Кокс каменноу́гольный (от нем.Koks и англ.coke) — твёрдый пористый продукт серого цвета, получаемый путём коксованиякаменного угля при температурах 950—1100 °С без доступа кислорода в течение 14—18 часов.
Каменноугольный кокс является наиболее распространённым твёрдым топливом, использующимся в доменных печах для выплавки чугуна и других шахтных печах[1].
Начиная с железного века, основным видом твёрдого топлива, использовавшимся для производства металла в сыродутных горнах, а затем в домницах и доменных печах был древесный уголь. В XVI—XVIII веках в Европе обострилась проблема истощения лесов, в связи с чем начали проводиться опытные доменные плавки с использованием каменного угля. Все они были безуспешными. В результате экспериментов Абрахама Дарби I по созданию искусственного топлива в XVIII веке был открыт каменноугольный кокс. Первая доменная плавка на каменноугольном коксе была осуществлена в Великобритании его сыном Абрахамом Дарби II в 1735 году[2][3].
К середине XX века каменноугольный кокс стал единственным видом топлива для выплавки чугуна в больших доменных печах[4].
Различают следующие последовательные стадии коксования каменного угля:
Сушка угля при температуре до 100—120 °С.
Нагрев угля до 300—350 °С.
Размягчение и плавление угля при температуре 350—500 °С.
Затвердевание расплава и образование полукокса при температуре 500—600 °С
Прокаливание кокса при температуре 600—1100 °С в течение нескольких часов. На этом этапе из шихты удаляются все летучие вещества, аморфный углерод превращается в кристаллический графит. В ходе этой перекристаллизации и спекания вещества кокса его прочность и твёрдость увеличиваются в 30—40 раз[5].
Коксование угля производят в коксовых печах, представляющих собой камеру высотой 4—6 м, длиной 12—15 м и шириной не более 0,5 м. Для сокращения потерь тепла печи, как правило, объединяют по 40—70 в коксовые батареи[1].
Физико-химические свойства
Выше 900 °C легко восстанавливает СО2 (С + СО2 = 2СО); при 1000 °C скорость процесса (стандартная реакционная способность кокса) в расчете на 1 г кокса 0,1—0,2 мл СО2 за 1 с, энергия активации 140—200 кДж/моль. Скорость взаимодействия с О2 (С +О2 = СО2), или горючесть кокса, значительно выше, чем с СО2, и составляет при 500 °C около 0,1 мл О2 за 1 с, энергия активации 100—140 кДж/моль.
Физико-химические свойства кокса каменноугольного определяются его структурой, приближающейся к гексагональной слоистой структуре графита. Структура кокса характеризуется неполной упорядоченностью: отдельные фрагменты (слои), связанные Ван-дер-Ваальсовыми силами, статистически занимают несколько возможных положений (например, накладываются один на другой). Наряду с атомами углерода в пространственной решетке кокса, особенно в её периферийной части, могут располагаться гетероатомы (S, N, O).
Строение и свойства кокса каменноугольного зависят от состава угольной шихты, конечной температуры и скорости нагрева коксуемой массы. С увеличением содержания в шихте газовых и др. углей, характеризующихся малой степенью метаморфизма, понижением конечной температуры коксования и уменьшением выдержки при этой температуре, реакционная способность и горючесть получаемого кокса возрастает. При увеличении содержания газовых углей в шихте прочность и средняя крупность кусков кокса уменьшаются, а пористость его возрастает. Повышение конечной температуры коксования способствует увеличению прочности кокса каменноугольного, особенно к истиранию. При удлинении периода коксования и снижении скорости нагрева коксуемой массы средняя крупность кусков кокса увеличивается.
Применение
Каменноугольный кокс применяют для выплавки чугуна (доменный кокс) как высококачественное бездымное топливо, восстановитель железной руды, разрыхлитель шихтовых материалов. Кокс используют также как ваграночное топливо в литейном производстве (литейный кокс), для бытовых целей (бытовой кокс), в химической и ферросплавной отраслях промышленности (специальные виды кокса).
Доменный кокс должен иметь размеры кусков не менее 25—40 мм при ограниченном содержании кусков менее 25 мм (не более 3 %) и более 80 мм. В нижней части доменной печи кокс является единственным шихтовым материалом, находящимся в твёрдом состоянии, выполняя роль пористой коксовой насадки. Каменноугольный кокс является наиболее распространённым твёрдым топливом, использующимся в доменных печах для выплавки чугуна и других шахтных печах[1][6].
Литейный кокс по размерам кусков крупнее доменного; наиболее пригоден продукт, в котором присутствуют куски менее 60—80 мм. Главное отличие литейного кокса от доменного — малое содержание серы, которое не должно превышать 1 % (в доменном коксе до 2 %). В промышленности ферросплавов используют мелкий кокс (например, фракцию 10—25 мм), при этом в отличие от доменного и литейного производств предпочитают применять продукт с большой реакционной способностью. Требования по прочности к бытовому коксу менее жесткие, чем к доменному и литейному. Во всех производствах лучшее сырье — наиболее прочный малозольный и малосернистый кокс, содержащий небольшое количество мелких фракций. Современное мировое производство кокса каменноугольного составляет около 550—650 млн т/год. От 60 до 70 % мирового производства осуществляется в КНР.
Коксующийся уголь
Каменноугольный кокс после извлечения из печи
В отличие от других типов каменных углей, коксующиеся угли при нагревании без доступа воздуха становятся пластичными и подвергаются спеканию[3].
Коксующиеся угли имеют зольность менее 10 % и относительно низкое содержание серы (менее 3,5 %), выход летучих веществ (Vdaf) составляет 15—37 %. По способности к коксообразованию коксующиеся угли подразделяются на 5 категорий — коксовые, жирные, отощённые коксовые, газовые и слабоспекающиеся. В стандартах СССР к коксующимся углям относили угли марок Г, ГЖ, Ж, КЖ, К, К2, OC и CC[3].
Коксующиеся угли добываются в СНГ (Донецкий, Печорский, Кизеловский, Кузнецкий, Карагандинский, Южно-Якутский, Тунгусский и другие бассейны), США (Аппалачский, Западный, Юинта, Грин-Ривер и др.), Великобритании (Нортамберлендский, Южно-Уэльский, Ланкаширский и Йоркширский бассейны), Германии (Нижнерейнско-Вестфальский, или Рурский, Нижневестфальский), Польше (Верхне- и Нижнесилезский, Люблинский), Бельгии (Льежский), Индии (Бокаро, Ранигандж, Джхария), Канаде (Альберта), Австралии (Боуэн, Новый Южный Уэльс), Китае (Шаньси, Датун), Монголии (Таван-Толгой), Чехии (Остравско-Карвинский и Трутновский)[3].
Около 10 % каменного угля подвергается коксованию.
Основное отличие коксового угля от энергетического — наличие в коксующемся угле витрена (от лат.vitrum — стекло). Особенностью витрена является то, что при высокой температуре он способен плавиться и обретает свойство спекания (склеивания) микрочастиц угля в плотную массу — кокс. Чем больше в угле витрена, тем выше его качество коксования.
Луазон Р., Фош П., Буайе А. Кокс. Перевод с франц. — М.: 1975.
Скляр М. Г. Интенсификация коксования и качество кокса. — М.: Металлургия, 1976. — 256 с.
Вегман Е. Ф., Жеребин Б. Н., Похвиснев А. Н. и др. Металлургия чугуна : Учебник для вузов / под ред. Ю. С. Юсфина. — 3-е издание, переработанное и дополненное. — М. : ИКЦ «Академкнига», 2004. — 774 с. — 2000 экз. — ISBN 5-94628-120-8.
Бабарыкин Н. Н. Теория и технология доменного процесса : Учебное пособие. — Магнитогорск : Издательский центр ГОУ ВПО «МГТУ», 2009. — 257 с. — 200 экз.
