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.

коксовый цех

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/см³, 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:

1. Плавка чугуна, где требуется высококачественное (с низкой долей серы) бездымное сырье.
2. Материал для восстановления железной руды.
3. Обогащение шихты.
4. 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).

Выплавка чугуна

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;
• ферросплавов;
• 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

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.

Так, например, кокс нефтяной анодный имеет маркировку КЗА. Производится при медленном коксовании, на выходе получают фракции размером 8-250 мм. Используют для получения анодной массы, необходимой при производстве алюминия. Откуда и получил свое неформальное название.

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).

Еще одно видео про производство кокса: