка чугуна для получения железа. До начала 18 века этот процесс происходил с участием древесного угля.

Немного истории

В 1735 году были впервые применены коксовые печи. Они имели камеры сгорания закрытого типа. Тогда же впервые для плавки чугуна не использовали древесный уголь.

Но справедливости ради необходимо отметить, что первое упоминание о коксование угля пришли еще из Китая, в первом веке до н.э. В провинции Юньнань использовали процесс нагревания угля идентичный тому, что все еще используется сегодняшними металлургами. Сырье поддавалось термической обработке в камерах без доступа воздуха.

Производство кокса в дореволюционной России сильно тормозилось. 1913 год промышленность выдала только 4,5 млн. т кокса. Это лишь на 20% покрывало внутренние потребности страны. Более того, не совершенство технологий того времени не позволяло эффективно использовать газовый кокс, он просто выбрасывался в атмосферу. Поэтому у многих до сих пор, есть устойчивые ассоциации о коксовой промышленности: вечно висящие черные тучи, специфический запах по утрам.

Вплоть до 1929 года производство кокса в России, что называется буксовало на одном месте. Уровень выработки неукоснительно сокращался и только с установлением мирных процессов в обществе, КП начала новый виток развития. Причиной тому стало открытие сразу нескольких новых месторождений, дающих сырье, чтобы производить кокс – уголь, подходящий для переработки коксованием. Это на весь мир известные: Кузнецкий, Карагандинский, Печорский угольные бассейны. Тогда же по всей стране началось строительство коксохимических заводов.

Стакер на угольном разрезе

Основные производители на территории страны

Сегодня на территории России создан крупный промышленный холдинг (ПМХ) в состав, которого входят предприятия, производящие кокс.

Параллельно с этим работает, входящий в группу НЛМК – ОАО «Алтай-кокс», . Хотя именно это предприятия стартовало только в 1981 году, Алтайский край один из первых принял участие в развитии коксовой промышленности в целом. Начало было положено еще в середине 17 века. Сегодня город Заринск фактически существует за счет того, что было открыто предприятие «Алтай-кокс», только в 2006 оно вошло в состав «Новолипецкого металлургического комбината». Поставки идут для многих зарубежных партнеров.

Также известен далеко за пределами России Московский коксогазовый завод, сокращенно «Москокс». Одной из отраслей предприятия является производство кокса для нужд промышленности. “Московский коксогазовый завод” входит в группу “Мечел”.

Часть территории “Московского газового завода” – на фото коксовые батареи, где запекается уголь

Еще одно крупное предприятие, которое невозможно не упомянуть – “Череповецкий металлургический комбинат” – это второй по величине сталелитейный комбинат в России, входит в состав группы компаний “Северсталь”. Имеет в своем составе коксохимическое производство.

Коксовый цех Череповецкого металлургического комбината

Некоторые энциклопедические данные

Как уже было отмечено, к основным направления применения кокса относятся такие:

производство чугуна;
обеспечение работы кузниц;
выполнение функции науглероживателя при использовании новой технологии пылеугогольного вдувания топлива;
восстановление железной руды;
топливо.

По способу изготовления или используемого сырья для производства кокса различают следующие виды продукта:

литейный, доменный или кузнечный;
нефтяной;
пековый электродный;
кокс орех (орешек), иногда называемый мелочью (из-за фракции).

Так выглядит кокс

Применительно к промышленности, в том числе металлургии, под коксом подразумевают топливо, полученной искусственным способом. Температура нагревание сырья достигает следующих значений: 950-1050 °С, с ограничением доступа воздуха или продуктов переработки природного топлива (древесины, например).

Основные отличия сырья для металлургической отрасли

На внешний вид каменноугольный кокс представляет россыпи различных фракций темно-серого (или даже черного) цвета. Это твердый пористый продукт. Плотность кокса разделяется на истинную и кажущуюся. Первая составляет 1.80-1.95 г/см 3 , вторая – приблизительно единица.

Однако эта величина может меняться в зависимости от условий получения, сырья (шихты), других технологических тонкостей. Так, при высоком содержании газовых углей прочность конечного продукта уменьшается. Но при этом наблюдается более легкая воспламеняемость материала.

Если понимать, как делают кокс из угля, то совсем нетрудно увеличить прочность, иногда заменяемую понятием истирание. Это достигается созданием условий для более длительного процесса коксования, что выполняется в основном за счет снижения температуры. Если в первом случае коксование идет при Т 1050 градусов, то во втором – около 950.

Видео: Как делается кокс на ОАО «Кокс» (Кемеровский коксохимический завод)

Уже было отмечено, где используется кокс, но есть потребность немного повторится:

Плавка чугуна, где требуется высококачественное (с низкой долей серы) бездымное сырье.
Материал для восстановления железной руды.
Обогащение шихты.
Литейное производство, как ваграночное топливо, используемое для эксплуатации специальных печей.

Все виды представляют кокс металлургический, но между первым и четвертым пунктами огромная пропасть по типу сырьевой базы. Суть отличий понятна в большей степени специалистам.

Для выплавки чугуна используют кокс доменный. К которому предъявляется ряд специфических требований. Часть из них регламентируется ГОСТ 5.1261-72 (с внесенными изменениями в 1974 году).

Туда входят такие параметры:

зольность и серность (средние и предельные значения);
выход летучих веществ;
два вида показателя прочности М25 и М10;
допустимый процент присутствия кусков менее 25 мм (максимум 3%);
средний размер фракции 25-40 мм, но не более 80.

В свою очередь кокс литейный считается более пригодным продуктом для металлургии. Размер фракций варьируется в диапазоне 60-80 мм. Желающий кокс литейный купить могут согласовывать потребности предприятия с ГОСТ 3340-88, по которому регламентируется изготовление этого вида сырья. В нем описываются все те же параметры, что и для доменной разновидности. При этом есть только один показатель прочности М40, который на самом деле имеет промежуточное значение между М10 и М25.

Кокс литейный и цена на него интересует предприятия, занимающиеся производством:

стали; ;
машиностроением;
в других отраслях тяжелой промышленности.

Если сравнивать показатели перечисленных параметров, нетрудно убедиться в том, что литейный кокс в металлургии ценится за следующее:

меньшее содержание серы (не более 1%);
слабое выделение легкоиспаряющихся веществ;
низкая электрическая проводимость;
высокая реакционная способность;
повышенная калорийность.

Но следует отметить, что для производства ферросплавов используют мелкие фракции, размером от 10 до 25 мм. Это не подходит под описание чисто литейного продукта, однако качественное содержимое – да. Поэтому в этой отрасли используют так называемые отходы (побочный продукт).

Схема загрузки кокса и шихты в доменную печь при производстве чугуна

Важная характеристика, влияющая на свойства – пористость

Угольный кокс, как и другие, имеет слабые места трех видов, это следующие:

трещины;
пор;
спекшиеся включения.

Наличие этих дефектов сильно влияет на твердость выходного материала. Производство кокса, технология получения качественного продукта уже могут учитывать некоторые факторы, которые позволяют регулировать получение данных дефектов.

Наличие последних, как и размер пор металлургического кокса сильно влияют на его горючесть, реакционную способность. Это как раз важные характеристики, за которые один вид сырья предпочитают другому (как, например, в случае с производством ферросплавов).

Температура горения кокса в технологическом процессе крайне важна, как и ее постоянство. Если доменная печь будет «разогреваться» не стабильным пламенем, которое могут вызывать наличествующие дефекты, качество литейного продукта значительно ухудшится и будет непредсказуемым.

Таблица: Требования к литейному коксу по ГОСТ 3340-88

Норма для марки и класса

При этом наличие самих пор не всегда становится проблемой для фактической твердости материала. Гораздо важнее, как много из отверстий ослаблены трещинами, именно этот дефект считается наиболее опасным для металлургического кокса.

Образование пор, как и твердость материала регламентируют следующим:

тщательным отбором сырья под производство (фракции, состав, прочее);
выбором температурного режима;
длительностью процесса коксования.

Для литейного кокса подбираются параметры, позволяющие получать материал с мельчайшими порами, чем для доменного аналога.

Производство кокса и нефтепродуктов

Эта отрасль промышленности сравнительно недавно стала осваиваться российскими предприятиями. Сырьевая база для не прокаленного или прокаленного нефтяного кокса – это в основном остатки термической переработки основного продукта:

мазуты;
смолы и асфальтены (коксообразующие вещества);
крекинг отходы и нефтяные пеки.

Кокс из нефти отличают по процентной доле содержания серы в общей массе:

малосернистые;
сернистые;
высокосернистые.

Если для первой группы содержание серы не превышает одного процента, то в последней этого элемента может быть более 2.

Так выглядит нефтяной кокс

Кокс металлургический и ГОСТы, которым следует его производство мало, чем отличается для тех классификационных параметров, что должны быть присущи и нефтяному переработанному сырью. Поэтому здесь правомерно говорить о разной зольности, размерности, кажущейся и действительной плотности. Химический состав нефтяного кокса (цена за тонну зависит именно от состава) принципиального не отличается от каменноугольного и в целом металлургического. В него входят такие элементы: углерод в районе 90-95%, сера до 3%, водород не более 1%, соединение азота и кислорода около 1.5%. Остаток занимают металлы.

Отличительной чертой нефтяного кокса можно считать наличие классической маркировки, от которой зависит область применения этих материалов. Названия отличные от предлагаемых расшифровок чаще являются простонародными или используемыми частными лицами (учеными) для описания продукта.

Марка КНПС-КМ применяется для изготовления коррозионноустойчивой аппаратуры, с первоначальным получением конструкционных материалов. Как и марку КНПС-СМ его получают коксованием смолы.

Нефтяной кокс и применение не ограничивается перечисленным. Это прекрасный материал для получения карбидов кремния и кальция, на сегодня высоко востребованные материалы в машиностроении, образующих защитных пленках, строительстве.

А вот производство игольчатого кокса в России пока только получает импульсы к развитию. Так, например, в сентябре 2017 года на Омский завод прибыло оборудование, которое позволит в ближайшие несколько лет начать самостоятельный выпуск именно нефтяного игольчатого кокса. До этого момента предприятие закупало сырьевую базу за рубежом.

Структура игольчатого кокса

Игольчатый кокс востребован в атомной, космической, химической и металлургической промышленностях. Его иногда называют кокс нефтяной электродный, поскольку используют для изготовления соответствующих изделий, обладающих низким электрическим сопротивлением и таким же по значимости, коэффициентом термического расширения.

Нефтяной кокс и цена за тонну на экспорт, вопрос еще обсуждаемый. Так как его производство не имеет таких масштабов, в которых заинтересован даже российский потребитель. А производство игольчатого нефтяного кокса и вовсе только налаживается (это направление отрасли едва ли отпраздновало десятилетие).

Что такое шихта? Виды шихты, состав и назначение

Определение, что такое шихта из чего она состоит заключается в следующей формулировке. Шихта – это комплекс минералов, загружаемых внутрь доменной печи или другого высокотемпературного оборудования, для получения конечных продуктов заданного химического состава и свойств.

Можно также сказать, что шихта – это подготовленный к переплавке лом (если речь идет о металлургии). А вот понятие состав шихты носит обобщенный характер и зависит от специфики продукта, выплавляемого из прекурсора. В частности, состав шихты в металлургии это:

обогащенная руда;
концентрат;
флюс;
оборотные материалы – шлаки, съемы, а также пыль.

Дополнительно, шихта, используемая в черной металлургии, содержит в своем составе топливо: кокс или уголь. Производство цветных металлов, наоборот, обходится без топливных компонентов.

На фото угольная шихта – специальная смесь определенных марок угля, подготовленная для производства кокса

Металлизированная и металлическая шихта

Использование прекурсора конкретного состава сказывается на свойствах конечного продукта, как было указано ранее. Например, в сталеплавильном производстве, нередко используют метализированную шихту. Сталь, полученная на ее основе, превосходит метал из скрапа стабильностью состава и существенно пониженным содержанием примесей. В частности, удается снизить вдвое концентрацию таких вредных для стали элементов, как сера и фосфор, увеличивающих хрупкость металла. Получают металлизированную шихту восстановлением железной руды углеродом или газом при температуре меньшей точки плавления железа.

