Качество кокса, его поведение в доменной печи и влияние на ее работу
Курунов И.Ф.
Черметинформация, 2003 г.
По своему характеру, функции кокса, выполняемые им в доменной печи, разделяются на физические, химические и тепловые . Выполняя физические функции кокс:
- обеспечивает проницаемость для газа столба шихты в зоне твердых кусковых материалов и в зоне когезии;
-обеспечивает проницаемость для таза и жидких продуктов плавки в зоне подвижного кокса;
- обеспечивает дренаж продуктов плавки в коксовом тотермане;
- поддерживает столб шихтовых материалов в печи, опирающийся на коксовый тотерман.
Таким образом, кокс в столбе шихты в доменной печи является своеобразным конструкционным материалом, обеспечивающим проницаемость этого столба и создающим для него опору Выполнение этих функций кокса зависит исключительно οι его физических свойств. Никакой другой компонент доменной шихты не может заменить кокс в выполнении указанных физических функций.
Выполняя химические функции углерод кокса:
1) образует восстановительный газ, окисляясь кислородом и парами воды ду1ья в фурменных зонах — С + 0,5 02 - СО, С + 0,5 Н20 - СО + Н2;
2) образует восстановительный газ, окисляясь углекислотой—
С + С02 = 2СО;
3) восстанавливает железо и марганец из первичных шлаков —
FeO + С = Fe + СО, МnО + С - Μn + СО;
4) восстанавливает кремний из золы кокса и шлака—
фосфор и другие элементы из шлака— Р205 + 2,5 С = 2Р + 5 СО; TiO2 + 2 С - Ti + 2 СО, Участвуя в этих реакциях, 1 кг углерода кокса образует 1,87 м 3 СО.
Первая функция кокса может выполняться любыми вдуваемыми топливами, причем чем ниже отношение С/Н во вдуваемом топливе, тем больший объем восстановительного газа образуется при его сгорании в доменной печи.
Вторая химическая функция кокса может частично выполняться твердыми топливными добавками с повышенной реакционной способностью (коксовым орешком, антрацитом, каменным углем, нефтяным коксом), загружаемыми в доменную печь в узкую кольцевую зону колошника, соответствующую расположению рудного гребня..
Третья химическая функция кокса может частично выполняться твердыми восстановительными добавками, загружаемыми в доменную печь с шихтой (ферросилиций, шлаки производства ферросплавов).
Тепловая функция кокса заключается в генерации тепла в фурменной зоне, где, сгорая, 1 кг углерода кокса выделяет около 10 МДж тепла.. Тепло от сгорания кокса в современных условиях при отсутствии вдуваемых топлив составляет 2/3 или более οι всего прихода тепла в печи, Одну треть тепла приносит горячее дутье [1], Тепловую функцию кокса также в значительной мере могут выполнять вдуваемые топлива.
2. Основные характеристики качества кокса Физические свойства
С учетом перечисленных функций, выполняемых коксом в доменной печи, самой главной характеристикой качества кокса является его механическая прочность, обеспечивающая сохранение первоначальных размеров и формы его кусков под воздействием давящих, истирающих и ударных нагрузок на них в доменной печи. Истирание или разрушение кусков кокса оказывает сильное отрицательное воздействие на проницаемость столба шихты и эффективность противоточного тепло- и массообмена в печи и отработку продуктов плавки.
Основные факторы, определяющие газодинамическое сопротивление столба шихты в зоне твердых кусковых материалов, входят в уравнение Эгона, которое обычно используется для оценки потерь напора в слое сыпучих материалов [3]:
Механическая прочность кокса оценивается показателями холодной и горячей прочности, определяемых с использованием различных методик.
Физико-химические свойства кокса зависят от структурного состояния углерода, который в коксе находится частично в кристаллическом состоянии (имеет анизотропные свойства), а частично —в аморфном (имеет изотропные свойства) Степень кристаллизации углерода в коксе определяется в первую очередь составом угольной шихты и несколько увеличивается с увеличением температуры коксования [1]
Реакционная способность кокса определяется в значительной мере степенью кристаллизации углерода С углекислотой в первую очередь реагирует аморфный углерод кокса, что уменьшает механическую прочность кусков кокса. Кристаллический углерод кокса практически не реагирует с углекислотой. Кокс с меньшей реакционной способностью, как правило, имеет более высокую механическую прочность в нижней части доменной печи
Под зоной когезии при контакте с закисью железа железистых шлаков реагирует углерод поверхностных слоев кусков кокса, что уменьшает их размеры, но не влияние на их прочность При этом степень кристаллизации yглерода не оказывает существенного влияния на его газификацию в этом взаимодействии
Химический состав кокса
Зола в коксе содержит обычно около 50 % SiCb и около 30 % Al2O3. Содержание зоны в коксе уменьшает приход тепла от горения кокса и увеличивает выход шлака и расход тепла на его нагрев. Увеличение содержания золы в коксе на I % приводит в результате к увеличению расхода кокса на 10 кг/г чугуна
Щелочи (К2О и Na2О) повышают реакционную способность кокса, усиливая газификацию изотропной части углерода кокса и снижая, тем самым, механическую прочность кокса в нижней части печи. Кроме тою, щелочи сублимируют из кокса при высоких температурах и затем осаждаются на футеровке печи, образуя настыли и способствуя разрушению футеровки.
Влажность кокса уменьшает приход углерода в печь с коксом, что требует обязательного оперативного контроля влажности загружаемого в печь кокса для исключения влияния колебаний влажности кокса на тепловое состояние печи
Подводя итоги анализа функций кокса в доменной печи можно уверенно сказать, что главными функциями кокса в доменной печи являются физические функции и, следовательно, главной характеристикой качества доменного кокса является определенный уровень механической прочности и крупности его кусков, обеспечивающий стабильный, противоток газов с твердыми материалами и жидкими продуктами плавки и свободный выпуск чугуна и шлака из печи
Остальные характеристики качества кокса, в том числе значительно влияющие на его расход и производительность печи (химический состав), могут варьировать в относительно широких пределах.. Их оптимальные значения определяются в первую очередь экономическими критериями (себестоимость чугуна, выплавляемого с использованием кокса с различным химическим составом и, следовательно, с различной стоимостью).