Альтернативно, в мартеновскую печь загружают металлическую шихту. Ее основу составляют:

чугун – твердый или жидкий;
стальной лом.

Важно чтобы марка металлолома соответствовала выплавляемому продукту. Если в производстве стали задействовано большое количество жидкого чугуна, в состав шихты требуется ввести окислители. Это может быть специальный мартеновский агломерат, например. Также в роли оксилителя выступают: железная руда или окатыши.

Сталеплавильное производство

Рассмотренная ранее металлическая шихта – один из четверки компонентов прекурсора для производства стали. Также туда входят:

флюс – шлакообразующие вещества;
окислители;
дополнительные составляющие – раскислители, науглероживатели и легирующие добавки.

Подобный состав шихты литья 40гмфр – высокопрочной конструкционной стали и других марок этого металла. Дополнительно, в состав входят флюсы или плавни. Это шлакообразующие вещества, под которые, выполняя расчет шихты для стали необходимо учитывать тип футеровки печи:

Кислая. Под такую мартеновскую печь шлакообразующими веществами могут быть кварцевый песок, а также битый кирпич – шамотный или динасовый – см. лом огнеупоров.
Основная. Тут в качестве флюса выступает, боксит, известняк или плавиковый шпат.

Так выглядит флюсовый известняк

Под окислители используют кислородсодержащие материалы: железная руда, специальные агломераты, а также окалина. Их задача катализировать окислительные процессы. Альтернативно, интенсифицировать окисление позволяет продувка металла кислородом в газообразном состоянии.

Соответственно, класс науглероживателей образуют углеродсодержащие материалы. Они могут использоваться как на стадии приготовления шихты, так и вводиться непосредственно в жидкий металл. Этот, преимущественно кокс, а также лом электродов. Важное качество науглероживателя – чистота по вредным примесям. Особенно это относится к содержанию серы и золы.

Раскислителями в подготовке шихты выступают ферросплавы, а также металлический хром, алюминий, марганец и прочие элементы.

На видео – Участок подготовки шихты

Шихта в производстве цветных металлов

Переработка алюминиевого лома в шихту

Материалы под плавку алюминиевых сплавов, например, отбираются соответственно стандартам: ГОСТ 11069-74 и ГОСТ 1583-93. Согласно документам, состав шихты ал5 ак5м марок металла включает:

первичный алюминий и его литейные сплавы в чушках;
возврат, лом;
лигатуры.

Содержание Al в первичном алюминии составляет 99.x%, где x – цифра в марке. Так для сорта А0 концентрация 99.0%, А7 – 99.7%. Основными компонентами, наряду с алюминием в чушках отлива для шихты выступают кремний, магний, марганец и медь.

Шихта для коксования

Это фактически смесь измельченного угля различных марок. Их соотношение определяется конечным продуктом, а именно коксом заданного качества. Оптимальный состав шихты для коксования подбирается по техническому анализу сырья и ряду его характеристик:

спекаемость;
коксуемость;
конечная усадка;
давление распирания и прочие.

Оптимальная шихта редко остается строго фиксированной по составу. Это видно на примере получения металлургического кокса. Тут, под уголь кс в шихте для коксования отводится 10 – 15%. Еще 2 – 4% приходится на спекающуюся добавку. Остальной состав включает такие сорта угля:

газовый – 45 – 55%;
жирный – 17 – 25%;
отощенно-спекающийся – остальное.

На сегодня, подобный состав характеризуется недостаточной коксуемостью. Оптимизировать спекаемость позволяет ввод органических добавок – каменноугольного пека, например.

Стекольная шихта

Данный прекурсор представляет смесь, включающую одновременно сыпучие и жидкие компоненты, а также микродобавки. Отличается шихта для стекла исключительными требованиями к дозировке составляющих, а также однородности химического и гранулометрического состава. Среди элементов, входящих в состав шихты могут присутствовать:

измельченный бой стекла;
песок;
сода;
мел;
селитра;
полевой шпат;
глинозем;
доломит.

Это только сыпучие компоненты. Жидкими составляющими стекольной шихты выступают вода или мазут. В качестве микродобавок применяют оксид кобальта, селен. Их вводят, как заранее подготовленную смесь с наполнителем.

Стекольная шихта для производства хрусталя

Отдельно стоит рассмотреть оборудование для загрузки стекольной шихты. Оно представляет целую станцию, состоящую из ряда узлов:

конусная приемная воронка с уплотнителем;
комплекс для разрезания мешка – удерживающая решетка и нож;
вибратор, обеспечивающий дебалансировку;
подъемно-транспротный конвейер;
завалочная машина.

Когда загрузчик полностью заполнен, шихта переводится в карманный отдел плавильной печи.

Посмотрите интересное видео о том, как производят стекло:

Шихта для производства хрома

Прекурсор используется в производстве металлического Cr. Составными материалами выступают:

концентрат и окись хрома;
натриевая селитра;
порошок из первичного Al.

Аналогично этому составляется шихта для плавки ферросплавов фнх или азотированного феррохрома. Дополнительным ее компонентом выступает хромистый шлак. Материал измельчают до фракции 0.3 – 0.8 мм и применяют как балласт при выплавке.

Флюс под такую шихту выбирается на основе трех условий:

повышение активности окиси хрома, способствующее его извлечению;
снижение вязкости глинозема;
улучшение кинетики процесса.

Этим требованиям соответствует известь, с содержанием СаО более 90%. Ее предварительно измельчают до фракции 3 мм.

Чем опасна для организма шихта

Основным источником негативного воздействия на здоровье человека выступает SiO₂. Двуокись кремния – это кварцевый песок, выступающий базовым компонентом стекольной шихты. Наибольшую опасность в производстве стекла представляют операции с высокой запыленностью: сушка, дробление и просев. Уровень пыли в них достигает 50, а при ручном просеве 100 мг/м 3 . Сама пыль не так страшна, как опасна свободная двуокись кремния. Она составляет 75% пылевой завесы и способна вызывать силикоз у рабочих.

Также работа с шихтой связана с риском – нужно строго соблюдать технологию подготовки шихты, а также требуется надзор техники безопасности. Что бывает, когда такой контроль ослабевает смотрите на видео.

Видео – взрыв печки при неправильной загрузке шихты:

Топливо для доменных печей

Топливо, используемое для доменной плавки, выполняет три основные функции:тепловую, химическую, физическую.

Топливо, используемое для доменной плавки, выполняет три основные функции:

тепловую, являясь источником тепла при разогреве шихтовых материалов до высоких температур и обеспечивая интенсивное протекание химических реакций при плавлении чугуна и шлака;
химическую, являясь основным химическим реагентом-восстановителем оксидов железа и других элементов;
физическую, обеспечивая высокую газопроницаемость столба шихты.

Необходимо отметить, что физическая функция топлива предотвращает тяжелые расстройства хода доменной плавки. Поэтому топливо должно быть твердым, кусковым материалом, создающим высокую газопроницаемость в области высоких температур и обеспечивающим условия для противотока газа и расплавленных масс металла и шлака.

Для доменного процесса требуется прочное, неспекающееся твердое топливо. Оно занимает значительный объем доменной печи и большая его часть должна сохраниться твердой, кусковой и прочной до нижней части печи.

К топливу предъявляют следующие основные требования:

высокая теплота сгорания и восстановительная способность в химических реакциях;
достаточная прочность и термостойкость, чтобы не образовывалось много мелочи при нагреве топлива и прохождении его через печь;
неспекаемость в условиях доменного процесса;
достаточная чистота по содержанию вредных примесей – серы и фосфора.

Кроме того, твердое топливо должно содержать мало золы, особенно кремнезема и глинозема, требующих применения флюсов.

Топлива естественных видов не удовлетворяют этим требованиям. Поэтому для доменной плавки приходится специально изготовлять твердое топливо – древесный уголь, кокс.

Древесный уголь

Древесный уголь практически утратил свое значение из-за низкой прочности.

Кокс является единственным видом твердого топлива для доменной плавки во всей мировой практике черной металлургии.

Исходным сырьем для получения кокса являются особые сорта каменных углей, называемых коксующимися. Подготовка углей к коксованию заключается в дроблении, обогащении для снижения зольности и усреднении.

Кокс получают сухой перегонкой каменных углей в коксовых печах, представляющих собой узкую камеру шириной около 0,5 м, высотой 4 – 5 м и длиной около 15 м, объединенных в батареи. Число печей в батарее может достигать 60 – 70 штук.

Подготовленная шихта загружается в камеру через специальные отверстия. Обогрев печи осуществляется с боков через стенки огнеупорного кирпича путем сжигания газа в обогревательных простенках.

Для повышения температуры коксования воздух, используемый для сжигания газа и газ, предварительно нагревают до 900 – 1000 °С в регенераторах, расположенных под печами. Горение газа происходит в простенке, за счет этого осуществляется нагрев стенок двух соседних камер до температуры 1350 – 1400 °С. Продукты сгорания через обводной канал попадают в другой простенок, опускаются по нему, обогревая две другие стенки камер, и, проходя через регенераторы, нагревают их и уходят в дымовую трубу. Периодически происходит смена направления движения газов. Через нагретые регенераторы попадают воздух и газ, а через остывшие – продукты сгорания.

Загруженная шихта нагревается в камерах примерно до 1000 °С. Продолжительность коксования составляет около 15 часов. Затем полученный коксовый пирог специальным выталкивателем выталкивают из печи и тушат водой или инертными газами.

В процессе коксования из 1 тонны угольной шихты получают около 700 кг кокса, 300 – 350 м3 коксового газа и около 20 кг смолы. Смола и газ являются ценным химическим сырьем, из которого производят лаки, краски, удобрения и другие продукты. Очищенный коксовый газ применяют в металлургических печах в качестве топлива.

В последнее время для экономии кокса при доменной плавке в печь вдувают природный газ, мазут, угольную пыль. Достоинством применения указанных видов топлива является то, что они способствуют улучшению процесса восстановления оксидов железа путем обогащения доменного газа реагентами-восстановителями (СО и Н2).

Флюсы

Флюсы вводят в доменную печь для перевода пустой породы рудной части шихты и золы кокса в шлак, обладающего определенными физическими свойствами.

Температура плавления оксидов, входящих в состав пустой породы руд составляет от 1700 до 2800 °С. Это значительно выше температуры шлака в доменной печи (1450 – 1600 °С). Кроме того, для обеспечения хорошей текучести некоторые оксиды необходимо нагревать значительно выше температуры плавления. Однако, при определенном соотношении оксидов, входящих в состав пустой породы (SiO2, Al2O3, CaO, MgO), образуются легкоплавкие соединения, которые имеют температуру плавления около 1300 °С и характеризуются хорошей текучестью при 1450 – 1600 °С.

Для удаления серы из металла необходимо, чтобы шлаки, получаемые в доменной печи, содержали определенное количество основных оксидов (CaO и MgO). Например, необходимо, чтобы в шлаках отношение (СaO + MgO) / (SiO2 + Al2O3) составляло около 1, а отношение SiO2 / Al2O3 было равно от 2 до 4.

В зависимости от состава пустой породы руды применяются основные, кислые или глиноземистые флюсы. В большинстве случаев добываемые руды содержат пустую кислую породу и имеют приемлемое соотношение SiO2 и Al2O3. Поэтому, обычно применяют основной флюс в виде известняка, состоящего из карбоната кальция СaCO3 или доломитизированного известняка, содержащего кроме СaCO3 еще MgCO3.

В настоящее время известняк вводят при окусковании железных руд или железорудных концентратов. Это приводит к улучшению показателей доменной плавки, так как уменьшается расход тепла на процесс разложения карбонатов, который осуществляется на стадии окускования (агломерации или получении окатышей).

Читайте также: