Author: Мучник Д.А.
Tags: технология топлив металлургия издательство вища школа коксохимия технология производства кокса
Year: 1976
Text
6П7.41
И20
УДК 662.741/ 742(07)
Технология производства кокса. Иванов Е. Б., М у ч и и к Д. А. Издательское
объединение «Вища школа», 1976, 232 с. ,
В пособии изложены требования различных потребителей к качеству металлур-
гического кокса, рассмотрены свойства кокса и методы оценки его качества, приведе-
ны характеристики сырья и процессы подготовки углей для коксования, а также влия-
ние этих процессов на коксуемость углей и шихт. Описаны явления, протекающш
в камерах коксовых печей при коксовании, современная техника и технология ело-
вого коксования и технология подготовки кокса к использованию. Изложены закон
мерности изменения свойств кокса в процессе его использования и математические м.
дели этих процессов.
Книга рассчитана на студентов металлургических вузов, может быть использог
на мастерами коксохимических и металлургических заводов, а также научными •
ботинками.
Табл. 63. Ил. 63. Библиогр. 18-
Редакция литературы по химии, химической технологии, горному делу и метал-
лургии
Зав. редакцией Т. С. Антоненко
.31003—106 „„
Н М21Ц04)—76 83 76
((З) Издательское объединение «Вища школа», 1976.
Советский Союз по объему производства кокса уже длительное вре-
мя занимает первое место в мире. Созданная в годы пятилеток наша
коксохимическая промышленность оснащена вполне современным
оборудованием и использует передовые технологические приемы.
В условиях научно-технической революции особое значение
имеет своевременн ая и полная информация о развитии каждой отрасли
народного хозяйства.
Интенсификация доменного производства и расширение сырьевой
базы коксования выдвинули в число важнейших вопросов получение
кокса требуемого качества.!В связи с этим авторы пособия отступили
от ставшей традиционной системы изложения материала: сырье —
переработка — качество. Требования потребителей к качеству кокса
и методы оценки его излагаются вначале. Поэтому последующий ма-
териал курса можно рассматривать в аспекте возможн остей технологии
производства управлять качеством кокса с тем, чтобы добиться более
полного удовлетворения требований потребителей.
Именно по этой причине серьезное внимание уделено коксовой
сортировке как части технологической линии в производстве кокса,
имеющей немаловажное значение, а также специальным методам под-
готовки кокса к использованию.
В учебниках и учебных пособиях по химической технологии твер-
дого топлива некоторые вопросы освещены недостаточно или вообще
не рассматриваются. Это, например, методы испытания и подготовки
кокса к использованию, особенности кокса как твердого материала.
Авторы хотели восполнить этот пробел.
Пособие написано по курсу «Технология коксования и переработка
продуктов коксования», который читают студентам специальности
0802 («Химическая технология твердого топлива»). При изложении
материала авторы учитывали, что этому курсу предшествуют лекции
по основам химической технологии топлива и химии горючих ископа-
емых. В то же время рассмотрены некоторые вопросы, касающиеся
специфики углей как сырья для коксования.
С целью развития у студентов навыков аналитического мышле-
ния во многих случаях приводятся фактические данные по тому или
иному вопросу без подробного анализа их. Авторы полагают, что
предварительный текст и самостоятельный анализ данных приведут
студентов к правильным результатам.
3
Пред
Введ
РАЗ
КОКС
Главе
1.
2.
3.
4.
_ 5.
Главе
§ I.
§ 2.
§ 3.
§ 4.
Главе
1.
2.
3.
4.
/ §
§
§
§
§
§
§
§
Иванов Евгений Борисович,
Мучник Дамир Абрамович
Технология производства кокса
§ 5. Допущено Министерством высшего и среднего специального
Глава образования УССР в качестве учебного пособия для
§ 1 < студентов металлургических вузов и факультетов
§ 2- <
§ 3.
Издательское объединение «Вища школам
р дз Головное издательство
подг<
Редактор Г. М. Законь
Литредактор Н.'Г. Кириллова
Переплет художника В. Г. Павлютина
Художественный редактор Е. Н. Прокофьев
Технический редактор И. И. Левченко
Корректор И. Б. Милевская
щих I
§ ( Сдано в набор 16.06.1975 р. Подписано к печати 11.12.1975 г. Формат бу«
§ 2. 1 маги 6ОХ9О*/1в. Бумага тип. № 1. Печ. л. 14,5. Уч.-изд. л. 16,76. Ти-
§ 3. J Раж 1500- ИЗД- 1568. БФ 08633. Цена 72 коп.
§ 4. J Головное издательство издательского объединения «Вища школа»,
252054, Киев, 54, Гоголевская, 7.
§ 5. I Отпечатано с матриц Головного предприятия республиканского
S 6. I производственного объединения «Полиграфкнига» Госкомиздата
3 ‘ УССР, Киев, ул. Довженко, 3 в Харьковской городской типо
графин Xi 16 Областного управления по делам издательств, по-
230 лиграфии и книжной торговли, Харьков, Университетская, 16
Зак, 269.
Авторы не избегали показа альтернативных решений некоторых
вопросов технологии, а также отмечали нерешенные или не полностью
решенные вопросы технологического и методического характера для
того, чтобы привлечь будущих специалистов к активному поиску.
Введение, глава II раздела I, § 4 и § 7 главы III раздела II и раз-
дел III написаны канд. техн, наук доц. Е. Б. Ивановым. Разделы I,
II, IV, без отмеченных ранее глав и параграфов, написаны канд. техн,
наук, доц. Д. А. Мучником.
Авторы искренне признательны канд. техн, наук, доц. Э. Я. Эй-
дельману за ценные замечания, сделанные при рецензировании ру-
кописи.
Авторы
33£.Д Eft/A.
§ 1. ЗАРОЖДЕНИЕ И РАЗВИТИЕ
КОКСОХИМИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА
„Коксование — широко распространенный процесс термической пе-
реработки твердых горючих ископаемых. От других процессов терми-
ческой переработки твердых горючих ископаемых (бертинирования,
крекинга, полукоксования, среднетемпературного коксования) высо-
котемпературное коксование, или просто коксование, отличается вы-
сокой конечной температурой процесса и протеканием его без доступа
воздуха. Твердый пористый остаток такого процесса называется коксом.
ГЬтребюсть металлургического производства в углеродном сырье
на протяжении многих веков удовлетворялась почти исключительно
за счет древесного угля. С ростом потребности в металлах расширялось
и углежжение. Высокие качества древесного угля как металлургиче-
ского сырья и, главное, почти полное отсутствие минеральных приме-
сей облегчали его применение в процессах получения металлов. Имен-
но поэтому в течение столетий в металлургических процессах исполь
зовался, практически, только древесный уголь.
Интенсивный рост производства черных металлов в XVIII в. тре
бовал все больше сырья. В Англии, наиболее развитой в ту пору про
мышленной стране мира, увеличение производства древесного угль
для развивающегося доменного производства истощило ресурсы дре
весины в районах развитой металлургии. Закон, запрещавший вы
рубку лесов, поставил перед промышленниками задачу использовать
в доменной плавке другие виды сырья. Таким сырьем стал каменно
угольный кокс.
Однако освоение доменной плавки на коксе, начавшееся еще в
XVII в. (Додлей, 1665 г.), оказалось весьма сложным. Лишь в 1735 г.
А. Дэрби (сыну) удалось наладить относительно успешную длительную
выплавку чугуна исключительно на каменноугольном коксе. Поэтому
1735 г. надо считать датой начала устойчивого использования каменно-
угольного кокса в доменной плавке. В конце XVIII в. доменное про-
изводство Англии практически полностью перешло на кокс.
Первая доменная печь на коксе в континентальной Европе была
задута в департаменте Ле-Крезо (Франция) в 1785 г.
Технология получения древесного угля стала прообразом первых
процессов получения каменноугольного кокса. В начальные периоды
производства кокс тоже получали в кучах. Первые попытки коксовать
каменный уголь в кучах относятся к XVI в. Тепло, необходимое для
процесса, получали за счет сгорания летучих продуктов коксования
и части угля.
5
Кокс в кучах вырабатывали до середины XIX в. В кучах коксова-
ли отборный, хорошо коксующийся уголь одного сорта, как правило,
в крупных кусках, хотя есть отдельные указания о коксовании угля
в мелких кусках. Зольность и сернистость такого кокса были, за не-
большим исключением, низки (зольность в некоторых случаях состав-
ляла 1 %). По окончании коксования кучу разрушали (разломка и вы-
чистка кучи) и кокс заливали водой.
Увеличение объема производства чугуна в доменных печах требо-
вало все больше кокса. На смену коксованию в кучах пришло коксо-
вание в стойловых печах. Если кучи условно можно назвать открытыми
печами, то стойловые печи часто называют «полуоткрытыми». Стойло-
вые печи, или «шаумбургские стойла», были широко распространены
в Европе в первой половине XIX в. Они представляли собой неслож-
ную конструкцию из двух параллельных каменных стен, расположенных
на расстоянии примерно 3 м друг от друга. На поду печей и в их боко-
вых стенах были устроены горизонтальные и вертикальные каналы
для регулировки процесса нагрева угля, причем они же служили и
как дымовые трубы. Торцевые стены печи были разборными, поскольку
через торцы печь загружали углем и выгружали из нее готовый кокс.
Одной из причин перехода на коксование в стойловых печах в Запад-
ной Европе являлось интенсивное загрязнение воздушного бассейна
при коксовании в кучах. Но коксование в стойловых печах не на много
улучшило положение, тем более, что количество печей в местах раз-
вития коксового производства все время возрастало. Поэтому в Анг-
лии и Германии велись работы по созданию закрытых печей, не за-
грязняющих воздушный бассейн газообразными продуктами коксо-
вания.
Первые печи такого типа, получившие благодаря своей форме на-
звание ульевых печей, появились в Англии еще в начале XVI в.
Ульевые печи были первым относительно совершенным техноло-
гическим агрегатом для коксования углей. Широкое использование
ульевых печей для коксования началось в середине XIX в. В этих
печах был плоский под и полусферический свод. Их загружали углем
сверху через загрузочное отверстие. Кокс выгружали (процесс выгреб-
ки или выталкивания) сбоку на горизонтальную площадку, где его
тушили. Дешевизна постройки, простота устройства печи и ее эксплуа-
тации обусловили широкое распространение ульевых печей в странах
Западной Европы, особенно в Англии, а также в США.
Все трудоемкие процессы можно было легко механизировать, что
обеспечило конкурентоспособность ульевых печей в течение длитель-
ного времени. Рабочее пространство ульевых печей было закрытым.
Уголь коксовался за счет сжигания летучих продуктов коксования.
Конструкция печей впервые давала возможность полностью регули-
ровать подачу воздуха для горения.
Первоначально уголь после загрузки в печь нагревался за счет
тепла, аккумулированного печью во время предыдущего коксования.
Так зарождался периодический процесс коксования с использованием
ранее накопленного тепла. Необходимость быстрого прогрева мало-
теплопроводной угольной загрузки привела к переходу от полусфери-
6
ческой формы ульевых печей к длинным, высоким и узким камерам
прямоугольного сечения.
Параллельно совершенствовался нагрев угольной загрузки: каме-
ры и отопительное пространство разделили, летучие продукты сжигали
в отопительном пространстве, а не в рабочем объеме, как это было в
кучах, стойловых и ульевых печах.
Первыми коксовыми печами в современном смысле этого слова,
т. е. периодически действующими камерными печами, были верти-
кальные печи, разработанные в 1850 г. Аипольтом. Эти печи не полу-
чили распространения в коксовой промышленности, несмотря на мно-
гие преимущества. По принципу этих печей в дальнейшем строились
некоторые агрегаты газовых, полукоксовых и других заводов с ана-
логичной технологией. Идеи вертикальной печи с удалением готового
продукта снизу через под и сейчас еще привлекают внимание многих
специалистов.
Начиная с середины XIX в. в коксовом производстве широко на-
чали применять печи с горизонтальными камерами, незначительно рас-
ширяющимися в сторону выгрузки кокса. Так как емкость каждой
такой камеры небольшая, то для повышения производительности
установки в целом начали сводить камеры в батареи, а в дальнейшем
увеличивать число камер в батарее. Расположенные рядом камеры раз-
деляли обогревательным пространством, находящимся между их сте-
нами. Первые печи такого типа были построены в 1856 г. во Франции,
а уже в конструкциях таких печей, построенных в Бельгии (1867 г.),
были использованы основные элементы современной коксовой печи-,
узкая камера коксования с двухсторонним обогревом угольной за-
грузки от отопительных простенков, разделенных перегородками из
огнеупорного кирпича на вертикальные обогревательные каналы.
Камеры загружали сверху через один или несколько загрузочных
люков, готовый кокс выталкивался штангой после снятия дверей на
торцах камеры. Таким образом, обслуживание печи уже приняло
формы, сохранившиеся до нашего времени.
К началу 80-х годов XIX в. во Франции и Германии начали внед-
рять печи с улавливанием летучих продуктов коксования . Коксовый
газ после улавливания некоторых летучих продуктов коксования (вна-
чале смолы и аммиака, а позже — и бензола) сжигали в вертикальных
отопительных каналах обогревательного простенка («вертикалах»),
полностью изолированных от камеры коксования; камера коксования
стала полностью изолирована от наружного воздуха. В связи с этим
в конструкции печи появились новые элементы: устройства для рас-
пределения и регулирования количества отопительного газа и воздуха
по обогревательным простенкам батареи и по отдельным вертикальным
отопительным каналам каждого простенка .Эти новшества диктовались
не только экономическими соображениями, но и стремлением снизить
загрязнение воздушного бассейна.
Первые печи с улавливанием потребляли для обогрева практиче-
ски весь газ, получающийся при коксовании. Применение принципа
регенерации тепла, предложенного Сименсом и внедренного в конструк-
циях коксовых печей Гофманом (1881 г.), значительно снизило расход
7
газа на обогрев печей. Первые батареи коксовых печей с регенерато-
рами давали уже более 10% избыточного газа, а в дальнейшем и зна-
чительно больше. Печи имели общие для всей батареи продольные
регенераторы, расположенные вдоль оси батареи. Индивидуальные по-
перечные регенераторы для каждой печи, представляющие собой более
совершенную теплотехническую конструкцию, были предложены зна-
чительно позже (1904 г.) Генрихом Копперсом.
Объем производства кокса в 1913 г. составил: в США — 42 млн. т,
в Германии — 34,6 млн. т, в Англии— 13 млн. т. В России в 1913 г.
было произведено всего 4,4 млн. т кокса.
В 1910 г. для обогрева коксовых печей начали применять низко-
калорийные («бедные») газы — доменный и газогенераторный — с пред-
варительным подогревом их в регенераторах. Это дало возможность
дополнительно высвободить часть коксового газа для использования
его вне коксового производства.
В 1900 г. в Канаде впервые применили динасовые огнеупоры для
кладки камер коксовых печей, а в 1908 г. в США были построены кок-
совые печи полностью из динасовых огнеупоров. В Европе динасовый
кирпич для строительства коксовых печей начали применять значи-
тельно позже. Уже в 1908 г. было установлено, что печи, выложенные
из динасового кирпича, работали с периодом коксования 16—17 ч,
тогда как такие же печи на батареях, выложенных из шамотного кир-
пича, при одинаковых условиях работали с периодом коксования 24 ч.
Эти свойства динаса вместе с повышенной устойчивостью к солям, со-
держащимся в угольной шихте, обусловили почти исключительное
применение динаса в кладке камер коксовых печей.
После первой мировой войны сформировались главные элементы
конструкций коксовых печей и стабилизировались размеры камер:
ширина 400—450 л«л«, высота 3,8—4,5 м, длина 12—14 м. В 1928 г.
в Германии были построены печи высотой 6 м с применением специаль-
ных устройств для равномерного обогрева камеры по высоте.
Зарождение и первоначальное развитие отечественного коксового
производства тесно связано с Донецким угольным бассейном. Несмот-
ря на то, что открытый в 1724 г. подьячим Капустиным в районе Се-
верного Донца уголь сразу привлек внимание наиболее дальновидных
людей того времени, прошло все же много лет, прежде чем донецкий
металл и донецкий кокс стали играть заметную роль в жизни страны.
Лишь в 1795 г. в районе Лисичанска была открыта первая угольная
шахта Донбасса. Именно здесь были получены первые партии донец-
кого кокса.
В 1871—1872 гг. англичанин Дж. Юз, которому царское прави-
тельство предоставило концессию, построил металлургический завод
на месте современного Донецка и организовал выжиг кокса в 12 стой-
ловых печах общей производительностью 1100 т кокса в месяц.
В 1872—1873 гг. в Донбассе уголь коксовали при 9 рудниках,
в эксплуатации находилось 45—50 стойловых печей. Разовая загрузка
их составляла около 4 т, период коксования — 7 суток, выход кокса —
50—60%.
В 80-х годах в России вместо стойловых начали строить коксовые
8
печи с относительно узкими камерами (450—600 мм) без улавливания
летучих продуктов.
Производство кокса в нашей стране в дореволюционный период
было следующим:
Годы ................... 1890 1895 1900 1905 1910 1913
Производство кокса, т . . 296 520 2200 2367 2783 4440
Уголь в Сибири в районе Верхнетомского острога (территория теперешнего
Кузбасса) был открыт в 1721 г. Волковым. Начало использования каменного угля в
металлургическом производстве связано с постройкой в 1769—1771 гг. Томского
железоделательного завода на р. Томь-Чумыш. Вначале для производства чугуна и
стали на заводе употребляли древесный уголь, но уже с начала 90-х годов XVIII в.
начали применять каменный уголь.
В 1829—1830 гг. были получены первые партии промышленного кокса из березов-
ских углей и таким образом эти годы следует считать началом коксового производства
в Сибири.
К началу 70-х годов относится зарождение коксования на Дальнем Востоке’ в
1872 г. на Сахалине были построены три стойловые печи.
На Среднем Урале с 1885 г. работал Луньевский коксовый завод (30 печей Коппе
без улавливания). К 1915—1916 гг. в Экибастузе был построен небольшой коксовый
завод (24 ульевые печи) с годовой производительностью 7—8 тыс . т кокса . В 1910 —
1911 гг. начали коксовать угли Кемеровского месторождения. В этот же период были
найдены коксующиеся угли в Барзасской тайге, где было построено 12 стойловых
печей.
Таким образом, перед первой мировой войной коксохимическое
производство России характеризовалось крайней отсталостью, как по
объему производства, так и по его техническому уровню.
Первая мировая война и последовавшая за ней иностранная интер-
венция полностью расстроили и без того отсталую экономику страны.
Во второй половине 1918 г. производство кокса в стране полностью прекрати-
лось- В конце 1920 г. специальная комиссия обследовала состояние коксохимических
предприятий Донбасса и разработала план и очередность их восстановления. Плохое
состояние коксовых печей и другого оборудования, отсутствие огнеупор-
ного кирпича и запасных частей к машинам позволили в 1920 г. возобновить произ-
водство кокса только на трех заводах Донбасса — Енакиевском, Макеевском, Юзов-
ском (ныне Донецком).
Планомерно восстанавливаемые и строящиеся коксохимические предприятия
обеспечивали развитие черной металлургии страны. В 1929 г. был превзойден наивыс-
ший дореволюционный уровень производства кокса. При этом продолжительность
коксования уменьшилась по сравнению с 1913 г. на 25%, а средняя годовая произво-
дительность одной печи увеличилась до 1489 т против 699 мв 1913 г. Производство
кокса в печах с улавливанием летучих продуктов коксования составило в 1929 г.
более 81% всего производства кокса.
В 1929 г. началось сооружение коксохимических предприятий в составе Магнито-
горского и Кузнецкого металлургических комбинатов и Губахинского коксохимиче
ского завода в Пермской области. Кемеровский коксохимический завод, строительство
которого началось еще до Октябрьской революции, вступил в строй в 1924 г .Первые
динасовые печи в Советском Союзе были построены в Рутченково в конце 1927 г.
К этому же времени (1928—1929 гг.) относятся первые работы советских инженеров в
области проектирования и строительства коксовых печей. Десять небольших динасо-
вых печей были сооружены на Енакиевском заводе, на Брянском коксохимическом
заводе была запроектирована батарея шамотных печей.
Организационное и хозяйственное укрепление коксохимических
предприятий позволило перейти к созданию мощной отечественной
коксохимической промышленности на высоком техническом уровне.
9
На протяжении довоенных пятилеток в СССР были введены в эксплуатацию 53
динасовых батареи и большое количество химических цехов по улавливанию и пере-
работке продуктов коксования. Кроме того, были реконструированы 11 старых кок-
совых батарей.
За годы довоенных пятилеток в корне изменилась технология кок-
сования, были созданы основы теории шихтовки углей, т. е. подбора
угольных смесей оптимального состава с точки зрения качества полу-
чаемого кокса.
Инженер Р. 3. Лернер разработал и применил на заводах такие
прогрессивные приемы в технологии коксования, как оптимальный
гидравлический режим обогрева коксовых печей, оптимальная серий-
ность, цикличные графики выдачи кокса из печей. Были созданы со-
временные конструкции коксовых печей, пригодные для массового внед-
рения в промышленность. По технической оснащенности и уровню тех-
нологии советская коксохимия стала в один ряд с наиболее развитыми
капиталистическими странами. t
К началу Великой Отечественной войны Советский Союз располагал 31 коксохи-
мическим предприятием с общей годовой мощностью около 25 млн- т. Значительная
часть их была разрушена в годы войны.
В течение нескольких послевоенных лет динасовые коксовые бата-
реи заводов Юга СССР были восстановлены и введены в действие, что
вместе с продолжавшимся развитием коксохимии на Востоке СССР
дало возможность уже в 1949 г. превзойти довоенный- уровень произ-
водства. В 1950 г. около 47% кокса было выработано на заводах вос-
точной части страны.
В послевоенные годы в СССР строились коксовые батареи из печей
исключительно отечественных конструкций. Наибольшее распростра-
нение получили две системы печей: ПВР и ПК-2К-
В 1958 г. была введена в эксплуатацию первая батарея из 77 пе-
чей с камерами объемом 30 м3.
В дальнейшем были спроектированы батареи с печами объемом
32,4 м3. Несколько батарей с такими печами, которые в настоящее
время строятся в качестве типовых, уже введены в эксплуатацию. Го-
довая проектная мощность таких батарей 830 тыс. т кокса. Проек-
тируются батареи еще большей мощности.
Таблица 1. Производство кокса, млн. т
Годы
Страна-производитель 1938 1950 1960 19с: j i£)7u ! i
Мировое производство 142,3 181,6 279,0 31С,А 348.3 |
СССР 21,1 27,7 56,2 6/,о
США 29,0 66,0 51,9 60,6 uO.O : c!-.’1
ФРГ — 30,6 47,7 43,3
Япония 2,9 2,7 8,2 16,0 ; 4 4,3 i
Англия 13,0 15,7 19,0 17,3 i 1 J.1/
Как видно из табл. 1, с 1960 г. по объему производства кокса Со-
ветский Союз занимает первое место в мире. В 1974 г. в нашей стране
произведено 84,4 млн. т кокса.
Советские коксохимические заводы представляют собой современ-
ные мощные механизированные предприятия с передовой технологией,
обеспечивающей выпуск не только высококачественного кокса, но и
широкого ассортимента химических продуктов коксования.
Наряду с развитием отечественной коксохимии Советский Союз
оказывает большую техническую помощь в развитии коксохимической
промышленности ряду дружественных социалистических стран, а
также многим молодым развивающимся государствам Азии и Африки.
§ 2. РОЛЬ И ЗНАЧЕНИЕ КОКСОХИМИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА
В НАРОДНОМ ХОЗЯЙСТВЕ
Коксохимия — важное звено всего народного хозяйства.। Основ-
ным потребителем кокса является доменное производство, гдё обычно
используют крупный кусковой кокс («металлургический», или «домен-
ный») размерами более 25 мм или более 40 мм. В литейном производ-
стве используют только крупнокусковой кокс.
В агломерационном производстве употребляют мелкие сорта кокса
(«коксовая мелочь»). Технологически кокс выступает здесь в роли топ-
лива и частично восстановителя.
В ферросплавном производстве применяют сортированный коксик
крупностью 10—15 мм— «коксовый орешек». Тут кокс играет роль
углеродистого восстановителя,
В цветной металлургии крупный кокс служит восстановителем и
топливом при восстановлении свинцовых, оловянных и медных руд
в шахтных печах. Разрыхление столба плавильных материалов кус-
ками кокса играет здесь меньшую роль, чем в доменном процессе из-за
меньших размеров печи. В производстве цинка применяют коксовую
мелочь. Особый вид кокса, содержащий мало золы и серы, применяют
при изготовлении электродов для ферросплавов и в алюминиевой про-
мышленности.
'Z Кокс применяют также в шахтных печах для обжига известняка и
цемента, для получения воздушного, генераторного, водяного, паро-
кислородного и паровоздушного газов, при производстве карбида
кальция в специальных электропечах. Часть кокса используют к
энергетическое топливо.
Один из важнейших летучих продуктов коксования —коксовь,
газ — используют в качестве энергетического топлива (сжигание под
котлами ТЭЦ, ПВС, ЦЭС), как технологическое топливо для марте-
новских печей (наряду с природным газом), нагревательных колодцев
и печей в прокатных цехах, а также в других целях.
В современной металлургической промышленности комбинирование
металлургического и коксохимического производств по совместному
использованию коксового (теперь и доменного) газа стало уже тради-
ционным. Водород коксового газа используется как сырье при синтезе
11
аммиака; попутно используются такие ценные компоненты коксового
газа, как этиленовая фракция.
С применением кислорода в металлургическом производстве начато
использование для синтеза аммиака отбросного азота кислородных
установок. Таким образом, создается комплекс производств: коксо-
химия — металлургия — азотное производство с использованием всех
видов получаемого химического сырья|В химических цехах коксохи-
мических предприятий СССР ежегодно производятся сотни тысяч тонн
различных продуктов. Коксохимическая промышленность является
основным поставщиком таких видов химического сырья, как бензол,
нафталин, фенолы, лрезолы, ксиленолы, пиридин и его гомологи, ант-
рацен, аценафтен, кумароновые смолы, каменноугольные масла, ро-
даниды натрия и аммония и др.
Бензол — основное сырье для производства изопропилбензола,
капролактама, этилбензола и других важных продуктов.
Нафталин используется для производства фталевого ангидрида —
основного полуфабриката для получения полиэфирных смол, пласти-
ческих масси пластификаторов. В процессе переработки каменноуголь-
ной смелы получают много пека (приблизительно 50% общей массы
смолы), который применяют как связующее вещество в алюминиевом,
электродном и брикетном производствах, для выработки толя, в дорож-
ное строительстве, а также для защиты металлоконструкций от корро-
зии.
Каменноугольные масла применяются в качестве антисептика, в
производстве сажи и для других нужд. Фенольные продукты коксо-
химического производства находят применение в производстве фенол-
формальдегидных смол, пластификаторов, пресс-порошков, синтети-
ческих клеев, гербицидов и др.
Аммиак из коксового газа перерабатывают на сульфат аммония —
азотное удобрение, широко применяемое в сельском хозяйстве. При
коксовании углей Донецкого бассейна, содержащих значительное ко-
личество серы, коксовый газ очищают от сероводорода и получают в
ниде товарных продуктов элементарную серу или серную кислоту.
Таков далеко не полный перечень продуктов коксохимической про-
мышленности, имеющих большое значение во многих отраслях народ-
ного хозяйства.
Раздел I. КОКС КАК МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОЕ СЫРЬЕ
Г л а в а I. СОВРЕМЕННЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К КОКСУ
§ 1. ДОМЕННЫЙ ПРОЦЕСС И ТРЕБОВАНИЯ К КОКСУ
Выплавка железа из железосодержащих руд—доменный процесс —
протекает в доменных печах. В доменной шихте железо содержится в
виде оксидов и выделяется в результате восстановительных процес-
сов. Минеральные примеси, сопровождающие железо, переходят при
этом в шлак. В шлаке содержатся соединения, имеющие в расплав-
ленном состоянии меньшую плотность, чем железо, и не растворимые в
железе. Часть минеральных примесей восстанавливается вместе с же-
лезом и растворяется в нем.
Чугун, получаемый в доменных печах, представляет собой сплав
железа с другими элементами, главным образом с углеродом, марган-
цем, кремнием, серой, фосфором.
Доменная печь является печью шахтного типа. Сырые материалы
подают в нее сверху, а чугун и шлак выпускают снизу. Кокс подается
отдельными порциями попеременно с другими плавильными матери-
алами.
Снизу в доменную печь через фурмы вдувают предварительно нагре-
тый воздух. Компонентами дутья могут быть кислород, природный или
другие восстановительные газы, водяной пар. В зоне фурм кокс сгора-
ет, окисляясь до СО2. На границах образовавшихся зон горения полу-
чившийся углекислый газ соприкасается с раскаленным углеродом
кокса и переходит в оксид углерода. Горение кокса является основным
источником тепла в доменной печи. Оксид углерода, подымаясь вверх,
взаимодействует с оксидами металлов, восстанавливая их, в зависимос-
ти от температуры в зоне, по одной из реакций:
3Fe2O3 + СО = 2Fe3O4 + СО2-|-37,13 Мдж (8870 ккал)',
Fe3O4 -f- тСО = 3FeO -f- СО2 -f- (т — 1) СО — 20,89 Мдж (4990 ккал)\
FeO 4- «СО = Fe + СО2 -f- (л — 1) СО + 13 Л4йж (3250 ккал).
В состав плавильных материалов входят различные флюсы, которые
облегчают плавление минеральной части и образование шлаков. Флю-
сами служат карбонаты кальция и отчасти магния. При нагревании
они легко разлагаются с выделением СО2 и образованием оксидов ме-
таллов.
Горячие газы, поднимающиеся вверх, нагревают доменную шихту
верхних горизонтов и подготавливают ее к последующим реакциям.
В верхней части доменной печи газ выводится и, пройдя пылеочистку,
используется в качестве топлива.
Чтобы обеспечить наилучшие условия нагрева и протекание хими-
ческих реакций, необходим одинаковый контакт реагирующих веществ
13
на каждом участке любого поперечного сечения доменной печи. Это
требование выполняется не столько за счет равномерного распределе-
ния плавильных материалов по сечению печи, сколько за счет равномер-
ной газопроницаемости их. Если газопроницаемость шихть?на каком-то
горизонте будет по сечению разной, газы устремятся через каналы с
меньшим сопротивлением, что неблагоприятно повлияет на процесс.
В доменной печи объем загружаемого кокса близок к объему за-
гружаемых плавильных материалов. Если учесть,' что плавильные ма-
териалы к нижним частям печи подходят в жидком состоянии, а кокс
является единственным твердым материалом, становится ясной роль
кокса как основного наполнителя и разрыхлителя столба шихтовых
материалов.
При движении сверху вниз в доменной печи кокс истирается в ре-
зультате трения кусков друг о друга, а также о другие компоненты
шихты и кладку доменной печи. Этому способствует восходящий поток
газов, насыщенный пылевидными частичками шихтовых материалов.
Образующаяся в результате истирания коксовая мелочь, как и дру-
гие мелкие материалы, сосредотачивается в осевой части доменной пе-
чи, делая этот участок малопроницаемым для газов. По этой же при-
чине нежелательно разрушение крупных кусков кокса, обязательно
сопровождающееся образованием мелочи. Коксовая мелочь повышает
вязкость шлаков, а следовательно, и дренируемость их и определяет
ряд других последствий, вызывающих расстройство нормальной работы
печей. Поэтому большое значение имеет снабжение доменных печей
прочным коксом равномерной кусковатости.
Современный доменный прдчиас характеризуется высокой глкг-
сивностью, которая достигается за счет щк’.шарнтсльнон подгетэикз
железосодержащей части шихты (нсаолмюшншс уфлюсовлнсго агло-
мерата и окатышей), высокой температуры дутья С’9 '•СйО"С’.1 бо,:п.>.
использование природного гзз.з и др. Это снижает рцс.тод кокс;.' . и
тонну выплавляемого чугуна, пл к качеству коки 'фебльм.’.т.ч се... . -
вятся более жесткими.
Кокс, как и прежде, явт.сстся основным источникам те.ила, шю-.и-
новителем и разрыхлителем. Но потребление кокса определяется у:
не столько тепловым балансом доменной плавки, сколько шю-ктод :-
мостью обеспечить с”-'-деленную газопроницаемость столы то.дхтоа.
материалов, кото ы многом зависит от крупности и. ркто; тощ..«
кусков кокса. В с этим роль этих характеры сток гюмраетает.
Гранулометричес...... состав кокса должен быть близок к гра;1ул.т.;ет-
рическому состаьу остальной части шихты.
Ниж предел крупности кокса на бэлзпплто’та1 .атодтоз .С
ского Со ) а принимается 25 или 40 мм (посредипн для ау: пыл
ных lu t Б отдельных случаях пргл- .1 юу-пщ.. .
1 ’ Ф)—оО мм, 40—80 мм и 25—бфащ я для 'Г.Р а а \ делкая ;
а и — класс крупности 25—40 мм. EC есех случтос ; .длаа: -
' сти гранулометрического а,а ФтотощтояТ!Ю сдал пл.
по показателях доменной плз тол
Хогда в шихте доменных л-й дТОФтод дуа к:,-к лплч
. сновался кокс с больиггд То;ептолто листолн.: ллдссап йлл -
ристикой крупности являлось содержание в коксе кусков размерами
более 60 мм (% по массе). G точки зрения равномерности ситового
состава особый упор делался на увеличение содержания кокса класса
60—80 мм. На последнем требовании особенно акцентировалось вни-
мание в связи с увеличением размеров доменных печей и снижением
расхода кокса на тонну чугуна. В настоящее время многие известные
советские специалисты считают, что в современных условиях целесо-
образно использовать в доменных печах кокс крупностью 30—60 мм.
За рубежом используют для доменной плавки крупные классы
кокса более 40 мм, более 60 мм и даже более 80 мм (ФРГ, Франция)
и мелкий кокс, иногда специально дробленый. В США, например, для
доменных печей используется кокс с размерами кусков менее 70 мм.
Имеются данные о хороших результатах использования кокса круп-
ностью 20—50 мм. В Японии применяют кокс крупностью от 25 мм,
но некоторые доменные печи работают на узких классах мелкого кок-
са (20—40 мм, 25—60 мм, 25—70 мм и даже 10—40 мм).
В настоящее время считают необходимым применять в условиях
современной доменной плавки прочный кокс пониженной крупности
с высокой равномерностью до„размерам кусков.
'Крупность, форма и равномерность кусков по величине определя-
ют газопроницаемость насыпной массы кокса. Кроме того, от этих по-
казателей зависит величина поверхности в единице массы, а, следова-
тельно, и интенсивность идущих на поверхности кусков реакций
углерода кокса с кислородом и углекислым газом.
Прочность кокса определяется степенью изменения его грануло-
метрического состава при наложении разрушающих усилий. Различа-
ют дробимость кусков (склонность к разделению на большее число
кусков меньших размеров) и истираемость (склонность к потере мелочи
с поверхности кусков).
Абсолютные показатели влажности кокса в доменном производстве
практически значения не имеют, так как влага испаряется на колошни-
ке доменной печи, где желательно снизить температуру, и, следова-
тельно, на восстановление рудной части шихты и образование продук-
тов доменной плавки не влияет. Но содержание влаги в коксе должно
быть постоянным, так как изменения его отражаются на содержании
углерода в единице массы кокса, что может сказаться на тепловом со-
стоянии доменной печи.
Для максимальной производительности доменных печей, наряду
с применением прогрессивных технологических методов, особое зна-
чение приобретает ^снижение доли балласта, вводимого в печь, в част-
ности золы и серы кокса... '”л"ж
Влиянием зольности и сернистости кокса на показатели доменной
плавки уже давно занимаются специалисты доменного производства.
Их выводы, не всегда согласующиеся в частностях, но вполне опреде-
ленные в сб щем смысле, подтверждают заз ш имсс ть ^цельного расхода
и производительности доменной печи от зольности кокса . Увеличение
зольности кокса повышает его расход из-за увеличения количества
необходимых флюсовых материалов и определенного количества тепла
для плавления и перевода золы в шлак.
15
Еще большим резервом повышения показателей доменной плавки
является снижение сернистости кокса. В современных условиях веде-
ния доменного процесса с применением офлюсованного агломерата ос-
новная часть серы вносится в доменную печь с коксом. При высокой
сернистости кокса приходится увеличивать количество шлаков и при-
менять основные, более вязкие шлаки, что повышает требования к фи-
зико-механическим свойствам кокса, а также увеличивает расход флю-
сов. Офлюсование и повышение основности агломерата снижает его
прочность. Часть серы кокса переходит в чугун, снижая его ка-
чество.
В коксе сера связана с его органической массой и с минеральной
частью. Органическая сера отрицательно влияет на ход доменной
плавки и качество металла, так как, переходя в газ, энергично взаимо-
действует с рудной частью шихты. Сера между металлом и шлаком мо-
жет перераспределяться уже ниже горизонта воздушных фурм; по-
вышение содержания серы в шихтовых материалах требует увеличения
количества шлака для предупреждения повышения содержания серы
в чугуне. Большое содержание серы в стали, полученной при переделке
сернистых чугунов, делает ее красноломкой (при прокатке появляются
рванины). У литейного чугуна с увеличением содержания серы повы-
шается вязкость, что ухудшает заполнение форм.
Установить количественные зависимости между сернистостью и .
зольностью кокса, с одной стороны, и производительностью доменных
г:гчей и расходом кокса, с другой стороны, трудно, так как на произво-
дительность и расход влияют степень подготовки железорудной части
шихты и условия ведения процесса. Исследования отечественных и за-
рубежных ученых дают следующие интервалы зависимости: при сниже-
нии сернистости кокса на 0,1% расход кокса снижается на 0,8—3,5%,
причем эффект уменьшается при снижении абсолютной величины сер-
нистости кокса; производительность доменных печей при этом увели-
чивается на 2—8%; снижение зольности на 1% уменьшает расход
флюсов на 1,0—1,5% и снижает расход кокса на 1,5—2,5%; производи-
тельность доменной печи возрастает на 1,5—2,5%.
В настоящее время, вследствие снижения расхода кокса на тонну
чугуна, в доменную печь вводится значительно меньше золы и серы.
Таким образом, вредное влияние их снижается, хотя продолжает
оставаться весьма существенным.
Фосфор и мышьяк, содержащиеся в коксе, обычно почти полностью
переходят в чугун. Даже небольшие количества фосфора и мышьяка
резко ухудшают механические свойства металла. Поэтому в коксах,
предназначенных для выплавки специальных чугунов, содержание
фосфора и мышьяка жестко регламентируется.
В фурменной зоне кокс должен быть наиболее химически активным
(быстро сгорать у фурм), определяя этим быстрое опускание шихтовых
материалов и образование большого количества восстановитель! ого
газа. В шахте доменной печи (зона непрямого восстановления) мгс
должен быть минимально активным, чтобы образовавшийся углокгс-
лый газ не переходил в оксид углерода, вызывая этим беспол ы: ? го
трату кокса. Поэтому используют кокс с низкой химической
ностью, который в современных условиях форсированного доменного
процесса может быть легко сожжен у фурм.
Советские специалисты, имеющие опыт эксплуатации самых боль-
ших в мире доменных печей, считают, что современная форсированная
доменная плавка требует кокса пониженной реакционной способнос-
ти. Справедливо также то, что чем лучше подготовлены плавильные
материалы, тем меньше реакционная способность кокса влияет на его
расход и интенсивность плавки.
Зависимость между химической активностью кокса и его удельным
расходом количественно определена прямыми опытами, поставленными
в ФРГ. Результаты их свидетельствуют о том, что при снижении реак
ционной способности кокса вдвое удельный расход его уменьшается
на 30—40 кг.
Итак, доменный кокс должен иметь: 1) высокую прочность и рав-
номерность кусков, размеры которых должны соответствовать уровню
подготовки остальной части доменной шихты; 2) возможно меньшее
содержание балласта (золы, серы, фосфора и др.); 3) минимальную реак-
ционную способность.
Большое значение придается не только качественным показателям
кокса, но и их стабильности. Анализ работы некоторых металлурги-
ческих заводов показал, что резкие колебания качества кокса в течение
суток в большей степени снижают производительность, чем стабильное
ухудшение качества кокса. Таким образом, постоянство всех показа-
телей кокса является необходимым условием хорошей работы домен-
ных печей.
§ 2. ТРЕБОВАНИЯ К ЛИТЕЙНОМУ КОКСУ
Литейный кокс по потреблению занимает второе место после домен-
ного среди других видов металлургического кокса. В СССР на его долю
приходится немногим более 6% всего производства. При использова-
нии кокса в вагранках его роль как восстановителя сводится к миниму-
му. Поэтому подавляющее большинство специалистов считает лучшим
литейный кокс с низкой реакционной способностью и низкой порис-
тостью. .
Количество шлаков в вагранках ограничено, поэтому для процесса
требуется низкозольный и малосернистый кокс.
Литейный кокс должен быть прочным и крупнокусковым. Размеры
кусков литейного кокса должны превышать 40 мм, а для вагранок
диаметром свыше 1,2 м — 80 мм. За рубежом требования к крупности
литейного кокса почти такие же. Так , по американским требованиям
минимальная величина кусков должна составлять около 1/12 диаметра
вагранки; в ФРГ принят минимальный размер кусков около диа-
метра вагранки; английские специалисты считают наиболее подходя-
щим кокс размером не менее 50,8 мм для вагранок диаметром 610—
760 мм ,не менее 76 мм —для вагранок диаметро м до1220 мм, и не ме-
нее 102 мм — для еще больших диаметров.
Повышенная крупность кусков литейного кокса и пониженная по-
ристость их снижают удельную поверхность кусков, что обеспечивает
17
создание высоких температурив узкой зоне плавления. При уменьше-
нии размеров кусков кокса удельная поверхность возрастает, скорость
горения увеличивается и при этом бесполезно расходуется углерод
кокса в верхней части вагранки на реакцию '
СО2 + С = 2СО.
Куски литейного кокса должны быть близких размеров. Это способ-
ствует их равномерному распределению по сечению, вагранки и созда-
ет благоприятные условия для равномерного распределения газов.
§ 3. ТРЕБОВАНИЯ К КОКСУ ДЛЯ ФЕРРОСПЛАВОВ
Ферросплавы — это специальные чугуны, в которых содержание
одного или двух элементов повышено. Ферросплавы используют в
качестве'специальных добавок при производстве стали. Широко при-
меняют ферросилиций (содержание кремния 13% и более), ферромар-
ганец (до 80% марганца), феррохром, силикокальций, силикомарга-
нец и др.
Основное количество ферросплавов в настоящее время выплавля-
ется в электропечах. Углеродистым восстановителем является сорти-
рованный коксик крупностью 10—25 мм (коксовый орешек). Для этого
используется свыше 40% всего поставляемого коксохимической про-
мышленностью коксика 10—25 мм, а также небольшое количество
кокса класса 25—40 мм. В ГОСТ 8935—66 нормируются влажность
коксового орешка, предельная зольность и содержание мелочи менее
10 мм. Коксовый орешек и другие сорта кокса, применяемые в ферро-
сплавном производстве, как правило, дополнительно дробят на валко-
вых дробилках и сортируют до класса 5—20 или 5—15 мм.
• В литературе есть указания, что наилучшие показатели работы фер-
росплавных печей получены при использовании кокса класса 5—15 мм.
Работу электропечи ухудшают как большое количество мелочи менее
5 мм, так и наличие крупных классов. Очень важными характеристи-
ками коксика как углеродистого восстановителя для ферросплавного
производства являются повышенная*реакционная способность и вы-
сокое удельное электросопротивление при температурах 1500—1700° С.
Если восстановитель имеет большее электросопротивление, посадка
электродов в ванне более глубокая, тепло концентрируется в нижних
зонах ванны, тем самьри производительность печи повышается.
^/Необходимость повышенной реакционной способности кокса, ис-
пользуемого для производства ферросплавов, идет вразрез с требова-
ниями к литейному и доменному кокеу, в процессах производства ко-
торых отсортировывается коксовый орешек. Поэтому изучены методы
повышения реакционной способности коксика путем обработки его
раствором известкового молока с последующей сушкой, добавки в
шихту для коксования различных реагентов и др.
Удельное электросопротивление является функцией степени готов-
ности коксового пирога (т. е. конечных температур в осевой плоскости).
Повышение удельного электросопротивления ухудшает истираемость,
реакционную способность, пористость и другие показатели важные
18
для доменного и литейного производства. Поэтому полностью удов-
летворить требования ферросплавного производства могут только лишь
специальные виды кокса.
§ 4. ТРЕБОВАНИЯ К КОКСУ КАК АГЛОТОПЛИВУ
В качестве топлива при агломерации железных руд используют
обычно коксовую мелочь крупностью 0—10 мм, расход которой на тон-
ну готового агломерата составляет 70—85 кг.
10% коксовой мелочи, получаемой на коксохимических заводах,
используется в цветной металлургии и других отраслях промышлен-
ности. Но даже всей производимой мелочи не хватило бы для агломе-
рации железных руд, поэтому в качестве агломерационного топлива
используют не только коксовую мелочь, а и другие сорта: сортиро-
ванный кокс крупностью 25—40 мм, коксик 10—25 мм и отсевы мел-
кого кокса с грохотов доменных цехов. Все сорта кокса перед исполь-
зованием измельчаются, так как наилучшие показатели процесса до-
стигаются при крупности частичек спекаемого материала не более5л/ж
и топлива не более 3 мм. Чем меньше крупность топлива, тем меньше
его должно быть в шихте.
Из показателей качества коксовой мелочи, используемой для агло-
мерации железных руд, нормируются содержание влаги, зольность
и выход летучих веществ. Особо важное значение имеет зольность
агломерационного топлива, так как высокое содержание золы, пере-
ходящей в агломерат, снижает содержание железа в нем и увеличивает
количество балласта в процессе доменной плавки.
Исследования показывают, что замена сырой руды в доменной
шихте агломератом уменьшает удельный расход кокса примерно на
13,5%. Из этих 13,5% на процесс агломерации расходуется около 9%.
Приведенные цифры наглядно характеризуют рациональность исполь-
зования топлива для агломерации.
§ 5. ДРУГИЕ ТРЕБОВАНИЯ К КОКСУ
При использовании кокса для восстановления руд цветных металлов (свинца,
олова, меди) в шахтных печах к его механической прочности и содержанию мелочи
предъявляются требования, отличные от требований к доменному коксу. Для этих
целей используется кокс крупностью более 25 мм или более 40 мм. Часто в цветной
металлургии, например при плавке окисленных никелевых руд, применяется высоко-
сернистый кокс. Это позволяет уменьшить или вовсе исключить серосодержащие
добавки, необходимые по условиям технологического процесса.
Коксовая мелочь применяется в цинковом производстве при переработке цинко-
вых кеков • В этих случаях лимитируются зольность содержание серы, содержание
мелочи менее 1 мм и содержание крупного класса более 10 мм.
Содержание кокса класса более 10 мм лимитируется также в коксовой мелочи,
потребляемой в электродном производстве.
Крупный кокс (более 40 мм) для изготовтения электродов в ферросплавном и алю-
миниевом производстве должен иметь пониженные зольность и сернистость, быть ме-
ханически прочным, содержать как можно меньше кусков размером менее 40 мм. Нор-
мируется также удельное электросопротивление такого кокса.
В отдельных случаях для приготовления электродов вырабатывают особо чистый
кокс (0 5—2,0% золы и менее 0,5% серы) из угольных концентратов глубокого обо-
гащения или смесей пека с особо чистыми углями.
19
Для газогенераторов используются сорта кокса с развитой удельной поверхнос-
тью (классов крупности 10—25 мм и 25—40 мм)- Этот кокс должен быть высоко го-
рючим и реакционноспособным, крупность его небольшая. Если из генераторов уда-
ляют твердый шлак, зола кокса должна быть тугоплавкой. Для производства кар-
бида кальция берут низкосернистый, низкофосфористый и некрупный кокс (класс
25—40 мм). Небольшая часть кокса в СССР используется и как обычное топливо-
Все требования, предъявляемые к коксу каждого вида, определены государствен-
ными стандартами или ведомственными техническими условиями и обязательны для
выполнения.
Стандарты и технические условия издаются официально соответствующими орга-
низациями. Большую часть норм на качество различных видов кокса можно найти в
справочнике «Металлургическое топливо». М., «Металлургия», 1965.
Глава II. СВОЙСТВА КОКСА
В соответствии с требованиями, предъявляемыми к коксу, свойства
его могут быть разделены на четыре категории: химические (химиче-
ский состав), физические, физико-химические и физико-механические
свойства насыпной массы.
§ 1. ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ КОКСА
Химический состав кокса определяется техническим анализом
(влажность, зольность, сернистость, фосфористость, выход летучих
веществ), а также элементарным анализом (содержание углерода, во-
дорода, кислорода, азота и др.).
Влага в коксе понижает теплоту его сгорания вследствие уменьше-
ния содержания горючих компонентов, а также из-за увеличения рас-
хода теплоты на испарение ее. Обычно влажность товарного крупного
кокса размером более 25 мм составляет 2—3% с колебаниями в от-
дельных партиях не более ±1%. Влажность кокса повышается с
уменьшением размера кусков, что связано с более развитой удельной
поверхностью мелких классов.
Для определения влаги навеску кокса высушивают в сушильном
шкафу при температуре 230—235° С. Рабочей влажностью считают
потерю массы при высушивании, отнесенную к исходной навеске и
выраженную в процентах (Ц7р, %).
Зола кокса (зольность) представляет собой прокаленную смесь
содержащихся в коксе минеральных веществ. Минеральные вещества,
содержащиеся в коксе, снижают теплоту его сгорания вследствие
уменьшения содержания горючих компонентов, а также за счет уве-
личения расхода теплоты на нагрев и плавление минеральной массы.
Зольность кокса определяют постепенно продвигая в нагретую до
850 ± 25° С муфельную печь фарфоровые лодочки с навесками сухо-
го кокса и прокаливая при этой температуре зольный остаток до по-
стоянной массы (ГОСТ 5889—67). Зольностью называют массу остатка,
отнесенную к исходной навеске и выраженную в процентах (Лс, %).
Зольность можно определять еще рентгенометрическим методом
(ГОСТ 11055—67). Сущность метода заключается в измерении интен-
сивности рассеянного и вторичного излучения, возникающего при об-
лучении пробы у-лучами. Для этого используют рентгенометрический
20
золомер типа ЗАР конструкции института «УкрНИИУглеобогаще-
ние».
Понятия «содержание золы» (точнее, зольность) и «содержание
минеральных веществ» не равнозначны. Зольность кокса, определен-
ная по остатку при полном сгорании его, всегда несколько больше со-
держания в нем минеральных примесей за счет перехода железа ми-
неральных примесей при сгорании кокса из металлического и закис-
ного в окисное (трехвалентное); содержание последнего в золе в сред-
нем выше исходного на 30%. Содержание минеральных примесей в
коксе примерно на 0,4% меньше, чем его зольность.
Таблица 2. Химический состав золы кокса, %
Кокс SIO2 А12Оа Fe„O, CaO MgO Р2О, soa Прочие компо- ненты
Донецкий 32,69 26,00 30,66 3,57 0,97 0,30 3,62 2,19
Кузнецкий 56,02 24,69 6,97 4,46 1,67 0,77 2,06 3,36
Магнитогорский 49,81 28,96 9,60 3,76 3,01 0,68 226 1,92
Химический состав золы кокса зависит от состава минеральных
примесей в исходной шихте (см. табл. 18) и колеблется в широких пре-
делах. Основными компонентами золы являются SiO2, А12О3, Fe2O3,
CaO, MgO, SO3 и Р2О5. Состав золы кокса трех заводов представлен в
табл. 2.
Зольность крупного металлургического кокса заводов СССР в за-
висимости от условий его производства и сырьевой базы составляет
9—12%.
Сернистость имеет очень большое значение для характеристики
кокса как металлургического сырья. В кокс переходит от 45 до 75%
серы угля, поэтому, несмотря на уменьшение массы твердого вещества
в процессе коксования, сернистость кокса ниже, чем угля.
Общая сернистость (5обЩ, %) определяется сжиганием навески кок-
са со смесью оксида магния и карбоната натрия (смесь Эшке). Об разе-
вавшиеся сульфаты растворяют и осаждают сульфат-ионы в виде суль-
фата бария, массу которого определяют (ГОСТ 8606—68). Общая
сернистость определяется также ускоренным методом (ГОСТ 4339—65).
Первым методом определяют общую серу при арбитражном анализе,
а также в эталоне (нормали) кокса, используемом при ускоренном
определении содержания серы.
В коксе сера присутствует в двух формах: связанная с органической
массой кокса (органическая сера) и связанная с минеральной его час-
тью (сульфидная сера). Органическая — это сера, растворенная в уг-
лероде кокса, и сера углерод-сернистых комплексов. В минеральной
части кокса сера присутствует в виде сульфидов железа, кальция и
других металлов. Органическая сера составляет 75—80% всей серы
кокса, а сульфидная 20—25%. Содержание сернистых соединений в
коксе различно в зависимости от сернистости коксуемых углей. Для
коксов из углей восточных и северных месторождений СССР сернистость
составляет 0,45—0,75%, для коксов из донецкий углей — 1,6—2,0%.
21
Выход летучих веществ характеризует степень «готовности» кокса,
т. е. степень завершенности реакций, протекающих при коксовании
угля. Выход летучих веществ определяют (ГОСТ 3929—65), нагревая
навеску кокса, смоченного бензолом, в муфельной печи при 850 ±
± 10° С в течение 7 мин. Потерю массы навески кокса определяют в
процентах и относят к абсолютно сухому коксу или к беззольной го-
рючей массе его (Vе, %, или Vr, %). Предельное значение Vr устанав-
ливается ГОСТами для различных коксов от 1,0 до 2%.
В настоящее время в крупном коксе выход летучих веществ обычно
составляет от 0,7 до 1,2%. Допускаемый предел расхождения парал-
лельных определений из одной и той же аналитической пробы равен
0,3%, то есть точность анализа невелика. Поэтому по выходу летучих
веществ в крупных кусках нельзя сравнивать степень готовности кок-
сов. Лучше для этой цели использовать выход летучих веществ в мел-
ких классах кокса (менее 10 лм<), потому что абсолютная его величина
больше (до 10%).
Используемое иногда выражение «содержание летучих веществ»
неправильно, так как в коксе летучих веществ нет, а потеря массы кок-
са при определении выхода летучих веществ объясняется дополнитель-
ным разложением его при прокаливании.
На заводах степень готовности кокса часто контролируют, опреде-
ляя удельное электросопротивление, хотя это и не предусмотрено
стандартами.
Содержание фосфористых соединений в коксе опредатюстся по
ГОСТ 1932—67, если это предусматривается стандартами на кокс.
Фосфористые соединения, углей при коксовании полностью переходят
в кокс в виде фосфатов. Фосфористость кокса определяется фосфорис-
тостью исходных углей и может быть изменена только при изменении
сырьевой базы коксования.
Рассмотренные выше химические анализы предусмотрены схемой
контроля качества кокса и выполняются из среднесменньзх проб кокса.
Элементарный анализ кокса вследствие сложности методики и длитель-
ности определения делают сравнительно редко.
Элементарный состав промышленного кокса, отнесенный к горючей
массе, колеблется примерно в следующих пределах: углерод 96—98%,
азот 0,5—2,0%, водород 0,5—1,0% и кислород 0,2—1,5%).
Различия в составе исходного сырья для коксования сказываются
на элементарном составе высокотемпературного кокса лишь в содер-
жании азота, которого в коксе 75—80% от содержания в исходном
сырье. Остальные составляющие зависят в ссыовьюм от режиме коксо-
вания. Содержание углерода в коксе увеличивается с повышением ко-
нечной температуры коксования, так как летучие вещества кокса об-
разуются за счет выделения водорода и кислорода с частью углерода.
Поскольку азот и кислород являются балластом органической част::
кокса как топлива, то для характеристики кокса обычно определяют
содержание в нем углерода и водорода. Для этого навеску кокса сжи-
гают в токе кислорода с последующим определением количества обра-
зовавшихся СО2 и Н,О.
22
§ 2. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОКСА
К физическим свойствам кокса относятся такие свойства, которые
не зависят от величины, формы и текстуры его кусков. Это — микро-
структура, истинная и кажущаяся плотности, пористость, эжктро-
проводность (или электросопротивление), структурная прочность,,
прочность на раздавливание, а также тепловые свойства кокса (тепло-
емкость, теплота сгорания, температура воспламенения, теплопровод-
ность, температуропроводность).
Таблица 3. Изменение истинной плотности кокса и удельного электросопротивления
в зависимости от конечной температуры коксования по данным Углехимического
института (УХИН)
Конечная температура в осевой плоскости коксового пирога, ®С Истинная плотность кокса, г/см9 Удельное электросопротивле- ние коксового порошка. ом мм2/м
947 1,871 Пй
984 1,873 60'1
1042 1,895 492
Молекулярное строение органической массы кокса во многом
определяется конечной температурой процесса. Основная термоустойчи-
вая часть вещества представлена циклическим полимеризованным уг-
леродом, образующим структурно упорядоченные элементарные еди-
ницы. Рентгенографические исследования показывают, что такими
единицами являются плоские сетки, аналогичные монослою графита,
но удаленные друг от друга на расстояние большее, чем у графита
(3,5 А против 3,36 А).
С повышением температуры конца коксования упорядоченность
структуры возрастает, а расстояние между плоскими сетками умень-
шается. При вторичном нагреве до 1700° С расстояние между ними до-
ходит до 3,45 А. Взаимная ориентация плоских сеток, т. е. трехмерное
упорядочение структуры, характерное для структуры графита, на-
чинается при еще более высоких температурах.
Истинная плотность (масса одного комического сантиметра тонко-
измельченного кокса) определяется по ГОСТ 10220—62 в пикнометре
При измельчении кокса под сито 0,02 см практически устраняется влия-
ние пор, поэтому результат измерения можно считать плотностью кок-
сового вещества Плотность кокса всегда выше плотности коксуемого
угля. При истинной плотности сухой массы коксуемого угля 1,3—
1,4 г/см3 (зольность 7—8%) истинная плотность кокса составляет при-
мерно 1,87 г/см3.
Истинная плотность кокса увеличивается с повышением конечной
температуры коксования. Зависимость между названными факторами
характеризуется данными, представленными в табл. 3; при конечной
температуре коксования 1100°С значение истинной плотности может
составлять 2,0 г/см3.
Кажущаяся плотность представляет собой массу единицы объема
кускового кокса. Для обычных производственных коксов кажущаяся
23
плотность лежит в пределах 0,8—0,9 г!см\ Ее определяют в кусках
размером 25—60 мм. Более крупные куски додрабливают. Масса про-
бы (около 3 кг) определяется после высушивания. Объем кусков уста-
навливают либо гидростатическим взвешиванием, либо волюмометри-
ческим методом после пропитки кусков водой. Затем найденная масса
делится на объем.
Общую пористость кокса рассчитывают на основании данных об
истинной и кажущейся плотности по формуле
du ——1' du
п = ?- • 100, %,
Ац
где da и dK, соответственно, истинная и кажущаяся плотность кокса.
Общая пористость доменного кокса, полученного при обычных
условиях коксования, колеблется в пределах 45—55%.
Кажущаяся, или видимая пористость, — понятие, используемое
наряду с общей пористостью — это отношение объема пор кокса, за-
полняемых водой, к объему исследуемых кусков кокса. Определя-
ется видимая пористость по ГОСТ 10220—62 вместе с кажущейся
плотностью, но дополнительно кокс взвешивают после пропитки водой.
Расчет ведут по формуле:
где Gj — масса сухого кокса; г; G2 — масса кокса, насыщенного водой,
г; G3 — масса кокса, насыщенного водой и погруженного в воду, г;
G2—G3 — объем кусков кокса.
Пористость составляет обычно 85—95% общей пористости. Диа-
метр пор колеблется в пределах от 90 до 1200 мкм.
Количество и размер пор кокса зависят от многих факторов техно-
логического процесса. Так, при большей плотности загрузки порис-
тость меньше. Повышается пористость при увеличении скорости кок-
сования, степени измельчения и выхода летучих веществ исходного
сырья и др.
При вторичном нагреве до 1500° С в нейтральной или восстанови-
тельной среде общая пористость возрастает на 5—7% при одновремен-
ном увеличении истинной плотности кокса. Видимая пористость для
доменного кокса составляет 40—50%, а для литейного — 35—45%.
Удельное электросопротивление или обратную величину — удель-
ную электропроводность часто используют в практической работе
при оценке качества кокса и характеристике температурного режима
коксования. Этот показатель определяют как для монолитного слоя
кокса (в целике), так и для коксового порошка. Удельное электросо-
противление кокса уменьшается при росте и упорядочении углеродных
сеток коксового вещества с повышением температуры процесса коксо-
вания (табл. 3). Поскольку удельное электросопротивление кокса
практически зависит только от температурного режима, величина
удельного электросопротивления может быть характеристикой тем-
пературных условий коксования. На практике чаще пользуются мето-
дикой, по которой определяют электросопротивление спрессованного
24
при давлении 14,7 Мн/м2 (150 кгс/см2) цилиндрического брикета из
коксового порошка, который предварительно освобождается от ме-
талла с помощью магнита. Результаты определения пересчитывают в
единицы измерения (ом • мм21м). При этих определениях обычно поль-
зуются аналитической пробой кокса, которую подготавливают для
производства технического анализа.
В 1971 г. в Днепропетровском металлургическом институте
(ДМетИ) был предложен метод измерения электросопротивления на
кусках кокса произвольной формы (четырехзондовый метод). Этим
методом определяют электросопротивление собственно вещества кокса,
тогда как при измерениях на порошках эту величину точно определить
невозможно из-за влияния переходных сопротивлений между отдель-
ными зернами. Особая методика замеров практически полностью ис-
ключает влияние трещин в кусках на результаты измерений. Изме-
ренное таким методом электросопротивление в несколько раз ниже ве-
личины, получаемой при измерении электросопротивления порошков
из тех же коксов. Обе величины хорошо согласуются между собой.
По классам крупности наибольшее электросопротивление показы-
вает класс ниже 10 мм и 10—25 мм, а наименьшее — класс 25—40 мм,
что объясняется спецификой условий их образования.
Сопротивление кокса раздавливающим усилиям (сопротивление
сжатию) определяют при испытании кусков кокса без наружных тре-
щин на соответствующих аппаратах. О. Зиммерсбах считал, что со-
противление кокса раздавливанию должно быть не менее 9,8 Мн/м2
(100 кгс/см2), хотя даже в современной доменной печи давление шихто-
вых материалов на уровне фурм составляет 0,29—0,34 Мн/м2 (3,0—
3,5 кгс/см2). Не говоря уже об условности полученных результатов
испытания (свойства образцов могут значительно различаться), боль-
шинство коксов показывает сопротивление сжатию в пределах 9,8—
19,6 Мн/м2 (100—200 кгс/см2). Считают, что обычные коксы, применя-
емые в практических условиях доменной плавки, удовлетворяют тре-
бованиям доменного процесса в этом отношении. В последнее время
начали испытывать на сжатие раскаленные образцы кокса, ибо, по
общему мнению, раскаленный кокс имеет значительно меньшее сопро-
тивление сжатию.
Твердость кокса определяется твердостью стенок пор. Твердость
кокса оценивают по его абразивной способности, которую определяют
пс"потере веса алюминиевого диска, вращающегося со скоростью
30 об!мин относительно навески кокса крупностью менее 0,5 мм, при-
жимающейся под давлением 0,24 Мн/м2 (2,5 кгс/см2) (метод Я. Е. Гинс-
бурга). Твердость по Я. Е. Гинсбургу зависит от свойств исходного
сырья, плотности засыпи и повышается с увеличением температуры в
конце коксования. Скорость нагрева и продолжительность выдержки
при определенной температуре существенно не влияют на показатели.
Для промышленных коксов заводов Юга СССР показатель твердости
находится в пределах 70—140.
По данным ДМетИ закономерного изменения твердости кокса раз-
личных классов крупности нет, но класс 25—40 мм во всех случаях наи-
более твердый.
25
Известен также метод определения твердости по затрате работы на
образование единицы объема вещества кокса при шлифовании образца
в форме призмы наждачным полотном под давлением 0,068 Мн!м2
(0,7 кгс!смг).
Структурная прочность кокса обусловлена твердостью и толщиной
стенок пор. Она определяется испытанием зерен размером 3—6 мм,
полученных при дроблении кусков кокса. Структурная прочность
по методу Н. С. Грязнова из Восточного углехимического института
(ВУХИН) находится по количеству (в %) оставшегося кокса крупнее
I мм после совместного вращения кокса и металлических шаров диа-
метром 15 мм в стальном цилиндре с внутренним диаметром 25 мм и
длиной 300 мм при скорости 25 об!мин в течение 40 мин. Цилиндры
вращаются вокруг поперечной оси в специальном держателе. Проч-
ность может характеризоваться и работой, затраченной на образова-
ние единицы новой поверхности. Для этого определяют внешнюю по-
верхность класса менее 1 мм в поверхностемере Гипроцемента (аппарат
Товарова), вычисляют приращение поверхности и относят его к коли-
честву затраченной работы. Поскольку работа и начальная поверх-
ность постоянны, основное различие заключается в величине поверх-
ности мелочи, отсеянной на сите 1 мм.
Структурная прочность кокса зависит от природы коксуемых углей
и режима коксования (она выше при больших конечных температурах
процесса). Для различных классов крупности одного и того же метал-
лургического кокса структурная прочность увеличивается с уменьше-
нием крупности кусков и с увеличением плотности загрузки. Струк-
турная прочность доменных коксов изменяется в пределах 65—
85%.
Показатель структурной прочности кокса применяется при различ-
ных исследованиях, связанных с совершенствованием слоеввго про-
цесса коксования и изучением новых технологических приемов подго-
товки шихты и получения кокса.
Иногда при оценке качества кокса используют показатели его теп-
ловых свойств, например теплоту сгорания.
Теплота сгорания кокса всегда ниже теплоты сгорания исходных
углей из-за большей зольности кокса. Поскольку органическая масса
кокса состоит в основном из углерода, теплота сгорания коксов раз-
личается незначительно. Самая низкая теплота сгорания составляет
28050—31400 кдж!кг (6700—7500 ккал/кг). Определяют ее в калори-
метрической бомбе либо вычисляют по данным элементарного состава.
Теплоемкость кокса (на сухую массу) зависит от содержания в нем углерода,
выхода летучих веществ и зольности. Вычисляют ее обычно как среднюю взвешенную
по значениям теплоемкости углерода кокса (принимается по теплоемкости графита),
летучих веществ (по теплоемкости водорода) и золы (по теплоемкости кварца). Теп-
лоемкость кокса зависит от его молекулярной структуры и возрастает для коксов,
полученных при более высоких конечных температурах коксования. Увеличение золь-
ности несколько снижает общую теплоемкость кокса. Практически средняя теплоем-
кость кокса колеблется от 1,4 до 1,5кдж/(кг град) [0,33—0,36 ккал/(кг град)].
Теплопроводность кокса зависит от теплопроводности его орг а ни чес кого вещества,
минеральных примесей, а также от его пористости. В холодном состоянии теплопро-
водность зависит еще и от влажности кокса. Коэффициент теплопроводности моно-
литного куска кокса при нормальной температуре составляете ,46 —0 93 вт ;(м гр а))
26
[0,4—0,8 ккал!(м ч • град)], а при температуре 1000° С— 1,7—2,0 вт (я град)
[1,5—1,7 ккал/(м • ч град) ]. При повышении температуры конца коксования тепло-
проводность кокса увеличивается.
Теплопроводность кокса, как и его теплоемкость, мало зависит от
природы исходных углей. Значения теплоемкости и теплопроводности
кокса важны при различных исследованиях, но мало характеризуют
кокс как металлургическое топливо.
§ 3. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОКСА
К физико-химическим свойствам кокса относят его горючесть, ре-
акционную способность, смачиваемость.
Горючестью называется химическая активность кокса, определя-
емая пропусканием воздуха или кислорода через раскаленный кокс.
Она характеризует скорость сгорания кокса.
Реакционная способность кокса — это химическая активность,
определяемая пропусканием углекислого газа или пара через слой рас-
каленного кокса при определенной температуре. Некоторые авторы
заменяют термин «реакционная способность» термином «восстановитель-
ная способность». Численно реакционная способность выражается кон-
стантой скорости реакции Будуара, которая показывает количество
оксида углерода, полученного на единицу массы кокса в единицу вре-
мени. Эта константа увеличивается с повышением температуры прове-
дения опыта, поэтому сопоставимыми можно считать лишь результа-
ты, полученные при одной и той же температуре опыта.
Определенная при температуре 950° С константа скорости реакции
Будуара для коксов заводов Юга СССР равна 0,09—0,18 мл!(г • с).
При 1050° С константа для этих же коксов находится в пределах 0,47—
0,82 мл!(г • с).
Исследования образцов кокса различных свойств показали, что
горючесть и реакционная способность изменяются параллельно.
М. А. Мейерс считает, что при достаточно точном определении показа-
теля химической активности кокса одним методом можно теоретически
подсчитать показатели реакционной способности, которые будут по-
лучены при испытании любым другим методом. Реакционная способ-
ность определяется по ГОСТ 10089 —62 в пробе с размером кусков ОД —
1,0 мм или 3—4 мм. От размера кусков зависит горючесть кокса: мел-
кие куски кокса имеют большую горючесть, чем крупные, что объяс-
няется более развитой поверхностью мелких кусков. Реакционная спо-
собность кокса зависит от природы исходного сырья и условий коксо-
вания (период коксования и температурный режим).
Наибольшую реакционную способность имеет кокс из малометаморфизовацных
(газовых) углей, а наименьшую — кокс из углей средней стадии метаморфизма —
(коксовых). Увеличение константы скорости реакции с повышением температуры
опыта различно для коксов, полученных из разных углей.
Реакционная способность промышленных коксов уменьшается с повышением
температуры конца коксования .Некоторые исследователи считают ,что определяющи -
ми факторами реакционной способности кокса являются свойства исходного сырья,
другие решающую роль отводят условиям коксования. Оба мнения экспериментально
обоснованы. В пользу первых говорит повышенная реакционная способность кокса
27
из углей низкой стадии метаморфизма, в пользу вторых — зависимость между реак-
ционной способностью и содержанием водорода в коксе, истинной плотностью, элект-
ропроводностью, т. е. свойствами, которые во многом зависят от конечной температу-
ры коксования. По-видимому, в зависимости от конкретных условий, преобладающим
фактором могут оказаться либо свойства исходного сырья, либо условия коксования.
Реакционная способность кокса различных классов крупности по исследованиям
УХИНа уменьшается со снижением крупности класса.
Прямой связи между пористостью и реакционной способностью кокса не установ-
лено.
При разных добавках в шихту, особенно минеральных, пористость и реакцион-
ная способность могут изменяться в противоположных направлениях (пористость
снижается, а реакционная способность увеличивается). Это связано с каталитическим
воздействием некоторых металлов и их оксидов на процесс окисления углерода кокса.
Добавка антрацита в шихту снижает реакционную способность кокса.
Смачиваемость кусков кокса шлаком и металлом, скорость пропит-
ки кусков и сорбционная способность влияют на ход дренирования
жидких продуктов плавки, соотношение зон прямого и косвенного вос-
становления, газопроницаемость столба материалов в нижних зонах
доменной печи и другие условия протекания доменного процесса. Об-
щепринятых взглядов на значение этих свойств, как и достаточных
данных для формулировки требований к ним, пока еще нет.
Сорбционная способность кокса определяется с помощью фотоколориметрических
методов по изменению концентрации различных красителей в растворе. Повышенный
интерес, который в последнее время исследователи проявляют к изучению сорбци-
онной способности кокса, объясняется тем, что при определении реакционной способ-
ности не учитывается влияние поверхности на величину константы скорости реакции
(единицы измерения константы скорости реакции мл/(г с)]. Поверхность может из-
меняться за счет размера и количества пор, что мешает правильно сравнить реакци-
онную способность коксов. Величина сорбционной способности может дать представ-
ление о размерах истинной внутренней поверхности кокса.
По данным УХИНа, коксы, полученные из разных углей и угольных смесей,
а также при различных условиях коксования, адсорбируют метиленовую синь по-раз-
ному. Так, кокс, полученный из газового угля, адсорбирует метиленовую синь в три
раза энергичнее, чем кокс из коксового угля.
Физические и физико-химические свойства кокса по схеме текущего
контроля на коксохимических заводах СССР не определяются, а Госу-
дарственный стандарт СССР не устанавливает определенных значений
этих свойств.
§ 4. ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОКСА
Под физико-механическими свойствами кокса подразумевают круп-
ность кусков, равномерность гранулометрического состава и прочность
по отношению к дробящим и истирающим усилиям, т. е. свойства, свя-
занные с величиной и формой кусков кокса. Эти свойства было бы пра-
вильнее назвать физико-механическими свойствами насыпной массы,
понимая под насыпной массой совокупность кусков и пустот между ни-
ми в состоянии насыпи в данном объеме. При этом крупность, форма
и равномерность кусков (в общем случае — распределение кусков по
размерам) определяют свойства насыпной массы кокса в каждый дан-
ный момент, а прочность кусков кокса, т. е. их способность сопротив-
ляться дробящим и истирающим усилиям, есть фактор стабильности
28
свойств насыпной массы кокса при наложении (воздействии) на нее
разрушающих усилий. Крупность и распределение кусков по размерам
устанавливают по данным ситового анализа.
Насыпная масса как совокупность пустот и кусков кокса, заполняющих какой-то
определенный объем, имеет свою количественную характеристику — величину на-
сыпной массы кокса, т. е. массы кусков кокса в единице объема.
До недавнего времени этот показатель называли «насыпным весом» кокса.
ГОСТ 9867—61 заменил этот термин на «удельную насыпную массу».
Такой показатель в отечественной практике редко применяется для характерис-
тики физико-механических свойств кокса. Иногда удельную насыпную массу изме-
ряют при расчетах, связанных с заполнением коксом различных емкостей. Удельная
насыпная масса изменяется под воздействием на кокс разрушающих усилий и во мно-
гом определяется крупностью кусков, их формой и распределением по размерам
Ситовый, или гранулометрический, состав определяется рассевом
пробы кокса на нескольких ситах с определенными размерами отверстий.
В международной практике приняты сита с круглыми отверстиями
10; 20; 30; 40; 50; 60; 70; 80; 100; 120 и 140 мм в диаметре; а также с
квадратными отверстиями 1/2; 3/4; 1; В/2; 2; 3; 4 и 5 дюймов в стороне
квадрата.
В Советском Союзе для упрощения ситового анализа пользуются
меньшим набором сит: с квадратными отверстиями со стороной квад-
рата 10; 25; 40; 60; 80 мм или круглыми диаметром 10; 20; 30; 40; 60;
80 мм.
Ситовый анализ товарного кокса за рубежом делают вручную, и
только в ФРГ в последнее десятилетие ручной рассев заменяется
механическим.
В СССР с 1955 г. внедрен механизированный рассев товарного кокса.
Ныне действующий ГОСТ 5954—69 предусматривает выполнение си-
тового анализа на грохоте, конструкция которого разработана
УХИНэм.
Масса пробы для ситового анализа составляется из 12 —15 порций
по 20—35 кг каждая. Общая масса всей пробы равна 300—350 кг
(ГОСТ 2669—65).
Равномерная и небольшая нагрузка на грохот обеспечивается пи-
тателем. На грохоте установлены в 2 яруса сита с квадратными от-
верстиями; верхний ярус — сита с отверстиями 25 X 25 (первое по
ходу кокса) и 80 х 80 мм (второе). На нижнем ярусе расположены сита
с отверстиями 40 X 40 и 60 X 60 мм.
Таким образом, кокс делится на куски размерами более 80 мм, 60—
80, 40—60, 25—40 и менее 25 мм. Все куски, прошедшие через сито с
большими отверстиями и оставшиеся на следующем по размерам сите
с меньшими отверстиями, образуют класс кокса. Вместо того, чтобы
определять число кусков в каждом классе, находят общую массу их
и вычисляют процент содержания в коксе класса каждого интервала
крупности. Таким образом, распределение кусков по размерам харак-
теризуется процентным содержанием в коксе кусков дискретных клас-
сов крупности.
Сходимость результатов рассева на механическом грохоте и при
ручном рассеве удовлетворительна. Четкость отделения отдельных
классов составляет от 94 до 98%.
29
При использовании сит с круглыми отверстиями сходимость резуль-
татов ситового анализа выше.
Результаты рассева на ситах с квадратными отверстиями отличают-
ся от результатов рассева на ситах с круглыми отверстиями (при диа-
метре отверстий, равном сторонам квадрата). Это объясняется большей
площадью квадратного отверстия и спецификой формы кусков кокса.
В то же время данные, полученные при рассеве на ситах с одной фор-
мой отверстий, можно расчетом привести к результатам рассева на си-
тах с другой формой отверстий. В среднем коэффициент пересчета ра-
вен 1,14. (Методику пересчета см. «Справочник коксохимика», т. II).
Максимальный размер кусков товарного кокса может равняться
половине ширины камеры коксования, а минимальный зависит от
условий подготовки кокса к использованию.
Таблица 4. Ситовый состав кокса некоторых заводов Юга СССР
Завод Ситовый состав, %, по классам, леи
> 80 60—80 40—60 25—40 < 25
Авдеевский 7,5 23,5 54,0 13,1 1,9
Горловский 4,1 20,4 56,2 16,0 3,3
Криворожский (цех 11) 6,8 29,1 47,1 14,7 2,3
Коммунарский (цех III) 6,6 36,1 47,9 7,3 2,1
Ситовый состав кокса зависит как от технологических факторов
его производства, так и от свойств исходного сырья. Условия коксо-
вания и свойства сырья влияют на содержание в коксе кусков разме-
ром более 80 мм и менее 40 мм. Содержание класса 60—80 мм мень-
ше зависит от условий коксования. Дальнейшая подготовка кокса к ис-
пользованию позволяет в широких пределах изменять ситовый состав
и прочностные характеристики кокса, однако это сопряжено с некото-
рыми потерями ресурсов крупного кокса (в связи с переводом его в
мелкие классы при разрушении).
Представление о ситовом составе товарного кокса некоторых за-
водов Юга СССР и форме его регистрации дает табл. 4, составленная
по среднегодовым данным за 1973 г.
Несмотря на то, что сотовые рассевы кокса длительное время при-
меняются и в исследовательской, и в производственной практике, они
не получили еще должного использования, очевидно, из-за недостаточ-
ной наглядности табличного оформления, результатов ситового ана-
лиза. В то же время есть ряд способов обработки этих результатов с
получением однозначных обобщающих показателей, на которых мы
остановимся ниже.
Форму кусков кокса некоторые исследователи относят к числу важ-
нейших факторов, определяющих газодинамику столба шихтовых ма-
териалов в доменной печи. Существует мнение, что форма кусков во
многом определяет результаты ситового анализа, делая их непоказа-
тельными.
30
Р. А. Мотт и Р. В. Уиллер еще в 30-х годах высказывали мнение,
что хороший кокс должен иметь почти правильное прямоугольное очер-
тание в продольном размере и шестигранное в поперечном. В 1936 г.
Я. О. Габинский и 3. И. Баданова установили, что коксы различных
заводов очень мало отличаются между собой и характеризуются отно-
шением длины к ширине, равным 1,35—1,44 (коэффициент столбча-
тости /<с). Измерения были выполнены на кусках классов до 50 мм.
Второй величиной, хар актерной для описания формы кусков, может
быть коэффициент неква дратности сечения (Ан — отношение ширины
куска — большего размера в поперечнике — к толщине — меньшему
размеру в поперечнике).
Д. А. Мучник, исследовав в 1973—1974 гг. форму кусков кокса
различных заводов Юга СССР всех классов крупности и различных
условий производства, показал, что среднестатистическая величина
коэффициентов столбчатости сохраняется приблизительно постоянной
для одного и того же класса крупности. Так, для класса более 80 мм
Ас = 1,36ч-1,42; для класса 60—80 мм К,. ~ 1,38ч-1,50, для класса
40—60 мм Кс = 1,434-1,58 и для класса 25—40 мм Кс = 1,414-1,54.
Как видно из приведенных данных, у классов кокса 40—60 мм и 25—
40 мм относительно большая столбчатость. Форма кусков несколько
изменилась по сравнению с 1936 г. Коэффициент столбчатости возрос,
что связано с изменением сырьевой базы коксования. Как показали
исследования, дальнейшие изменения сырьевой базы коксования не
должны существенно повлиять на коэффициент столбчатости кусков
кокса.
Коэффициенты неквадратности сечения для коксов всех классов
находятся в пределах 1,2—1,3.
При относительном постоянстве среднестатистических коэффици-
ентов формы внутри каждого класса куски могут быть совершенно
произвольной формы с колебаниями Ас и /<н в пределах от 1 до 3,5.
При разрушении кусков значения Кс несколько уменьшаются, но только для
класса выше 80 мм- Разрушение кусков кокса других классов среднестатистического
значения Кс и Кн не изменяет. В то же время при разрушении видно как изменяется
форма кусков и характер поверхности их: поверхность становится более гладкой, а
куски при глубоком разрушении приобретают яйцевидную форму за счет обтирания
углов и граней, что видно из рис. 1.
Все это свидетельствует о недостаточно четкой характеристике формы кусков
разрушенного кокса коэффициентами KQ и Кн- И. М. Лазовский предложил
определять дополнительную характеристику формы кусков по показателю, числен-
ное значение которого находят отношением действительной средней массы кусокв (g)
к условной (<?) в процентах. Условную массу вычисляют как объем куска (по мак-
симальным размерам), умноженный на кажущуюся плотность, принимая форму куска
в виде параллелепипеда. Кажущаяся плотноесь кокса для всех классов близка к 1.
Если форма кусков —параллелепипед .показатель должен быть равен 100. Вычислен-
ные показатели для коксов заводов Юга СССР имеют по классам следующие значе-
ния: более 80 мм — 34—40; 60—80 мм — 40—50; 40—60 мм — 45—50; 25—40 мм —
50—60.
Распределение кусков кокса по крупности и форма их создают в
совокупности одну из важнейших характеристик насыпной массы —
газопроницаемость.
31
Рис. f. Форма кусков кокса на разных этапах разру-
шен» я:
а — исходный кокс; б — кокс после 10U оборотов барабана;
в — кокс после 1000 оборотов.
Газопроницаемость можно определить экспериментально методом
А. С. Брука и М. Р. Мойсика. Для этого через цилиндр, заполненный
коксом, продувают воздух и определяют потери напора. К. И. Сыс-
ков предложил метод расчета коэффициента газопроницаемости
через критерий подобия гидравлических свойств насыпной массы.
32
Коэффициент газопроницаемости рассчитывают по цитрму.-.е
ne h — безразмерный коэффициент гидравлического сокрот ш.л-ния,
начисленный по формуле
Л = ( —• V V + ЮОо) 3 + 2000 +у1000 j .
Зтесь V— удельный межкусковой объем см3/к?- S — удельная
поверхность кусков, c&Ikz .
Для обычно используемых сит фо рмулл определения значений V
и S имеют вид:
V = 15,5а>80+ 11,3а61)_go + 9,1<з40_(ю+7 6^25-40+ 6 7а10—2б+ 63а<ю‘> (2)
S = 6,7<2>80 + 8,6а60_80 + 12,0а40_60 + 18,5а25_40 + 34,4а10_25 + 12,Оа<10, (3)
где а — содержание в коксе того класса крупности, размеры которого
указаны в индексе.
Обычно значение Г находят, пользуясь специальными та бшцами
или номограммами.
Между потерями напора, определенными по А С Бруку, и коэф-
фициентом газопроницаемости по К. И. Сыскову имеется связь, осо-
бенно если испытывали кокс, не подвергавпийгя разрушению. Для
разрушенного кокса связь эта несколькменыпая
Л А Лучник с сотрудни ками предложил формулы для расчета
аэродинамических характеристик насыпной" массы коксд которые бы
ли получены математической б рб откбиб олнюго числа результа -
тов испытаний по методу А. С. Брука. Формула для определения
удельного гидравлического сопротивления насыпной массы товарного
кокса имеет вид
ДРо = 7,6 — 0,052а^60 — 0,03а40_60 0 1й<25 +
+ 0,00051 а>60а25_45, мм вод. ст./м. (4)
Ф орм/лу можно использовать при содержании в коксе одного из
классов крупности б олее 25 мм в пределж до 60 °/0 и мелочи (менее
25 мм} до (фу
Если удельное гидравлическое сопротивление кокса рассчитыва-
ют после его разрушения в барабанр используют другую формулу:
ДР’ ^4=р,1 45а , <1^02740 оа — 0 0082/а25 4оа425> мм вод. ст./м. (4а)
Ф ормула (4 дает результата , хорошо согласующиеся с экспери-
ментальными данными при содержании в коксе классов более 60 мм
1 и менее 25 мм в количестве до 30 %, а класса 25—40 мм — до 50%.
I Для определения удельной насыпной массы коксов заводов Юга
I СССР можно использовать следующую зависимость ее от грануломег-
I рического состава
Тнас = 420,6 + 1,71а40_60 0,391а>60а40_60 — О,02319а40_60а25__40 +
I + 0,02879а40_60а<25 + 0,Ю47я25_40а<25, кг/м3. (46)
2 5-1611
33
Границы применимости формулы (46) лежат для классов крупно-
стью более 25 мм в пределах 0—60%, а для мелочи —0—25%.
Средний диаметр кусков может быть использован для упрощенной
суммарной характеристики крупности кокса. Как и всякое среднее,
он служит одной из характеристик статистического коллектива при
его описании.
Термин «средний диаметр» кусков кокса, так же как понятие «диаметр» куска,
весьма неопределенный. Понятие «диаметр» неизменно связано с геометрическим
телом в форме шара. Чтобы определить диаметр кусков неправильной формы, их обыч-
но заменяют эквивалентными по свойству шарами и диаметр их принимают условно
за диаметр измеряемого куска. Когда определяется средний диаметр кусков, произ-
водится усреднение, т. е. реальная смесь зерен разной крупности заменяется гипоте-
тической усредненной смесью зерен, имеющих один и тот же средний диаметр. При
этом формула для определения среднего диаметра будет зависеть от принятого опре-
деляющего свойства. Так, если определяющим свойством принять поверхность кусков,
то формула для расчета среднего диаметра выводится из следующих соображений.
Поверхность одного куска, если принять его форму кубической, равна 642. Если
в смеси есть п кусков, то общая поверхность будет равна п • 642. Для всего материала,
состоящего из нескольких классов, поверхность
S =
где — число кусков в классе г; di — средний диаметр кусков класса i.
Масса всех кусков »-го класса: wL = п^б, где б — плотность кокса.
Следовательно,
Аналогично, при усреднении всей массы поверхность ее будет
S = > —- ,
&D
где D — средний диаметр кусков для всей массы кокса.
Поскольку поверхность при усреднении не должна изменяться, имеем
6W(
Вынося постоянные значения за знак суммирования, сократив и сделав преобра<
зования, получаем '
£) =
у Wi
2j de
Такой средний диаметр называют гармоническим.
Используя данные ситового анализа, гармонический диаметр вычисляют по фор'
муле
(5)
„ 100
D = -----, мм.
(6)
.34
В процессах дробления определяющим свойством может быть принят расход энер-
гии на дробление. Если исходить из гипотезы Риттингера, гласящей, что расход
энергии на дробление пропорционален величине вновь образованной поверхности,
формула для вычисления среднего диаметра получается такой же, как и формула (5).
Если процесс дробления рассматривать по Кику — Кирпичеву, полагающих рас-
ход энергии пропорциональным изменению объема тела, то формула следующая:
1пД =
lWi
(7)
либо
In D =
Jj • In 4
100
(8)
Исчисляемый по формуле (7) или (8) средний диаметр известен как диаметр Ког-
хила. Математическая статистика дает следующую формулу для определения средне-
го диаметра кусков:
Рср • мм- О)
Вычисленный по этой" формуле диаметр называют средневзвешенным.
Физический смысл диаметров Когхила и средневзвешенного идентичен.
ГОСТ 5954—69 рекомендует определять средний диаметр кусков
кокса по формуле
п В (д — с) + С (ft — d) + +J(h-fe) + K/ ....
ср 200 ’
где а, Ь, с, d ... h, j, k — ячейки сит, мм-, А, В, С, ..., К — кумуля-
тивные проценты: А = 0%, К = 100% (при k = 0 мм).
Пример расчета
Размер ячеек, мм
а = 100
b =80
с = 60
d = 40
h = 25
7 = ю
k = о
Ситовый состав кокса, %
12,0
37,4
40,2
7,7
1,6
1,1
Кумулятивные проценты
А = 0
В = 12,0
С = 49,4
D = 89,6
Н = 97,3
J =98,9
К = ЮО
п _ 12,0(100 —60)+ 49,4 (80—40)+ 89,6 (60 —25) ,
^ср — 200 +
. 97,3(40—10)+ 98,9(25— 10) + 100 X 10
Н--------------------200-----------------= 59,9 мм.
Определяемый таким образом средний диаметр по величине совпадает со сред-
невзвешенным диаметром. Средневзвешенный диаметр кокса приведенного выше си-
тового состава будет равен
п 90-12,0 + 70 • 37,4 + 50 40,2 + 32,5-7,7 + 17,5 1,6 + 5 • 1,1 п
^ср -----------------------------------гп7Г----’-----------'----’---1------- = 59’9 мл-
100
35
Различных формул, предложенных для определения среднего
диаметра, насчитывается более 20.
В большинстве случаев пользуются средневзвешенным диаметром,:
как более простым в вычислении и дающим определенное представ- ’
ление о средней крупности кокса, либо гармоническим.
Средневзвешенный диаметр кусков обычного доменного кокса
колеблется в пределах 55—65 мм. Для 100% кокса узкого класса
крупности значения средневзвешенного и гармонического диамет- (
ров совпадают и равны серединному интервалу между верхним и
нижним пределом крупности.
Большое влияние на стабильность свойств насыпной массы оказы-
вает трещиноватость кокса. Трещиноватость оценивают по количеству
и протяженности трещин на поверхности куска методом А. С. Брука
и М. Р. Мойсика. Степенью поверхностной трещиноватости кусково-
го кокса называется отношение длины проекций продольных и по-
перечных трещин, видимых на поверхности всех граней куска, к пло-
щади проекций этих граней. Различают продольную, поперечную и
общую трещиноватость.
Общую трещиноватость можно определить рентгенографическим
методом. В этом случае учитываются также внутренние трещины,
т. е. такие, которые не выходят на поверхность кусков. На трещино-
ватость влияют свойства исходного сырья и скорость коксования.
По данным Восточного углехимического института частичная ре-
ализация трещин в результате воздействия разрушающих усилий
незначительно влияет на общую степень трещиноватости.
Степень трещиноватости кусков, размер которых более 60 мм,
находится обычно в пределах 0,15—0,30 см/см2. .
Глава 111- ОЦЕНКА ПРОЧНОСТИ И ЦЕННОСТИ КОКСА
§ 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Под прочностью кокса обычно подразумевают способность его
противостоять дробящим усилиям и истиранию. Сопротивление кок-,
са дробящим усилиям (дробимос.ть) зависит, в основном, от текстуры
кусков: макро- и микротрещиноватости, наличия в кусках ослаб-
ленных мест, формы куска (его столбчатости, характера острых гра-
ней и углов). Таким образом, дробимость кокса, как правило, свой-
ство его кусков. "Что касается сопротивления истиранию (истирае-
мости), то оно зависит от свойств вещества кокса (его структуры),
т. е. его твердости, пористости, характера и размера пор.
Единый метод испытания и оценки физико-механических свойств насыпной мас-
сы кокса на основе моделирования его разрушения в процессе использования до сих <
пор не выбран.
Некоторое время велись усиленные поиски комплексного показателя, однознач-:
но оценивающего кокс как сырье для доменных печей. J
Безрезультатность поисков и интенсивное совершенствование доменного процес-
са привели к единому мнению о том, что более целесообразно и правильно оценивать,
кокс комплексом показателей, каждый из которых характеризует какое-либо конкрет-
ное свойство. К этому выводу пришли не только потому, что роль кокса в доменной!
плавке многогранна, но и потому, что условия ведения процесса и уровень подготовки
.36
остальной части доменной шихты разнятся от завода к заводу и даже от домны к
домне.
Именно поэтому одни и те же качественные показатели кокса в одном случае
могут влиять на ход плавки в доменной печи, а в другом — нет.
Сконструировать для текущего контроля простой испытательный
аппарат, в котором воздействия на кокс имитировали бы условия
доменной печи, пока не удалось. В настоящее время прочностные
характеристики кокса контролируют испытанием «на холоде» в ап-
парате той или иной конструкции.
Для исследования иногда применяют и различные методы испыта-
ния раскаленного кокса. Все методы испытания могут быть клас-
сифицированы по различным признакам, как это сделано на схеме,
Систематизация методов испытания физико-механических свойств кокса
37
в основу построения которой положена систематизация методов ис-
пытания физико-механических свойств (автор А. С. Брук).
Наиболее прост в конструктивном исполнении метод испытания
кокса вращением в барабане. Именно поэтому в мировой практике
разработано и используется более 25 разновидностей испытательных
барабанов. Различие их заключается в преобладании дробящих либо
истирающих усилий и глубине разрушения на конечной стадии испы-
тания.
Дробимость и истираемость проявляются в изменении ситового
состава кокса после наложения разрушающих усилий: дробимость —
в снижении крупности кусков, истираемость — в образовании мело-
чи. Обычно для оценки истираемости кокса пользуются количеством
образующегося при испытании класса менее 10 мм. Доказано, что
в этом классе распределение частичек по крупности неравномерно.
Преобладает и больше всего отражает изменение истираемости кок-
са класс менее 1 мм, но ввиду относительной сложности его отделе-
ния в условиях испытания кокса фактической влажности, пользу-
ются показателем выхода класса менее 10 мм.
При обычных методах испытания прочности кокса одновременно действуют как
дробящие, так и истирающие усилия. Результат испытания зависит от удельного дав-
ления, массы кусков, их формы и других факторов, причем относительное влияние
их различно в зависимости от метода испытания. Поэтому жестко разграничить ре-
зультат воздействия дробящих усилий от результата воздействия истирающих уси-
лий трудно. К этому следует добавить, что мелкие классы частично образуются и при
раскалывании кусков. Однако прямые методы определения истираемости кокса пу-
тем воздействия на него абразивными материалами не нашли распространения в про-
мышленной практике.
Распределение крупности кусков кокса более 15 мм во всех слу-
чаях, будь это товарный, скиповый, фурменный кокс или кокс после
разрушения в барабане, подчиняется одной и той же закономерности.
Если в основу оценки дробимости кокса положить закономерные яв-
ления при разрушении, то показатели дробимости, определенные в
любом из барабанов либо при испытании другим методом, хорошо
согласуются между собой. Относительный ряд, составленный для
различных коксов по результатам испытания в одном аппарате, со-
хранялся бы неизменным при испытании в другом аппарате.
Но на практике показатели, получаемые в различных барабанах
или других аппаратах, зачастую не согласуются между собой. Объяс-
няется это тем, что критерием оценки степени разрушения берется
произвольный показатель, легко фиксируемый, но не связанный с
законами разрушения. Поэтому, рассматривая далее различные мето-
ды испытания, следует учитывать, что оценка результатов разрушения
во всех методах выбрана без должного научного обоснования.
При разрушении кокса во вращающемся барабане куски его трут-
ся о стенки и друг о друга, одновременно они подвергаются ударным
(дробящим) усилиям. Соотношение истирающих и дробящих усилий
при обработке кокса в барабане, как и степень разрушения кусков
в процессе испытания, определяется конструкцией барабана, степенью
его заполнения коксом и режимом испытания, т. е. скоростью вра-
щения барабана и продолжительностью испытания.
38
Впервые в мировой практике испытание кокса в колосниковом барабане («Барабан-
ная проба») было проведено Сундгреном более 70 лет тому назад на заводе в Запо-
рожье-Каменском (ныне Днепровский металлургический завод им. Дзержинского в
Днепродзержинске).
Родоначальниками метода испытания кокса в закрытом барабане являются Ло-
сьен Белл (1904 ;.) и Кохрэн (1909 г.) в Англии, О- Зиммерсбах (1913 г.) в Германии.
Методом Зиммерсбаха, получившем название «микум-испытания», почти без изме-
нений пользовались после первой мировой войны для контроля качества кокса.
В заключение следует отметить, что испытания кокса при обыч-
ных температурах не моделируют процесс его разрушения в домен-
ной печи, так как в ней кокс разрушается при высоких и изменяющих-
ся температурах. Результаты многих исследований показывают, что
прочность раскаленного кокса снижается (как правило, если испы-
тания проводят при температурах более высоких, чем конечная тем-
пература коксования). Однако на основании теоретического анализа
экспериментальных данных о гранулометрическом составе кокса из
нижних зон доменной печи можно считать, что процесс разрушения
кокса в доменной печи подчиняется тем же закономерностям, что и
при испытании кокса в холодном состоянии в изотермических услови-
ях. Поэтому оценка разрушения кокса «нахолоду» вполне удовлетво-
рительна для сравнения прочностных характеристик различных
коксов.
§ 2. МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ПРОЧНОСТИ КОКСА,
ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В СССР
Испытание в колосниковом барабане (называемом иначе бара-
баном Сундгрена) применялось в СССР в качестве основного стан-
дарта (ГОСТ 5353—51) до 1963 г. Им пользуются на некоторых за-
водах и сейчас для оценки качества кокса при текущем контроле и
при исследованиях.
Испытания в барабане Сундгрена проводят так: среднюю пробу
кокса, отсеянную на плетеных ситах с отверстиями 25 X 25 мм, мас-
сой 410 кг загружают в барабан диаметром 2 м и шириной 0,8 м. Об-
разующая поверхность барабана составлена из бичей толщиной 25 мм
с зазорами между ними в 25 мм. Барабан с пробой кокса вращают
в течение 15 мин со скоростью 10 об/мин. Показателем качества кокса
считается масса остатка кокса в барабане (кг) после окончания испы-
тания. Дополнительную характеристику кокса можно получить по
рассеву провала на ситах с квадратными отверстиями 10 X 10 и
25 X 25 мм. При этом выход мелочи класса меньше 10 мм характери-
зует истираемость кокса, а масса класса более 25 мм характеризует
Дробимость его. Остаток в барабане является комплексным показа-
телем, связанным с ситовым составом и прочностью кокса. Увеличе-
ние в исходной пробе кокса крупностью 25—40 мм ведет к увеличению
его количества в провале и уменьшению остатка. Увеличение в пробе
кусков кокса крупностью более 80 мм приводит к увеличению в про-
вале мелочи менее 10 мм и уменьшению остатка в барабане. Так как
39
скорость вращения барабана небольшая, а степень его заполнения
коксом высокая, то истирающие усилия преобладают над дробящими.
Поэтому рассматриваемый метод чувствителен к снижению конечной
температуры коксования, некоторым изменениям свойств сырья и
другим изменениям, которые повышают истираемость кокса. Остаток
в барабане Сундгрена для кокса заводов Юга СССР изменялся в пре-
делах 320—350 кг, а для заводов Востока' СССР — 290— 320 кг.
По данным С. А. Шварца, содержание класса кокса более 60 мм
в остатке может изменяться от 83 до 217 кг при изменении величины
остатка и массы мелочи менее 10 мм в провале, в пределах ошибки
определения.
Метод испытания прочности в большом колосниковом барабане
требует большой затраты физического труда, поэтому были разра-
ботаны новые методы испытания и оценки прочности кокса (ГОСТ
8929—58 и затем заменивший его ГОСТ 8929—65).
По ГОСТ 8929—65 испытывают пробу массой 50 кг, составленную
из классов кокса крупностью выше 60 мм пропорционально содер-
жанию в товарном коксе классов более 80 мм и 60—80 мм (сита с
квадратными отверстиями) и надрешетного продукта класса 40—
60 мм при рассеве на сите с круглыми отверстиями диаметром 60 мм,
т. е. весь кокс, не проходящий через круглые отверстия диаметром
60 мм. Кокс испытывают в стальном барабане длиной 1000 мм и диа-
метром 1000 мм, на внутренней поверхности которого по всей длине
приварены через каждые 90° четыре угловых профиля размером
1000 X 50 X 10 мм. Барабан вращают 4 мин со скоростью 25 об!мин.
Выгруженный из барабана кокс рассеивают вручную на ситах
с круглыми отверстиями 60, 40, 20 и 10 мм. Показателями прочности
служат: количество кокса с размером кусков более 40 мм (М40) и
менее 10 мм (М10) в процентах к массе исходной пробы.
Аналогичный метод определения прочности принят международ-
ной организацией по стандартизации —ИСО.
Показатель М40 для кокса заводов Юга СССР находится в преде-
лах 70—80%, а для кокса заводов Востока и Центра СССР — 60—
70%. Показатель М10 изменяется в пределах 6—10%.
Испытание на прочность только крупной части кокса объясняется тем, что при
постоянной сырьевой базе отдельные отклонения в технологии подготовки исходного
сырья и режима коксования отражаются прежде всего на прочности крупных кусков.
Испытание на прочность только крупных классов кокса часто встречается и в
зарубежных стандартах, что будет видно ниже.
Работами УХИНа (1958—1963 гг.) показано, что показатель остатка в барабане
Сундгрена менее чувствителен к изменению свойств сырья и технологии коксования,
чем показатели испытания в малом барабане.
Однако прочность кокса следует оценивать в том его виде, в котором он поступа-
ет к потребителю. Учитывая тенденцию к снижению крупности кокса, класс более
60 мм все меньше характеризует прочностные свойства насыпной массы. Кроме того,
оценка по показателю М40 ориентирует технологию производства на получение более
крупного кокса, в то время как происходящие изменения свойств доменной шихты
требуют однородного по размеру кусков, прочного и не слишком крупного кокса.
Поэтому в УХИНе, ВУХИНе и в Донецком научно-исследовательском институте
черных металлов были проведены исследования, результатом которых явились
разработка и принятие нового метода определения прочности доменного кокса
(ГОСТ 5953—72).
40
По ГОСТ 5953—72 испытуемая проба составляется пропорциональ-
но содержанию в товарной массе всех классов более 25 мм. Пока-
зателями прочности приняты количество кокса (в %) более 25 мм
и менее 10 мм после 100 оборотов барабана (М25 и М10). Конструк-
ция барабана и условия испытания те же, что и в ГОСТ 8929—65.
Стандартом предусмотрен полный рассев кокса после испытания
на грохоте с квадратными отверстиями сит. По данным ситового
анализа до и после разрушения рекомендуется вычислять коэффи-
циент дробимости кокса Kd — отношение среднего диаметра кус-
ков до испытания к среднему диаметру кусков после испытания,
умноженному на 100.
Показатель М25 для кокса заводов Юга СССР находится в преде-
лах 83—90%, а для кокса заводов Востока и Центра СССР он ра-
вен 82—88%. Показатель М10 изменяется в пределах 6—10%.
На результат испытания прочности кокса в барабане существенно влияет влаж-
ность кокса. Это, с одной стороны, определяется тем, что на влажный кокс налипает
мелочь, что увеличивает массу остатка в барабане (или массу кусков более 40 мм) и
уменьшает количество мелочи менее 10 мм. С другой стороны, влага повышает проч-
ность структуры вещества и способность его противостоять истирающим усилиям.
В. Д. Барский и другие установили, что между влажностью (Ц7р, %), остатком в
барабане Сундгрена (Ос, кг) и количеством мелочи менее 10 мм в провале (Кпр кг)
существует зависимость:
Ос = 306,3 • 1,008й7, (11)
Кпр= 54,5 — 3,0117. (12)
Формулы (11) и (12) установлены для кокса восточных заводов. Для коксохими-
ческих заводов Юга СССР С. А. Шварц установил зависимость
Кпр = 38,5-2,7117. (13)
Как видно, коэффициенты в формулах (12) и (13) различны, но характер взаимо-
связи тот же.
Между влажностью кокса и результатом испытания в малом стандартном бара-
бане также существует зависимость. Степень влияния влаги на прочностные показа-
тели зависит от ситового состава кокса, абсолютного значения прочности, а также
структуры и толщины стенок пор.
От рассмотренных выше методов оценки прочности принципиаль-
но отличаются методы, основанные на косвенном определении изме-
нения ситового состава при разрушении. Это, например, метод, пред-
ложенный группой ученых, возглавляемых А. С. Бруком.
Суть испытания состоит в определении потери напора воздуха,
продуваемого через цилиндр, в который последовательно помещают
исходную пробу кокса и ее же после определенных этапов разруше-
ния. Снижение крупности кусков и образование мелочи повышает
удельную насыпную массу и сопротивление дутью. Приращение это-
го сопротивления служит мерой оценки прочности. Этот метод тру-
доемок и используется в основном при исследованиях.
41
В настоящее время под руководством А. С. Брука ведутся разработки радиомет-
рического метода контроля насыпной массы и комплексного агрегата для испытания
свойств кокса. Радиометрический метод основан на зависимости интенсивности прохо-
дящего через слой кокса излучения от плотности засыпи этого кокса. Метод очень
перспективен, так как кокс испытывать можно в потоке, а процесс легко автоматизи-
ровать. При успешном завершении разработок можно представить схему контроля
прочностной характеристики кокса как испытание его насыпной массы на различных
этапах естественного разрушения при транспортировке (например, на коксохимиче-
ском заводе и перед подачей в доменную печь).
Комплексный агрегат предусматривает автоматический рассев пробы, испытание
под действием дробящих усилий, повторный рассев и повторное испытание кокса в
барабане под действием истирающих усилий. В агрегате определяют аэродинамиче-
ские характеристики кокса. Предусмотрена возможность испытания кокса в нагре-
том состоянии.
В ДОННИИЧермете под руководством И. Д. Валона ведется разработка метода
оценки прочностной характеристики кокса при одновременной газификации его.
Все это свидетельствует об актуальности и важности задачи поиска метода и науч-
но обоснованного критерия оценки свойств кокса как компонента доменной шихты.
§ 3. МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОЧНОСТИ КОКСА,
ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ЗА РУБЕЖОМ
В США стандартным является метод испытания кокса сбрасыванием на стальную
плиту. Широко пользуются им и в Англии.
По этому методу кокс четыре раза сбрасывают на плиту с высоты 1,83 м. После
четвертого сбрасывания разрушенный кокс рассеивают вручную на ситах с квадрат-
1 1
ными отверстиями, имеющими размер стороны 2; \ 1 и -% дюйма (соответственно —
50,8; 38,1; 25,4 и 12,17 мм) и определяют массу каждого класса крупности. Средний
результат рассевов представляют индексы сбрасывания 2; 1-ту; 1; дюйма. Для оцен-
ки качества кокса обычно пользуются индексами +38 мм и +13 мм, определяемыми
с точностью до 0,1%.
Стандартным в США является и метод ASTM. Суть его состоит в разрушении
10 кг сухого кокса в кусках от 2 до 3 дюймов (50,8—76,2 мм) в закрытом барабане
диаметром 0,9 м и шириной 0,43 м. Барабан вращается со скоростью 24 об/мин в те-
чение часа. Измельченную пробу рассеивают на ситах с квадратными отверстиями.
1
Показателем дробимости считают выход класса крупнее -j- дюйма.
В Англии, помимо метода сбрасывания, широко используется и барабанный метод
разрушения, называемый методом Кохрэна. Суть метода заключается в дроблении
сухого кокса массой 12,7 кг в кусках от 2 до 3 дюймов в барабане диаметром 1500 мм
и шириной 457 мм- Скорость вращения барабана 18 ± 2 об/мин. Барабан должен
сделать 1000 оборотов. Качество кокса оценивают по количеству образовавшейся ме-
лочи менее -g- дюйма (3 мм) в %.
Существует также барабанный метод Британской коксоисследовательской ассо-
циации, барабанный метод Мидлендского исследовательского комитета по коксу в
Шеффилде и др.
В Японии пользуются стандартным методом Y1S'. 10 кг кокса крупнее 50 мм вра-
щают 2 мин в закрытом барабане диаметром 1500 и длиной 1500 мм со скоростью
15 об/мин. Качество кокса определяют по выходу в процентах кокса (олее 15лпм.
Во Франции, ФРГ и других европейских странах механическую прочность опре-
деляют в барабане «Микум» диаметром 1000 мм и шириной 1000 мм. Методика испы-
тания и аппаратура аналогичны ГОСТ 8929 —65. Показателями качества являются
М40 и М10.
В ЧССР разработан метод определения газопроницаемости в специальной уста-
новке, объединяющей барабан, в котором кокс разрушают, и аэродинамическую тру-
42
бу (метод Проузо). Одновременно определяется динамика увеличения количества ме-
лочи. Принципиальная основа метода та же, что и у метода А. С. Брука. Отличны эле-
менты конструктивного выполнения и получаемые критерии оценки.
§ 4. ПОКАЗАТЕЛИ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КОКСА,
РАССЧИТАННЫЕ ПО ДАННЫМ ИЗМЕНЕНИЯ
СИТОВОГО СОСТАВА ПРИ РАЗРУШЕНИИ
а
Неудобство табличной формы записи результатов ситового ана-
лиза, условность оценки разрушения по остатку на одном каком-
либо сите и возможность использования информации, получаемой
при ситовом анализе, привели к разработке в СССР и за рубежом
ряда различных показателей.
Эти комплексные показатели, или индексы, представляют
собой числа, полученные как результат математического комбиниро-
вания данных гранулометрического состава испытываемого кокса.
Некоторые из них обоснованы логически, некоторые — теоретиче-
ски, а некоторые являются результатами математической обработки
влияния отдельных показателей на работу доменных печей.
Для характеристики газодинамических свойств в Советском Сою-
зе наиболее широко применяют коэффициент газопроницаемости гор-
нового кокса предложенный К И Сысковым
Коэффициент газопроницаемости учитывает различие критериев
гидравлического подобия насыпных масс кокса до и после его разру-
шения . Суммарная характеристика качества дается по критерию гид -
равлического подобия насыпной массы кокса, приведенного к оди-
наковой стадии разрушения, рассчитываемому по формуле:
Г = Г100 + 0,01 (Го - Г100) (0,01П50 - 70), (14)
где Го и Г1оо — коэффициенты газопроницаемости кокса исходного
и после 100 оборотов в барабане; П — показатель прочности, вычис-
ляемый по формуле П = — °00 кг- об1дм* (So и 3100 — удельные
•->100 *->0
поверхности кусков кокса, до и после разрушения в барабане, см? 1кг),
вычисляемая по формуле (3); П50 — работа образования ситово-
го состава кокса, загружаемого в барабан; 70—средняя работа об-
разования ситового состава доменного кокса (найдена эксперимен-
тально).
Показатель Г для коксов заводов Юга СССР лежит в пределах
250—300.
Из других показателей, часто используемых в СССР при иссле-
дованиях для дополнительной характеристики качества кокса, мож-
но назвать следующие.
Коэффициент равномерности, предложенный П. А. Щукиным,
_ а40-80
^р —7 V7 (15)
“>80^ “25—40
где а — процентное содержание в пробе кокса классов крупности,
указанных подстрочным индексом.
43
Показатель УХИНа — комплексный показатель, учитывающий
физико-механические свойства кокса
М40 (а>60)
А “ М10 • 100 ‘
(16)
Коэффициент однородности гранулометрического состава. К. А. Бо-
гоявленский предложил использовать применяемый в матема-
тической статистике коэффициент вариации. Коэффициент однород-
ности — это величина, обратная этому коэффициенту
^CD
Ко = -^- 100, %, (17)
где а — средневзвешенное квадратичное отклонение средних диа-
метров кусков отдельных классов кокса от среднего диаметра кус-
ков всего кокса, определяемое по формуле
где Dcp — средний диаметр кусков всей массы кокса, мм; d( — сред-
ний диаметр кусков данного класса, мм; at — содержание данного
класса в общей массе, %.
Дробимость кокса может быть оценена показателем степени экспоненциального
уравнения, описывающего изменение среднего диаметра кусков при разрушении.
Вывод уравнения приведен в разделе IV, а здесь дается лишь формула для вы-
числения этого показателя, называемого константой дробимости;
6 = 2,31 .n-*.lgP± {19)
где х — условно принимаемый постоянным коэффициент (для малого стандарта бара-
бана х = 0,35, для барабана Сундгрена х = 0,65); О0 и Dn —средневзвешенные диа-
метры кусков кокса до разрушения и после п оборотов барабана, определенные по
формуле (9) или (10).
Константа дробимости может быть определена по данным разрушения пробы
кокса в любом аппарате, а ее значения, найденные испытанием в одних условиях,
можно пересчитать для других условий разрушения.
Если испытания проводят в малом стандартном барабане при п = 100, то формула
для вычисления 6 принимает вид:
6 = 0,46-1g(20)
^100
Для удобства пользования константу дробимости увеличивают в 1000 раз.
Константа дробимости для доменных коксов заводов Юга СССР колеблется в пре-
делах 50—85, а для кокса восточных заводов — 75—100. Ее величина не зависит от
конечного числа оборотов барабана при испытании (см. формулу 19). Чем больше
константа, тем сильнее дробится кокс.
За рубежом предложены и другие показатели оценки кокса.
Старый показатель Ильзедера равен разнице между процентным
содержанием в пробе после испытания классов более 60 мм и менее
40 мм.
44
Новый показатель Ильзедера
Ки = -у • 100 - с> - (21)
где а — процентное содержание класса более 60 мм в пробе после
испытания в малом барабане; b — процентное содержание того же
класса в пробе до испытания; С—процентное содержание класса
менее 40 мм в пробе после испытания (100 — М40).
Индекс Графа
Кг = 100(2 — 0,753) ' (22)
где 2 — процентное содержание класса менее 10 мм в пробе после
испытания: s — процентное содержание класса 20—40 мм в пробе
после испытания.
Индекс Тибо
Кт = 2М40 + s — 2 — 200?, (23)
где V — удельная насыпная масса кокса до испытания, т/м?. Осталь-
ные обозначения те же, что и в предыдущих формулах.
Число Быртуса
_ M4Q + a20_40 1
[ “10-20 + 2М10 J (2‘
где М40 и М10 — результаты испытаний в малом стандартном бараба
не (см. ГОСТ 8929—65); ^20-40 и а 10-20 — содержание в пробе пос
ле испытания классов, указанных в подстрочном индексе, %.
§ 5. КОМПЛЕКСНЫЕ ИНДЕКСЫ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ЗА РУБЕЖОМ
В США на отдельных заводах пользуются индексом качества и индексом ценности,
которые определяют по химическим, физико-химическим и физико-механическим свой-
ствам кокса.
Так, на заводе Кайзер Стил Корпорейшн применяется комплексный показатель*
основанный на результатах испытания механических свойств и величине пористости
кокса
/7К = 0,1 А + 0,2Б + 0,6В + 0,1С, (25)
где А — содержание классов более 2 дюймов (50,8 мм) в товарном коксе, %; Б — со-
держание классов более 2 дюймов в пробе после испытания сбрасыванием, %; В —
содержание классов более 1 дюйма (25,4 juju) после испытания в барабане, %; С —
пористость кокса, %.
На ряде заводов используют индекс физической прочности (ФПТ), вычисляемый
по формул?
ФПТ = 0,62А + 0,2В + 0,1С + 0,lD (100 — Е) . 100, (26)
где А и В — содержание классов более 1 и 2 дюймов в пробе после испытания в бара-
бане, %; С — общая пористость, %; D и Е — содержание классов более 2 и 4 дюймов
в товарном коксе.
Во Франции используют показатели физической ценности (ФЦ) и индекс спечен-
ности (ИС).
ФЦ = М40 + М20 — М10 — 200НМ, (27)
ИС = М40М20 — М10, (28)
45
где М40, М20 и М10 — показатели после испытания в барабане типа «Микум», % j
НМ — насыпная масса товарного кокса, т/м3. 1
В Англии по данным множественного корреляционного анализа влияния различи
ных факторов на работу доменной печи предложен индекс ценности (ЦК), который
определяется по содержанию углерода (С, %) и сернистости S кокса, выходу летучи^
веществ V и количеству мелочи менее 13 мм после разрушения методом сбрасывания
(Е, %)
ЦК = (4С — 4,55 — 10V — 23Е) : 1,96. (29)
Названные индексы ценности и качества не могут распространяться на все
заводы, но подход к оценке является, безусловно, правомерным и правильным.
Поскольку условия плавки и подготовки доменной шихты влияют на свойства
кокса, можно, используя метод множественной корреляции, выявить наиболее зна-
чимые показатели качества и потом изменять свойства кокса в желаемом направлении.
Глава IV. НЕОДНОРОДНОСТЬ СВОЙСТВ
И КЛАССИФИКАЦИЯ КОКСА
§ 1. СВОЙСТВА КОКСА ПО ДЛИНЕ КУСКА
Кокс характеризуется большой неоднородностью свойств
между отдельными кусками, так и внутри одного куска.
Неоднородность свойств кусков кокса по длине — следствие оцН
бенностей слоевого процесса коксования, определяющего снижения
скорости нагрева шихты по мере удаления от стен коксовой камеры.™
Так, время, прошедшее от момента достижения коксуемым углем "
температуры 500° С до конца коксования всей загрузки, для слоя,
удаленного на 50 мм от поверхности стены камеры в полтора раза
больше, чем для слоя, расположенного на расстоянии ПО мм от по-
верхности стены, в три раза больше, чем для слоя, находящегося
на расстоянии 150 мм от поверхности стены, и в четыре с половиной
раза больше, чем для слоя в осевой плоскости коксового пирога (для
средней ширины камеры 407 мм). Это предопределяет не только раз-
личие в степени готовности кокса и в упорядоченности структуры
его, но и другие изменения свойств кокса, связанные с продолжитель-
ностью прохождения газообразных продуктов коксования через слой
полукокса, а затем и кокса. Не менее существенна специфика хода
газообразных продуктов, образующихся при коксовании.
Многократные исследования свойств кокса по длине куска в ус-
ловиях различных заводов показали, что анизотропия является
общей закономерностью независимо от свойств исходного сырья и
режима коксования, хотя режим коксования и свойства шихты вли-
яют на степень различия свойств.
Наиболее ярко анизотропность проявляется при исследовании
полномерных кусков кокса. Полномерными называют куски, одной
стороной прилегавшие к стене камеры коксования, а другой — к
осевой плоскости коксового пирога. Часть куска, прилегавшую к
стенке, называют пристеночной, или головочной, так как по формей
46
она напоминает головку цветной капусты. Противоположную часть
куска называют приосевой.
По длине куска изменяются химический состав, физико-химиче-
ские, физические и механические свойства. Сернистость кокса от го-
ловочной к приосевой части куска уменьшается, а зольность увели-
чивается. Разница сернистости в разных частях одного куска может
составлять от 0,05 до 0,40%, а зольности — 1,0—2,7%.
Таблица 5. Сернистость кокса по длине куска, %
Коксы заводов Часть куска Среднее зна- чение
пристеночная средняя приосевая
А 1,94 1,80 1,72 1,82
Б 1,83 1,76 1,70 1,76
В 1,57 1,43 1,25 1,41
Г 1,53 1,45 1,41 1,46
Д 1,48 1,44 1,36 1,42
Е 1,46 1,33 1,23 1,34
Среднее 1,63 1,53 1,44 1,53
Изменение сернистости кокса в различных условиях производст-
ва, включая шихту, при отличающемся среднем уровне сернистости
показано в табл. 5. Как видно из приведенных данных, при одина-
ковом среднем уровне сернистости диапазон изменения от одной час-
ти куска к другой может быть разным. Различие в сернистости кок-
са по длине кусков объясняется реакциями между газообразными
продуктами коксования и минеральной частью полукокса и кокса,
а диапазон изменений связан с составом минеральных примесей.
Истинная плотность кокса практически не зависит от исходного
сырья и условий коксования. Не изменяется она и по длине куска,
оставаясь в пределах 1,87—1,91 г!см3. Кажущаяся плотность снижа-
ется от головочной части (0,95—0,98 г! см3) к приосевой (0,87—
0,89 г! см3). Соответственно изменяется видимая пористость (табл. 6).
По длине куска изменяется не только пористость, но и средний
диаметр пор. Например, в приосевой части он составлял для одного
из коксов 375 мкм, в средней части диаметр уменьшился до 325 мкм,
а в головочной — до 176 мкм. Реакционная способность кокса по
длине куска также изменяется: в приосевой части куска она наи-
большая, в головочной части — наименьшая.
В направлении от стенки камеры к осевой плоскости увеличи-
вается удельное электросопротивление (т. е. снижается степень упо-
рядоченности структуры кокса), снижается структурная прочность,
предел прочности при механическом испытании и изменяется тре-
щиноватость.
Механические свойства кокса зависят, кроме того, от направлен-
ности нагрузки при испытании. Если приложить усилия вдоль
47
Таблица 6. Свойства кокса по длине куска
Показатель Часть куска
присте- ночная средняя приосевал
Удельное электросопротивление, ом мм'^м 1150 1915 2410
Пористость, % 40,5 43,9 46,1
Структурная прочность, >1 мм, % 78,9 75,7 66,7
Общая трещиноватость, см/см1 0,233 0,366 0,175
Предел прочности при сжатии 1
(I) Мн/л2 5,4 7,8 10,3
кгс/см2 55 80 105
(II) Мн/м.2 4,9 6,7 7,3
кгс/см2 50 68 75
Предел прочности при растяжении
(I) Мн/м2 0,58 0,80 0,98
кгс/см2 6,0 8,2 10,0
(II) Мн/м2 0,51 0,57 0,69
кгс/см2 5,2 5,8 7,0
Предел прочности при сдвиге
(I) Мн/м1 3,9 5,2 6,4
кгс/см2 40 53 65
(II) Мн/м2 3,0 3,7 4,1
кгс/см2 31 38 42
Модуль упругости
(I) Мн/л2 • 103 0,80 0,93 1,10
кгс/см2 103 8,2 9,5 10,8
(II) Мн/м2 103 0,76 0,79 0,83’
кгс/см2 103 7,8 8,1 8,5 г
1 (I) — данные получены при нагружении образцов вдоль теплового потока;
(II) — данные получены при нагружении образцов поперек теплового потока.
ранее проходившего потока тепла (от головки к приосевой части), о
противление нагрузкам выдерживается большее, чем при нагрузка
перпендикулярных потоку тепла (поперечных). Это видно из табл,
в которой приведены некоторые результаты исследований, выпо.
ненных А. П. Коняхиным.
Трещиноватость кокса зависит от условий коксования и коне1
ной температуры в осевой плоскости коксового пирога. Всегда
Таблица 7. Изменение структурной
прочности по длине кусков кокса,
отобранных из одной и той же коксовой
печи
Номер се- рии кус- ков Часть кусков
присте- ночная средняя приосевая
I 81,3 80,2 75,8
II 78,8 75,2 66,3
(П 76,3 72,3 57,9
средней части куска трещинов
тость больше.
Степень изменения структу
ной прочности кокса по дли)
куска и многие другие свойс
ва зависят от температурив
условий коксования. Так, вотс
ранных из одной и той же пе’
кусках, коксовавшихся вразнг
частях камеры, изменения стру
турной прочности следуют
(табл. 7).
48
Как видно, различие между максимальной и минимальной струк-
турными прочностями изменяется только за счет неравномерного
обогрева стены камеры коксования от 5,5 до 18,4%.
Анизотропия полномерного куска, особенно физических и физико-
механических свойств, зависит от периода коксования. С увеличени-
ем периода коксования равномерность свойств возрастает.
Так, для одной из шихт при периоде коксования 16 ч различие
в структурной прочности головочной и приосевой части составило
6,9%. Для той же шихты при периоде коксования 20 ч это различие
уменьшилось до 3,3%, а при периоде коксования 24 ч составило 1,8%.
Изменение свойств кокса по длине куска определяет и различие
некоторых свойств кокса отдельных классов крупности.
§ 2. СВОЙСТВА КОКСА РАЗЛИЧНЫХ КЛАССОВ КРУПНОСТИ
Самый крупный кусок кокса можно раздробить до любого меньше-
го размера. В этом параграфе будут рассмотрены свойства кокса раз-
личных классов крупности, не подвергавшегося специальному дробле-
нию.
Специфика слоевого процесса коксования обуславливает такое
развитие трещиноватости, которое предопределяет формирование гра-
нулометрического состава кокса. Так,
как правило, содержат приосевую часть,
а в классе 25—40 мм преобладают облом-
ки головочных частей кусков. Проме-
жуточные классы 40—60 мм и 60—80 мм
более однородны, но все же в первом
преобладают головочные части, а во вто-
ром серединные и приосевые. Типичная
сеть трещин в полномерном куске пока-
зана на рис. 2.
Так как свойства кокса по длине
полномерного куска разные, химиче-
ские, физические и физико-химические
свойства кокса различных классов крупности также отличаются
(табл. 8).
По данным А. С. Брука с соавторами, реакционная способность
кокса некоторых заводов Юга СССР колеблется в таких пределах
(для классов различной крупности); более 80 мм — 28,6—36,7; 60—
80 мм — 31,2—39,5; 40—60 мм — 26,0—29,7; 25—40 мм — 23,4—
26,9%.
Структурная прочность коксов различных классов крупности из-
меняется в пределах 76,7—80,2% (наибольшая у классов 25—40 мм).
Еще больше отличаются свойства насыпных масс.
В табл. 9 приведены результаты испытания кокса различных клас-
сов крупности в большом колосниковом и малом стандартном бара-
банах. Независимо от сырьевой базы, условий подготовки шихты и
периода коксования, наибольший остаток в большом барабане дает
класс 40—60 мм. С увеличением крупности кокса масса остатка в
классов более 80 мм,
Рис. 2. Типичный случай разру-
шения куска кокса.
49
Таблица 8. Свойства кокса различных классов крупности
Класс крупности, мм Лс, % vr. % $общ’ % Структурная прочность, >1 мм, % Электропро- водность, омЦмм* • м)
более 80 9,80 1,8 1,7 81,7 2113
60—80 9,90 1,0 1,72 83,8 1928
40—60 9,90 1,0 1,81 86,4 1202
25—40 9,80 1,0 1,77 87,6 1150
10—25 10,20 1,8 1,75 — —
0—10 10,50 1,7 1,78 — —
барабане снижается, причем зависимость величины остатка в бараба-
не от крупности кокса для каждого завода разная. Так, разница в
остатках при испытании классов более 80 и 40—60 мм составляет
для Днепропетровского завода 27 кг, а для Запорожского завода —
46 кг. Разница между классами более 80 и 60—80 мм по остатку в
барабане для различных заводов колеблется от 8 (Днепропетровский)
до 23 кг (Криворожский).
Рассев подбарабанного провала также различен для коксов разных
классов крупности. Чем меньше размер кусков кокса, тем меньше
выход мелочи (менее 10 мм) в подбарабанном провале.
Таблица 9. Качество кокса узких классов крупности
Показатели качества Классы кокса, мм, по коксохимическим заводам
Ждановский Криворожский
более 80 60—80 40—60 25—40 более 80 60—80 40—60 25—40
Показатели барабана Сундгрена, кг: остаток <10 мм в провале М40, % М25, % 6 10э мю, % 73,0 88,0 106 8,0 68,5 89,5 87 6,5 56,0 90,0 45 6,0 87,0 18 7,0 329 55 74,4 86,8 НО 10,6 352 37 74,6 90,0 72 6,9 373 13 62,4 90,8 38 6,4 86,1 19 6,5
Показатели качества < Классы кокса, мм, по коксохимическим заводам
Днепропетровский Запорожский
более 80 60—80 более 80 60—40
40—60 25—40 40—60 25—40
Показатели барабана Сундгрена, кг: остаток <10 мм в провале М40, % М25, % & 103 МЮ, % 340 48 78,0 88,0 98 9,0 348 37 75,0 90,0 68 7,0 367 27 62,0 91,0 38 6,0 86,0 20 7,2 328 56 84,0 121 11,4 390 37 85,0 81 8,5 374 18 85,7 38 8,2 70,9 38 10,3
50
Показатель М25 наиболее высокий для класса 40—60 мм, а М40
наибольший для класса более 80 мм. Самые низкие значения показа-
теля М25 для класса 25—40 мм, а показателя М40 — для класса
40—60 мм. Однако низкие значения этих показателей связаны с
близостью размеров испытываемых кусков к размеру сита, надре-
шетным продуктом которого оценивается прочность. Незначительное
разрушение куска или просто обтирание поверхности приводит к
провалу его через сито и уменьшению показателя прочности. Это
наглядно иллюстрирует условность принятых критериев оценки дро-
бимости кокса.
Таблица 10. Рассев кокса узких классов крупности после испытания в малом
барабане
Коксохимический завод и классы кокса, мм Ситовый состав после разрушения в малом барабане, %, по классам, мм
более 80 60-80 40—60 25—40 10—25 0—10
Криворожский более 80 4,4 38,0 35,0 9,4 2,6 10,6
60—80 — 28,4 46,2 15,4 3,1 6,9
40—60 — 62,4 28,4 3,8 6,4
25—40 —- 86,1 7,4 6,5
Запорожский более 80 5,7 25,0 46,1 7,2 4,6 11,4
60—80 — 21,0 55,4 9,0 5,1 9,5
40—60 — 69,4 16,3 6,1 8,2
25—40 70,9 18,8 10,3
Ждановский более 80 5,0 43,0 25,0 15,0 4,0 8,0
60—80 — 27,0 41,5 21,0 4,0 6,5
40—60 — — 55,0 35,0 4,0 6,0
25—40 — 87,0 6,0 7,0
Днепропетровский более 80 10,0 42,0 26,0 10,0 3,0 7,0
60—80 — 35,0 40,0 15,0 3,0 7,0
40—60 — — 62,0 29,0 3,0 6,0
25—40 — — — 86,0 6,0 8,0
По константе дробимости все классы располагаются в ряд, где
наименьшая прочность у класса более 80 мм и наибольшая у класса
25—40 мм. Этот же показатель наиболее чувствителен к изменению
дробимости. Диапазон его изменений наибольший.
Дробимость кокса можно охарактеризовать и остатком кусков
исходной крупности после испытания в барабане. В табл. 10 при-
ведены результаты рассева кокса различных классов крупности пос-
ле 100 оборотов в малом барабане. Наименьшее количество кусков
исходной крупности остается при испытании класса более 80 мм и
наибольшее — при испытании класса 25—40 мм. Рассев после дроб-
ления кокса одинаковой крупности, но различных условий производ-
ства значительно отличается между собой. Так, в продукте разруше-
ния класса более 80 мм может быть класса 60—80 мм от 25,0 до
51
43,0%, а класса 40—60 мм от 26,0 до 46,0%. В продукте дроб'лшия
класса 40—60 мм может содержаться от 16,3 до 35,0% класс;.
40 мм и т. д. Аналогичные результаты получаются при испытании кикса
в других барабанах.
Таким образом, механические свойства каждого отдельного клас-
са крупности определяются прежде всего условиями технологии про-
изводства кокса — качеством исходного сырья, условиями коксо-
вания и др. Устойчивой же связи физико-механических свойств от-
дельных классов крупности кокса со свойствами товарной массы
(естественной смеси этих классов) нет. Эта
связь существует лишь в узких пределах
постоянства сырья и других показателей
технологического процесса.
Таким образом, по качеству одного клас-
са крупности нельзя сравнивать прочность
всего кокса при различных условиях его
производства. С небольшой погрешностью
прочность товарного кокса можно рассчитать
по правилу аддитивности, исходя из проч-
ностных характеристик узких классов круп-
ности, составляющих этот кокс. Так, если
показатель М25 для классов кокса более 80;
60—80; 40—60 и 25—40 мм равен, соответ-
ственно 88,0; 89,0; 90,0 и 87,0%, а содержа-
ние этих классов в коксе равно 10; 30; 40 и
о too ?50 20%’ то М25 такого кокса можно определить
Число olopomot lapaiam следующим расчетом:
Рис. 3. Зависимость газо- М25 —
проницаемости кокса раз- 88,0 • 10 + 89,0 • 30 + 90,0 • 40 + 87,0 • 20
личных классов крупное- =--------------------™-------------------=
ти от глубины разруше- и
ния: =88,9%.
1 — 80; 2 — 60—80; 3 — _
40-60; 4 — менее 25— ДЛЯ ОЦ6НКИ СВОЙСТВ КОКСЭ ОТДвЛЬНЫХ
40 мм' классов крупности как доменного сырья це-
лесообразно определить их аэродинамическую характеристику раз-
рушения.
Как видно из рис. 3, динамика изменения газопроницаемости клас-
сов более 80 мм и 60—80 мм очень сходна и соответствует наилучшему
качеству кокса. Характер изменения газопроницаемости при разру-
шении класса 40—60 мм несколько хуже, но площадь разрушения
минимальная. Несмотря на уменьшение размеров кусков класса 40—
60 мм по сравнению с классами более 80 мм и 60—80 мм, первона-
чальное сопротивление воздушному потоку для этих трех классов
практически одинаковое. Это объясняется повышением столбчатости
кокса при снижении размеров кусков, что определило увеличение
объема межкусковых промежутков.
Класс 25—40 мм показал значительное сопротивление дутью
при начальном испытании, что говорит о плотной его укладке. Харак-
тер дальнейшего разрушения аналогичен разрушению класса 40—
52
60 мм. Резкое увеличение сопротивления дутью объясняется тем,
что образующиеся при разрушении кокса кусочки соизмеримы с объ-
емом межкусковых промежутков и, заполняя их, создают <затвор».
Повышение однородности ситового состава насыпной массы кок-
са улучшает его свойства как горючего доменной плавки. Стабиль-
ность физико-механических свойств узких классов выше, чем ис-
ходного кокса.
§ 3. КЛАССИФИКАЦИЯ КОКСА
В СССР действуют 9 ГОСТов и 14 технических условий на постав-
ку кокса. Стандартизовано более 40 видов кокса. Одни стандарты
приспособлены к исходному угольному сырью, другие — к условиям
производства и потребления кокса.
Например, для доменного кокса из углей Донецкого бассейна до недавнего вре-
мени действовал ГОСТ 513—63, для литейного кокса — ГОСТ 3340—60.
Схёма нормирования качества доменного кокса по ГОСТ 513—63 представлена
в табл. 11.
Таблица 11. Схема нормирования качества доменного кокса из углей Донецкого
бассейна по ГОСТ 513—63
Нормы для марок
Показатели КД-1 КД-2 КД-3
Сернистость, % средняя 1,70 1,80 1,90
предельная 1,79 1,89 1,99
Содержание золы, % 1 группа: среднее 9,3 9,3 9,3
предельное 10,0 10,0 10,0
II группа: среднее 9,6 9,6 9,6
предельное 10,0 10,6 10,6
Механическая прочность, М40, % I группа: средняя 82 82 82
предельная 80 80 80
II группа-, средняя 77 77 77
предельная 75 75 75
III группа: средняя 72 72 72
предельная 70 70 70
Механическая прочность, М10, % 1 группа 8,0 8,0 8,0
11 группа 90 9,0 9,0
III группа 10,0 10,0 10,0
Содержание влаги, % среднее 3,0 3,0 3,0
предельное 5,0 5,0 5,0
Предельное содержание фосфора, % 0,0015 — —
Предельный выход летучих веществ, % 1,2 1,2 1,2
Предельное содержание мелочи (менее 25 мм), %, для крупности, мм, более 40 3,0 3,0 3,0
более 25 40 40 40
53
Многочисленность стандартов и технических условий, а также отсутствие единых
критериев типизации кокса затрудняет пользование стандартами. При различных из-
менениях сырьевой базы коксования и условий производства постоянно необходимо
разрабатывать и издавать новые технические условия и стандарты или временные по-
правки к ним, что очень неудобно.
В 1960 г. рабочей группой по классификации при Комитете по углю Экономиче-
ской комиссии ООН для Европы разработан проект Международной классификации
высокотемпературного кокса по типам и размерам.
Эта классификация разделяет различные по свойствам коксы на основе неболь-
шого числа параметров. Классификация по типам предусматривает разбивку кокса
на 9 групп по степени чистоты (содержание углерода, зольность, сернистость, выход
летучих веществ) и на 9 классов по механической прочности.
Таблица 12. Международная классификация коксов по типам
Номер
группы
Параметр
чистоты
V
Числа по коду
1 более 75 и 12 13 14 15 16 17 18 19
2 70-75 21 22 23 24 25 26 27 28 29
3 65—<70 31 32 33 34 35 36 37 38 39
4 60—<65 41 42 43 44 45 46 47 48 49
5 55—<60 51 52 53 54 55 56 57 58 59
6 50—<55 61 62 63 64 65 66 67 68 69
7 45—<50 71 72 73 74 75 76 77 78 79
8 40—<45 81 82 83 84 85 86 87 88 89
9 менее 40 91 92 93 94 95 96 97 98 99
Классы кокса
Параметр механи-
ческой прочности
(II)
1 2 3
более 80 75—80 70—75
4 5 6 7
65—70 60—65 55—60 50—55
9
менее 45
Таким образом, всего предусмотрен 81 тип кокса, каждый из которых характери-
зуется кодовым номером из двух цифр: первая цифра обозначает номер группы, вто-
рая — номер класса. Классификация дает возможность точно определить все типы
коксов, производящиеся в Европе, Азии, Америке.
Параметр чистоты кокса определяют по формуле
V = С — йАс — Й5^йщ,
где С — содержание углерода в коксе; А° — зольность его (на сухую массу); 5общ —
сернистость на сухую массу; а и & — коэффициенты, определяемые специальными рас-
четами.
Параметр механической прочности кокса определяют по формуле
П = М40 —с-М10,
где с — специально вычисляемый коэффициент.
Проект международной классификации кокса по типам представлен в табл. 12;
Чем кокс чище и прочнее, тем меньше его кодовый номер.
Для примера классифицируем кокс со следующими показателями качества'. С —
88,5%; Ас — 10%; 5£бщ — 0,9%; М40 — 82%; М10 — 7%; а = 1; b = 10; с = 1.
V = 88,5 — 1 10 — 10 • 0,9 = 69,5;
П = 82 — 1 • 7 = 75.
Поскольку 65 < 69,5 < 70, кокс по чистоте относится к третьей группе. 75 ле
жит между 75 и 80. Следовательно, кокс по механической прочности относится к(
второму классу и обозначается кодовым числом 32.
54
Классификация коксов по размерам основана на разделении их по величине
верхнего и нижнего пределов крупности (размеров кусков). ГЬскольку кокс разделя-
ется на ситах с размерами отверстий (диаметр или сторона квадрата) 80, 60, 40, 20,
10 мм, деление на группы произвели также по этим размерам (табл. 13). Пока эта
классификация широкого применения не получила.
Таблица 13. Международная классификация кокса по размерам
Нижние пределы размеров, мм Кодовые числа при верхних пределах размеров, мм
10 20 40 60 80
60 68
40 46 48
20 24 26 28
10 12 14 16 16
Без нижнего предела 01 02 04 06 08
Действующий в СССР ГОСТ 9434—60 допускает разделение кокса
на следующие классы крупности (в мм); более 80, 60, 40, 25 мм и
80—60, 60—40, 40—25, 25—10, 10—0, 10—6 и 6—0.
Так как в последнее время технология доменной плавки сильно
изменилась, то изменились и требования к коксу. Поэтому подго-
товлен и недавно внедрен новый ГОСТ 18686—73 на кокс из углей
Донецкого бассейна. Этот ГОСТ указывает среднее и предельное
значение качественных параметров, вводит новый класс кокса по
крупности 25—60 мм\ браковочным устанавливает показатель М10,
определяет нормативы содержания в коксе отдельных классов круп-
ности, предусматривает определенные коэффициенты равномерности
качества кокса и др.
Коэффициенты равномерности качества кокса определяют по фор-
муле
где п — число рабочих смен за месяц; — число случаев, когда
колебания среднемесячных и сменных показателей качества были
выше нормы. При этом устанавливаются такие нормы допускае-
мых колебаний: по содержанию влаги ±1,0; по сернистости ±0,1;
по зольности ±0,7; по показателю дробимости (М40 или М25) ±2,0
и по показателю истираемости (М10) ±1,0.
При отклонении показателей от установленных средних значе-
ний прейскурантом цен предусматриваются скидки или приплаты,
стимулирующие улучшение качества кокса.
Схема нормирования качества кокса по ГОСТ 18686—73 представ-
лена в табл. 14.
Содержание фосфора и выход летучих веществ в коксе определя-
ют по соглашению между поставщиком и потребителем по ГОСТ 1932—
60 и 3929—65. Этим же соглашением устанавливают их нормы.
Показатели по п. 5 и 6 ГОСТ 18686—73 не являются браковочными
и служат для дополнительной характеристики кокса.
Ситовый состав кокса определяют по ГОСТ 5954—69.
55
Таблица 14. Схема нормирования качества кокса по ГОСТ 18686—73. Кокс
доменный из углей Донецкого бассейна (взамен ГОСТ 513—63)
Показатели Нормы Методы испытаний по гост
Зольность (Лс), % средняя предельная Сернистость (8§б[ц), % средняя предельная Содержание влаги (Wp), % для классов более 40 мм, более 25 мм и 25— 60 мм средняя предельная для классов 25—40 мм средняя Показатель прочности МЮ, % средний предельный для классов более 40 мм и бо- лее 25 мм предельный для классов 25—60 мм и 25— 40 мм Показатель М25, % предельный для класса 25—40 мм для других классов средний предельный Коэффициенты равномерности, % по зольности (Кл) по сернистости (К5) ^М10 ^М25 по содержанию влаги (Kw) для класса 25—40 мм для других классов 9,5 10,5 1,8 2,0 3,0 5,0 10,0 7,0 9,0 8,0 78 86 82 97 97 93 96 93 97 5889—67 8606—68 или 4339—65 5807—70 5953—72 5953—72
Раздел II. ПОДГОТОВКА УГОЛЬНОЙ ШИХТЫ
И ПРОЦЕСС ОБРАЗОВАНИЯ КОКСА
Глава I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СЫРЬЯ ДЛЯ КОКСОВАНИЯ
§ 1. ПОКАЗАТЕЛИ, ХАРАКТЕРИЗУЮЩИЕ КАЧЕСТВО УГЛЕЙ
ДЛЯ КОКСОВАНИЯ
Уголь как сырье для коксования должен обладать комплексом
свойств, каждое из которых зависит от требований, предъявляемых
к конкретно производимому коксу, или от общих задач, стоящих пе-
ред коксохимическим заводом.
56
Наиболее важные свойства углей, характеризующие пригодность
их для коксования, следующие.
Спекаемость — свойство измельченного угля (шихты) при нагреве
до определенной температуры без доступа воздуха образовывать спек-
шийся твердый кусковой остаток. Свойства этого остатка характери-
зуют пригодность углей для тех или иных целей.
Спекаемость является чрезвычайно важной характеристикой угля,
так как именно это свойство обеспечивает получение в коксовых пе-
чах монолитного остатка — кокса. Спекаемость зависит в большой
мере от условий спекания, в частности от скорости повышения тем-
пературы, степени измельчения, плотности спекаемого слоя.
Спекаемость изменяется от молодых углей к зрелым, увеличи-
ваясь, а потом спадая. Наибольшая спекаемость у жирных углей.
Для коксования можно использовать не только хорошо спекаю-
щиеся угли, но и неспекающиеся в смесях с хорошо спекающимися.
Следует различать спекаемость и спекающую способность, которая
характеризует способность углей (шихты) при нагревании без дос-
тупа воздуха до определенной температуры спекать (запекать) неспека-
ющуюся добавку, образуя твердый остаток той или иной прочности.
Коксуемость — это свойство угля (шихты) образовывать при
нагревании до определенной температуры'без доступа воздуха круп-
нокусковой кокс требуемой прочности и при этом обеспечивать нор-
мальную эксплуатацию коксовых печей.
Не все спекающиеся угли обладают хорошей коксуемостью, но
спекаемость является неотъемлемым свойством коксующегося угля.
Коксуемостью углей определяется структура кокса, степень его
усадки, величина и характер трещиноватости, физико-механичес-
кие и химические свойства отдельных кусков и насыпной массы кок-
са. Пока еще не установлена функциональная зависимость между
отдельными свойствами углей и их коксуемостью. Поэтому коксуе-
мость определяют не аналитическими, а техническими методами,
которые приближаются к практическим условиям коксования или
воспроизводят одно из состояний, наблюдаемых в процессе пирогене-
тического превращения угля. Наиболее четко и полно можно оценить
коксуемость только в производственных условиях.
Выход летучих веществ. По этому показателю, обозначенному
Vе или Уг (в зависимости от того, к зольной или беззольной части
угля отнесена потеря массы при определении выхода летучих ве-
ществ), угли при классификации относят к различным торговым
маркам и технологическим группам. Выход летучих веществ обуслов-
ливает выход кокса от исходного угля.
Выход летучих веществ уменьшается с ростом степени метамор-
физма углей, но он зависит и от их петрографического состава. По-
этому выход летучих веществ не всегда строго соответствует степени
химической зрелости углей.
Влияние выхода летучих веществ на спекаемость и коксуемость
углей зависит от динамики газовыделения при их нагревании.
Зольность (Лс, %) — это показатель, характеризующий содержа-
ние минеральных примесей в углях. Минеральные примеси углей
57
делятся на внутренние и внешние. Внутренние в свою очередь могут
быть разделены на первичные и вторичные. Первичные минеральные
примеси происходят от тех растений, которые послужили материн-
ским веществом для образования данного угля. Вторичные — это
минеральные примеси, попавшие в уголь из окружающей среды при
его образовании.
Минеральные примеси, которые попали в уголь из окружающих
пород и прослоек при добыче, называют внешними. Количество этих (
минеральных примесей зависит от условий залегания углей в со- '
провождающих породах и от способа добычи углей. Оно снижается
в процессе обогащения, который осуществляется сочетанием различ- j
пых механических, а иногда также физико-химических и химичес-
ких процессов. Минеральные примеси — это балласт, который сни-
жает спекаемость угля и изменяет его коксуемость.
Обогащение угля имеет большое народнохозяйственное значение,
так как уменьшает содержание в угле балластных, а иногда и вред-
ных примесей. Обогащают угли на обогатительных фабриках, рас-
положенных при шахтах, или на коксохимических заводах. «
При термической обработке углей минеральные примеси претер- J
певают глубокие превращения. Так, карбонаты разлагаются с выде- '
лением углекислого газа и образованием оксидов металлов; пирит
превращается в оксиды железа с выделением сернистого ангидрида;
глинистые вещества и силикаты теряют кристаллизационную воду;
хлориды щелочных металлов и оксид цинка могут частично улету-
чиваться и т. п.
Золой называют продукт превращения минеральных примесей при
сжигании углей в определенных условиях. Зольность кокса всегда
выше зольности исходных углей. Состав зол разных углей колеб-
лется в широких пределах; основными компонентами являются
SiO2, А12О3, Fe2O3 и СаО. Количество каждого из них может дости-
гать 50% зольности угля и более.
Существенное значение имеет температура плавления золы как
для сохранности кладки коксовых печей, так и для использования кокса
в обжиговых печах и газогенераторах. Чем больше в составе золы5Юа«
и А12О3, тем температура плавления ее выше. Зола не будет нарушапЛ
динасовую кладку, если температура ее плавления более 1200° СМ
Зольность углей нормируется Государственными стандартами ил(М
техническими условиями. И
Сернистость углей определяет сернистость кокса. Вредное влияИ
ние сернистости кокса в различных процессах разное, ввиду чего отИ
личаются и требования, предъявляемые к коксу. Так, кокс, испольМ
зуемый в вагранках (литейный кокс), должен иметь сернистость
пределах 0,6—1,2%. Менее жестки требования к доменному кокМ
су при выплавке литейного чугуна. Сернистость кокса, используемсМ
го при выплавке ферромарганца, может составлять 2,5—3,0%. М
Серосодержащие соединения в углях зачастую определяют приИ
годность их для того или иного использования. М
Важнейшим показателем сернистости углей является так назыИ
ваемая общая сера (5Общ) — суммарное содержание серы во все)И
58
Рис. 4. Выделение летучей серы в
зависимости от степени метаморфиз-
ма углей.
серосодержащих соединениях угля в пересчете на элементарную
серу. Все серосодержащие соединения углей можно подразделить на ми-
неральные и органические1. Минеральные серосодержащие соедине-
ния состоят из пирита (FeS2) и сульфатов (FeSO4, CaSO4).
При коксовании серосодержащие соединения частично превраща-
ются в продукты, которые улетучиваются (H2S, CS2, COS и др.), и
частично остаются в твердом, нелетучем, остатке. Соответственно
различают так называемую летучую и нелетучую серу, соотношение
между которыми для разных углей различно. Количество серы, прев-
ращающейся в летучие соединения, в молодых углях больше, чем в
зрелых. По данным К. И. Сыскова и Г. К. Ангеловой, зависимость
между отношением летучей серы к
общей и степенью метаморфизма ха-
рактеризуется кривой, приведенной
на рис. 4.
Образующиеся летучие серосодер-
жащие соединения частично взаимо-
действуют с органическими вещест-
вами — продуктами термической де-
струкции углей, а также с минераль-
ными компонентами (CaO, FeO и др.).
В результате этого часть летучей серы
задерживается в коксе в виде орга-
нических соединений, твердого рас-
твора элементарной серы в углероде,
сульфидов — FeS, CaS и т. п. Этим
объясняется влияние на остаточную сернистость кокса состава минераль -
ной части. Кроме того, относительное количество остаточных серо-
содержащих соединений в коксе зависит от конечной температуры
коксования и скорости нагрева угля. Однако влияние названных
факторов меньше, чем влияние степени зрелости угля.
Общая сернистость углей, используемых в Советском Союзе дня
коксования, колеблется в пределах от 0,6 до 6%.
При обогащении количество серосодержащих соединений снижа-
ется в основном за счет пирита. В кокс переходит 50—60% содержа-
щейся в угле серы (в пересчете на элементарную), в смолу — около
3 %, в газ — около 40 %.
Содержание фосфора и мышьяка. При коксовании углей фосфор
практически полностью остается в коксе. Он является нежелатель-
ным компонентом, поскольку из кокса попадает в металл, ухудшая
его свойства.
Содержание фосфора в углях колеблется от следов до 0,175%
(отдельные угли Кузбасса). Ф осф ор может б ыть связан с органи-
ческим веществом угля и может быть в виде неорганических соеди-
нений. В первом случае количество фосфора в угле при обогащении
будет увеличиваться, а во втором — снижаться.
1 В 1955 г. А. Л. Рубинштейн обнаружила в угле незначительное количество
элементарной серы — 0,15— 0,16%.
59
Для выплавки высококачественного металла требуется малофос-
фористый кокс (0,010—0,025%).
Наличие мышьякосодержащих соединений в угле и коксе до по-
следнего времени не учитывалось. Между тем, влияние мышьяка так же
вредно, как и фосфора. Обычно мышьяк в виде сульфидов со-
провождает пириты, распределенные в угле. Однако строгой за-
висимости между содержанием, пиритов и количеством мышьяка нет.
Содержание мышьяка (в пересчете на триоксид) в углях достигает
0,001%. При коксовании количество мышьяка в коксе снижается
на 25—75%. Количество мышьяка в углях следует учитывать и
суммировать его с количеством фосфора, однако отсутствие разра-
ботанной методики определения мышьяка в углях тормозит раз-
витие исследований о влиянии этой примеси.
Влажность углей. Повышенное содержание влаги затрудня-
ет подготовку угля к коксованию и ухудшает работу коксовых
печей.
Общая (рабочая) влага (Wp, %) состоит из внешней влаги (Ц7ВИ),
выделяющейся при сушке на воздухе при температуре 20° С и от- '
носительной влажности воздуха 65%, и гигроскопической (иначе,
лабораторной или аналитической) влаги Ц7а. Гигроскопическая
влага определяется в сушильном шкафу при температуре 105—110° С
(ГОСТ 8719—70).
В молодых углях содержится больше гигроскопической влаги,»
чем в более зрелых. Содержание общей влаги в рядовых углях, при-ж
меняемых для коксования, колеблется в пределах 2—7%. В обога-1
щенком угле, как правило, влаги больше. Поэтому, если для коксо-Я
вания используют обогащенные угли, необходимы специальные меры!
для удаления влаги (сушка отдельных компонентов, реже — шихты)
и для предупреждения смерзаемости угля при перевозках в зимнее
время. 9
Выход жидких и газообразных продуктов коксования. К основ-Я
ным продуктам, получаемым в процессе коксования, (кроме кокса) !
относятся смола, сырой бензол, аммиак и коксовый газ. Выход этих 1
продуктов, называемых в практике химическими продуктами кок-Л
сования, заметно влияет на технико-экономические показатели рабо-1
ты коксохимического завода. Я
Выход химических продуктов коксования зависит от многих фак-. Я
торов, связанных, с технологией процесса коксования, и с приро- ~
дой угля. К ним относятся температурные и гидравлические условия
эвакуации химических продуктов из камер коксования, выход лету-
чих веществ из угля, состав минеральных примесей (вследствие ка-
талитического влияния отдельных компонентов), термическая устой-J
чивость выделяющихся из угля первичных продуктов и др.
Между выходом коксового газа из углей и степенью их меп^И
морфизма существует зависимость: с ростом общего выхода летуч^И
веществ из углей выход газа возрастает. Источником образоваш^И
газа и отдельных его компонентов являются как непосредственно о^М
ганическая масса углей, так и первичные продукты (смола, газ^И
подвергающиеся пиролизу в коксовых печах.
Н
Высокотемпературной каменноугольной смолой принято называть
сложную смесь жидких органических продуктов коксования, конден-
сирующихся при охлаждении газа до 20—40° С. Количество смолы,
образующейся при коксовании различных углей, составляет 1,5—
6% угля. На выход смолы при коксовании влияет петрографичес-
кий состав угля. От свойств исходного угля зависит не только коли-
чество получаемой смолы, но и ее химический и фракционный состав.
Выход высококипящих фракций увеличивается с ростом метамор-
физма углей.
Сырой бензол — это смесь парообр
коксовании и не
ний, образующихся при
вместе со смолой. Выход сырого
бензола на заводах составляет
около 1 % общего количества
угля.
Образование аммиака непо-
средственно связано с превраще-
ниями азота углей в результа-
те термического воздействия на
них. Выход аммиака при кок-
азных органических соедине-
конденсирующихся из газа
Рис. 5. Зависимость выхода химических
продуктов коксования от выхода летучих
веществ в углях Донбасса:
1 — смола; 2 — бензол; 3 — аммиак.
совании различных каменных
углей колеблется незначитель-
но — (0,35—0,40%).
Изменение выхода химичес-
ких продуктов коксования в за-
висимости от выхода летучих веществ в петрографически одно-
родных углях Донбасса по данным Я. М. Обуховского представлено
кривыми на рис. 5.
§ 2. КЛАССИФИКАЦИЯ КАМЕННЫХ УГЛЕЙ
Первые попытки классификации углей появились в связи с ис-
пользованием их для коксования. Так, в 1826 г. была предложена
классификация Карстена по характеру остатка угля после нагрева-
ния-, в 1837 г. классификация Реньо —по элементарному составу
и др. Многие классификации для промышленного использования уг-
лей построены на основе их технического анализа, элементарного
состава, плотности, свойств полученного остатка. Это, например,
классификации Грюнера, Парра, Рейнеко, Вестфальского уголь-
ного синдиката, американского общества испытания материалов,
французской ассоциации нормализации и др.
Современная технологическая классификация отдельных уголь-
ных бассейнов Советского Союза основана на одних и тех же пара-
метрах — выходе летучих веществ и толщине пластического слоя,
определяемой в пластометрическом аппарате. Необходимость соз-
дания классификации отдельно для каждого бассейна объясняется
тем, что вследствие разных условий образования углей .одним и тем же
численным значениям показателей соответствуют различные спека-
емость и коксуемость углей.
61
Таблица 15. Классификация каменных углей
Марка угля Условное обозна- чение Показатели качества Характеристика нелетучего остатка
марки группы 1 Vr, % и, ММ
Угли Донбасса (ГОСТ 8180—59)
Длиннопламенный Газовый Д Г Гб, Г16 Г16 >37 >35 >36 6—15 Порошкообразный, слипшийся, сла- боспекшийся
Жирный Ж Ж13 27—37 13—20
Ж21 27—35 >21 —
Коксовый К КЖ 18—27 21
К14 18—27 14—20
Отощенный спека- ОС ОС6 14—22 6—13 Спекшийся без по-
ющийся ОС 14—22 >6 рошка
Тощий т 9—17 Порошкообразный, слипшийся, слабо- спекшийся
Угли Кузбасса (ГОСТ 8162—59)
Длиннопламенный Газовый Д Г Гб Г17 более 37 Более 37 Более 37 62—16 17—25 Порошкообразный, слипшийся, слабо- спекшийся
Газовый жирный гж Более 31 6 2—25 —
Жирный ж 1Ж26 Более 33 26 и более —
Коксовый жирный КЖ 2Ж26 КЖ14 33 и менее 25—31 26 и более 14—25 —
Коксовый к КЖ6 К13 Более 25 до 31 Менее 25 6 2—13 13—25 —
Коксовый второй к2 кю 17—25 17—25 10—12 6 2—9
Отощенный спека- ОС Менее 17 6 2—9 —
ющийся Слабоспекающийся сс ICC 25—37 Порошкообразный,
Тощий т 2СС 17—25 Менее 17 слипшийся, слабо- спекшийся То же
Угли Карагандинского бассейна (ГОСТ 8150—66)
Жирный Коксовый жирный Ж КЖ 24 и более 33 и менее 25 и более 19—24 —
Коксовый к — 24—33 12—18
Коксовый второй Отощенный спека- К3 — 24—33 6 2—11 —
ющийся ОС — менее 24 62—11 —
Бурый Б БЗ 37 и более — —
62
Продолжение табл. t5
Марка угля Условное обозна- чение Показатели качества Характеристика неле- тучего остатка
марки группы 1 Гг. % у, мм
Угли Урала (ГОСТ 7050—60)
Длипнопламенный Газовый Д Г Гб 37 и более 37 и более б2 * * * * * В—12 Порошкообразный, слипшийся, слабо- спекшийся
Жирный Ж Ж13 36 и более 13—17 —
Ж18 36 и более 18 и более —
Полуантрацит ПА —• 10 — —
Бурый Б Б1 40 и более — —
Б2 40 и более —
БЗ 40 и более — —
Угли Печорского бассейна (ГОСТ 6991—54)
Длиннопламенный Д — 37 и более — Порошкообразный, слипшийся и сла- боспекшийся
Газовый Г — 37 и более 6 2 и более ——
Жирный Ж Ж19 27—37 19 и более —
жю 27—37 10—18
Коксовый к — Менее 27 14 и более —
Отощенный спека- ющийся ОС Менее 27 62—13
Тощий т — Менее 17 — Порошкообразный, слипшийся, слабо-
спекшийся
1 Цифры, входящие в условное обозначение групп, указывают на нижний предел
спекаемости углей, выраженный толщиной пластического слоя у.
2 При у менее 6 мм и спекшемся нелетучем остатке уголь в зависимости от вы-
хода летучих веществ относится соответственно к маркам Гб, КЖ6, К2, ОС.
В табл. 15 приведены классификация углей, широко используемых
для коксования. Угли делятся на марки, а марки дополнительно раз-
деляются на группы. Несмотря на такое достаточно подробное деле-
ние, не все угли, входящие в группу данной марки, являются пол-
ностью взаимозаменяемыми с точки зрения поведения их при коксо-
вании в смесях и обеспечения определенных свойств кокса.
В производственных условиях существует более дробное деление
углей на основе показателей, которые чувствительнее, .чем толщина
пластического слоя. Для этой цели может быть использован разрабо-
танный Днепропетровским металлургическим институтом метод опре-
деления динамики вспучивания в аппарате ИГИ — ДМетИ, метод
определения количества жидкой фазы пластической массы в центри-
фуге ХПИ (Харьковский политехнический институт) и др.
63
Расширение международного сотрудничества и развитие межго
сударственных торговых отношений послужили причиной того, что
создание международной классификации углей стало вопросом чрез-
вычайной важности.
В результате длительных работ Комитетом классификации при
ООН была принята система, по которой угли делятся на классы по
теплоте сгорания, на группы •— по способности спекаться и на под-
группы — по способности к коксованию. Для международной клас-
сификации углей пользуются тремя цифрами, из которых пер-
вая цифра показывает класс углей, вторая — группу и третья —
подгруппу.
Угли делятся на группы по спекаемости на основании числа Рога
или индекса свободного вспучивания при тигельном коксовании.
Подгруппа определяется результатами испытания по методу Одибе-
ра — Арну или Грей — Кинга. И тот и другой методы косвенно ха-
рактеризуют спекаемость, а не коксуемость угля, что является суще-
ственным недостатком классификации.
Экспериментальные исследования углей бассейнов СССР мето-
дами международной классификации и опыт кодификации углей по
принятым параметрам показали, что международная классификация
не всегда позволяет разграничить угли по их способности давать
кокс определенного качества.
§ 3. ХАРАКТЕРИСТИКА ОСНОВНЫХ УГОЛЬНЫХ БАССЕЙНОВ
Из всего количества угля в СССР для слоевого коксования пригодно
около 50 млрд. т. Качество и распределение по маркам углей основных
угольных бассейнов различно. Значительно отличается и долевое учас-
тие их в поставке углей для коксования. Так, Донецкий бассейн постав-
ляет более половины углей, Кузнецкий — более четверти, еще мень-
Таблица 16. Структура запасов углей Донецкого бассейна ше Карагандинский и далее Печор- ский, Кизеловский и т. д. Донецкий бассейн. В Донецком бассейне залегают все угли — от малометаморфизованных длинно- пламенных до высокометаморфизо- ванных тощих и антрацитов. Про-
Марка уг- лей Количество угля, % Г, Ж, К и ОС, %, от количества коксующихся
ДБ Д Г ж к ОС т А 14,8 11,6 26,9 5,3 3,5 2,9 7,5 27,5 69,5 13,8 9,1 7,6 мышленные запасы коксующихся углей составляют более 17 млрд. т. Распределение запасов углей на глубине до 1200 м по маркам представлено в табл. 16. Донецкие угли среднего карбо- на по петрографическому составу сравнительно однородны и поэто- му их химические и технологичес- кие свойства отличаются только при разных степенях матеморфизма
Итого: 100,0 100,0
64
и генетических типах углей. Угли средней стадии метаморфизма
обладают высокой спекаемостью и отличаются высокой сернистостью.
Средняя сернистость рядовых коксующихся углей составляет около
2,5%. Средняя зольность большинства пластов 7—15%. Эти угли
характеризуются легкой и средней обогатимостью. Химический
состав золы указан в табл. 17.
Таблица 17. Химический состав золы углей после обогащения, %
Бассейн SiO2 А1аОа Fe,O, СаО MgO so, Другие компо- ненты
Донецкий Кузнецкий 36—45 30—70 22—27 12—40 22—31 2—27 3—7 1-11 1—2 0—7 1—4 0,2—1 До 3 до 3
Донецкие угли нижнего карбона в основном мало- и среднесернис-
тые. В отличие от углей основного Донбасса угли западного Донбас-
са имеют повышенное содержание лейптинита и фюзенита, что объяс-
няет существенную специфику их коксуемости.
Содержание фосфора в углях среднего карбона составляет 0,001 —
0,020%, а в углях нижнего карбона — 0,003—0,020%.
Выход основных химических продуктов (по лабораторным дан-
ным) для различных марок углей среднего карбона приведен в
табл. 18.
Таблица 18. Выход основных химических продуктов из углей различных бассейнов
(по лабораторным данным)
Выход продуктов, %, на сухое беззольное вещество
Марка угля смола бензольные углеводороды аммиак
Донецкий бассейн
г 3,4—7,0 1,52—2,36 0,27—0,35
ж 5,5—7,1 1,61—2,04 0,25—0,35
к 2,1—4,3 0,92—1,71 0,18—0,30
ОС 1,2—1,8 0,63—0,85 0,19—0,24
Кузнецкий бассейн
г 50—55 1,70—180 0 50—0 55
ж 4,0—5,5 1,20—1,60 0,45—0,50
к 1,7—3,0 0,40—0,70 0,35—0,40
ос 1,0—1,1 0,30—0,40 0,30—0,32
Карагандинский бассейн
К 1 2,0—4,4 I 0,87—1,44 I 0,16—0,26
кж 1 2,9—3,1 I 1,23—1,25 | 0,26—0,27
Ж | 3,4—4,7 Печорский бассейн 1 1,03—1,34 I 0,32—0,46
3 5—1611
65
Таблица 19. Структура промышленных
запасов угля Кузбасса, %
Марка уг- ля Все угли Г, Ж, К и ос. % от количества коксующихся
д 1,3
г 20,6 26,2
гж 4,4 5,6
ж 8,9 11,3
КЖ 9,6 12,2
к 30,4 38,6
ОС 4,8 6,1
т 20,0 —
Итого: 100,0 100,0
Кузнецкий бассейн. В Кузнецком бассейне есть угли всех мгрок-
Они залегают с пластах балахонской, кольчугинской свит н тарбаган-
ского яруса. Разрабатываются и поставляются для коксования
угли балахонской и кольчугинской свит. Структура запасов
углей Кузнецкого бассейна представлена в табл. 19. Угли отличаются
низкой сернистостью (в среднем 0,6—0,7 %), относительно малой золь-
ностью (угли кольчугинской свиты до 12 о, а балахонской—до 16%),
в большинстве легко обстатимы.
Содержание фосфора несколько по-
вышенное и колеблется от следов
До 0,2%.
Угли кольчугинской свиты ме-
нее метаморфизованы, чем бала-
хонской. В основном там представ-
лены петрографически однородные
витринитовые газовые углю В уг-
лях балахонской свить: есть угли
различных стадий метаморфизма
со сложным петрографическим со-
ставом.
Специфика петрографического
состава обусловливает своеобразие
свойств углей. Так, в отличие от
донецких газовых углей, кузнец-
кие имеют большие выходы летучих^
веществ и основных химических]
продуктов (см. табл. 18). У основной массы жирных углей Кузбасса]
тоже выход летучих веществ больше, чем из углей Донбасса этой же]
марки. В целом большинству углей бассейна присуща пониженная]
спекаемость, значительно меньшая, чем спекаемость тех же марок]
углей Донбасса. I
Для состава минеральной части обогащенных углей характерны]
большие пределы изменения отдельных компонентов, что видно из]
табл. 17. I
Карагандинский бассейн. Промышленные запасы коксующихся]
углей составляют более 4 млрд, т, в том числе 1,4 млрд, т относит-]
ся к углям марки Ж иКЖ и более 2,6 млрд, т — к углям марок К, И
К2 и ОС. Угли высокозольные (от 11 до 30%), труднообогатимые,]
петрографически неоднородные, сернистость по пластам резко колеб-]
лется, но в среднем составляет около 1,3%, фосфористость повышен-]
ная и доходит в отдельных пластахдо 0,1%. ]
Карагандинские угли марок Ж и КЖ имеют лучшую коксуе-]
мость по сравнению с аналогичными углями Кузбасса. Ввиду высо-]
кой зольности эти угли перед коксованием необходимо обога-]
щать. ]
Печорский бассейн. Из разведанных промышленных запасов бас-]
сейна для коксования пригодны около 5 млрд. т\ 60% являются]
жирными углями, 30% — газовыми и 10 % — коксовыми и отощенны-1
ми спекающимися. Угли петрографически неоднородны. I
66
Разрабатываемые в Воркутинском месторождении жирные угли
обладают хорошей коксуемостью и спекаемостью. Сернистость их не
более 0,7%, фосфористость достигает 0,01%.
Газовые угли залегают в Воргашорском месторождении, их золь-
ность— 15—19%. Это среднеобогатимые угли, содержащие около
1 % соединений серы.
Спецификой Юньягинского и Хальмерюсского месторождений,
где залегают угли марки К, является уникальная их коксуемость.
Угли можно коксовать самостоятельно, они способны спекать значи-
тельное количество отощающего компонента и сами могут выступать
в роли отощающей присадки. Сернистость их достигает 1%, фосфорис-
тость повышенная —до 0,03%.
§ 4. СОСТАВЫ УГОЛЬНЫХ ШИХТ
Как уже отмечалось, вначале для коксования использовали толь-
ко коксовые угли. Но запасы таких углей ограничены. Вместе с тем
непрерывно возрастал спрос на коксовый газ, смолу и бензол. Все
эти причины вызвали необходимость добавления к коксовым углям
углей других технологических групп.
Таблица 20. Динамика изменения состава шихт коксохимических заводов Юга
СССР
Год Содержание угля в шихте по маркам
Г ж К ос т
1933 о,1 49,6 24,6 25,7
1937 2,6 53,4 23,4 20,6 —
1940 8,2 49,6 23,3 18,9 —
1947 9,9 48,4 27,9 13,8 —
1952 15,5 44,4 23,9 15,3 0,9
1958 21,6 40,7 21,2 15,6 0,9
1962 27,7 35,3 19,0 16,8 1,2
1968 30,1 34,5 20,5 14,1 0,8
1973 33,6 32,4 13,9 18,3 1,8
До 1933 г. шихта составлялась только из углей марок Ж, К и ОС.
Газовые угли были включены впервые в состав шихты Коммунарского
коксохимического завода в 1933 г. и результаты оказались положи-
тельными. С этого времени процентное содержание газовых углей
в шихтах коксохимических заводов неуклонно растет (табл. 20),
что диктуется распределением ресурсов в недрах земли (см. табл.
16 и 19). Соответственно распределению углей в бассейне и назначе-
нию кокса типовые составы современных шихт различны (табл. 21 —
24).
Несмотря на то, что с увеличением доли газовых углей коксуе-
мость шихты снижается, эта доля будет выше. Например, Запорож-
ский коксохимический завод более года работает на шихте следую-
щего состава, %: Г —45; Ж — 26; К— 14; ОС— 15.
3* 67
Таблица 21. Составы шихт из углей
Донбасса, %, для производства кокса
Таблица 22. Состав шихт из углей
Кузбасса
Марка угля Кокс Группа уг- лей Шихты с участием жирных уг- лей
доменный литейный
2Ж26 1Ж26
г 29—36 13—15 Для производства доменного кокса
ж 30—36 38—50 Г17 1Ж26 15—17 16—18 23—25
к 13—20 22-35 2Ж26 КЖ14 23—25 27—28
ОС 13—22 0—20 К13 кю 22—24 10—16 —
т 0—5 0—10 К2 23—25 30—34
А 0 0—10 Для прои. Гб 1Ж26 К2 GC + CC чводства лише иного кокса 38—40 16—18 17—19 26
Все больше будут внедряться для коксования нижнекарбоновые
угли западного Донбасса, замещая газовые угли основного Донбас-
са. Сернистость углей Донбасса в перспективе будет увеличиваться,
в связи с чем, несмотря на дальность перевозок, может встать вопрос
о завозе на коксохимические заводы Юга СССР низкосернистых уг-
лей Восточных бассейнов. В то же время спекаемость углей Кузнец-
кого бассейна ухудшается, что может быть компенсировано встречной
перевозкой донецких углей в Кузбасс.
Таблица 23. Состав шихт, %, для
производства доменного кокса на базе углей
Карагандинского и Кузнецкого бассейнов
Группа углей Шихты без углей Кузбас- са Шихты с уг- лями Кузбасса
Карагандинские угли ж + кж 25
к 50 30—35
к2 25 —
Кузнецкие угли 2Ж26 30
К13 — 10—12
К2 + КЮ — 25—26
Таблица 24. Состав шихт на
базе углей Печорского бассейна
для производства доменного
кокса
Группа углей Количество, %
жю 54—60
Ж19 25—30
Кузнецкие угли
ОС 14—16
Значительное и одновременное развитие добычи и обогащения
углей Печорского, Кузнецкого и Карагандинского бассейнов обеспе-
чит реальное использование печорских углей в сочетании с донец-
кими на коксохимических заводах Юга СССР с целью снижения сер-
68
нистости кокса. Варианты шихт из углей различных бассейнов долж-
ны тщательно прорабатываться с учетом общегосударственной эффек-
тивности .
Печорский бассейн все больше становится основной сырьевой базой Центра
и Северо-Запада Европейской территории СССР, замещая угли Донецкого бас-
сейна.
Иногда целесообразна компановка шихты из углей трех бассейнов. Так, в 1973 г.
шихта Новолипецкого металлургического завода состояла из углей Кузбасса, Дон-
басса и Печорского бассейна.
В перспективе увеличится в шихтах Восточных заводов участие газовых углей
Кузбасса за счет снижения количества углей марок Ж, КЖ и К- Работами ВУХИНа
показано, что газовые угли с толщиной пластического слоя 17—25 мм вполне могут
заменить жирные угли при сохранении значительной доли углей марок К13, КЮ и К2.
На составы перспективных шихт все больше будет оказывать вли-
яние структура запасов углей в недрах СССР.
§ 5. РАСЧЕТ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА ШИХТЫ
Шихта составляется для каждого коксохимического завода с
учетом требований потребителя кокса и возможностей завода. Она
должна быть заданной коксуемости, допустимой зольности, сернистос-
ти и фосфористости. При всем этом шихта не должна создавать внут-
ри печей опасное для кладки давление.
При составлении шихт важное место занимает вопрос о затра-
тах на перевозку углей. Необходимо устранять встречные пере-
возки, выбирать минимальное расстояние от места добычи угля или от
обогатительной фабрики до потребителя. Однако определяющими
.факторами должны быть технологические свойства и химический
потенциал углей.
Один из важных показателей кокса — равномерность его
свойств — зависит от равномерности свойств шихты. С целью стаби-
лизации качественных показателей углей на коксохимических заво-
дах проводят ряд мероприятий, эффективность которых зависит от
числа поставщиков углей для коксования и снижается при их уве-
личении. Из этих соображений следует стремиться к минимальному
количеству поставщиков.
Выбор сырьевой базы коксохимического завода определяется на-
личием в его составе углеобогатительной фабрики.
Если при заводе нет углеобогатительной фабрики, в шихту вво-
дят только малозольные (природночистые) или обогащенные угли.
Если же она есть, следует учитывать технологическую схему ее,
оборудование предварительными классификаторами, развитость шла-
мового хозяйства, возможность обогащать мелкие классы и т. д.
Выход жидких и газообразных химических продуктов играет
тем большую роль, чем больше развито химическое крыло коксохи-
мического завода.
Важное значение для оценки технико-экономической деятель-
ности завода имеет выход кокса от шихты (Вк). Выход кокса зависит
69
от выхода летучих веществ тг-'щ в утатамг: кохсощиищ. ст сткде-
ляется во формуле
Где 1фй и Vk — выходы леттап: сот, от-; ее с . ту то та мта/та- 'стасу
ШИХТЫ II КОлСа, COOTBOTCTBCii.'Cj, у, Сф с;.с.та.та Тфыытпы О. ,е ттзд
1%); П — развкш .хыхду мыта-та..1 /.тахта- с- е.селит ы'-гтата,. \та, obi
ях и лабораторных пут мтфта.,»та\ x:,-«x; /тататах д» хта«х.; (та
называемый «припек»;, Ирис. П с;»,ио определит1., по феи
муле Б. И. Кустова п Я. Ь. Гипс,ад;ги
П =47,1 — 0,50 —-"- |Л0. «у уз
до — 1ф
Обычно П = 1,0—6,0%. Припек таутамтатаи тата, члэ г t > та
ре (в отличие от тигельного сот. о ; л л .к хода /к-ту1 в)
часть образующихся газообразных и хлдеил продукте! j с ;я
дополнительно разлагается до углерода, увеличивая выход тщрдо-
го остатка.
Выход кокса, найденный по формуле (30), не всегда согласуется с практическими
результатами. В Японии для определения выхода кокса принята формула
Вк = 103,19 —0,7517^—0,0067/, %,
где t — конечная температура коксования, °C.
Учитывая сложность определения средней температуры коксования, УХИНом
предложена формула, оценивающая степень готовности кокса по содержанию водо-
рода в его горючей массе (Я1)
Вк =94,92-0,8417^+ 7,7ЯГ, %. (32)
Содержание водорода в коксе может быть определено по результатам испытания
ежесменных аналитических проб для контроля технического анализа кокса. Значе-
ние Нг колеблется в пределах 0,4—0,7%.
Значение Вк при обычных условиях коксования находится в пре-
делах 77—78%.
Зольность шихты (Лш> %) и кокса (Лк, %) связана соотношением
= %, (33)
Аоз
где Коз — коэффициент озоления, рассчитываемый по формуле
Таким образом, зная требуемую зольность кокса, можно опре-
делить необходимую для этого зольность шихты.
Зольность составляющих угольных компонентов и шихты связа-
на правилом аддитивности:
Acvat
1351
70
где Лсу. — зольность i-ro угольного компонента, %; а,- — процентно:
содержание i-ro компонента в шихте
Sat = 100%.
Например, состав шихты, %, следующий: Г — 30; Ж — 30; К —
ОС —20. Зольность компонентов соответственно равна 7; 10; 8
н 9%. Тогда
с 7-30 + 10-30 + 8-20 + 9-20
ЛШ = -------------100---------------
Сернистость шихты (5ш, %) связана с сернистостью кокса (S«,
%) соотношением
Sc
, %, (36)
^ос
где Кос — коэффициент остаточной серы в коксе, который находится
в пределах 0,78—0,86 и зависит от режима коксования и выхода
летучих веществ шихты. Чем выше температура коксования и больше
выход летучих веществ, тем ниже коэффициент остаточной серы в
коксе.
Зная требуемую сернистость кокса, по формуле (36) определяют
необходимую для этого сернистость шихты. В свою очередь требуемая
сернистость шихты обеспечивается соответствующей сернистостью
компонентов (Sy, %). Соотношение между 5Ш и Sy подчиняется пра-
вилу аддитивности.
Фосфористость кокса (Рк, %) полностью зависит от фосфористос-
ти исходных углей (Ру, %) и определяется по формуле
ST’y at-
Рк = —%. (37)
Влажность шихты подчиняется правилу аддитивность, и ее мож-
но определить по влажности исходных углей. С достаточной для прак-
тики степенью точности по этому же правилу определяют выход
летучих веществ и толщину пластического слоя шихты.1
Показатели физико-механических свойств насыпной массы кок-
са пока еще теоретически не рассчитываются, но для отдельных кон-
кретных условий коксования установлена статистическая связь меж-
ду режимом коксования, составом шихты и прочностными показа-
телями кокса.
Использование газовых углей в современных шихтах обеспечило
полную безопасность их с точки зрения давления распирания при
коксовании.
Как отмечалось в § 4, выход химических продуктов коксования
специфичен для углей различных бассейнов и технологических групп.
1 Для смесей, обладающих высокой спекаемостью, толщина пластического слоя
слоя не аддитивна. Это связано со вздутием ее продуктами деструкции. Однако в сов-
ременных промышленных шихтах, со значением у — 15—18 мм, толщина пластиче-
ского слоя может быть найдена расчетным путем.
71
В общем случае о химическом потенциале углей судят по выходу
летучих веществ.
Равномерность качественных показателей шихты может быть
установлена, исходя из степени постоянства качества углей, поступа-
ющих на коксохимический завод, и наличия на заводе определенных
емкостей и оборудования, что будет рассмотрено в главе II.
В настоящее время за коксохимическими заводами на какой-то
срок закрепляют определенных поставщиков. Тогда возникающие
вопросы изменения химического состава кокса при изменении дан-
ных технического анализа одного или нескольких компонентов ших-
ты решаются предельно просто с использованием формул (35—37).
§ 6. ВЛИЯНИЕ СОСТАВА И СВОЙСТВ ШИХТЫ
НА КАЧЕСТВО КОКСА
На основании исследований и промышленного опыта коксохими-
ческих заводов СССР установлена определенная качественная связь
между выходом летучих веществ, толщиной пластического слоя и
показателями механических свойств кокса.
Известными являются следующие зависимости.
1) При одной и той же толщине пластического слоя в обычных
условиях коксования образуется тем более прочный и крупнокус-
ковой кокс, чем меньше выход летучих веществ.
2) При одном и том же выходе летучих веществ с увеличением
толщины пластического слоя повышается спекаемость угля и способ-
ность 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 тела кокса.
4) При одинаковой толщине пластического слоя способность уг-
лей Донбасса принимать отощающие присадки повышается с увели-
чением выхода из них летучих веществ.
5) При добавке отощающих углей к жирным и хорошо спекаю-
щимся газовым углям получается кокс тем более прочный, чем ниже
выход летучих веществ из добавляемых углей при одной и той же их
спекаемости.
Перечень этих закономерностей можно продолжить, однако, учид
тывая, что и выход летучих веществ, и толщина пластического слоя|
для многокомпонентных шихт с допускаемой погрешностью подчииИ
ются закону аддитивности, целесообразно рассмотреть влияние
дельных составляющих угольной шихты на ее свойства и принца^И
рациональной компоновки угольных шихт для слоевого коксован^И
Учитывая низкую спекаемость длиннопламенных и слабоспек|^И
щихся газовых углей, иногда их можно использовать в качес^И
отощающих присадок к шихтам из хорошо спекающихся углей.
нако действие их в шихтах будет отличаться от действия слабоспе^И
ющихся высокометаморфизованных углей, что следует учитывали
Сочетать такие угли с тощими неспекающимися углями нежелатель^И
Кокс, получаемый из шихты с содержанием длиннопламенных
углей (более 7—8%), обычно менее прочен, чем из обычных типовых
донецких шихт. Специальными методами подготовки углей можно
несколько улучшить качество кокса.
Применение в обычных шихтах слабоспекаюгцихся и неспекаю-
щихся малометаморфизованных углей типа длиннопламенных из-
меняет ситовый состав кокса (выход класса более 80 мл повышается,
содержание класса 40—80 мм уменьшается); сопротивление кокса
дробящим и истирающим усилиям снижается.
Слабоспекающиеся газовые угли при слоевом коксовании самосто-
тельно кускового кокса не образуют. При коксовании газовых уг-
лей средней спекаемости (у = 10—14 мм) получается малопрочный
кусковой кокс. Из газовых углей повышенной спекаемости (у >
> 14 мм) при самостоятельном коксовании образуется мелкий, хо-
рошо сплавленный кокс с небольшим сопротивлением дробящим уси-
лиям.
Из шихт, содержащих газовые угли средней спекаемости, по-
лучается более крупный кокс, чем из шихты с участием газового
угля повышенной спекаемости. Замена в типовой шихте Донбасса
газового угля средней спекаемости углем повышенной спекаемости
несколько повышает дробимость кокса, что обусловлено избыточной
спекаемостью шихты с участием газовых углей этого типа.
Увеличение в донецкой шихте количества газовых углей за счет
жирных снижает сопротивление кокса дробящим усилиям и незна-
чительно снижает крупность кокса.
Однако практика работы коксохимических заводов показала, что
увеличение содержания в шихтах газовых углей не ухудшает физи-
ко-механических свойств кокса, если шихта правильно компонуется
и при этом используются совершенные методы ее подготовки.
При составлении угольных шихт газовые угли повышенной спе-
каемости следует сочетать с отощенными спекающимися, а газовые
угли средней спекаемости — с коксовыми углями. Сейчас широко
используются для составления шихт и нижнекарбоновые угли запад-
ного Донбасса, отличающиеся петрографической неоднородностью.
При коксовании углей Донбасса с повышением выхода летучих
веществ физико-механические свойства кокса, как правило, ухуд-
шаются. Угли западного Донбасса выпадают из общей закономернос-
ти, что обусловлено различным составом вещества углей.
Некоторые угли западного Донбасса в шихтах вполне заменяют
газовые угли основного Донбасса и по своим свойствам приближа-
ются к газовым углям повышенной спекаемости. Некоторые угли
можно использовать в шихтах как отощающие присадки.
Угли группы Ж13 при самостоятельном коксовании дают кокс,
приближающийся по свойствам к коксу из газовых углей. Анало-
гично действуют они и в шихтах. Кокс из шихты с участием жир-
ного угля группы Ж13 вместо угля группы Ж21 имеет пониженную
крупность кусков и повышенную дробимость.
Угли с выходом летучих веществ 28—33% и толщиной пласти-
ческого слоя более 20 мм (Ж21) имеют маловязкую жидкую часть
73
пxxitcxx массь’, /хощхо бгхххх охв-хххт' r; х. — чтих
\ х.х ; - rvixxxx.x < цх х. х । ху су х.ххх .ххгхх с . хещ
XX i МС1ХХЛХ'. I.I. ,?.T.'iX -.XTXXX X'X X" ' ! /иШ)И
Ешах ,'ххуухх ххгххх .ххх оги«Я
х:у ХХхХХххХХХ' ххххс; йХХхх ХХХХ XXIII ОСрИ
х ХХ'Ххх'х XXX. УХ’. VXX. ХТХ.ОХХ х;мать отИ
IX.X Н;Х'Х.Х.х. IX \X\xx.Xx ЗхХХ ХСУухх. СВОЙСТВ КОКсЛ
хХХХ: \xl! IiXIillX хЗ ПХХ' IX IXxXXy 0Т0Щ2ЮЩИХ ПрН
х.х. ух хХхх.х 1х ххсхусухх чесгве. В шихИ
XXX (ХхХХХХХХ;' ХХХХХО XXX,XXX х однородность струИ
'З.хххг’х.; хх'хкхххх. ухххлхх-хх выполняют роль отощаЯ
ii-.-iC. ххххххх, cHiiwjicu’pcc’ хххх.хх.'хсть кокса, развиваемЯ
7 7.- ; X XXIX CXXXXIXXXX гххХзХП! угЛЯМИ, ПОЭТОМУ СПОСООЧ
ci х. I ххххх; круиххх- ь хх. 3 современных шихтах коксо-i
>х х • • । , г 3;;;х;хх, хх правило, опасное давление рас-
г: , < I । 1 xj.qxx газовым углям. Эти же угли обеспе-
ч ххх.схть коксового пирога для легкой
ПХХ'Х XX ух ух хх\, I.XXC.
.. УГЛЕЙ К КОКСОВАНИЮ КАК КОМПЛЕКС
5, З^ЫЯЮЩИХ КОКСУЕМОСТЬ УГЛЕЙ И ШИХТЫ
1. сЗДЗ- СВЕДЕНИЯ
13.1 первых этапах развития процесса коксования понятья «под-
гон . х! - углей к коксованию» не существовало, так как уголь не дро-
cixx. не обогащали и не подбирали по качеству.
( началом применения шихт появилась необходимость смешивать
уххть, чтобы достичь однородности. Для этого угли пришлось дро-
। х.ь. Так стихийно появилась примитивная подготовка углей к кок-
сованию.
Задача педготовки угля к коксованию — улучшить качество кок-
са и снизить колебацие качества. В комплекс процессов, называю-
щихся подготовкой угля к коксованию, входят усреднение, дроб-
ление, смешение как основные процессы углеподготовки. К ним можно
добавить обогащение, если для коксования используют высоко-
зольные угли, трамбование шихты, применение органических и ми-
неральных добавок для повышения коксуемости шихты или регули-
рования качества кокса, сушку и подогрев шихты и др.
При подготовке шихты к коксованию следует помнить, что ис-
пользование одного какого-то метода улучшения определенного по-
казателя процесса производства или качества кокса может ухудшать
другие показатели. Действие каждого из приемов настолько разно-
сторонне, что дать однозначную оценку порой бывает трудно.
74
Так, для достижения возможно большей однородности, целесооб-
разно тонко измельчать шихту. Но для максимального использова-
ния потенциала спекаемости и достижения плотной укладки при за-
сипи в печь шихту тонко измельчать не нужно. Желательно все
угли, поступающие для коксования, полностью усреднять, но это
удлиняет сроки хранения углей на складах, что ухудшает их спека-
ем ость и т д В каждом конкретном случае необходимо учитывать все
эти факторы и выбирать оптимальное решение .
Количественно оценить различные приемы подготовки можно
только с учетом всей конкретной обстановки, начиная от сырьевой
базы коксования и кончая назначением кокса и методами его подго-
товки . Поэтому в дальне йшем изложении будет раскрываться лишь
качественная сторона этих приемов. Приводимые примеры не следует
обобщать.
Анализ эффективности дробления можно сделать по сопостав-
лению ситовых составов исходного и конечного продуктов, а так-
же по показателю степени дробления, определяемому как отноше-
ние средних диаметров исходных зерен к полученным. Однако для
характеристики ситового состава шихты средний диаметр зерен не
достаточен. В то же время табличная форма записи ситовых рассевов
неудобна для анализа результатов, особенно при большом числе классов
различной крупности.
Для характеристики крупности часто пользуются методом построения кривых в
прямоугольной системе координат. Кривые строят по выходам отдельных классов
крупности (частные) и по суммарному выходу
классов (кумулятивные) . По оси абсцисс в обоих
случаях откладывают размеры отверстий сит.
При построении частных характеристик можно
использовать с одинаковым правом средний раз-
мер класса и меньший размер класса, при по-
строении суммарной кривой пользоваться суммар-
ным выходом по плюсу или по минусу (т. е. по
надрешетному или подрешетному продукту). На
рис. 6 показан пример построения различных
кривых.
Иногда на оси абсцисс наносят размеры от-
верстий сит в логарифмической форме. При этом
расстояния между соседними величинами для
мелких зерен увеличиваются, а для крупных —
сокращаются. График становится более удоб-
ным.
Суммарный выход классов больше опреде-
ленного размера подчиняется эмпирическому
Уравнению Розина — Раммлера
7? = 100е“Ах" (38)
где /? — суммарный выход класса крупнее х, %;
х — размер отверстий сит; b и п — параметры,
зависящие от свойств материала и размерности
величины х.
При двойном логарифмировании уравнения
(38) получаем -у
/ 100 \
lg 1g I = п *g х + 1g (b 1g е),
Размер отверстия сит, мм
5
Рис . 6 . Характеристика круп -
ности:
а — частная характеристика по вы-
ходам отдельных классов и столби-
ковая диаграмма (/ — столбиковая
диаграмма; 2 — на меньшем диа-
метре класса; 3 — на среднем диа-
метре); б — суммарные характерис-
тики (/ — по минусу; 2 — по плю-
су).
75
г. е. уравнение Розина — Раммлера может быть изображено прямой .ин
динатах
и коор-
Е. Бурстлейн рекомендует характеризовать ситовый состав шихты «граи\тшмет*
рическим индексом» следующего вида:
с
е а
b h
g = d
(39)
f
где а, Ь, с, d, е, f и h соответствуют отверстиям сит при выходах подрешетного проду
та, равных 0; 25; 50; 75; 95 и 100%. Физический смысл этих индексов следующи,
d — размер среднего зерна; — максимальный гранулометрический диапазон кру
ности; —--средний гранулометрический диапазон крупности, охватывающий 50'
е
всего материала; —--гранулометрический диапазон 90% всего материала.
Чаще всего общую оценку степени измельчения дают по соде
жанию в угле (или шихте) класса менее 3 мм. Так как в угольн
шихте следует регламентировать количество частичек
размером
бо-
лее 6 мм и менее 0,5 мм, то дополнительную характеристику дают
по содержанию этих классов.
В комплекс операций по подготовке углей для коксования вхо-
дит также прием, разрузка и складирование углей.
§ 2. ПРИЕМ, СКЛАДИРОВАНИЕ И УСРЕДНЕНИЕ УГЛЕЙ
Современный коксохимический завод ежесуточно потребляет от
10 до 20 тыс. т углей. С учетом неравномерности поступления суточ-
ная переработка углей может достигать 35 тыс. т. При существую-
щей многокомпонентности шихты одновременно поступают угли от
многих (нередко до 10 и более) поставщиков. При таких масштабах
переработки углей правильная организация приема, бесперебойная
разгрузка без смешения отдельных групп и марок углей приобрета-
ют огромное значение.
Как правило, угли на завод поступают в вагонах, которые раз-
гружают с помощью вагоноопрокидывателей. На коксохимических
заводах СССР в основном применяют круговой вагоноопрокидыва-
тель стационарного типа, представленный на рис. 7. Его устанавлива-
ют в здании над углеприемным бункером, из которого уголь выдается
питателями на ленточные конвейеры.
Раньше вагоны разгружали на так называемых угольных ямах.
При этом требовалась большая затрата рабочей силы для открыва-
ния люков вагонов и др. На некоторых заводах угольные ямы сохра-
нены, хотя используются крайне редко.
Шахты и ЦОФ часто расположены далеко от заводов. Возможные
перебои в отгрузке и доставке углей предопределяют необходимость
создания на складах коксохимических заводов некоторых запасов,
гарантирующих постоянство состава шихты для коксования.
76
Емкость складов зависит от средней отдаленности поставщиков
от коксохимических заводов. Гипрококс рекомендует при расстоянии
от завода до угольных шахт, км: до 150, до 300, до 1000, до 2000 и бо-
лее 2000 запас углей, который обеспечит работу завода в течение,
соответственно: 4, 5, 7, 10 и 15 суток.
Рис. 7. Круговой вагоноопрокидыватель стационарного типа:
а — одинарный бункер; б — двойной бункер.
Склады угля могут быть открытыми и закрытыми (в виде железо-
бетонных бункеров).
В общем случае уголь из бункеров вагоноопрокидывателя или
угольных ям системой транспортеров подается непосредственно для
коксования или на склад, откуда далее идет на коксование.
Когда перерабатываются рядовые угли, сразу за углеприемным
отделением устанавливают отделение предварительного дробления,
где дробятся на двухвалковых зубчатых дробилках куски более 50
или 80 мм.
Однако при современном механизированном способе добычи угля
кусков такой крупности очень мало, а после обогащения их нет сов-
сем. Поэтому имеющиеся на коксохимических заводах Юга СССР
отделения предварительного дробления почти везде не функциониру-
ют. Различные схемы приема угля представлены на рис. 8.
Кроме того, что на складах создаются запасы угля, там их еще
усредняют. Если уголь хранится на складе дольше определенного
срока, он окисляется и коксуемость его ухудшается. Поэтому работа
угольного склада должна быть строго технологически регламентиро-
вана. Этим регламентом предусматривается определенная система
77
Рис. 8. Распространенные схемы приема угля:
Схема а) / — вагоноопрокидыватель; 2 — углеприемные бункера; 3 —
отделение предварительного дробления; 4 — открытый склад угля;
б) / — вагоноопрокидыватель; 2 — отделение предварительного дробле-
ния; 3 — закрытый склад угля и дозировочное отделение; в) 1 — вагоно-
опрокидыватель; 2 — бункерный склад (дозировочное отделение);' г) / —
вагоноопрокидыватель; 2 — бункерный склад; 3 — углеобогатительная
фабрика; 4 — усреднительные бункера.
I — разделительная стенка; 2 — защитная стенка; 3 — плотно упако-
ванная глина; 4 — первичный штабель; 5 — основной штабель; 6 —
транспортер на склад; 7 — транспортер со склада; 8 — кран-перегру-
жатель.
закладки и забора углей из штабелей напольного склада, число рабо- J
тающих на одной марке бункеров, максимально допустимый срокJ
хранения углей и др. Я
Уголь, поступающий из бункеров вагоноопрокидывателя на от- |
крытый склад, образует так называемый первичный штабель. BceJ
открытые склады оборудованы мостовыми грейферными кранамид
углеперегружателями), этими кранами забирают уголь из первичных»
78
Таблица 25. Допустимые сроки хранения
углей на складах, сутки
Марка угля С мая по октябрь С октября по май
Донецкий бассейн
Д 25 30
Г
рядовые 30 45
обогащенные 30 60
Ж
рядовые 60 70
обогащенные 70 80
КЖ рядовые 60 90
ОС рядовые 90 120
штабелей и закладывают в так называемые основные штабеля. Ими
же подымают и выдают уголь со склада.
Основной способ усреднения угля на открытом складе заклю-
чается в том, что уголь укладывается в основной штабель тонкими
горизонтальными слоями, а при подъеме со склада его забирают вер-
тикально, поперек слоев. Эффективность такого усреднения доста-
точно высокая. Так, по данным В. Г. Зашквары, среднее отклонение
от средней зольности угля сни-
жается в 2 раза, а от сернис-
тости — в 3 раза. Если перед
загрузкой угля в штабель золь-
ность отдельных проб колебалась
от 6,3 до 8,9%, то после усред-
нения она стала в пределах 7,2—
8,4%.
Для каждого компонента
шихты на складе есть два штабе-
ля: один из них формируется,
а из другого уголь забирают
для коксования. Чтобы упрос-
тить прием угля, часть углей,
прибывающих на завод, коксуют
без усреднения. Максимальная
доля усредненных углей, по-
ступающих на производство с
открытых угольных складов,
обычно не превышает 70% об-
щего количества угля, поступа-
ющего на производство. При этом
' усредненными следует считать
угли, переработанные в основном
штабеле. Схема одного из типов
открытого склада представлена
на рис. 9.
Зная эффективность усреднения углей на складе,
янства качественных признаков углей конкретного
требуемую степень постоянства этого же признака в
рассчитать минимально допустимое количество углей, требующих ус-
реднения. Чем меньше углей будет перерабатываться на складе,
тем короче будут сроки их хранения. В шихте для коксования будет
больше «свежих» углей, а, следовательно, улучшится спекаемость
шихты и сократятся эксплуатационные расходы.
Допустимые сроки хранения установлены, исходя из исследований
изменения свойств угля при хранении в штабелях. Эти сроки различ-
ны для рядовых и обогащенных углей , углей разных бассейнов, раз-
ных марок и для летне/о и зимнего периода. Допустимый срок хра-
нения обогащенных углей Донбасса в летний период для газовых
углей 30 дней, а для отощенных спекающихся — 90 дней. В зимний
период эти сроки удлиняются соответственно до 45 и 120 дней (табл.25).
Кузнецкий бассейн
Г17 и Гб — 45
1Ж26 и 2Ж26 — 60
КЖ14 и КЖ6 60
К13 45
К2 — 45
Карагандинский бассейн
30
Вее технологические
группы
посто-
степень
поставщика и
коксе, можно
79
Длительная эксплуатация открытых складов выявила их сущест-
венные недостатки: значительные капитальные и эксплуатационные
затраты; окисление углей и потери их при переработке; большой
штат высококвалифицированного эксплуатационного персонала и
др. В последнее время Гипрококс проектирует преимущественно
угольные склады закрытого типа, совмещая функции хранения, усред-
нения и дозирования углей. Типовой участок склада состоит из 8 бун-
керов емкостью 2500 т каждый. Склады закрытого типа компактны,
уровень механизации на них высокий, потери угля небольшие, опера-
ции хранения и дозирования угля совмещены, уголь можно усреднять
не только в самом бункере, но и одновременно выпуская каждый
компонент из нескольких бункеров (закрытый склад крупного за-
вода имеет более 50 бункеров). Расчеты показывают, что при вмести-
мости до 100 тыс. т закрытые склады экономичнее открытых, а прг
большей емкости — затраты на них больше.
Увеличение числа одновременно работающих бункеров на одной и
той же марке угля снижает среднеквадратичное отклонение качест-
венного показателя этого компонента по зависимости
Оу
«к = —
(40)
где стк и Оу — среднеквадратичные отклонения качественного пока-
зателя данного компонента после бункеров и то же для этого угля
в бункере; п — число бункеров, одновременно работающих на этом
компоненте.
Равномерность качества углей изменяется и в самом бункере.
Мелкие угли при прохождении бункера усредняются, а крупные
. за счет сегрегации становятся менее равномерными.
Степень усреднения можно характеризовать коэффициентом К,
представляющим собой отношение среднеквадратичных отклонений
качественного показателя в отдельных пробах до поступления в
бункер ох и после выхода из бункера а2
О,
К = —.
а2
Чем больше К, тем больше степень усреднения, при К = 1 усред-
нения нет. Усреднение можно характеризовать также показателем
степени усреднения hv, %
(41
°2
(42)
\ 01 /
Исходя из колеблемости качества углей, поступающих на закры-
тый склад, и числа одновременно работающих бункеров, можно
определить степень постоянства шихты по формуле
„ а,- \2 V1-
100/ii ’
9 9
где — дисперсия качества шихты; а» — дисперсия качества посту-
пающего на завод угля; К( — коэффициент усреднения данного уг-
(43)
80
ля в силосе; гц — число бункеров, дозирующих i-й компонент; —
количество компонента в общей смеси, %.
По формулам (40) и (43) рассчитывают необходимое число бункеров
закрытого склада угля, исходя из предполагаемого постоянства качества
углей, поступающих на завод, и требуемого постоянства качества
кокса.
Постоянство среднесменных показателей кокса по зольности
и сернистости достигается в емкостях, которые вмещают угля боль-
ше, чем нужно для среднесменного потребления их на коксование.
Такими емкостями являются основные штабеля открытого склада
и бункеры закрытого склада.
§ 3. ДОЗИРОВКА УГЛЕЙ.
Технологические схемы углеподготовки
Дозировочное отделение (рис. 10) предназначено для составления
шихпа_из отдельных углей или шахтогрупп. Оно состоит из ’располо-
женных в два ряда бетоннь1х бункеров, дозирующих и транспорти-
рующих устройств.
Для обеспечения постоянства шихты по маркам углей (а в иде-
альном случае по шахтокомпонентам) уголь из бункеров выдается
Рис. 10. Типовое дозировочное отделение:
/ — транспортеры на дозировочное отделение; 2 — транспортеры над
бункерами; 3 — передвижная барабанная разгрузочная тележка; 4 —
автодозаторы; 5 — сборный транспортер; 6 — бункеры.
через автодозаторы различного типа. Наиболее распространенными
являются автодозаторы типа ЛДА-100 (ленточный дозатор автома-
тический с максимальной нагрузкой 100 т/ч). С автодозаторов угли
поступают на сборный транспортер, проходящий под бункерами.
Технологическая цепь операций (схема) подготовки шихты к
коксованию строится в зависимости от типа углей (рядовые или
обогащенные), а также от типа склада.
Наиболее проста схема подготовки обогащенных углей при закры -
том складе, совмещенном с дозировочным отделением (см. схема,
а). Под бункерами такого склада проходит сборный транспортер,
на который из каждого бункера дозируются угли .Составленная ших -
та (либо группа углей) поступает на дробление, смешение и затем
подается в угольную башню.
81
Если перерабатывают обогащенные угли с открытого склада (см.
схему, б), процесс дробления обычно предшествует процессу дози-
рования. На дробление поступают отдельные марки углей и после дро-
бления каждая марка углей направляется в предназначенный для нее
бункер дозировочного отделения. В идеальном случае бункеры дозиро-
вочного отделения закрепляются не только по маркам углей, но и
разделяют свежие угли и угли со склада. Это в значительной мере
способствует постоянству качества кокса, но требует большего числа
работающих бункеров.
При такой схеме подготовки смешение должно быть самостоя-
тельным процессом. Для лучшей однородности шихту составляют
с учетом оптимального чередования слоев углей различных марок
на сборном транспортере. Для этого бункеры в одном ряду дозиро-
вочного отделения закрепляются за углами так, чтобы различные
марки углей чередовались и рядом были угли, наиболее различаю-
щиеся между собой. Второй ряд бункеров должен быть зеркальным
отображением первого ряда.
Окончательно смешанную шихту подают на угольную башню.
Влияние числа дозировочных бункеров на равномерность качест-
ва шихты определяется формулами (40) и (43).
Схемы подготовки рядовых углей к коксованию более сложные.
Дозировочное отделение размещается непосредственно после скла-
да (см. схему, в) или совмещено со складом (см. схему, г). Обогаща-
ется шихта, предварительно классифицированная по крупности.
Продуктами обогащения, из которых составляется шихта, являются
крупный и мелкий концентрат, шлам и флотокон центр ат. В некото-
рых случаях добавляют отдуваемую пыль. Пэ современным схемам
подготовки дробится только крупный концентрат, затем продукты
обогащения проходят вторичную дозировку, смешение и подаются
на угольную башню.
Как видно из приведенных схем углеподготовки, дозировочное
отделение является обязательным. Точность дозировки имеет очень
большое значение как для абсолютного значения качества получа-
емого кокса, так и для его постоянства. Основное влияние на точность
дозировки оказывает работа дозирующих устройств. Мелкие, обо-
гащенные угли дозируются точнее рядовых. При дозировании малых
количеств угля относительные колебания дозировки увеличиваются.
Дозировочные бункерр снабжаются специальными устройствами,
обрушивающими зависания. Эти устройства автоматически вклю-
чаются при уменьшении количества угля, выходящего из бункера
против заданного. Сборные транспортеры сблокированы с дозиро-
вочными устройстгами бункеров таким образом, что при значитель-
ном снижении поступления угля из какого-либо бункера они оста-
навливаются с одновременной остановкой всех дозаторов.
Как правило, не менее 50% емкости бункеров должны быть за-
полнены углем. Бункера периодически останавливают для полной очистки.
Необходимый запас углей в дозировочном отделении можно
определить .исходя из норм запаса углей, если это отделение совмеща-
ется со складом, а также из условий обеспечения требуемого посто-
82
Схемы углеподготовки
янства качества кокса. Для угля каждой марки
Vi равен суточному расходу gb умноженному на
число суток запаса п
необходимый запас
предусматриваемое
V, = д.п.
Для всех марок
углей необходимо иметь запас
= Zgin — Qn,
где Q — суточный расход шихты для коксования, т. Следует при-
нять во внимание, что часть бункеров (примерно 20% необходимого
суточного запаса) должна находиться систематически на очистке. При
этом условии минимальный запас в хранилищах
v’o6ul=Qn + °-2Q = <?<« +0,2).
Равномерность качества кокса улучшается, если дозировать одну
марку углей из нескольких бункеров. Необходимое количество их
определяют, исходя из равномерности качественных показателей
углей данного конкретного поставщика и требуемых норм посто-
янства качества кокса по формулам (40) — (43).
Например, расстояние завода от поставщиков 300 кле. Суточный расход шихты
на коксование 10 000 т. Состав шихты по маркам, %: Г — 30; Ж — 30; К — 20; ОС —
20. Постоянство качества углей характеризуется данными табл. 26.
Таблица 26. Характеристика постоянства некоторых показателей качества углей
для коксования
Марка угля Количество углей различ- ных марок в шихте, % Колеблемость показателей
зольность, % сернистость, % спекаемость, у, мм
г
поставщик I 10 7—10 1,9—2,2 10—16
поставщик II 20 7—10 1,3—1,6 10—14
Ж 30 6—8 2,0—2,8 25—30
к 20 6—10 1.7—2,4 18—20
ОС 20 6—10 1,5—1,8 5—10
В указанных пределах изменяется 98% из всех поступающих маршрутов углей.
Колебания качества кокса не должны превышать: по зольности ±0,7%, по сер-
нистости ±0,1%, по показателю М25 ± 2,0% и по показателю М10 ± 1,0%. Пред-
положим, установлено, что колебания толщины пластического слоя шихты более,
чем на ± 1 мм, вызывают отклонение прочности на величину, превышающую допусти-
мые нормы, т. е. по величине «у» колебания должны быть в пределах ±0,5 мм.
Если зольность шихты изменяется в пределах 8—10%, то при этом (с учетом коэф-
фициента озоления, равного 1 3) зольность кокса будет изменяться в пределах 10,4—
13,0%. Аналогично, сернистость будет зависеть от коэффициента десульфурации и
от сернистости шихты. Для рассматриваемого примера колебания в шихте по золь-
ности не должны превышать 0,7 • 1,3 = 0,91%, а по сернистости—0,1 • 0,8 =
= 0,08% , где 1,3 и 0,8 — соответственно принятые коэффициенты озоления и десуль-
фурации.
Принимаем, что качественные показатели углей изменяются равномерно, и пре-
делы изменений представляем как колебание от средней, т. е. изменение от 8 до 10%
2%) представляем как колеблемость от средней ±1% .Теория случайных погрешнос-
84
тей дает следующие соотношения, позволяющие с определенной степенью точности
перейти от максимального отклонения к среднеквадратичному:
Л^0,8о, (44)
6пр=^. ' (45)
где Л — среднее отклонение от среднего значения; а — среднеквадратичное отклоне-
ние от среднего значения; 6пр — предельное отклонение от среднего значения.
Приняв предельным отклонение ±1%, можно определить, что вероятное значе-
ние а = 1:3= ±0,33. Подобным образом приходим от пределов колеблемости к
среднеквадратичному отклонению. i
На практике для многих маршрутов можно найти среднее отклонение от средне-
го значения Д и соответствующее значение среднеквадратичного отклонения по урав-
нению (44).
Предположим, что после бункеров колеблемость снижается и коэффициент ус-
реднения К = 1,15. Принимаем, что колеблемость шихты определяется колеблемос-
тью компонентов в равной степени. Тогда, поскольку у нас 5 компонентов, из урав-
нения (43) получаем
9 2
ojli %
К? • 100л, ~ 5
Ранее было определено, что 6пр шихты по зольности должно равняться ±0,91%,
по сернистости ±0,08% и по толщине пластического слоя — ±0,5 мм. Соответствен-
но, среднеквадратичные отклонения в шихте должны быть равны аА = ±0,30; os —
= ±0,026; Оу ±0,16.
Рассчитаем количество бункеров, исходя из требуемой равномерности по зольнос-
ти, в соответствии с формулой (43):
1. Для газового угля I поставщика 6пр = 3%; о4 = ±1; К,- = 1,15; у4 = 10%;
I2 • 10
(1,15)2 100п4
= 0,2 • 0,32,
откуда п1 = 4,1.
Для газового угля II поставщика бпр = 3%; а2 = ±1; Ki — 1,15; = 20% , от-
куда л2 = 8,2.
Количество бункеров для газового угля должно быть равно
8,2 4-4,1 = 12,3= 12 шт.
2. Для жирного угля бпр= 2%; о3 = ±0,66; К, = 1,15; у3 = 30%, откуда л3 =
= 5,5, принимаем л3 = 6.
3. Для коксового угля 6пр = 4%; а4 = 1,33; К, = 1,15; у4 = 20%, откуда
п4 = 11,2 = 11.
4. Для отощенного спекающегося угля 6пр =4%; о5 = 1,13; Kt = 1,15; уБ =
= 20%, откуда п5 = 11.
Таким образом, для обеспечения равномерности кокса по зольности требуется
44-84-64-114-11 = 40 бункеров.
Рассчитаем число бункеров, необходимое для обеспечения постоянства кокса
по сернистости. Методика расчета та же. Необходимое число бункеров составляет:
для газовых углей I поставщика — 1; II поставщика — 1; для жирных — 12; для
коксовых — 6 и для отощенных спекающихся — 1.
Чтобы обеспечить постоянство кокса по механической прочности необходимо
сохранять толщину пластического слоя шихты в пределах ±0,5 мм от средней. Из
этих условии рассчитываем неб ходимое количествоб ункеров.Р езулыат’.для газо-
вых углей 1-го поставщика —(у П-го поставщика —5у для жирных углей — 12' для
коксовых — 1; для отощенных спекающихся — 8.
Рассчитаем количество бункеров, необходимое для обеспечения требуемого за-
паса углей, принимая емкость одного бункера 2500 т.
85
В соответетг-ни с p.'icrтояпчем от завояр .то.птахт запас должен равняться 5-сутоъ
ной п«ребностн. С V’-i'-iioi рнсхол;) углей чч лшрьам это должно составлять:
Ь j I ;(К) ,
. '.я газовых углей.----— -5 2.--_ i.j'-00 т ,где 10 000 — сеточное .расход
ПЖХ1Ы, /я; 30 — вджгп.о газовые угля в шихте, %; 5,2 — число суток с учетом
г:,;,-гостей на очистку.
1<оличестно бункеров, необходимых для размещения 15 600 т угля, равно
15 600 : 2300 = 6 шт.
10 000-30
..ля жирных углей ------------ • 5,2 = 1г> 600, нужное количество бункеров —
6 шт.
10 000-20
Для коксовых углей-------— - 5,2 = 10 400 tn, нужное количество бунке-
ров — 4 шт.
Соответственно для отощенных спекающихся требуется также 4 бункера.
Данные расчетов сводим в табл. 27. Для обеспечения всех требований к коксу
находим наибольшие значения числа бункеров и сводим их в одну колонку.' Сумма
их дает величину требуемого числа бункеров для закрытого склада.
Таблица 27. Сводная таблица расчетов
Марка угля, пос- тавщик Требуемое число бункеров для обеспечения Наибольшее число
равномерности по зольнос- ти равномерности по сернистос- ти равномерности по спекаемое- ти запаса углей
г
I 4 1 6 6
II 8 1 5 1 6 8
ж 6 12 12 6 12
к 11 6 1 4 11
ОС 11 1 8 4 11
Итого' 40 21 32 20 48
До последнего времени в целях экономии средств при строи-
тельстве Гнпрококс берет за основу при проектировании число бун-
керов, необходимое лишь для обеспечения запаса углей. Это ставит
заводы в затруднительное положение по достижению и возможностям
стабилизации качественных показателей кокса, а зачастую вынуж-
дает строить дополнительные бункера уже в процессе эксплуатации
завода.
Если дозировочное отделение самостоятельное (есть самостоя-
тельный склад угля), необходимый минимальный запас углей в до-
зировочном отделении можно определить в зависимости от количества
часов подачи угля в бункера по следующим формулам.
1. Силосы заполняются в течение одной смены (8 ч). Тогда
О 8
^общ = <2- -----F0.2Q+ Vo = 0,9Q + Vo, (46)
де Q-V
— необходимый запас углей на 2 смены.
86
2 Силосы заполняются в 2 смены, тогда
О в
У в, dF Q-^- +O,2Q + Vo = O,55Q+Vo. (47)
3 . Силосы заполняются круглосуточно. При этом
’/ общ =0 ?Q + V 0. (48)
В приведенных уравнениях Го—это запас емкости, предусмат-
риваемый для работы дозировочного отделения, если подача угля
на бункера прекратится из-за непредвиденных неполадок в обо-
рудовании. Для первого, второго и третьего случаев Ко принимают,
соответственно, 6, 4 и 2 ч. В соответствии с этим формулы приобре-
тают вид:
1- Кб1ц = Q; 2. 1/общ = 0,75(2; 3. 170бщ = 0,5Q.
Определяя число дозировочных бункеров, необходимо учитывать
количество шахтокомпонентов на данном заводе, возможность объ-
единения их в группы (т. е. близость качественных показателей уг-
лей одной марки, но разных поставщиков), а если это осуществимо,
то и возможности разделения в дозировочных бункерах и раздельного
дозирования углей, поднятых со склада, и углей, только что по-
ступивших.
Как и в рассматриваемом выше случае, увеличение числа дейст-
вующих бункеров дозировочного отделения способствует повышению
равномерности качества кокса.
§ 4. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРОЦЕССА ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ
ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ КОКСУЕМОСТИ ШИХТЫ
Все схемы измельчения углей для коксования можно классифи-
цировать по измельчаемому продукту, а именно:
1. Дробление шихты (ДШ).
2. Дробление отдельных составляющих компонентов (ДК).
3. Дробление угольных компонентов по группам (ГДК).
4. Дробление продуктов отсева (ИД) с разновидностями по ис-
ходному продукту (ИДК и ИДШ).
5. Комбинированные схемы (ДК — ДШ, ДК — ГДК, ИДК —
ДШ и др.).
Схема ДШ (дробление шихты) — одна из первых схем подготовки
шихты для коксования. По этой схеме составленная шихта подает-
ся на измельчение, а оттуда на угольную башню. Ее преимущества:
компактность цеха, небольшие капитальные затраты на дробильные
устройства и полное использование оборудования, совмещение
функций дробления и смешения в одном агрегате. Поскольку
угли существенно различаются по твердости, то классы различной
крупности шихты, подготовленной по схеме ДШ, имеют неодинако-
вую характеристику. Так, угли классов крупности, мм: более 3;
1—3; 0,5—1,0; 0,2—0,5 и 0—0,2 одной из шихт, измельченной по
87
схеме ДШ, имели следующий выход летучих веществ, %, соответст-
венно: 33,5; 28,0; 28,8; 25,4 и 24,5. Подобное распределение выхода
летучих веществ по классам крупности типично для рассматриваемой
схемы измельчения.
В классе более 6 мм содержится наиболее твердый газовый уголь,
а чтобы обеспечить хорошее качество кокса, газовый уголь следует
измельчать более тонко.
При дроблении шихты образуется до 60% классов менее 0,5 мм.
Большое количество этого класса снижает насыпную массу шихты и
спекаемость ее, что ухудшает качество кокса. Уменьшить количест-
во получаемой мелочи практически невозможно, что является основ-
ным недостатком подготовки шихты по схеме ДШ.
В связи с применением для коксования больших количеств твер-
дых газовых углей на многих заводах эта схема заменяется более
рациональными, с учетом особенностей заводов.
Схема ДК (дробление компонентов) устраняет многие недостатки
схемы ДШ. Крупность углей, достигаемая при дроблении, зависит в
основном от твердости углей, производительности и режима работы
дробилки. Поскольку измельчается каждый уголь отдельно, можно
подобрать такой режим работы дробилок, который обеспечит мини-
мальное переизмельчение и необходимую среднюю крупность зерен
угля. Желаемая крупность зависит от технологических свойств уг-
лей. Зерна газовых углей должны быть меньше зерен углей марок
Ж и К, а твердость их больше. Это определяет различие в режимах
измельчения. Регулировать дробилку при переходе от дробления
одного угля к другому каждый раз практически невозможно, поэтому
устанавливают несколько дробилок, каждая из которых регулируется
с учетомДТзмельчения угля какой-либо одной марки. Дробленный
уголь подается в бункера дозировочного отделения.
При такой схеме подготовки шихты на сборном транспорте пос-
ле дозировочного отделения получается «слоенный пирог», каждый
слой которого представляет собой уголь определенной марки. Окон-
чательную подготовку такая шихта проходит в смесительной машине.
Таким образом в схеме ДК должно быть значительно больше обо-
рудования, чем в схеме ДШ.
Схему ДК можно использовать только на коксохимических за-
водах, получающих обогащенные угли с ЦОФ. Измельчать угли по
маркам перед их обогащением нерационально, так как обогащение
мелких классов углей более дорогостоящий процесс, чем обогащение
крупных классов.
Схема ГДК разработана УХИНом с целью более полного исполь-
зования мощностей по дроблению и уменьшения затрат на при-
обретение дробилок. По этой схеме в одну группу объединяются угли
твердые (Г) и плохо спекающиеся, требующие наибольшей степени
измельчения (ОС и Т). В другую группу объединяются более мягкие
и хорошо спекающиеся угли марок Ж и К. Контролируя степень
дробления данной группы, добиваются минимально возможного пе-
реизмельчения при рациональной получаемой крупности углей.
Смесительная машина — необходимое звено в технологии подго-
товки шихты, но в нее поступает исходный продукт более однородный,
чем при схеме ДК, так как частично группы перемешались уже при
дроблении. Отсюда следует ожидать большей степени смешения ших-
ты, подготовленной по схеме ГДК, по сравнению с шихтой, подго-
товленной по схеме ДК.
4Жак и схему ДК, схему ГДК можно использовать лишь на за-
готовящих шихту из обогащенных углей.
Таблица 28. Ситовый состав обогащенных углей, %
ЦОФ Марка угля Класс крупности, мм
менее з.о 3,0—6,0 6,0—10,0 более 10 в том числе
менее 0.5 менее 6
Добропольская г 19,0 11,0 16,0 54,0 3,0 70,0
Центральная г 7,3 4,2 18,3 70,2 1,6 88,5
Верхнедуванная ж 68,7 13,1 13,7 4,5 22,9 18,2
Донецкая к 74,9 5,3 12,6 7,2 30,4 19,8
Криворожская к 71,6 11,0 11,6 5,8 18,5 17,4
Чу маковская ОС 75,7 13,4 8,4 2,5 28,5 10,9
Шолоховская ОС 73,1 12,5 7,6 6,8 31,4 14,4
Новокондратьевская т 57,7 17,9 18,4 6,0 16,4 24,4
Поступающий с ЦОФ уголь измельчается в процессе добычи и
обогащения и содержит такие классы угля, которые можно было
бы повторно не измельчать. Ситовые составы концентратов некото-
рых ЦОФ приведены в табл. 28. Содержание классов более 6 мм и
более 10 мм, требующих обязательного измельчения, колеблется
для различных ЦОФ, обогащающих угли одинаковой технологичес-
кой группы, а для разных технологических групп углей изменяется
даже порядок величины содержания этих классов. Это связано со
способом добычи угля, его свойствами и схемой обогащения. Если
в газовых углях содержание класса 0—3 мм 7—20%, то в коксовых,
жирных и отощенных спекающихся этого класса 70—75%.
Класс менее 3 мм при измельчении образует повышенное коли-
чество самых мелких частичек, о вредном влиянии которых уже го-
ворилось.
Во многом переизмельчение связано и со спецификой процесса
дробления в молотковых дробилках, конструктивные особенности
которых определяют не только дробление — раскалывание частичек
угля, но и перетирание их. На рис. 11 показана плотность распределе-
ния частичек различной крупности в обогащенном угле до и после
дробления в молотковых дробилках. Как видно из рисунка, в основ-
ном изменяется количество крайних классов. Дробление снижает
количество класса более 3 мм, но в основном за счет образования
классов менее 5 мм. Содержание средних классов практически не
изменяется. Закономерность сохраняется и для твердых, и для мяг-
ких углей.
89
Необходимо отметить, что истирание происходит в дробилках i
других типов, хотя и в меньшей мере.
Уменьшение количества крупных, нежелательных частичек угля
размером более 6 мм без значительного образования мелочи воз-
можно лишь в том случае, если их выделять из угля и отдельно дро-
бить.
Такой принцип в подготовке шихты для коксования называют
методом избирательного дробления. Главным признаком любой схе-
мы избирательного измельчения
является разделение углей по клас-
сам и дробление крупного про-
Рис. 11. Плотность распределения
частичек угля до и после измельчения
в молотковых дробилках:
/ — уголь марки К (0 — 3 мм — 82%); 2 —
уголь марки Г (0 — 3 мм — 83%); 3 — уголь
марки Ж (0 — 3 мм — 70%, до дробления);
4 — тот же уголь Ж (0 — 3 мм — 88%, пос-
ле дробления); 5 — уголь марки ОС (0 —
3 мм — 76%, до дробления); 6 — тот же
уголь марки ОС (0 — 3 мм — 94%? после
дробления).
дукта.
Схема избирательного дробле-
ния (ИД) наиболее прогрессивна.
Она обеспечивает снижение верхне-
го предела крупности и уменьшение
образования классов менее 0,5 мм
в процессе подготовки шихты. Это
улучшает качество кокса, повыша-
ет насыпную массу шихТы и уве-
личивает в составе шихты количе-
ство газовых и других недефицит-
ных углей, не ухудшая качество
кокса.
К недостаткам метода избира-
1 тельного дробления относят допол-
2 нительные капитальные затраты
g для классификации углей и допол-
нительный расход электроэнергии.
Однако эти затраты быстро оку-
паются за счет использования для
коксования более дешевых газо-
вых углей и др.
Метод избирательного измель-
чения со множеством технологи-
ческих схем был впервые разрабо-
тан во Франции под руководством
Бюрстлейна. Там же была пущена
и первая опытно-промышленная
установка.
Схема подготовки шихты из петрографически неоднородных уг-
лей восточных месторождений СССР с использованием принципа
избирательного измельчения разработана ВУХИНом, УХИНом и Гипро-
коксом (рис. 12). По этой схеме рядовые угли в отделении предваритель-
ного дробления измельчаются до крупности 0—25 мм, после чего посту-
пают в бункеры дозировочного отделения. Шихта дозируется, к ней
добавляется масло, затем шихту перемешивают в смесителе 1 и на-
правляют в отделение классификации, где установлено 14 двухсит-
ных грохотов 2 типа ВГД-2ЭК с электрообогревом сит. При грохо-
90
Рис. 12. Схема избирательного измельчения шихты.
чении выделяются классы более 6; 3—6 и 0—3 мм. Класс 6—25 мм
направляется на обычные тихоходные дробилки 3. Продукт измель-
чения поступает в отделение вторичной классификации 6, где раз-
деляется на классы 0—3 мм и 3—25 мм. Классы 3—25 мм и 3—6 мм
после первичной классификации объединяются и поступают на быс-
троходную дробилку 4. Продукт дробления объединяется с продук-
тами классификации размером 0—3 мм, спешивается в смесителе 5
и поступает на коксование.
Таблица 29. Зависимость качества кокса от способа подготовки шихты из углей
восточных районов СССР (по данным ВУХИНа)
Способ подготовки шихт Показатели барабана Сундгрена, к,з М40, % мю %
1 остаток содержание класса 0—10 мм в провале
дш 330 45 -. -
гдк 333 46 — —
дш 291 60 78,6 13,0
ВИДШ 309 57 80,3 Н.7
дш 303 42 65 10
идш 312 42 66 10
Одним из существенных недостатков описанной схемы избиратель-
ного дробления является сложность отделения классификации. Это
послужило толчком к разработке способа пневматического разде-
ления углей в вентилируемом контуре. Схема избирательного дроб-
ления шихты с использованием воздушной сепарации (ВИДШ) пред-
ставлена на рис. Щ из которого ясен и принцип подготовки шихты
по этой схеме.
Эффективность различных схем подготовки шихты с точки зрения
улучшения качества кокса зависит от спекаемости шихты и степени
91
петрографической однородности компонентов. Она увеличивается с
ухудшением спекаемости и снижением однородности углей.
Влияние схемы подготовки одной из шихт, составленной из уг-
лей восточных месторождений СССР, на качество кокса характери-
зуется данными, приведенными в табл. 29. На многих заводах схе-
мы подготовки шихты для коксования реконструируются с внедре-
нием различных прогрессивных элементов.
К Вентилятору
Исходный
продукт
Выход готоВого
продукта
ВВод сушильного
. агента
Рис. 13. Схема экспериментальной установки вен-
тилируемого дробильного контура.
Возорат из
сепаратора
Так появляются различные «комбинированные» схемы, в которых
сочетаются элементы схемы избирательного измельчения и схемы
ДШ, элементы схем ДК и ГДК и т. п.
Некоторые сочетания представлены на рис. 14.
Из заводов Юга СССР с углефабриками впервые элементы избира-
тельного дробления были внедрены на Запорожском КХЗ. По новой
схеме (иногда неправильно называемой ДДК — дифференцированное
дробление компонентов) дробят только крупный концентрат (про-
дукт классификации перед обогащением). Все остальные продукты
(флотоконцентрат, мелкий концентрат, шлам и пыль) без дополни-
тельного измельчения поступают вместе с дробленным крупным кон-
92
центратом в смесительную машину. В результате применения такой
схемы содержание в шихте класса менее 0,5 мм снизилось более чем
на 15% (абсолютных). Насыпная масса шихты увеличилась, что
повысило разовую загрузку коксовых печей на 400—450 кг.
Иногда классифицируют мелкий концентрат, и выделенные зер-
на (более 6; более 10 или более 12 мм) также измельчают совместно
с крупным концентратом.
Опыт Запорожского завода был использован при реконструкции
углефабрик Днепропетровского, Днепродзержинского и других за-
водов. По данным Днепродзержинского КХЗ внедрение схемы ИДШ
Рис. 14. Схемы подготовки углей для коксования:
а - ГДК: 6 — ДК-ГДК; в - ГДК-ДШ.
вместо ДШ при одновременном увеличении количества газовых уг-
лей в шихте на 2,2% снизило содержание в шихте класса 0—3 мм
с 89,1 до 84,6%, что увеличило разовую загрузку в камеры печей
на 250 кг и повысило показатель М40 с 73,3 до 74,5%. Показатель
МЮ увеличился с 7,3 до 7,5%.
Элементы избирательного дробления в схемах подготовки шихты
из обогащенных углей впервые внедрены на Коммунарском КХЗ
в 1971—1972 гг. в цехе № 2, а затем в цехе № 3. Первоначальная
схема в цехе № 2 соответствовала комбинированной ДК—ДШ. Газо-
вый уголь предварительно измельчали в размольном отделении, а
затем вместе с другими компонентами подавали на дробилки, т. е.
измельчалась шихта. На первом этапе реконструкции установили
неподвижное сито перед дробилками газовых углей и в дробилки
направлялся надрешетный продукт. Подрешетный продукт и дробле-
ный крупный поступали вместе с другими компонентами на измель-
чение. Индекс такой схемы ИДК — ДШ (избирательное дробление
компонента с последующим дроблением шихты).
На втором этапе реконструкции установили неподвижный грохот
перед дробилками шихты, в результате чего образовалась схема
ИДК — ИДШ.
Несмотря на низкий к. п. д. неподвижного сита, такие допол-
нения к схеме существенно снизили содержание мелких классов в
Шихте и улучшили качество кокса.
В цехе № 3 Коммунарского КХЗ проектом предусматривалась
схема ГДК. Вследствие увеличения количества газовых углей в
Шихте группа углей марок Г 4- ОС не могла быть размещена
93
полностью в отведенных для нее силосах. Исследования показали
целесообразность разделения в создавшихся условиях углей Г и
ОС и дробление угля ОС вместе с группой углей Ж и К. Таким обра-
зом, была образована схема ДК — ГДК (дробление одного компонен-
та и дробление группы компонентов).
Таблица 30. Качество различных классов крупности шихты в зависимости от
метода ее подготовки
Метод подготовки шихты Показатели качества Классы шихты, мм
более 6 6—3 3—2 2—0,5 менее 0,5
ДШ Ас, % Уг, % Ив, мм 5,76 31,50 24 7,06 26,60 63 6,72 27,70 50 7,20 24,50 34 8,02 21,92 42
ДК, Лс, % Уг, % ИИ, мм 8,06 26,50 59 7,24 27,00 52 7,18 26,00 57 7,25 24,57 46 8,07 23,80 45
дк—дш Ас, % ш, % Яв, мм 8,10 24,77 62 6,19 27,07 37 6,32 26,63 31 7,00 24,90 29 7,99 23,58 18
ГДК % % мм 8,00 27,11 44 6,45 27,76 66 6,77 27,62 49 6,62 25,41 36 8,15 21,98 29
ДК2 Л'\ % ; Уг, % Ив, мм 7,43 25,12 42 7,06 26,06 40 7,36 25,72 43 7,30 24,80 41 7,90 23,72 40
После установки неподвижного сита в желобе перед дробилками
газовых углей образовалась схема ИДК — ГДК. Дальнейшей ре-
конструкцией предусматривается установка сита в желобе для от-
сева мелочи из углей Ж, К, ОС, т. е. создание схемы ИДК — ИГДК.
Следует отметить, что создание комбинированных схем способ-
ствует не только снижению количества мелких классов в шихте, но
и сближению качественной характеристики зерен различной круп-
ности.В табл. 30 приведены данные В. Ф. Кушнирова по содержанию
золы, выходу летучих веществ и спекаемости различных классов
крупности шихты, подготовленной различными способами. При этом
технический анализ исходной шихты во всех случаях был практиче-
ски одинаков и степень измельчения по содержанию класса 0—3 мм
находилась на уровне 84,8—86,2%, т. е. изменялась незначительно.
При схеме ДК1 степень измельчения отдельных составляющих
была одинаковой, а при схеме ДК2 — различной (угли марок Г и
НС дробились тоньше, чем угли марок Ж и К). Различие в качестве
отдельных классов составляет до 10% по выходу летучих веществ
при подготовке по схеме ДШ, до 44 мм по индексу вспучивания при
подготовке по схеме ДК — ДШ. Наиболее однородной получается
94
Таблица 31. Качество различных классов крупности в зависимости от метода
подготовки шихты
Класс крупности, мм Избирательное дробление Дробление по схеме ДШ
4е. % Уг, % Ид ММ 4е, % Vr. % Ид ММ
Более 3 9,7 26,4 17 11,0 25,1 14
2—3 8,5 26,5 17 9,4 25,7 16
2—1 8,4 26,9 17 8,3 26,8 21
1—0,5 8,0 26,5 23 7,7 26,6 32
Менее 0,5 7,8 25,7 24 7,7 26,0 36
Таблица 32. Влияние режима работы дробилки типа ДР-11 на степень дробления
шихты
Скорость вращения ротора, м/с Произво- дитель- ность, т/ч Зазоры, мм Содержание, %, классов крупнос- ти, мм Изменение содержания классов, %
более б менее 3 в том числе более 6 менее 0,5
менее 0,5
20 200 30/17 27,0 59,9 19,8 —9,5 2,6
18,5 68,1 22,4
20 200 15/15 25,8 60,0 22,5 -10,1 4,6
15,7 70,4 27,1
20 200 10/5 28,5 59,4 22,4 —11,5 8,1
17,0 71,0 30,5
25 200 27/16 25,6 62,7 22,2 —6,4 1,1
19,2 68,7 23,3
25 200 22/16 25,6 62,7 22,2 —7,0 2,7
18,6 69,1 24,9
25 200 16/16 25,6 62,7 22,2 —6,6 4,0
19,0 69,0 26,2
25 200 5/2 4334,9 52,5 16,6 —14,7 7,3
20,2 65,7 23,9
35 200 30/32 30,7 58,0 20,2 — 15,3 8,3
15,4 72,9 28,5
35 200 28/28 26,5 62,3 21,6 —13,1 8,6
13,4 74,8 30,2
35 200 22/26 29,3 59,1 20,8 —19,4 13,2
9,9 79,4 34,0
40 200 20/20 28,6 60,3 21,4 —17,0 13,8
11,6 77,1 35,2
40 200 15/15 28,6 60,3 21,4 —172 14 7
Н.4 775 36,1
95
Продолжение табл. 32
Скорость вращения ротора, м/с Произво- дитель- ность, т/ч Зазоры, мм Содержание, %, классов крупнос- ти, мм Изменение содержания классов, %
более 6 менее 3 в том числе менее 0,5 более 6 менее 0,5
200 10/10 28,6 60,3 21,4 —19,3 16,5
40 9,3 80,5 37,9
52 300 60/60 19,3 68,1 27,8 —6,3 5,8
13,0 76,2 39,6
52 300 35/35 25,2 62,9 24,7 —12,3 8,4
12,9 77,1 33,1
52 300 25/15 22,1 64,2 24,9 —13,6 12,0
9,5 79,3 36,9
Примечание. В числителе даны результаты до дробления, в знаменателе — после дробле-
ния.
шихта при подготовке по схеме ДК2 при дифференцированной сте-
пени измельчения компонентов. В этом случае распределение углей
между классами различной крупности наиболее благоприятное для
получения однородного кокса.
Сопоставление качества отдельных классов крупности при из-
бирательном дроблении и подготовке шихты по схеме ДШ по резуль-
татам исследований ВУХИНа дано в табл. 31. Как видно из при-
веденных данных, при избирательном дроблении различие в спекае-
мости классов по показателю Ив составило лишь 7 мм, в то время
как при подготовке по схеме ДШ класс более 3 мм отличается от
класса 0—0,5 лии по Ив на 22 мм. Совершенствуя схемы подготовки
шихты для коксования, следует подбирать и режим работы дробиль-
ных устройств.
Основными показателями режима являются нагрузка на дробиль-
ное устройство и окружная скорость молотков или бичей, так как
эффект дробления зависит от их кинетической энергии.
В дробилках, выпускаемых отечественной промышленностью, мож-
но регулировать степень измельчения, изменяя зазор между молот-
ками, колосниковой решеткой и отбойной плитой. Окружную скорость
можно изменить, если установить электродвигатель с нужным чис-
лом оборотов. Влияние названных выше факторов на эффективность
измельчения шихты [в дробилке типа ДР-11 иллюстрируется данны-
ми В. Ф. Кушнирова, приведенными в табл. 32.
С уменьшением зазора между молотками и отбойными плитами
(верхней и нижней) количество класса более 6 мм снижается. Одно-
временно возрастает и количество мелочи менее 0,5 мм. Однако из-
менение классов не всегда происходит на одну и ту же величину,
особенно при малой скорости вращения ротора. Так, при скорости вра-
щения ротора 25 м/с за счет изменения зазоров с 27/16 до 5/2 содер-
жание классов более 6 мм уменьшилось на 8,3%, а классов 0 —
96
0,5 мм увеличилось на 6,2%. При скорости 35, 40 и 52 м!с эти измене-
ния составляют, соответственно: 4,1—4,9; 2,3 — 2,7; 7,3 — 6,2%.
В конкретных условиях сырьевой базы и степени измельчения
исходных продуктов следует устанавливать режим работы дробилок,
добиваясь минимального содержания класса более 6 мм (особенно
зерен газовых углей) и количества класса 0—0,5 мм порядка 35%.
В результате проведенных УХИНом исследований было установ-
лено, что производительность дробилки может быть повышена за
счет устройства окна для выхода циркулирующего измельченного
угля. В. Ф. Кушниров показал, что увеличение производительности
и степень измельчения угля зависят от места расположения выброс-
ного окна. Лучше всего его расположить ниже оси ротора.
Таблица S3. Свойства классов шихты Табли крупностью менее 0,5 мм поверх Л ца 34. Внешняя удельная ность класса менее Змм ля некоторых углей
Класс крупнос- ти, мм Дилатометрические по- казатели по ИГИ- ДМетИ при t = 530° С
Внешняя удельная Марка поверх- угля ность, м2/г Содержание в угле класса менее 3 мм, % Внешняя удельная по- верхность класса менее 3 мм, см*{г
яв, мм ^Н, с Пв> с
10,6 26,8 41,8 68,3 78,9 69,3 72,3 73,4 75,6 енее 0,5 Mj шза данны е отдельны ость и др у класс мен< 660 447 569 494 510 975 786 804 492 и, следует х. Факти- х его со- гие свой- ;е 60 мкм,
0,5—0,25 0,25—0,10 0,10—0,075 0,075—0,06 0,06—0 Характе учитывать, чески класс ставляющи: ства шихть 80 78 150 134 44 ризуя что с 0—0 < фра . Наи 330 365 300 343 314 ШИХТ делан ,5 мм кций более 209 204 198 196 187 у КОЛ О ЭТО не с не од1 отлич г ~ г 0,115 L 0,123 Q 0,763 к, К ОС ОС ичеством мелочи м для удобства ана.) днороден и влияни 4наково на спекаем ается по свойствам
что видно из табл. 33.
Исследования последних лет показали, что на свойства шихты
сильно влияет ее внешняя удельная поверхность. Внешнюю удель-
ную поверхность можно определить в несложном аппарате В В То-
варова, специально приспособленном для нахождения внешней удель-
ной поверхности угольных шихт. Значения внешней удельной
поверхности для классаО—3 мм различных углей по данным Днепро-
петровского металлургического института представлены в табл. 34.
§ 5. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРОЦЕССА СМЕШЕНИЯ
ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ КОКСУЕМОСТИ ШИХТЫ
Измельчение компонентов угольной шихты еще не гарантирует
равномерного распределения и достаточного контакта зерен раз-
личной спекаемости. Для этого шихту после всех стадий дробления
необходимо смешать.
4 5-1611
97
Если шихта перемешана плохо, в коксе образуются очаги не-
спекшегося или слабоспекшегося вещества, что ухудшает его свой-
ства.
В хорошо перемешанной шихте вероятность нахождения частич-
ки какого-то определенного свойства в любой точке смеси одинакова.
Применив теорию вероятности к кинетике смешения, Л. Н. Бату-
нер и М. Е. Позин вывели следующее уравнение зависимости между
степенью однородности и условиями смешения:
(Рт)£ = 1 - (49)
где (Рх)е — вероятность нахождения таких объемов, которые удов-
летворяют требованию однородности; Sp — максимально возможная
поверхность раздела между различными частичками; К — коэффи-
циент пропорциональности, зависящий от скорости увеличения
Sp; т — время смешения, с\ с — коэффициент, зависящий от разности
между максимальной и фактической поверхностью раздела; е — ос-
нование натуральных логарифмов; V — минимальные объемы, между
которыми требуется достижение однородности по свойствам; Уо —
объемы, фактически отбираемые для анализа.
Произведение KSP и константу с определяют экспериментально
взятием ряда проб Vo при различном времени смешения.
Для применения этого уравнения к процессу смешения шихты
следовало бы решить такие вопросы:
1) какой параметр качества определять при оценке равномерности;
2) между какими объемами пробы шихты должно быть равенство
качественных показателей;
3) какие допустимы пределы колебания выбранного параметра
качества;
4) какой должна быть вероятность получения пробы заданного
качества или, иными словами, какая необходима степень смешения.
Поскольку нет показателя шихты, по которому можно было бы определить ожи-
даемое качество кокса, ответ на первый вопрос может быть дан из следующих сообра-
жений. Если несколько компонентов А, В, С, D с определенными качественными по-
казателями а, Ь, с, d\ a1, bl, с1, d1 и т. д. смешиваются, то будут в равной мере сме-
шаны и свойства а, b, с, d\ a1, b1, с1, d1 и все другие.
Если после смешения установлено, что каких-то два угля распределены в шихте
равномерно, то, очевидно, и остальные угли так же хорошо перемешаны. Поэтому
степень смешения можно оценивать по любому качественному показателю, различно-
му для двух компонентов шихты. Чем больше будут отличаться компоненты шихты
по какому-то показателю и чем точнее можно установить это отличие, тем точнее будет
определена и степень неоднородности шихты.
Свойство углей, которое позволяет наиболее точно оценить сте-
пень смешения шихты, можно определить с помощью показателя раз-
решающей способности Пр:
ПР = 4-- <50)
д
где б — разница между максимальным и минимальным значениями
параметра качества в компонентах шихты; А — допустимая ошиб-
ка в определении этого параметра.
98
Рационально использовать тот параметр качества, для которого
установлено наибольшее значение /7Р.
В 50-х и начале 60-х годов при исследовании смешения угольных шихт масса про-
бы для анализов бралась произвольно и в некоторых случаях составляла 6—7 кг.
В пробе большой массы смешение прош
лизу. Поэтому пробы большого объема все
объема. Так, на рис. 15 представлены
результаты изменения уровня однородно-
сти шихты при конусованиях, по анализам
проб различной массы. (Конусование —
операция пересыпания пробы, насыпан-
ной в виде конуса, с одного места на
другое, с конуса на конус, при которой
происходит усреднение). Пробы большей
массы во всех случаях показывают боль-
шую однородность шихты, чем пробы
меньшей массы.
Я. М. Обуховский предложил иссле-
довать смешение по анализам проб мас-
сой 100 г (так называемые точечные про-
бы). И. 3. Шатоха для определения мас-
сы пробы использовал формулу Г. И. Прей-
герзона. При этом для заводов Ростока
СССР оказалось достаточным брать для
анализа 6 г шихты-
Формула Г. И. Прейгерзона устанав-
ливает зависимость между крупностью уг-
лей и минимальным объемом представи-
тельной пробы для ситового анализа.
Определение объема пробы с точки
зрения представительности по грануло-
метрическому составу не отражает цели и
задачи процесса смешения.
Структура кокса зависит от
свойств пластической массы. По-
скольку процесс коксования явля-
ется послойным, качество шихты
должно быть одинаковым во всех
кубиках со стороной, равной тол-
щине пластического слоя
V = y3,
где у — толщина пластического
слоя, образующегося в камере кок-
совой печи.
;ит при ее разделке и подготовке к ана-
более равномерны, чем пробы малого
Число конусований
Рис. 15. Изменение показателей степе-
ни смешения шихты при конусованиях:
а — степень однородности; б — среднее
Крупные зерна угольной загруз-
ки могут находиться на границе
двух смежных кубиков и участво-
вать в образовании пластической
отклонение от среднего; в — среднеквад-
ратичное отклонение; г — дисперсия; д —
максимальная разница показателей (/ —
результаты испытаний проб малого объема;
2 — то же в пробах большого объема).
массы и в одном, и в другом кубике. ТЪэтому необходимый объем
для характеристики степени смешения шихты может быть следующим:
V = (2у)3.
При таком методе определения объема пробы, отбираемой для
характеристики смешения, выявляется количественная зависимость
99
известного в практике работы заводов положения о том, что чем хуже
спекаемость шихты, тем тщательней должно быть смешение.
Исследованиями было установлено, что в шихтах из углей До-
нецкого бассейна типового состава по уровню 1965 г. средняя тол-
щина пластического слоя, образующегося в условиях, близких к
условиям промышленной коксовой печи, составляет около 25 мм.
Отсюда масса пробы для оценки степени смешения шихты должна со-
ставлять
G = (2 • 2,5 см)3 0,8 г/см3 — 100 г,
где 0,8 — насыпная масса шихты в камере коксовой печи.
Относительные изменения массы пробы при оценке смешения шихт
различной спекаемости могут быть определены по данным пластомет-
рического анализа толщины пластического слоя. При этом учитыва-
ется, что данные анализа занижены против действительного значения
пластического слоя, образующегося в камере коксовой печи.
Из условий обеспечения идеальной степени смешения можно найти максимальный
размер зерен угля.
Если во всех объемах, равных у3, должны быть одинаковые показатели, а, сле-
довательно, должны быть представлены все угли в заданном соотношении, то сумма
диаметров зерен компонентов должна быть равна у мм, а максимально допустимый
диаметр зерна одного компонента (допуская, что все его количество представлено од-
ним зерном) должен быть не более уу, где у — долевое участие компонента в шихте.
Для рассмотренной выше шихты с у = 25 мм максимальная крупность зерен (на-
пример, газового угля, входящего в шихту в количестве 30%) составл яет dmax =
= 25 • 0,3 — 7,5 мм, а тощий уголь, которого в шихте 5% , должен иметь зерна, раз-
мером не более dmax = 25 • 0,05 = 1,25 мм.
Необходимо учитывать, что это требование ограничивает крупность зерен лишь
с точки зрения возможного достижения идеальной однородности шихты без учета
спекаемости компонентов и других факторов.
Другие вопросы, возникающие при использовании уравнения
кинетики смешения для подготовки угольной шихты, в коксохимии
не решены, как не решен вопрос и об оптимальной степени смешения.
Существующее на заводах положение с уровнем подготовки угольной
шихты с точки зрения ее однородности далеко от строгого научного
обоснования.
На практике отбирают по сечению шихты на транспортере шесть или девять то-
чечных проб массой по 50—100 г и определяют чаще всего выход летучих веществ в
этих пробах. Схема отбора проб показана на рис. 16. Определение выхода летучих
веществ, как правило, оправдано с точки
зрения показателя разрешающей способности.
Полученные данные обрабатывают по-
разному. Степень смешения может быть
охарактеризована максимальным расхожде-
нием качества между пробами, средним от-
клонением и среднеквадратичным откло-
нением, дисперсией и предложенным
И. 3. Шатохой показателем «коэффициент од-
нородности».
Экспериментально доказано, что все по-
казатели изменяются идентично (см. рис . 15).
Кривые увеличения смешанности шихты в зависимости от затра-
ченной на смешение работы описываются формулой
Пр = Пое~КР‘, (51)
Рис. 16. Схема отбора точечных
проб по сечению слоя на ленте.
100
где /70 и Пр — выбранный показатель (среднеквадратичное откло-
нение, дисперсия или др ) исходной, не смешанной шихты и шихты
после смешения; е — основание натуральных логарифмов; К — коэф-
фициент, зависящий от интенсивности процесса смешения; Р — еди-
ницы работы, затраченной на смешение (можно использовать усло-
вные единицы работы, например, конусование, оборот смесительного
барабана и т. п.); t — коэффициент, учитывающий масштабный фак-
тор изменения показателей смешения и условия смешения.
Если однородность при конусовании оценивать среднеквадратич-
ным отклонением от среднего выхода летучих веществ в пробах,
формула приобретает вид
-кр'
= аое ", (52)
где Р'п — число конусований. Численные значения К и t определяют
по экспериментальным данным. Они равны: К = 0,94; t = 0,84.
Из характера изменения степени смешения шихты в зависимости от затраченной
работы следуют два важных для практики вывода:
1. Поскольку с увеличением степени однородности шихты снижается эффект
от работы, затрачиваемой на смешение, должен существовать оптимальный уровень
однородности шихты, выше которого качество кокса улучшаться не будет, а расходы
на организацию процесса смешения увеличатся.
2. Эффективность мероприятий и механизмов для смешения шихты нельзя опре-
делять разницей показателей смешанности шихты или их отношением, а только лишь
величиной работы, выполненной по улучшению смешения.
Работу смешения можно определить логарифмированием уравнения (52)
1па„ — 1по0 = — КР‘п\
1п <т0 — 1п = КР*п;
In = КР‘п\
л
1п-^
К
Эффективность смешения в аппарате можно выразить разницей между работами,
затраченными на смешение шихты до смесителя Рп и после смесителя Рп
1 1
(53)
(ст0 вычисляется по данным анализа исходных углей). Если эффективность смешения
оценивают по выходу летучих веществ, то <т0 вычисляют по формуле
2 (Е[-Ёг)2
а0 = -----------, (54)
(01
где Vy — выход летучих веществ 1-го компонента угольной шихты, %; Vr — выход
летучих веществ шихты, %; п — число компонентов в шихте.
Среднеквадратичное отклонение выхода летучих веществ в точечных пробах для
шихт заводов Юга СССР обычно составляет 0,3—0,4.
Удобно для характеристики степени смешения шихты пользовать-
ся коэффициентом однородности
(55)
2 2
где Оф — дисперсия показателя по данным анализов; а0 —дисперсия
показателя в абсолютно несмешанной шихте; <Тд—дисперсия, обус-
ловленная ошибкой анализов.
Коэффициент однородности на заводах Советского Союза равен
87—95%. Эффективность работы смесительных механизмов при оцен-
ке однородности шихты коэффициентом ф нельзя найти по соответству-
ющей формуле
1 1
К*
так как ф0 = 0.
В полупромышленных условиях И. 3. Шатоха установил зависи-
мость между коэффициентом однородности и качеством кокса по
показателям большого колосникового барабана для шихты из углей
Кузнецкого бассейна (рис. 17). Как видно из рисунка, качество
Рис. 17. Зависимость проч-
ности кокса от степени од-
нородности угольной шихты:
1 — остаток в колосниковом
барабане (G); 2 — содержание
класса менее 10 мм в подбара-
банном провале (М).
кокса улучшается с повышением степени
однородности.
Для перемешивания угольной шихты
используют различные приемы. Например,
на некоторых заводах США угли дозиру-
ют слоями на ленту и далее не перемеши-
вают, если не считать перегрузки с ленты
на ленту. В некоторых схемах подготовки
шихты смешение совмещается с дроблени-
ем (схема ДШ), а иногда для смешения
устанавливают несколько дополнительных
механизмов и машин (плужковые смесите-
ли, тарельчатые, лопастные, машины де-
зинтеграторного и полудезинтеграторного
типов и др.).
В Европе на многих заводах установ-
лены смесительные устройства типа вра-
щающейся корзины с бичами или двух
корзин, вращающихся в противополож-
ных направлениях (соответственно, полу-
102
дезинтеграторного и дезинтеграторного типа). Такие смесительны е
машины одновременно и измельчают шихту. Степень измельчения
зависит от скорости вращения корзин и числа бичей.
Часто дезинтеграторы и молотковые дробилки после некоторой
реконструкции используют как смесители. При реконструкции уда-
ляют часть молотков или стержней бил, уменьшают число бичей,
снимают одну корзину, снижают скорость вращения и т. п. Все эти
мероприятия направлены на уменьшение степени измельчения шихты
в смесителе.
Смешение представляет собой относительное перемещение частичек, чаще всего
вследствие резкого изменения кинетической энергии. Если смешивают в машинах
типа дезинтеграторов или дробилок, то частички перемещается при ударе бичей, мо-
лотков или других движущихся элементов устройства о поток шихты. Кинетическую
энергию частичек можно изменить и другим способом.
При перегрузках шихты с одной транспортерной ленты на другую иногда высота
перепада значительна. В перегрузочном желобе поток может развивать большую ско-
рость, которая резко уменьшается при ударе о транспортерную ленту. Частички раз-
личной крупности имеют различную кинетическую энергию и за счет этого при изме-
нении скорости потока они взаимно перемещаются — поток смешивается.
Так, установлено, что на Днепродзержинском КХЗ при прохождении потоком
шихты перегрузочного желоба длиной 18 м выполняется такая же работа смешения,
как при использовании двух переоборудованных дезинтеграторов, установленных на
этом же тракте. Это позволило остановить дезинтеграторы без изменения степени сме-
шения шихты, поступающей на угольную башню, и использовать их только для до-
полнительного измельчения шихты.
Эффективность смешения на углеподаче от смесительных машин до угольной баш-
ни зависит от числа перегрузочных станций, их конструктивных особенностей, влаж-
ности и крупности шихты и др. Степень смешения может при этом изменяться на 3—
5% и более.
Относительно большая работа смешения производится на перегрузочных станциях
транспортеров при изменении направления движения потока. Влажная шихта со
слабой подвижностью всегда смешивается хуже, чем относительно сухая, подвижная
шихта.
Следует помнить о возможном изменении однородности шихты в бункерах уголь-
ных башен. Выполненные на различных заводах исследования показали, что степень
однородности в башнях дополнительно не повышается. Более того, имеется тенденция
к ухудшению степени смешения шихты.
Для сохранения в угольной башне достигнутой степени однородности немаловаж-
ное значение имеет рациональная система загрузки угольной башни шихтой. Так,
один из методов загрузки — челночное заполнение — снижает степень разделения
шихты, однако с точки зрения усреднения шихты по зольности и другим показателям
такой метод заполнения менее эффективен ,чем заполнение без движения транспортера.
Имеет значение также соблюдение установленной схемы забора шихты из уголь-
ной башни.
Определяя оптимальную степень смешения, существующие схемы можно усовер-
шенствовать, получив значительный экономической эффект. Gtofo важно это в связи
с непрерывно изменяющейся сырьевой базой и общей тенденцией к снижению спека-
емости шихты.
§ 6. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДРУГИХ СПОСОБОВ ВОЗДЕЙСТВИЯ
НА КОКСУЕМОСТЬ ШИХТЫ
Измельчение и смешение — процессы, обязательные для любой
схемы технологии подготовки шихты. Они существенно влияют на
коксуемость шихты, однако не всегда могут обеспечить требуемое ка-
чество кокса. В условиях изменяющейся сырьевой базы коксования
103
Схема способов воздействия на коксуемость угольной шихты для слоевого коксования
I
необходимо знать и использовать также другие приемы активного
воздействия на свойства пластической массы.
Наиболее хорошо изученные и применяющиеся способы воздей-
ствия на коксуемость шихты представлены на схеме (см. стр. 104).
Классификация способов измельчения рассматривалась выше и
поэтому на схеме процесс дробления представлен в общей форме без
дополнительной градации. Обогащение также показано в общей фор-
ме, поскольку этот процесс отдельно изучается в специальном курсе.
Непременной частью шихты современного слоевого коксования
является влага. Влажность шихты влияет на процесс коксования:
от нее зависит насыпная масса, продолжительность периода кок-
сования, расход тепла на коксование, выход и качество химических
продуктов коксования и др.
По отношению к обогревательной системе влага шихты являет-
ся не простым теплопоглощающим компонентом. Она играет слож-
ную роль в процессе теплопередачи в массе угольной загрузки, поэто-
му расчетное определение расхода тепла на коксование может быть
неточным.
К- Баум еще в 1933 г. установил, что при изменении влажности
шихты от 6 до 8% расход тепла в промышленных печах постоянный.
При увеличении влагосодержания свыше 8% расход тепла резко воз-
растает.
Изменение влажности, шихты приводит к перераспределению плот-
ности загрузки по высоте. дечной-КамеРЬи. что вызывает изменение
распределения температур по высоте коксового пирога. Минимальный
перепад между верхней и нижней частью коксового пирога бывает
при влажности шихты около 8%. По мере роста влагосодержания
шихты до 10% эта разность увеличивается на 200 град и более. Из-
менение содержания влаги заметно влияет на качество кокса.
Обработкой статистического материала по Криворожскому коксо-
химическому заводу Е. Б. Иванов и Р. М. Фартушная показали, что
даже сезонные изменения влажности шихты существенно сказывают-
ся на прочностных характеристиках и ситовом составе кокса. Уве-
личение влаги снижает крупность кусков в основном за счет класса
более 80 мм, увеличивает трещиноватость и истираемость кокса.
По данным Днепродзержинского КХЗ, увеличение влажности ших-
ты с 10,4 до 12,0% снижает показатель М40 с 75,1 до 74,7% и увели-
чивает М10 на 0,1%. Ухудшение качества кокса проявляется в
доменных печах. По данным металлургического завода им. Дзержин-
ского (г. Днепродзержинск), на выплавку 1 т чугуна расход кок-
са, полученного из шихты с влажностью 12%, увеличился в среднем
по двум доменным печам на 11,6 кг.
Влияние влагосодержания на насыпную массу шихты, содержа-
щую 91% класса 0—3 мм, по данным А. А. Агроскина с соавторами,
показано на рис. 18. Подобным образом проявляется влияние влаго-
содержания на насыпную массу шихты и других уровней измельчения.
Содержание влаги можно снизить прямой сушкой шихты в различ-
ных аппаратах. Оптимальное влагосодержание устанавливается с
учетом различных факторов.
105
Прочностные характеристики кокса при практически неизменной -
технологии его производства получаются самыми высокими при вла-
госодержании шихты около 7%.
С точки зрения повышения насыпной массы оптимальным можно
было бы считать 0—2% влаги в шихте. Однако при такой влажности
шихта в процессе подачи и загрузки в камеры коксования пылит.
Поэтому надо разрабатывать меры для обеспечения нормальной
Рис. 18. Зависимость насыпной массы
угольной шихты от влажности.
работы при коксовании шихты та-
кой влажности. Целесообразно так-
же нагревать угольную шихту до
определенной температуры. На-
гретая шихта приобретает «теку-
честь» и увеличивает насыпную
массу. Так, при 200° С насыпная
масса шихты на 18,4% выше по'
сравнению с холодной шихтой с
влагосодержанием 10%. Коксова-
ние предварительно нагретых шихт
существенно повышает прочность
кокса, при этом для коксования
можно использовать угли низкой
спекаемости. Но транспортировка
и загрузка в коксовые камеры нагретых шихт пока еще является
нерешенной проблемой.
Поскольку процесс спекания во многом определяется степенью
контактирования отдельных зерен, огромное значение для коксуемос-
ти шихты имеет ее насыпная масса. Плотность засыпи (т. е. удель-
ную насыпную массу) можно изменять как механическим уплотне-
нием, так и различными технологическими приемами.
Наиболее резко повышается насыпная масса трамбованием, или
прессованием, шихты. В трамбовочную машину слоями загружается
измельченная шихта, а получаемый угольный блок вдвигается в ка-
меру коксовой печи. Если при обычной загрузке насыпью можно
достичь насыпной массы до 0,85 т!мл, то плотность трамбованного
угольного блока составляет 1,0— 1,1 т/м3. Трамбование шихты суще-
ственно влияет на коксуемость: уменьшается крупность кусков, увели-
чивается прочность тела кокса, изменяется трещиноватость.
Особенно эффективно трамбовать шихты, содержащие много га-
зовых и слабоспекающихся углей, которые при обычном насыпном
способе загрузки образуют металлургический кокс низкого качества.
Применение трамбования позволяет коксовать шихты с выходом ле-
тучих веществ 30% и более при толщине пластического слоя 11—
13 мм.
Эффективность трамбования шихты зависит от способа и степени
ее измельчения, которая подбирается индивидуально для каждой
конкретной шихты. При этом степень измельчения шихты должна
быть тем больше, чем выше выход летучих веществ из нее. Степень
уплотнения должна подбираться с учетом спекаемости шихты.
Уплотнение шихты вибраторами непосредственно в камере кок-.
106
сования не нашло применения ввиду больших неудобств в эксплуа-
тации, хотя принципиально этот метод может существенно увеличить
разовую загрузку при насыпном способе ее.
Величина насыпной массы может быть увеличена предварительным
механическим уплотнением части шихты — изготовлением брикетов.
При загрузке насыпью смеси брикетов с обычной шихтой общая
насыпная масса повышается на 8—10%. Брикеты могут быть различ-
ной формы из шихты того же состава или отдельных углей с добавка-
ми связывающего или ожирняющего компонента и без них. Описанные
способы подготовки шихты испытывались
в Советском Союзе, и за рубежом, но про-
мышленного применения пока не полу-
чили.
Наиболее широко используемым прие-
мом повышения насыпной массы является
добавка органических продуктов. Органи-
ческие добавки не только повышают насып-
ную массу шихты, но и стабилизируют
ее, делая малозависящей от влажности и
уменьшая различие, определяемое ситовым
составом шихты. Влияние легкого масла
на насыпную массу шихт различной влаж-
ности могут иллюстрировать данные Лонг-
ви — Бурстлейна, приведенные на рис. 19.
Изменение влажности в пределах 0—8%
изменяет насыпную массу от 650 до 820 кг/м3
(на 170 кг/м3). Добавка 0,4% легкого масла
уменьшила интервал изменения насыпной
массы со 170 до 22 кг/м3.
Рис. 19. Зависимость плот-
ности шихты (у) различной
влажности от количества (С)
добавляемого легкого масла:
/ — воздушно-сухой уголь; 2 —
уголь влажностью 8%; 3 —
уголь влажностью 4%; 4 —
уголь влажностью 6%.
Органические добавки изменяют кок-
суемость шихты не только за счет повышения насыпной массы, но
и за счет активного участия этих добавок в процессах образования
пластической массы.
Говоря об эффекте действия органических добавок, следует рас-
сматривать три группы факторов:
1) степень метаморфизма и физические свойства углей;
2) природу добавки и ее свойства; 3) технологические факторы.
Из первой группы факторов необходимо учитывать выход летучих
веществ, спекаемость и вязкость углей в пластическом состоянии.
Использование органических добавок в шихтах с высокой спе-
каемостью малоэффективно, а в некоторых случаях увеличивает по-
ристость, снижает структурную прочность и повышает трещинова-
тость кокса.
При коксовании углей и шихт с добавками всегда существуют
условия, при которых получается кокс максимальной прочности.
Это хорошо видно из рис. 20 (данные В. М. Динельта и М. В. Гофт-
мана) и рис. 21 (данные А. А. Кауфмана и М. В. Гофтмана). Эти
оптимальные условия могут смещаться в зависимости от влажности
шихты. На эффективность действия органических добавок может
107
влиять адсорбционная способность и смачиваемость компонентов
шихты, особенно это касается полукокса и коксовой мелочи.
Переходя ко второй группе факторов, определяющих эффектив-
ность добавок, следует отметить влияние их температуры кипения
и химической природы. Так, добавки легкокипящих продуктов,
например керосина, существенно
Рис. 20. Зависимость качества
кокса от количества (С) органи-
ческой добавки и насыпной мас-
сы шихты:
1 — структурная прочность кокса
пр и U/P = 2,0% и унас = 860 кг/л£э;
2 — выход класса более 25 мм после
1000 оборотов барабана при Ц?Р =
~ 2,0% и унас = 860 кг/м*\ 3 —
структурная прочность кокса при
WP = 7,5% и 7нас ~
4 — выход класса более 25 мм после
1000 оборотов барабана при U/P =
— 7,5% и 7нас = 764 кг/м*.
Состав снеси у.
Рис. 21. Влияние органической
добавки на прочность кокса из
бинарной смеси:
1 и 2 — соответственно структур-
ная прочность и остаток в лабора-
торном барабане кокса из исходной
шихты; 3 н 4 — соответственно
структурная прочность и остаток
в лабораторном барабане кокса из
шихты с добавлением 5% окислен-
ной фракции.
процессе спекания Практически не участвуют. Их воздействие на
коксуемость ограничивается лишь изменением плотности шихты.
В наибольшей мере изменяют коксуемость шихты высококипя-
щие органические продукты, обогащенные конденсированными аро-
матическими углеводородами, близкими по природе к структуре угля.
Такие добавки почти не увеличивают насыпную массу (а твердые
спекающие добавки типа пека вообще не изменяют ее), но коксуемость
могут изменять значительно. Наиболее распространены добавки неф-
тяных мазутов и солярового масла.
Среди факторов третьей группы (технологических) следует от-
метить такие, как скорость коксования, способ нанесения добавки,
степень измельчения твердой добавки и т. д.
108
Удлинение периода коксования увеличивает прочность кокса
из шихты с добавкой. Оптимальный период коксования зависит от
свойств шихты, а также от природы и количества добавки.
Одна и та же добавка в одинаковом количестве может по-разному
влиять на коксуемость шихты в зависимости от того, на какой из
компонентов она нанесена. При этом важное значение имеют и ин-
дивидуальные свойства добавок.
Таблица 35. Влияние способа введения добавки на свойства кокса (средние данные
коксований в 30-килограммовой печи)
Добавка Омасливаемый продукт (ших- та, марка уг- ля) Ситовый состав кокса, %, по классам, мм М40, % МЮ, %
более 80 60—80 40—60 25—40 менее 25
17,3 37,9 23,3 15,0 6,5 76,2 9,7
Мазут Шихта 8,8 38,8 36,5 9,7 6.2 76,2 9,3
» Г 13,5 30,7 33,4 14,9 7,5 74,8 10,6
ж 1.8 44,6 35,9 9,8 7,8 77,0 10,0
к 15,0 41,9 31,5 5,8 5,8 76,2 9,0
» ос 6,8 35,0 41,8 10,6 5,8 78,7 9,0
Соляровое масло Шихта 15,0 38,7 25,1 15,2 6,0 76,6 9,0
» Г 12,3 37,8 32,9 12,6 5,1 78,1 9,0
» Ж 8,0 40,1 33,9 П.7 6,3 76,1 9,3
» К 9,8 35,4 37,9 9,9 7,0 76,0 9,8
» ОС 14,7 33,3 33,2 10,7 8,1 75,0 10,0
Минимум 1,8 30,7 ^3,3 5,8 5,1 74,8 9,0
Максимум 17,3 44,6 41,8 15,2 8,1 78,6 10,6
Разница 15,5 13,9 18,5 9,4 3,0 3,8 1,6
В табл. 35 приведены результаты коксований в 30-килограммовой
печи шихты из донецких углей при различном способе введения 0,8%
солярового масла и мазута. Даже относительно близкие по приро-
де продукты — мазут и соляровое масло — по-разному изменяют
коксуемость шихты. Следовательно, органические добавки и способ
их введения — средство активного воздействия на коксуемость ших-
ты, позволяющее существенно изменять качество кокса в желаемом
направлении.
Коксуемость шихты могут изменить также различные твердые
добавки. Так, 1% CaO за счет обезвоживания шихты увеличивает
ее насыпную массу на 7—8%, а 5% СаО увеличивает насыпную мас-
су на 13%. Можно одновременно использовать твердую и жидкую
органические добавки. Эффект обработки угля негашенной известью
и керосином почти аддитивно складывается и может достигать по
увеличению насыпной массы 18%.
Оксид кальция — желаемый элемент в шихте доменных печей.
В процессе коксования он частично реагирует с серой угля, образуя
сернистый кальций. При этом связывается часть летучей серы и
часть органической. 3 а счет связывания летучей серы общее содержание
109
серы в коксе несколько повышается. Однако эта сера для домен-
ного процесса не вредна, поскольку сернистый кальций нерастворим
в чугуне и полностью переходит в шлак.
Негашеная известь — это хорошая отощающая добавка при ис-
пользовании усадочных углей, так как она уменьшает усадку и тре-
щиноватость коксового пирога.
Несмотря на многочисленные положительные результаты полу-
промышленных и промышленных исследований по добавкам в уголь-
ную шихту оксида кальция, метод не используется на практике из-
за трудностей при работе с тонкодисперсной известковой пылью.
Эта пыль имеет высокую проницаемость и резко ухудшает условия
труда в углеподготовительном цехе.
Хорошими добавками, улучшающими спекаемость углей, являют-
ся соединения, отщепляющие водород. Так, подмешивая к тощему
углю 9—10%-ный дигидроантрацен, можно получить твердый коксо-
вый остаток. Аналогично действуют добавки 0, 0'-динафтилсульфо-
на, нафталина, поливинилхлорида, сахарозы, различных алицикли-
ческих соединений, асфальтенов и других соединений.
С экономической точки зрения перспективны не чистые химичес-
кие соединения, а отдельные продукты нефтехимического и коксохи-
мического производства: мазут, соляровое масло, каменноугольная
смола, пек и т. п.
Влияние добавок органических продуктов, в частности мазута
и солярового масла, на коксуемость шихты выше уже рассматрива-
лось. При исследованиях влияния пека отмечалась трудность рав-
номерного смешения его с шихтой. Существенный недостаток неко-
торых добавок — повышенное содержание в них серы. При исполь-
зовании добавок, улучшающих спекаемость шихты, повышается
структурная прочность кокса. Изменяется и текстура его. Он стано-
вится мелким и более равномерным по ситовому составу. Дроби-
мость кокса может изменяться по-разному в зависимости от исход-
ных свойств шихты.
В промышленной практике коксохимического производства Со-
ветского Союза применяют как добавки керосин, соляровое масло,
мазут и различные отходы коксохимического производства. До-
бавки различных масел за рубежом используются более ши-
роко.
Шихта для коксования может быть не только смесью различных
каменных углей; иногда в нее входят и бурые угли. Около 15% бурых
углей содержится в шихте для производства доменного кокса на неко-
торых заводах в СФРЮ, ЧССР, КНДР.
Бурые угли можно рассматривать как отощающие присадки, по-
скольку сами они не спекаются. Добавка бурых углей несколько по-
вышает реакционную способность кокса.
Целесообразно использование бурых углей, так как они дешевые
и часто залегают недалеко от железорудных бассейнов (Сибирь,
Казахстан), где нет спекающихся углей.
При использовании для коксования смеси каменных и бурых
углей целесообразно трамбовать шихту либо другим каким-то мето-
дом увеличивать насыпную массу шихты. Одновременно необходимо
тонко измельчать бурый уголь.
Из других отощающих добавок можно назвать тощий уголь, ан-
трацит, полукокс и кокс. Все добавки должны иметь высокую степень
измельчения, что повышает качество образующегося кокса. Даже
100%-ное измельчение до класса менее 3 мм часто недостаточно
и может вызвать увеличение трещиноватости кокса. При из-
мельчении же менее 1 мм трещиноватость может быть снижена.
Прочностные характеристики при использовании отощающих доба-
бавки на качество получаемого кокса:
/ — содержание в коксе класса более
60 мм, %; 2 — прочность кокса (М40, %);
3 — истираемость кокса (МЮ, %).
Рис. 23. Влияние количества
отощающей добавки (С) на свой-
ства кокса:
] и — показатель МЮ, %; 2 и
21 — показатель М40, %; 3 и 5х —
содержание в коксе класса более
6 мм, % (кривые, обозначенные
цифрами со штрихом, указывают,
что добавляли тощий уголь, без
штриха — добавляли СТК-2).
вок улучшаются в результате уменьшения усадки и облегчения ре-
лаксационных процессов снятия напряжений, возникающих при
усадке кокса. Все это уменьшает трещиноватость кокса.
Достигаемый эффект изменения свойств кокса зависит от сорбци-
онной способности добавки, характера поверхности ее и т. п. О на-
правленности и величине изменений свойств кокса в зависимости от
свойств добавки можно судить по рис. 22. В качестве добавок ис-
пользовался среднетемпературный кокс из газовых углей (СТКг)
различной степени готовности, коксовая мелочь и тощий уголь.
Из отощающих инертных добавок в Советском Союзе в промыш-
ленном масштабе используются лишь тощие угли. В США, Франции,
ПНР и других странах применяют добавки коксового и полукоксо-
вого порошка, получаемого из каменных, длиннопламенных и бу-
рых углей. При обычном слоевом процессе коксования количество
добавки не превышает 10% и сильно влияет на коксуемость
шихты, что видно из рис. 23.
Многие ученые исследовали влияние колошниковой пыли и же-
лезной руды на коксуемость угольных шихт.Эти исследования были
ill
110
вызваны желанием получить единственный материал для доменных
печей, содержащий рудную, углеродистую часть и флюсы в необ-
ходимой пропорции.
Изменение свойств кокса при добавке 10% колошниковой пыли
к шихте, содержащей 27, 35 и 45% газовых углей при коксовании
в 200-килограммовой печи, показано в табл. 36. Колошниковая пыль
повышает крупность кокса, при этом прочностные характеристики
снижаются.
Таблица 36. Влияние добавки колошниковой пыли на свойства кокса
Состав шихты по маркам, % Ситовый состав кокса, в %, по клас- сам, мм М40, % мю, %
Г ж К ОС коло- шнико- вая пыль1 более 80 60—80 40—60 25—40 менее 25
25 35 20 20 7,9 35,5 40,7 14,5 1,4 78,1 8,7
45 28 16 11 — 10,7 27,1 41,2 17,2 3,8 76,4 9,8
27 37 18 18 10 20,0 42,0 27,0 9,8 1,2 70,6 14,0
35 33 20 12 10 23,2 32,4 31,1 10,7 2,6 72,0 10,4
45 28 16 11 10 19,5 29,9 36,7 10,6 3,3 69,4 13,2
1 Свыше 100%.
В Советском Союзе были проведены опыты промышленного по-
лучения железококса и работы доменных печей на нем, однако си-
стематического применения добавка железосодержащих компонен-
тов пока не нашла. За рубежом также накоплен достаточный опыт
использования железококса, позволяющий утверждать, что доменные
печи не ухудшают своей работы при частичной и даже полной за-
мене кокса железококсом.
Добавки железосодержащих материалов в угольную шихту сле-
дует считать перспективными, особенно с точки зрения экономич-
ности использования колошниковой пыли и тонкоизмельченной руды.
Г л а в a III. ПРОЦЕССЫ, ПРОТЕКАЮЩИЕ В КОКСОВЫХ ПЕЧАХ
§ 1. ТЕПЛОВОЙ ПОТОК В УГОЛЬНОЙ ЗАГРУЗКЕ
Основным фактором, определяющим процесс превращения уг-
лей в кокс в камерах коксовых печей, является тепловой поток.
Потоки тепла в камере направлены с двух сторон навстречу друг дру-
гу — от стенок к осевой плоскости. Передача тепла от стен к уголь-
ной засыпи происходит в сложных условиях из-за неплотного при-
легания углей к стенкам печи, из-за пустот между отдельными
зернами, влажности угля, протекания пирогенных процессов, связан-
ных с поглощением и выделением тепла на различных стадиях, и
112
других факторов. Еще более сложен процесс теплопередачи в самой
угольной засипи.
Сразу после загрузки в шихту поступает большое количество
тепла, преимущественно за счет тепла, аккумулированного стена-
ми камер. В результате температура стен падает с 1000—1100° С
примерно, до 700° С, а прилежащий к стенам слой шихты быстро на-
гревается (рис. 24). По мере уменьшения разности температур между
поверхностью стен и прилежащим к ним
слоям загрузки тепла отнимается мень-
ше, а вследствие непрерывного притока
его от отопительной системы коксовых
печей температура стен и прилежащих
к ним слоев шихты растет. Увеличение
происходит синхронно вплоть до дости-
жения максимальных температур.
Температура в средних слоях за-
грузки начинает повышаться позже,
чем в пристенном слое. Время отстава-
ния тем большее, чем дальше слой от
стенки. Таким образом, распределение
Рис. 24. Динамика изменения
температур угольной загрузки
и стен камеры коксования:
/ — температура поверхности сте-
ны; 2 — температура загрузки у
стены камеры; 3 — температура на
расстоянии 50 — 60 мм от стены ка-
меры; 4 — температура на расстоя-
нии 130 —140 мм от стены камеры;
5—температура по оси камеры.
температур внутри загрузки неравно-
мерно и неравномерность сохраняется
в течение всего периода коксования.
Из рис. 24 видно, что скорость подъ-
ема температуры в разных слоях за-
грузки резко отличается. В слоях, расположенных на расстоя-
нии 30—40 мм от стены, она сильно зависит от температуры
стены. В более удаленных слоях эта зависимость меньше. Скорость
повышения температуры в этих слоях в интервале от 300 до 700° С
t°c х-----г—----------------колеблется от 0,5 до 4,0 град!мин.
Ю 62 112 162 210
Расстояние от стены камеры, мм
Рис. 25. Изохроны температур по
длине печной камеры ПК-2К (дан-
ные Н. К. Кулакова). Цифры на
кривых — время коксования.
В последней трети периода коксова-
ния резко увеличивается скорость
подъема температуры в осевой плос-
кости коксового пирога. Это связа-
но с возрастанием температуро- и
теплопроводности коксующейся за-
грузки, а также с тем, что тепловой
поток усиливается излучением от стен
камеры благодаря образованию боль-
ших трещин в коксе. Характерис-
тика теплового потока в угольной
засыпи предопределяет специфику изо-
хрон по ширине камеры коксования.
Изохроны температур по ширине
половины коксуемого слоя (от стены
до осевой плоскости коксового пи-
рога) показаны на рис. 25. Даже на
13-м часу коксования равномерно
распределяется температура только
113
на расстоянии 162 мм от стены. Различие в крутизне изохрон
указывает, что в одинаковом интервале температур будут нахо-
диться различные по толщине слои угольной шихты в разных
местах камеры. Так, при граничных температурах 500—600° С на
расстояниях 20, 52, 115 и 160 мм от стены будут слои толщиной,
соответственно, 6, 15, 9 и 14 мм (темные прямоугольники на изохро-
нах). Это накладывает отпечаток на ход процесса коксообразования,
о чем будет идти речь ниже.
На уровне 100° С повышение температуры серединных слоев за-
держивается вследствие испарения влаги.
Распределение температур по ширине печной камеры на разных
уровнях загрузки различно вследствие неравномерности температур
на поверхности греющей стены и различной плотности угольной за-
грузки. Это в значительной мере определяет неоднородность кокса,
выдаваемого из печи.
§ 2. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ УГЛЕЙ ПРИ СПЕКАНИИ ИХ СМЕСЕЙ
В КОКСОВЫХ ПЕЧАХ
Термические превращения органической массы углей зависят от
свойств исходных углей и от условий термического воздействия на
угли.
При нагреве до 200° С из угля выделяются окклюдированные в
нем газы, испаряется и удаляется вода. При дальнейшем нагреве
уголь разлагается, а при 300—350° С выделяется пирогенетичес-
кая влага и газообразные продукты, образующиеся вследствие раз-
рыва наименее устойчивых боковых цепей элементарных структурных
единиц. Одновременно происходят реакции между основной массой
вещества углей и образующимися соединениями.
Дальнейшее повышение температуры приводит к более интенсив-
ному разложению вещества углей. Образуется угольная пластичес-
кая масса, характерная для всех углей, дающих кусковой кокс.
В отдельно взятом угольном зерне до 320—350° С не происходит
никаких внешне заметных изменений. Дальнейший нагрев до 380—
420° С вызывает образование на поверхности зерна пленки жидкой
фазы, насыщенной пузырьками газообразных продуктов термической
деструкции угля. При 500—550° С жидкая пленка затвердевает и
образуется трехслойная система, состоящая из наружной затвердев-
шей корочки, среднего пластического слоя, заполненного пузырьками
газов, и недеформированной внутренней части зерна. Затем на внеш-
ней затвердевшей корочке появляются трещины, и из них вытекает
часть пластической массы, образовавшейся в центральных зонах.
Эта масса также затвердевает на поверхности. Так продолжается
до тех пор, пока вся внутренняя часть зерна не превратится в полу-
кокс.
Температура начала образования жидкой фазы и затвердевания
различна для разных марок углей. Так, по данным А. М. Мирош-
ниченко, для донецких каменных углей начало образования пласта -
И4
ческой массы находится в пределах 355—400° С, а затвердевание
начинается при 435—480° С (табл. 37).
Каждое зерно в смеси индивидуально претерпевает описанные
выше превращения, но жидкие пленки соседних зерен сливаются
вместе и образуют сплошную вязкую пластическую массу.
В период существования пластической массы протекают основ-
ные химические реакции между газовой, жидкой и твердой фазами,
а также внутри каждой из них. Наряду с деструкцией в этот период
идут реакции поликонденсации, полимеризации и сополимеризации,
ведущие к образованнию вы-
сокомолекулярных соедине-
ний.
Взаимодействие радика-
лов, образующихся при тер-
мических превращениях уг-
лей, имеет большое значение
для процесса коксообразова-
ния. Отсюда ясна важность
величины температурного ин-
тервала пластичности каждо-
го угля и совмещение этих
интервалов в углях, из кото-
рых составляется шихта для
коксования.
Спекание разрозненных
Таблица 37. Температурные границы
пластического состояния донецких углей,
определенные в аппарате Одибера-Арну
Технологичес- кая группа угля Т емпература, °C Температур- ный интервал пластичности, град
начала обра- зования плас- тической мас- сы превращения пластической массы в твер- дый остаток
Г6 365 435 70
Г16 355 465 ПО
Ж21 360 480 120
КЖ 380 480 100
ОС 400 470 70
зерен углей не только хими-
ческий, но и поверхностный процесс, в котором немалая роль принад-
лежит адгезии — склеиванию. Химическое взаимодействие активных
продуктов термических превращений осложняется и другими па-
раллельно протекающими физико-химическими процессами и физиче-
скими явлениями. При нагревании одни угли образуют жидкотеку-
чую пластическую массу, другие — вязкотекучую. Существуют так-
же угли, которые пластической массы не образуют. Их зерна слегка
оплавляются, деформируются, но практически сохраняют исход-
ную форму.
Текучая пластическая масса, образовавшаяся из одних углей,
распределяется между деформировавшимися зернами других углей,
способствуя лучшему контакту по поверхности их соприкоснове-
ния.
Во взаимодействии различных веществ большую роль играют
сорбционные процессы. Из-за различной термической устойчивости
отдельных зерен угольной шихты, наряду с жидкими и газообразны-
ми продуктами, в угольной пластической массе есть твердые зерна.
Их поверхность может сорбировать жидкие и парообразные продукты,
связываясь с ними физическими (когезия) или химическими силами
связи (хемосорбция). Поэтому образование и свойства пластической
массы сильно зависят от особенностей твердых продуктов термичес-
ких превращений углей и поверхностных свойств исходных компо-
нентов.
115
В состав шихты для коксования могут входить компоненты,
остающиеся при нагревании в твердом состоянии (тощие угли, антра-
циты, твердые продукты коксования — полукокс, кокс и др.). При
этом, наряду с собственно адгезией, большую роль играет механиче-
ская адгезия: пластическая масса проникает в поры и трещины твер-
дых зерен и поэтому частички сцепляются также за счет механиче-
ского заклинивания. Подобное происходит и при спекании петрогра-
фически неоднородных углей. Прочность спекания угольных зерен
в таких шихтах очень зависит от поверхностных свойств и степени
измельчения всех неспекающихся компонентов, в том числе и неспе-
кающихся петрографических составляющих углей.
Количество и качество жидкой фазы пластической массы имеют
решающее влияние на свойства получаемого кокса. При недостатке
ее уголь в пластическом состоянии представляет собой отдельные
зерна, размягченные по поверхности и слегка слипшиеся. В оптималь
ных условиях пластическая масса — это практически однородный
продукт, включающий отдельные твердые зерна угля и минеральные
частички.
Однородность пластической массы обеспечивает однородность
структуры получаемого кокса. Для получения хорошо сплав-
ленного кокса важно, чтобы именно в пластическом состоянии
происходили основные термические превращения вещества углей. Преж-
девременные реакции снижают химический потенциал пластической
массы и ухудшают сплавленность кокса; значительные превращения
вещества углей в начале перехода пластической массы в полукокс
и позднее также ухудшают сплавленность кокса.
Большое значение для структуры получаемого кокса имеет вяз-
кость пластической массы, которая определяет давление распирания,
вызывающее сближение компонентов смеси и получение более
сплавленного кокса. Низкая вязкость пластической массы способству-
ет беспрепятственному выделению из нее газов. Достаточная же вяз-
кость препятствует проходу газов, способствует созданию внутри-
пластического давления, улучшению контактов всех составляющих
пластической массы и предопределяет получение плотной и однород-
ной структуры кокса.
Свойства кокса зависят также от степени измельчения углей.
Крупные зерна угля укладываются неплотно и из-за плохого контак-
та по поверхности могут образовывать недостаточно однородную
пластическую массу, а, следовательно, и недостаточно монолитный
кокс. Слишком тонкое измельчение угля из-за развитой поверхности
зерен вызывает самоотощение, т. е. жидкой фазы пластической мас-
сы не достаточно для смачивания поверхности зерен, спекаемость
ухудшается, что снижает прочность кокса. Степень измельчения уг-
ля сказывается на вязкости пластической массы.’ при тонком измель-
чении повышается вязкость пластической массы и улучшаются усло-
вия эвакуации газообразных продуктов (повышается газопроницае-
мость пластической массы), что снижает давление распирания. Эти
сложные зависимости используются по-разному в каждом конкретном
случае для регулирования коксуемости шихты.
116
Повышение удельной насыпной массы способствует более плот-
ной укладке зерен угля, улучшает контакт между зернами и коксуе-
мость шихт.
С повышением скорости нагрева сокращается время пребывания
угля в пластическом состоянии, но увеличивается температурный
интервал пластичности, т. е. разность температур начала образова-
ния пластической массы и ее затвердевания. Так, при скорости нагре-
ва 3 град!мин интервал пластичности газовых углей составляет 70,
жирных — 105, коксовых — 75 град, а при скорости нагрева
10 град/мин, соответственно — 90, 115, 90 град. При низких скоростях
нагрева большая часть продуктов процесса удаляется до накопления
пластической массы, химический потенциал пластической массы сни-
жается, и шихта спекается недостаточно. При медленном нагреве
даже из хорошо спекающихся углей можно получить плохо спекший-
ся кокс низкой проч) остц а из слабоспекающихся углей кусковой
кокс вообще не получается. Вместе с тем, снижая скорость нагрева
хорошо спекающихся углей или их смесей, можно получить достаточ-
но прочный кокс с уменьшенной трещиноватостью.
Влажность углей замедляет процесс нагрева на его начальных
стадиях, что ухудшает качество кокса. На конечных же стадиях
процесс не замедляется, что также отрицательно сказывается на
качестве получаемого кокса. Таким образом, высокая влажность
углей (шихт) снижает прочность кокса.
Обобщая сказанное выше, можно заключить, что на взаимодейст-
вие между угольными зернами при спекании в основном влияют
следующие факторы:
1) образование при термических превращениях смеси углей вяз-
кой пластической массы, ее газонепроницаемость и время пребывания
продуктов термической деструкции в пластическом состоянии, а
также совпадение температурных интервалов пластического состо-
яния различных компонентов смеси;
2) вспучивание пластической массы, вызываемое выделением и
давлением газо- и парообразных продуктов, образующихся при тер-
мических превращениях;
3) начальная плотность укладки зерен шихты;
4) способность твердых зерен углей сорбировать жидкие продук-
ты и смачиваемость поверхности угольных зерен жидкими продукта-
ми, образовавшимися при деструкции зерен других компонентов смеси;
5) характер поверхности, сорбционные и поверхностные свой,
ства зерен продуктов, не проходящих стадию пластического состояния-
Степень и глубина взаимодействия углей в смесях зависят не
только от отдельных перечисленных факторов, но и от их сочетания.
§ 3. КОКСООБРАЗОВАНИЕ И ФОРМИРОВАНИЕ СИТОВОГО .
СОСТАВА КОКСА
После 500° С происходит все возрастающая ассоциация молекул
твердой и жидкой фаз, сопровождающаяся упорядочением молеку-
лярной структуры твердых продуктов, а выделяющиеся в газовую
фазу продукты становятся все более низкомолекулярными.
117
Если до 500° С в газовой фазе находились сравнительно высоко-
молекулярные продукты (продукты смоляной деструкции), то выше
500° С в газовую фазу переходят все более низкомолекулярные уг-
леводороды и водород.
Жидкая фаза постепенно исчезает, и высокомолекулярные твер-
дые продукты процесса превращаются в полукокс. Во время ста-
новления структуры полукокса резко снижается электросопротив-
ление материала и происходит его усадка из-за уменьшения объ-
ема вследствие выделения газообразных продуктов, упорядочения
структуры и других явлений. Усадка определяет появление напряже-
ний в твердом монолитном слое и, как следствие, образование трещин
в нем. Появление напряжений при усадке является следствием по-
слойно протекающего процесса.
Рис. 26. Изменение ско-
рости усадки при нагре-
вании.
Исследованиями процесса коксообразования занимались Л. М. Сапожников,
Е. М. Тайц, К. И. Сысков, Н. С. Грязнов, Л. И. Еркин и многие другие.
Доказано, что при усадке частички кокса движутся к центру, положение которо-
го связано с тепловым потоком и геометрией слоя. Чем дальше от центра частичка,
тем на большее расстояние она должна переместить-
ся. Трещины возникают в слое определенной толщины.
Исследования динамики усадки в процессе коксо-
вания тонкого слоя, не ограниченного в своем переме-
щении, показали, что скорость усадки изменяется по
кривой с несколькими максимумами (в зависимости от
марки угля). Характерная кривая усадки одной из
шихт показана на рис. 26.
Образование и развитие трещин можно предста-
вить следующим образом. Предположим, что после оче-
редной загрузки шихты в коксовую камеру у стены
образуется твердый слой с температурами 560° С у сте-
ны (с горячей стороны) и 530° С со стороны загрузки
(с холодной стороны). В этом слое начинается усадка,
но ей препятствует, с одной стороны, затвердевший слой пластической массы, в
котором усадка еще не началась, а с другой стороны — силы трения о стенку
камеры.
Под действием сил сопротивления в слое, претерпевающем усадку, возникают
напряжения, направленные на разрыв. В затвердевшем слое пластической массы соз-
даются усилия сжатия. Эти напряжения в основном снимаются за счет релаксации,
так как в этом слое еще есть остаточная пластичность. В слое, претерпевающем усад-
ку, на каких-то расстояниях от центров усадки (а центров возникает много вследствие
неравенства теплового потока) усилия превышают сопротивление слоя на разрыв —
образуется трещина.
Напряжения развиваются одинаково во все стороны от оси усадки. Если все дей-
ствующие факторы равны, разрывы будут образовывать ячейки, приближающиеся по
форме к правильным шестиугольникам, поскольку такая форма является равновес-
ной и термодинамически наиболее выгодной.
Далее тепловой поток проникает в глубь загрузки и в какой-то момент за первым
слоем возникает второй с теми же температурными пределами 530—560° С. К этому
времени в первом слое пределы температур возрастают до 560—620° С, скорость усад-
ки первого слоя увеличивается. Второй слой, претерпевающий усадку с меньшей ско-
ростью, препятствует усадке первого слоя. Вследствие этого в первом слое возникают
дополнительные трещины. Число трещин наибольшее при температуре первого мак-
симума усадки. В последующих слоях напряжения создаются не только за счет раз-
личия в скоростях усадки, но и за счет различия в направлении перемещения отдель-
ных частей смежных структур. Вследствие этого возникающие разрывы продолжают
уже существовавшие — трещины удлиняются. Таков механизм формирования конту-
ров отдельного куска кокса, поскольку взаимодействие слоев сохраняется оди наковым
ют стенки камеры до осевой плоскости коксового пирога.
118
Процесс трещинообразования зависит от характера усадки полу-
кокса. На величину усадки влияет выход летучих веществ, причем
не столько общий выход летучих веществ угля, сколько количества
летучих веществ, выделяемых в стадии послепластического твердого
состояния (остаточный выход летучих веществ). Усадка может быть
резкой или плавной, что зависит от природы углей и условий нагрева.
Быстрый прогрев на стадии образования полукокса и кокса уве-
личивает напряжения в теле полукокса и кокса вследствие ускорения
усадки. Увеличивается количество трещин, разделяющих тело полу-
кокса и кокса на отдельности (часть куска, ограниченная со всех сто-
рон трещинами). В этом основное противоречие процесса классиче-
ского коксования: на начальных стадиях процесса ускорение нагрева
положительно влияет на качество кокса, а на конечных стадиях —
отрицательно. При снижении скорости нагрева кокс менее трещино-
ватый, но хуже спекшийся.
Необходимо учитывать следующие особенности процесса. С увеличением расстоя-
ния слоя от греющей стены скорость повышения температуры в нем снижается, а
чем меньше скорость повышения температуры, тем меньше скорость усадки. Так,
если при скорости нагрева 100 град!мин слой за
3 мин должен сократиться на 7%, то за то же
время при скорости нагрева 20 град!мин усадка
должна составить 1,5%, а при скорости
5 град/мин — 0,2%. Поскольку в каждом слое,
где образуются трещины (формирующий слой),
напряжения развиваются в соответствии с создав-
шимися в нем условиями, не всегда в местах раз-
рыва предыдущего слоя напряжения достаточны
для разрушения нового слоя. В этом случае
трещина не образуется .
При увеличении скорости нагрева, (что бы-
вает на расстоянии 100—125 мм от греющей
стены) напряжения, достаточные для разруше-
ния слоя, могут возникнуть ближе к центру
усадки, не достигнув места трещины в предыду-
щем слое. В этом случае образуется внутренняя
трещина структуры. В последующих слоях она
может либо продолжаться по механизму обра-
зования трещин, формирующих контуры куска
Прочность кокса (масс^0,5мм), /.
Рис. 27. Зависимость между
прочностью кокса и средней пло-
щадью отдельностей (S):
1, 2 и З-шкхты различных свойств.
кокса, либо прекращаться. Внутренняя трещина может образоваться также при сов-
падении участка повышенных напряжений с ослабленным местом коксовой структуры
(зерно породы ит. д.)
Трещины образуются в определенном слое, прочность которого Рс равна прои з-
ведению прочности вещества Рв на поверхность разрушения, т. е. на толщину ело я S
Pc = PaS.
Трещин а образуется тогда, когда напряжения превысят предел прочности, т. е.
чем прочие е тело кокса и толще формирующий слой, тем на большем расстоянии от
центра усадки произойдет разрыв, тем крупнее будут куски кокса. Влияние значе-
ния Рв на крупность кокса иллюстрируется рис. 27, на котором показаны результаты,
испь 1тания различных шихт в аппарате коксования по методу ИГИ. Как видно из
рис унка, свойства шихт накладывают отпечаток на количественное соотношение меж-
ду средней площадью отдельности и прочностью структуры кокса, но качественно за-
кономерная зависимость сохраняется.
Повышен 1й трещиноватости в средней части полномерного кус-
ка (см. табл. 6) объясняется увеличением скорости усадки в этой
области и снижением толщины формирующего слоя, связанным с
119
I
распределением температур по ширине камеры, что отмечалось в § 1
£м. рис. 25).
Наибольшая трещиноватость наружного (пристенного) слоя кок-
са объясняется тем, что скорость усадки в нем максимальная, а тол-
щина слоя, воспринимающего напряжения — минимальная. Харак-
/234
Рис. 28. Расположение трещин в раз-
личных сечениях подлине куска кокса.
терное расположение трещин (/, 2,
3, 4) в различных сечениях по дли-
не куска показано на рис. 28.
При 700—750° С происходит
интенсивное упорядочение моле-
кулярной структуры полукокса,
связанное с образованием плос-
ко-параллельных углеродных сеток.
Упорядочениемолекулярной струк-
туры полукокса сопровождается
увеличением электропроводности
его вещества.
В процессе образования полу-
кокса, а затем и кокса их структуры
упрочняются за счет дальнейшего отрыва боковых групп элементар-
ных структурных единиц угля, роста углеродных сеток и их взаим-
ной ориентацией. Структура кокса приближается к структуре графита.
Обобщая сказанное выше, можно заключить, что:
1) трещины возникают в слое образования полукокса, ограничен-
ном температурами начала усадки и достижения первого максимума
скорости ее;
2) причинами возникновения трещин являются напряжения, воз-
никающие вследствие недопущенной усадки, ввиду различия скорос-
ти усадки при разных темпе-
ратурах;
3) трещины образуются
при взаимодействии факторов,
определяющих развитие на-
пряжений (скорость усадки,
релаксационное свойство
структуры и др.) и противо-
действующих сопротивлений
(прочность материала .и тол-
щина слоя);
4) механизм образования
всех продольных трещин от
головочной до осевой части
коксового пирога един.
Образование поперечных
трещин и искривление голо-
вочной части отдельности (об
разование структуры «цвет-
ной капусты>) происходит
также из-за различий в усад-
Рис. 29. Схема, характеризующая стадии
перехода углей в кокс:
1 — влажный уголь (20° С); 2 — сухой уголь
(200° С); 3 — размягченный уголь (> 400° С); 4 —
затвердевание пластической массы (500° С); 5 —
полукокс (600° С); 6 — кокс (900° С).
1
120
ках смежных слоев кокса, но тепловой поток при этом поступает к
боковым поверхностям куска через расширяющиеся трещины. По-
слойное образование кокса определяет и слоистость его структуры,
иногда отчетливо наблюдаемую в головочной части кусков. Схема,
характеризующая различные стадии состояния угольной засыпи в
процессе коксования, с указанием примерных температурных границ
приведена на рис. 29, где I, II, III, IV —состояния загрузки в раз-
ное время периода коксования.
§ 4. ТЕРМОДИНАМИКА И КИНЕТИКА ПРОЦЕССА ,
ПРЕВРАЩЕНИЯ УГЛЕЙ В КОКС /,;
Во время нагрева угля при коксовании протекает множество раз-
личных реакций. Процесс превращения угля в кокс различен для
разных углей, разных условий нагрева и разных этапов превращения .
В связи с этим термодинамику и кинетику процесса коксообразования
можно описать лишь в самых обцих чертах, с конкретизацией для
углей определенных свойств , коксуемых в некоторых известных тер-
мических условиях.
Реакции разложения и синтеза при коксовании, часть которых
идет с выделением тепла, а часть с поглощением, протекают в раз-
ных соотношениях на разных этапах. Поэтому термодинамическая
картина процесса очень сложна.
Тепловой эффект процесса коксования в каждом температурном
интервале является алгебраической суммой тепловых эффектов всех
реакций, протекающих в данном интервале. Общий тепловой эффект
реакций коксования от начала нагрева угля и до окончательного об-
разования высокотемпературного кокса близок к нулю. Однако в про-
цессе нагрева угля наибольшее выделение тепла, т. е. преобладание
экзотермических реакций, наблюдается в период активного разло-
жения вещества углей, т. е. при температурах от 350—450° С до
600—700° С (по данным некоторых исследователей даже до 800° С).
С дальнейшим повышением температуры формируется структура вы-
сокотемпературного кокса. Реакция идет с затратой тепла, начинают
преобладать эндотермические реакции. Общий эффект процесса пере-
двигается в сторону поглощения тепла. Количество выделенного или
поглощенного в ходе реакций тепла и температурные интервалы теп-
ловых эффектов процесса зависят от свойств самого угля или смеси
углей (прежде всего, свойств их органической массы, петрографиче-
ского состава и степени метаморфизма), а также от условий перехода
угля в кокс. Термодинамические характеристики процесса коксова-
ния для отдельных углей и их групп изучены хорошо.
Кинетику процесса коксования обычно изучают по изменению мас-
сы твердого остатка в процессе нагрева коксуемого вещества. Кине-
тика процесса различна для углей, отличающихся по своим свойствам,
и изменяется в зависимости от условий нагрева.
Применяемый для исследований кинетики термического разложе-
ния высокомолекулярных веществ, в том числе и каменных углей,
метод термогравиметрического анализа с помощью самозаписывающих
121
автоматических термовесов АТВ-2 позволяет получить непосредствен-
но термогравиметрическую кривую процесса как при постоянной тем-
пературе, так и при постоянной скорости нагрева.
Исследованиями, проведенными в УХИНе, показано, что i ро-
цесс коксования не описывается уравнениями реакций первого и
второго порядка, что объясняется сложностью процесса, состояще-
го из ряда параллельных и последовательных реакций. В разных
Таблица 38. Изменение массы углей при нагреве
Конечная темпера- тура нагрева угля, вС Время выдержки при этой темпера- туре, мин Количество образовавшегося твердого остатка, %, для углей различных марок
д г Ж К ос
по 120 99,02 99,87 99,97 99,91 100,0
250 30 95,64 98,62 99,13 99,38 100,0
350 30 90,41 96,35 97,87 97,61 100,0
400 30 80,87 85,32 95,48 95,47 98,86
450 30 74,64 76,36 85,80 93,29 97,53
500 30 70,21 72,57 80,95 85,65 95,36
550 30 67,16 70,00 78,00 82,43 93,50
700 30 65,89 68,00 73,98 81,02 88,75
800 30 64,91 66,17 72,48 79,52 86,96
850 30 63,98 65,15 68,92 78,99 86,00
температурных интервалах соотношение этих реакций различно, по-
этому энергия активации в разных температурных областях неодина-
кова. В табл. 38 приведены данные А. М. Мирошниченко с соавтора-
ми о количестве образовавшегося твердого остатка при нагревании
различных марок углей до определенных конечных температур и
при фиксированных условиях этого нагрева. Масса коксуемого ве-
щества даже в одинаковых условиях нагрева и температурных интер-
валах для углей различных марок изменяется по-разному. Это объяс-
няется особенностями органической массы углей различных марок:
степенью термоустойчивости, составом органической массы, степенью
метаморфизма, окисленностью и т. и. Естественно, что и состав выде-
ляющихся газообразных продуктов процесса различен для углей раз-
ных марок и зависит от условий нагрева. Например, длиннопламен-
ные угли на первых этапах разложения выделяют значительно боль-
ше пирогенетической йлагй, чем угли марок Г, Ж и К. Угли марки ОС
на первых этапах нагрева вообще не выделяют пирогенетической вла-
ги, этот процесс для них начинается лишь около 400° С. Разнится так-
же состав и свойства смолы, образующейся при нагреве углей ра-
зличных марок.
§ 5. ХОД ПАРО- И ГАЗООБРАЗНЫХ ПРОДУКТОВ
ПРИ КОКСОВАНИИ
После загрузки камеры коксования у греющих стен образуются
пластические слои. По мере повышения температуры в угольной за-
грузке эти слои перемещаются навстречу друг другу и соединяются
в осевой плоскости. Кроме того, образуется пластический слой на
поду и в верхней части загрузки. Таким образом, угольная засыпь
в печи как бы замкнута в мешке пластического слоя. Пары воды и
смолы, а также газы, выделяющиеся внутри этого мешка, создают
давление 1000—1200 нЛи2 (100—120 мм вод. ст.) в центре загрузки.
Это давление спадает после слияния пластических слоев, а наиболь-
шее значение оно имеет за 4—6 ч до спада.
Чтобы газы прошли из пластического слоя внутрь загрузки, их
давление должно быть выше существующего давления «в мешке».
В верхней части загрузки пластический слой создает наименьшую
преграду газам вследствие того, что он постоянно разрушается под
действием усадки, «упаковки», шихты и сдерживается тонким слоем
полукокса. Поэтому парогазовый поток из внутренних слоев загруз-
ки пробивает себе проходы, прорывая верхний пластический слой.
Разрываемый давлением газового потока внутренних слоев и раз-
дуваемый выделяющимися из него газами, верхний пластический
слой образует крупнопористую структуру полукокса-кокса («губку»)
наверху коксового пирога.
Газы, выделяющиеся из обращенной к полукоксу стороне плас-
тического слоя, а также из полукокса и кокса, направляются к сте-
нам камеры (на горячую сторону) и вверх, в подсводовое простран-
ство, так как в этом направлении сопротивление выходу меньше, чем
в направлении к осевой плоскости загрузки.
Поскольку пластический слой является серьезной преградой на
пути движения газов, образующихся по обе стороны его^ то во внут-
ренние слои загрузки, лежащие между пластическими слоями (на
холодную сторону), отгоняются пары воды, окклюдированные в уг-
ле газы, пирогенетическая влага и смоляные пары, выделяющиеся с
«холодных краев» пластического слоя. Объем их тем меньше, чем вы-
ше температура начала разложения пластической массы коксуемого
угля.
Выделенные на «холодную сторону» пары воды и смолы, попадая
на угольные зерна, имеющие относительно низкую температуру, кон-
денсируются. После того как зона пластического состояния дости-
гнет этих участков загрузки, сконденсировавшиеся продукты вновь
подвергнутся дистилляции и разложению. При этом часть вновь об-
разованных газообразных продуктов может частично выделяться на
«горячую сторону». Таким образом, первоначальное распределение
парообразных продуктов на «горячую» и «холодную» стороны не от-
ражает окончательного суммарного их распределения.
Работами Н. П. Худокормовой, Я- М. Обуховского и 3, А. Вол-
ковой показано, что для хорошо спекающихся углей и шихт выход
газообразных продуктов на «холодную» сторону составляет около
2—3% общего объема газообразных продуктов коксования, а выход
смолы — 7—8% общего выхода смолы. Некоторые зарубежные ис-
следователи считают, что общий выход газо- и парообразных продук-
тов на «холодную сторону» составляет 20—23%. И в том, и в другом
случае продуктов, направляющихся на «горячую сторону», значитель-
но больше. Соотношение продуктов, направляющихся на «холодную»
123
и «горячую» стороны, зависит от газопроницаемости пластической
массы, на которую в свою очередь влияет количественное соотноше-
ние жидкой части и твердых зерен, а также вязкость жидкой фазы
пластической массы.
Направляющиеся на «горячую сторону» паро- и газообразные про-
дукты подвергаются пиролизу. В результате его изменяются как свой-
ства этих продуктов, так и свойства кокса, на поверхности которого
происходит этот пиролиз.
§ 6. УСАДКА В ПРОЦЕССЕ КОКСОВАНИЯ
Рис. 30. Общий вид кривой вертикальной
усадки угольной засыпи при коксовании.
ют сквозь специальное отверстие в
Усадка угольной засыпи, происходящая в коксовой камере в
процессе слоевого коксования, значительно отличается от усадки
полукокса-кокса. Различают вертикальную и поперечную 'усадку.
Вертикальная усадка увеличивает высоту подсводового пространст'
ва и тем самым существенно влияет на выход и качество химиче-
ских продуктов коксования.
Поперечная усадка определяет
сокращение ширины коксового
пирога и обеспечивает легкость
выдачи его из камер коксования.
Методика определения вер-
тикальной усадки угольной за-
сыпи, предложенная Л. И. Ер-
киным и В. И. Петровым,
заключается в следующем. На све-
жезагруженную в печь шихту ста-
вят диске вертикально прикреп-
ленным штоком. Штокпропуска-
крышке загрузочного люка и че-
рез определенные интервалы времени замеряют, на какую величину
он опустился в камеру. Измеренная усадка изменяется по характер-
ной кривой (рис. 30). На рисунке четко видны три периода усадки:
быстрое снижение уровня свежезагруженной шихты (I), практи-
ческое отсутствие усадки (II) и вновь интенсивная усадка (III).
Первый период связан с уплотнением угольной шихты под дейст-
вием сотрясений всего блока печей от перемещений загрузочного
вагона и других машин, а также гравитационных сил тяготения.
Уплотнению способствует конденсация влаги и паров смолы на поверх-
ности зерен (искусственное обмасливание их) и движение газов в за-
грузке. Этот период длится примерно 2 ч после загрузки. Его назы-
вают периодом усадки упаковки. Величина усадки упаковки зави-
сит от диаметра диска: чем меньше диаметр, тем она больше. Так,
по данным П. И. Купермана, при диаметрах диска 100, 250 и 350 мм
усадка для одной из шихт в первые 2 ч периода коксования состави-
ла, соответственно, 225, 175 и 124 мм. Это доказывает, что верхний
уровень шихты изменяется неодинаково и со временем образуется
коническое сечение с вершиной в осевой плоскости загрузки.
124
При одинаковом диаметре диска усадка упаковки зависит от на-
чальной плотности угольной загрузки в камере коксования. Это зна-
чит, что на нее влияют влажность, количественное соотношение час-
тичек различной крупности, добавки, механическое уплотнение и др.
Чем выше начальная плотность, тем меньше усадка упаковки. Из-
меняется она от 0 (трамбованные шихты) до 300 мм (тонкоизмельчен-
ные шихты). Зависимость усадки упаковки от крупности шихты в
пределах 70—90% содержания клас-
са менее 3 мм для обычной влажнос-
ти шихт заводов Юга СССР иллюст-
рируется кривой, показанной на
рис. 31.
Начальная плотность засыпи в
камере коксования сильно различае-
тся в отдельных местах камеры. Так,
по данным И. Г. Зубилина (рис. 32),
в камере обнаруживается до десятка
областей с различной плотностью в
пределах от 1,0 до 0,65 т/м2. В ре-
зультате усадки упаковки происхо-
дит нивелирование плотностей, что
улучшает однородность кокса, выда-
ваемого из одной камеры коксования.
Второй период усадки обусловлен
тем, что диск „ удерживается сплош-
ным слоем затвердевшей пластической
массы и закрепленными на нем кус-
ками кокса. Этот период длится до
слияния пластических слоев в осевой
плоскости и образования там струк-
туры полукокса. После этого сдер-
Рис. 31. Зависимость усадки упа-
ковки от крупности шихты.
живавший слой сам начинает претерпевать усадку, что отмечается
в третьем периоде.
Движущие силы усадки третьего периода — усадки полукокса-
кокса — были уже рассмотрены выше. Усадка кокса происходит со
всех сторон, и движущие силы вертикальной усадки в третьем пери-
оде и поперечной усадки коксового пирога едины. Таким образом,
измерения вертикальной усадки и анализ данных по периодам поз-
воляют ответить на вопрос о степени усадочности полукокса из дан-
ной шихты и обеспечении нормального процесса выдачи кокса из ка-
мер. На усадку последнего периода влияет выход летучих веществ
шихты (в частности, долевое содержание газовых углей), период кок-
сования, плотность загрузки и конечная температура в осевой плос-
кости коксового пирога. Измеренная величина усадки третьего пери-
ода зависит от равномерности температуры обогревающих стен и тре-
щиноватости кокса, поскольку вертикальная усадкаскладывается из
собственно усадки кокса и промежутков между отдельностями. Уве-
личение количества трещин, составляющих эти промежутки, снижает
общее значение фиксируемой усадки.
125
Увеличение количества газовых углей в шихте с 26 до 35% уве-
личивает усадку третьего периода на 20—30 мм.
Усадка кокса связана с процессами, протекающими относитель-
но медленно. Чем больше времени отводится на них, тем полнее они
проходят и тем больше усадка. Так, удлинение периода коксования
с 14 до 16 ч увеличивает усадку кокса на 25—30 мм.
С увеличением количества крупных угольных зерен в шихте и
с повышением ее насыпной массы затрудняется выход парогазовой
фазы за пределы зерен и пластического слоя в целом. Повышается
К.С. " " М£.
Рис. 32. Распределение плотности шихты по сечению печной камеры (к.с.—
коксовая сторона; м.с.—• машинная сторона):
а — 1,0 — 0,95 кг/мг; б — 0,95 — 0,9; в — 0,9 — 0,85; г — 0,85 — 0,8; д — 0,8 — 0,75;
е — 0,75— 0,7; ж — 0,7 — 0,65.
остаточный выход летучих веществ, что дает в последующем увели-
ченную усадку полукокса. Снижение крупности шихты с 90 до 70%
по содержанию класса менее 3 мм дает прирост усадки в 20 мм на
каждые 10%.
Общая усадка при обычном способе загрузки печей засыпью из-
меняется в пределах 200—500 мм.
Влияние поперечной усадки на условия выдачи коксового пирога
из печи изучали Л. М. Сапожников, Л. И. Еркин и Л. И. Горбунова,
Я- М. Обуховский, Н. С. Грязнов, Е. М. Тайц и др.
До слияния пластических слоев кокс давлением распирания при-
жимается к стенкам камер. После слияния кокс отходит от стенок,
поэтому величина образуемого зазора связана с усадкой в этот период.
Возникающая иногда трудность выдачи пирога из печи может про-
исходить не только от малой величины усадки, но и по другим при-
чинам, например из-за слабой монолитности коксового пирога в це-
лом. При коксовании плохо спекающихся шихт, неравномерности обо-
грева или нерегулируемого перегрева отдельных участков или всего
коксового пирога, образуется кокс, состоящий из мелких кусков со
свойствами сыпучего материала. При выдаче такого пирога давление
штанги коксовыталкивателя передается не всему массиву кокса, а
от одного ряда кусков к другому. Ближайшие к головке штанги кок-
123
с овыталкивателя отдельности принимают на себя большое давление,
сминаются и втрамбовываются в зазоры между коксом и стенами,
затрудняя выдачу кокса или делая ее вообще невозможной.
Причины тугого хода коксового пирога могут крыться и в появ-
лении внешних механических сопротивлений, например деформации
стен и пода камер, графитообразования на стенах камер, недококсо-
вывания отдельных участков коксового пирога, перегруза и остатка
шихты в загрузочных люках и т. п. В каждом отдельном случае сле-
дует проанализировать и вскрыть истинные причины тугого хода пе-
чи, чтобы не допускать массового бурения и разрушения кладки пе-
чей.
§ 7. ЖИДКИЕ И ГАЗООБРАЗНЫЕ ПРОДУКТЫ КОКСОВАНИЯ
Образующиеся в процессе термической деструкции углей газо-
и парообразные продукты претерпевают различные превращения, ко-
торые связаны как с процессом спекания, так и с пиролизом при
эвакуации их. На процесс пиролиза влияет технологический и теп-
лотехнический режим коксования. При коксовании можно создать
такой режим, когда выход газа будет повышаться в результате пиро-
лиза смолы, а качество смолы и сырого бензола ухудшаться.
Но можно создать режим, который обеспечит повышенный выход смолы,
сырого бензола и аммиака и лучшее их качество по содержанию в
них наиболее ценных компонентов. В первую очередь выбираемый
режим коксования должен обеспечить требуемое качество кокса, одна-
ко следует помнить, что даже при одинаковом теплотехническом
режиме обогрева отдельные моменты технологии могут существенно
изменить показатели качества жидких и газообразных продуктов кок-
сования.
Как указывалось выше, основной поток образующихся газо- и
парообразных продуктов направляется на горячую сторону. Прохо-
дя вдоль коксовых отдельностей и поднимаясь у стен вверх, продук-
ты проходят среднее расстояние около 2 м. Далее они объединяются
в подсводовом пространстве, где средний путь их до выхода из печи
составляет около 6 м (при одностороннем отводе газа). Сопоставл яя
длину путей, некоторые исследователи приходят' к выводу, что опре-
деляющим моментом термического преобразования выделяемых про-
дуктов является воздействие на них в подсводовом пространстве.
Температура в подсводовом пространстве печей изменяется со
временем коксования и зависит от величины загр )зки, вьсоты под -
сводового пространства и других факторов. Изменение температуры
подсводового пространства во времени при различии в загрузке на
700 кг, по данным А. Я- Коляндра, представлено в табл. 39.
Как видно из таблицы, снижение загрузки увеличивает темпе-
ратуру на 20—65 град. Температура подсводового пространства из-
меняется под действием теплоты, с которой газы приходят в подсво-
довое пространство, и количества этих газов.
Количество и состав летучих продуктов коксования существен-
но изменяется во времени (рис. 33). Изменяется и состав коксового
127
Таблица 39. Зависимость температуры подсводового пространства от времени с
начала коксования и величины загрузки печи при периоде коксования 14 ч 30 мин.
Загрузка печи, m Температура, град, в часы коксования
2 4 6 8 1 10 12 14
16,85 680 700 705 720 735 750 780
16,15 700 725 745 763 790 810 845
газа (табл. 40). Постепенно повышается содержание водорода в га-
зе, что снижает его плотность. Одновременно уменьшается количество
диоксида углерода, тяжелых углеводородов и метана.
Оптимальной температурой подсводового пространства,
торой выход летучих продуктов коксования максимален, а
тучих продуктов коксования:
/ — чистый бензол; 2 — сырой бензол;
3 — нафталин; 4 — смола; 5 — газ.
при ко-
качество
принято
отвечает всем требованиям,
считать температуру не выше 730—
750° С после пятого часа периода коксо-
вания.
В то же время температура стен ка-
мер коксования, вдоль которых подни-
маются газы, значительно выше указан-
ного уровня и фактических темпера-
тур подсводового пространства. Поэто-
му многие исследователи считают
более существенным для пиролиза эваку-
ируемых продуктов температурный
режим коксования, а не температуру
подсводового пространства. Точно
определить влияние только темпера-
туры стен камер коксования не удает-
ся, так как одновременно повышается
и температура подсводового простран-
ства.
Суммарное влияние температур стен камеры и подсводового про-
странства, а также периода коксования на состав газа, по данным
В. Гребнера, показано в табл. 41. С повышением температур под-
сводового пространства и стен камер коксования снижается содер-
Таблица 40. Изменения состава коксового газа (по данным Б. И. Кустова)
Время от нача- ла коксования, ч Состав газа, %
со, о2 СО н2 СН4 N.
3 4,1 4,4 0,9 4,4 53,0 29,2 4,0
6 2,8 3,1 0,9 6,0 57,0 26,6 3,6
9 2,4 2,8 0,7 6,1 59,4 25,6 3,0
12 1,8 1,9 0,8 6,4 63,6 22,5 3,0
15 0,6 0,6 0,4 5,2 73,8 14,0 3,4
’.28
Таблица 41. Влияние условий коксования на состав и выход коксового газа
Характеристика Серия опытов
I 11 in
Температура °C в вертикалах 1252 1306 1409
стен камеры 1060 1128 1197
подсводового пространства (на 9-ом часу коксования) 603 736 772
Период коксования, ч Состав газа, об. % 17,7 16,9 14,8
С0.2 1,8 2,2 1,3
Gm Ня 1,7 1,2 1,1
о2 0,7 0,6 0,8
со 5,2 6,3 7,5
н2 62,9 64,1 64,6
сн4 21,6 20,3 18,3
N2 6,1 5,3 6,4
Высшая теплота сгорания, ккал/м3 4955 4835 4550
Выход газа, м3)т 292,7 311,5 329,3
жание в газе тяжелых углеводородов и метана, и увеличивается
количество водорода. Выход газа с тонны коксуемой шихты возрас-
тает, а высшая теплота сгорания снижается.
На выход и качество химических продуктов, поступающих из
коксовых печей, влияет время пребывания их в подсводовом про-
странстве и влажность коксуемой шихты, поскольку пары воды спо-
собствуют охлаждению стен камеры и подсводового пространства и
тем самым уменьшают пиролиз смолы. По-видимому, на практике
следует учитывать конкретные условия: конструкцию печей, период
коксования и температурный режим, высоту загрузки и усадочность
шихт, а также другие факторы, которые и будут определять в конеч-
ном итоге значение того или иного этапа эвакуации газов на их тер-
мическое разложение.
Раздел III. ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ
СЛОЕВОГО КОКСОВАНИЯ
ГЛАВА I. СОВРЕМЕННАЯ ТЕХНИКА СЛОЕВОГО КОКСОВАНИЯ
§ 1. СОВРЕМЕННАЯ СХЕМА ПРОИЗВОДСТВА КОКСА
Кокс в основном получают слоевым методом (его называют так-
же «классическим» методом коксования), i Основной агрегат слое-
вого процесса коксования — горизонтальная коксовая печь — пред-
ставляет собой узкую, длинную и высокую камеру, находящуюся
между обогревательными простенками и отделенную от них тонкой
(100—120 мм) стенкой из огнеупорного кирпича. Для удобства экс-
5 5-1611 129
плуатациии повышения производительности труда камеры сводятсяв
батареи, состоящие из п камер ип + 1 простенков. Число камер в батарее ’
выбирается, исходя из конкретных условий производства; на современ-
ных предприятиях оно колеблется от 50 до 120. Размеры камер современ-
ных печей: ширина 0,40—0,45м-,длина 13—17.и; высота 4—6.и. Вверх- '
' нем перекрытии камеры имеют загрузочные отверстия (обычно три) >
и отверстия для отвода летучих продуктов коксования, которые через
газоотвод (стояк и примыкающую к нему газоотводную арматуру) по- :
падают в газосборник, откуда эвакуируются в цехи улавливания. ;
С торцов камера плотно закрывается специальными дверьми, которые !\
снимаются только по окончании коксования для выталкивания гото-
вого кокса с помощью штанги коксовыталкивателя. Чтобы облегчить
выталкивание, камера печи делается шире с «коксовой стороны»
(сторона, куда выталкивается кокс) по сравнению с «машинной сто-
роной» (сторона, откуда выталкивается кокс) на 40—50 мм. Обогрева-
тельный простенок, находящийся между двумя камерами, состоит из
большого числа (28—32) вертикальных отопительных каналов (вер-
тикалов), разделенных между собой глухими перегородками (иног-
да для повышения равномерности обогрева камеры по высоте в раз- (
делительных перегородках делают отверстия и даже каналы). Сверху
каждый вертикал имеет канал, проходящий через верхнее строение 1
печи и закрывающийся чугунной крышкой (лючек). Он служит для
наблюдения за горением газа в вертикале, замера температур, давле- ;
ния в отопительной системе печей, замены регулирующих устройств I
и т. п.
У каждой печи есть индивидуальный регенератор (или два), рас-
положенный под камерой, на одной оси с ней.
Разделение отопительного простенка на большое число верти-
калов необходимо для равномерного обогрева угольной загрузки,
что в свою очередь является условием получения кокса хорошего
качества и снижения удельного расхода тепла на коксование. Чтобы
обеспечить надлежащее распределение температур по длине и высо-
те камеры, каждый из вертикалов простенка снабжен устройствами
для регулирования количеств поступающих в него газа и воздуха. |
Это — калиброванные горелки с конфузорными или диффузорными
отверстиями для регулирования количества коксового газа, посту-
пающего в каждый вертикал при боковом подводе коксового газа
(когда коксовый газ поступает в простенок через горизонтальный
канал «корнюр» в огнеупорной кладке печи вдоль простенка), или
регулировочные шайбы для дозировки поступающего в вертикал га-
за при нижнем подводе коксового газа (когда коксовый газ поступает
в каждый вертикал по вертикальному корнюру, а к простенку под-
водится металлической распределительной трубой, расположенной в
помещении под регенераторами коксовых печей). Для регулирования
количеств поступающего газа служат также регистры и рассекатели — ’
различной формы огнеупорные кирпичи, устанавливаемые на пути дви-
жения низкокалорийного газа и воздуха для изменения их количества |
или направления движения в целях регулирования горения в каждом
вертикале простенка. Рассекатели устанавливаются на поду вертика-
130
ла в устье «косого хода» — канала, ведущего из регенератора в вер-
тикал. Регистры в печах различных конструкций располагаются в
устье вертикала, на поду вертикала или на выходе из подового ка-
нала, распределяющего воздух или бедный газ по длине регенера-
тора.
Сама конструкция печи предусматривает некоторые различия в
элементах печи по длине простенка, облегчающие создание необ-
ходимых условий обогрева в тех или иных местах обогревательной
системы (калибровка отверстий, по которым воздух или доменный
газ поступают в регенератор, изменение сечений косых ходов в край-
них вертикалах простенка, в так называемых «головочных» верти-
калах и т. п. ). Все это дает возможность добиться нужного распреде-
ления температур вдоль простенка. Кроме обеспечения нужного
распределения температур в простенке, необходимо обеспечить
одинаковые температурные условия во всех простенках батареи
(кроме крайних).
Газ (как коксовый, так и доменный) подается в каждый просте-
нок через распределительный газопровод, снабженный устройствами
для регулирования и отключения подачи газа в каждый простенок
(газоподводящая арматура). Воздух всасывается в обогревательные
простенки через газовоздушные клапаны, также имеющие устройства
для регулирования его поступления. Регенераторы обусловливают пе-
риодическое изменение направления движения газов в обогреватель-
ной системе на противоположное. Это изменение направления («кан-
товка») обеспечивается специальным устройством (кантовочное
устройство). Регенераторы, работавшие на нагреве воздуха (бедного
газа)/ и вертикалы, в которых сгорали газы («восходящий поток»),
переключаются, соответственно, на нагрев насадки и прием продуктов
горения («нисходящий поток»). Газовоздушные клапаны, через кото-
рые в регенераторы поступал воздух, переключаются на прием про-
дуктов горения из регенератора и передачу их в боров и далее в ды-
мовую трубу. При обогреве доменным газом та часть газовоздушных
клапанов, через которую в регенераторы поступал газ, переходит на
прием продуктов горения, а остальные клапаны переключаются на
подачу доменного газа в регенераторы. Таким образом, вся отопитель-
ная система половину времени работает на восходящем потоке, а
половину — на нисходящем.
Кантовка производится обычно через 20 или 15 мин («полупе-
риод»), иногда ее делают через 30 мин.
Изложенная схема обогрева печей обеспечивает окончание про-
цесса коксования в каждой камере через одинаковое время после
ее загрузки.
Коксовые печи чаще всего обогревают коксовым и доменным
газом, что вызвано тесными связями доменного и коксохимического
производства. В табл. 42 приводится примерная характеристика этих
газов.
Для отопления коксовых печей иногда применяют также гене-
раторный газ (Q„ = 1200—1400 ккал/м3), обезводороженный, или
богатый, газ (получается после выделения из коксового газа водорода
5*
131
на заводах синтеза аммиака, имеет QH = 5700—6100 ккал/м2). Неко-
торые коксовые печи работают на смеси доменного (97,5%) и природ-
ного (2,5%) газов (<Qh такой смеси составляет около 1100 ккал/м3).
Часто коксовый газ подмешивают к доменному для повышения тепло-
творности, для снижения количества продуктов горения и создания
таким путем резерва тепловой мощности печей.
Таблица 42. Характеристика отопительных газов
Параметр Коксовый газ Доменный газ
Теплота сгорания (<рн), ккал/м3 4300 950
Плотность, кг/м3 Состав газа, об.% 0,45 1,27
н2 58,8 5,4
о2 0,8 0,4
сн. 26,1 0,2
N2 2,2 55,1
со 6,0 26,6
со2 1,9 12,3
тяжелые углеводороды Объем воздуха для сжигания 1 л*3 газа при коэффи- 2,2 —
циенте избытка воздуха 1,25, -и3 5,4 1,0
Объем продуктов горения на 1 м3 газа, м3 6,3 1,9
Плотность продуктов горения, г/м3 1,2 1,4
В результате термической обработки угля в коксовых печах по-
лучается твердый остаток процесса — кокс и летучие продукты кок-
сования, т. е. та часть коксуемого угля, которая удаляется из камеры
коксования в виде газов и паров. Пройдя газоотводящую арматуру
и газосборник, эти пары и газы транспортируются в цехи улавли-
вания коксохимического производства.
§ 2. МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС ПРОЦЕССА КОКСОВАНИЯ
Конечные результаты процесса коксования отражаются в мате-
риальном балансе. Различают материальный баланс: 1) сырья и про-
дуктов коксования по компонентам; 2) сырья и продуктов коксования
по химическим элементам; 3) веществ, участвующих в процессе горе-
ния в отопительной системе.
Распространен преимущественно первый тип материального ба-
ланса.
Материальный баланс продуктов коксования состоит из приход-
ной и расходной частей. Расчет ведется на 100 или 1000 кг влажной
(рабочей) шихты. В приходную часть входит сухая шихта и влага
шихты. Подсос воздуха или продуктов горения в камеру коксования
в условиях современного режима коксования практически невозмо-
жен. Основная причина попадания воздуха в коксовый газ — подсос
132
из-за малой герметичности газопроводов, работающих под разреже-
нием. Количество подсосанного воздуха при составлении материаль-
ного баланса действующего коксохимического предприятия можно
определить по избытку азота в обратном газе (в материальном балансе
проектируемого предприятия подсос воздуха не учитывается).
Расходная часть состоит из валового кокса, обратного сухого га-
за, безводной смолы, аммиака, бензольных углеводородов, общей вла-
ги (сумма влаги шихты и пирогенетической воды) и суммарных по-
терь при составлении материального баланса на действующем пред-
приятии, неточностей расчета при составлении материального
баланса проектируемого предприятия^ (невязка баланса).
При составлении баланса должен быть известен технический и
элементарный анализ шихты.
Выход сухой шихты находят по формуле
Шс = Ю0 — П/Р, %, (56)
где IFP — влажность шихты, %.
Выход валового сухого кокса из сухой шихты подсчитывают по
формуле
Ю0-1Л
*' = ЪГ=ТГ '100 + не-
выход сухого коксового газа (в % от рабочей шихты) можно под-
считать по эмпирической формуле Я. О. Габинского
г = (37)
где К — коэффициент пропорциональности, равный 3—3,3;
— выход летучих веществ шихты на горючую массу.
Выход безводной смолы, в % от сухой шихты, определяют по эм-
пирической формуле
С = (- 18,36 + 1,537^ - 0,02б/ш2) Kt. (58)
Для пересчета на рабочую шихту величину С надо умножить на
100__wp
—100—. Здесь Ki — коэффициент, зависящий от условий процес-
са. Он находится в пределах 0,81—0,86.
Выход бензольных углеводородов определяют по формуле
Б = (— 1,61 + 0,144— 0,0016/ш2) Кб, (59)'
где Кб — эмпирический коэффициент , зависящий от условия про-
цесса и находящийся в пределах 0,88—0,97. Выход бензольных угле-
водородов получается в процентах на сухую шихту; пересчет на ра-
бочую шихту такой же, как для безводной смолы .
Выход аммиака (в % на рабочую шихту) находят по формуле
17
Ам=йуРш.—, (60)
133
где Л^ш—содержание азота в рабочей шихте, %; 17 и 14 — молеку-
лярные массы аммиака и азота; b — коэффициент перехода азота ших-
ты в аммиак (лежит в пределах 0,12—0,14).
Таблица 43. Таблица материального баланса
Приход Расход
Наименование Количество Ко Наименование Количество
п/п кг % п/п кг %
1. 2. Сухая шихта Влага шихты 912 88 91,2 8,8 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. Кокс валовый Газ сухой Смола Аммиак Бензольные углеводороды Влага шихты Пирогенетиче- ская вода Невязка 705 136,2 33,8 2,9 9,1 88 21,8 3,2 70,5 13,62 3,38 0,29 0,91 8,8 2,18 0,32
Итого: 1000 100 Итого: 1000 100
Выход общей влаги подсчитывают как сумму влаги шихты и пи-
рогенетической влаги. Выход пирогенетической влаги из рабочей
шихты подсчитывают по формуле
18
Вп = КвОрш-—, (61)
где Ош — содержание кислорода в рабочей шихте; 18, 16 — молеку-
лярные массы воды и кислорода; /Со — коэффициент перехода кисло-
рода шихты в пирогенетическую влагу. В зависимости от условий
процесса /Со бывает 0,334—0,505. Обычно принимают Ко = 0,437.
Пример материального баланса, составленного на 1000 кг рабочей
шихты, представлен в табл. 43. Приняты следующие данные для рас-
чета:
Технический анализ шихты, %:
Wp = 8,8; ' Ас = 7,5; Vе = 24,8; 5общ=2,15.
Элементарный анализ горючей массы шихты, %:
Сг =87,51; /Л =5,22; ОГ = 5,4; Nr*= 1,87.
§ 3. ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ К ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ
КОКСОВОЙ ПЕЧИ
Слоевой процесс коксования является в настоящее время и, по-
видимому, останется в ближайшие годы основным способом полу-
чения металлургического кокса. Поэтому остановимся на требова-
134
ниях, предъявляемых к современной технике и технологии слоевого
коксования, и возможных путях совершенствования их в ближайшем
будущем.
В нормальных условиях ведения технологического процесса к
коксовой печи предъявляются два основных взаимосвязанных тре-
бования: необходимая заданная производительность и равномерность
обогрева.
— Производительность коксовой печи определяется размерами ка-
меры и скоростью коксования, которая, в свою очередь, зависит от
температур в обогревательных каналах. Производительность кок-
совой печи возрастает с увеличением длины и высоты камеры и сни-
жается, если увеличивается только ширина камеры при прочих рав-
ных условиях. С повышением температур в обогревательных каналах
снижается период коксования (оборот печи) и растет производитель-
ность. Стремление к увеличению суточной производительности кок-
совой камеры естественно, как и для любого промышленного агре-
гата .
Из-за низкой теплопроводности угольной загрузки для повыше-
ния производительности коксовой печи камеру необходимо было су-
жать. Однако при ширине менее 350—400 мм камеру уже трудно об-
служивать, например делать холодные ремонты. В связи с этим
были увеличены длина и высота камеры при некотором уменьшении
ширины и общем увеличении объема.
Повышение механических свойств огнеупорного припаса, применение при кладке
камер сложных фасонов, обеспечивающих прочность и плотность кладки печи, совер-
шенствование армирования печей и другие прогрессивные мероприятия позволили
к середине 20-х годов XX ст. перейти почти повсеместно на строительство печей с ка-
мерами длиной 12—’13 м, высотой 3,6—4,5 м и шириной 350—500 мм с полезным объ-
емом камеры около 20 м3. Строительство печей большей высоты, а, следовательно,
большего объема, не получило в то время распространения.
Производительность таких печей зависела от скорости коксования, определяв-
шей период коксования или, точнее, оборот печи. Периодом коксования называют вре-
мя, прошедшее от загрузки камеры до готовности кокса, а оборотом печи — полный
цикл ее работы: время от загрузки камеры до следующей загрузки.
Разница между этими двумя величинами обычно невелика. При расчетах произ-
водительности коксовых установок во всех формулах используется величина оборо-
та печи.
Скорость коксования устанавливается в зависимости от техноло-
гических свойств углей, входящих в шихту для коксования, с учетом
возможности получения кокса оптимальных физико-механических
свойств. .
Современные коксовые печи при максимально допустимых рабо-
чих температурах в обогревательных каналах 1450° С могут достиг-
нуть периода коксования 12 ч и даже мейьше. ,
В промышленной практике СССР и некоторых зарубежных стран
были случаи продолжительной работы коксовых печей с периодом
коксования меньше 12 ч. Однако обычно период коксования не умень-
шается ниже 13,5 ч, что, главным образом, связано с распространен-
ным мнением об ухудшении качества кокса как доменного сырья при
увеличении скорости коксования.
135
1
Основные параметры, от которых зависит производительность
коксовой печи, связаны с ней следующими соотношениями-.
. V? 24
A = ~t
(62)
где А — производительность одной камеры за сутки в тоннах сухой
шихты; V — полезный объем камеры, м3-, у — фактическая удельная
насыпная масса сухой шихты, т!м3\ t — время оборота печей, ч.
Для получения суточной производительности камеры в тоннах
сухого валового кокса эту цифру умножают на выход кокса от ших-
ты (сухого от сухой). Производительность батареи печей или предпри-
ятия в целом получают, умножая А на число камер.
Изменение продолжительности коксования в зависимости от ши-
рины камеры определяется по формуле, предложенной А. И. Воло-
шиным \
где z2 и zL — величины продолжительности коксования, соответст- г
вующие величинам ширины камер Ь2 и blt при прочих равных уело- j
ВИЯХ. J
— Из этой формулы видно, что при одинаковых температурах в обо- |
гревательных каналах производительность коксовой печи по мере уве-
личения ширины камеры снижается.
Можно использовать и формулу Б. И. Кустова
где 10 — среднединамическая температура в контрольных обогре- I
вательных каналах, т. е. средняя температура за период между кан- |
товками, °C; tn — конечная температура коксования (средняя тем- I
пература в центральной плоскости коксового пирога), °C. — |
Таким образом, эта формула также связывает период коксования j
и ширину коксовой камеры с температурным режимом коксования. ’
Большинство формул, связывающих период коксования с други- I
ми показателями процесса (шириной камеры, толщиной стены каме- ?
ры, температурными показателями и т. п.) являются приближенными. !
Один из наиболее старых методов расчета — формула В. Литтер- (
шайдта — имеет следующий вид: I
где b — половина ширины камеры, м\ а — температуропроводность
угольной загрузки, м3!ч\ f (^) — множитель, зависящий от отноше-
1 Исследованиями Б. И. Кустова и И. Б. Пейсахзона в различных промышленных
условиях установлено что в этой формуле показатель степени для камер различной
ширины изменяется в пределах 1,4—1,65.
136
ния конечной температуры кокса к температуре в обогревательных
каналах. Литтершайдт принимает его равным
Недостаток формулы Литтершайдта в том, что в ней не учитывает-
ся влияние толщины стен камеры.
Б. И. Кустов и Э. М. Израэлит предложили следующую формулу
для расчета периода коксования с учетом толщины стены камеры:
где 2 — продолжительность коксования, ч; а — условная темпера-
туропроводность коксуемой загрузки и кирпича, м2/ч; S — сумма
половины ширины камеры и толщины ее стенки, м.
Значения а и f (‘-gi) находят по диаграммам1, составленным на ос-
новании материалов обследования новых конструкций коксовых пе-
чей. В литературе можно найти и другие аналитические выражения,
которые связывают параметры, влияющие на производительность
коксовых печей.
Увеличение производительности коксовых печей как средства улуч-
шения экономических показателей производства и увеличения произ-
водительности труда является актуальной задачей. Решение ее свя-
зано с совершенствованием строительных элементов коксовой печи,
в том числе увеличением объема камер, а также с обеспечением равно-
мерности обогр'ева стен камер и улучшением других теплотехниче-
ских показателей. ,
§ 4. РАВНОМЕРНОСТЬ ОБОГРЕВА ПО ДЛИНЕ И ВЫСОТЕ
КАМЕР КОКСОВАНИЯ S-
/
Равномерность обогрева коксовых печей — одно из главных тре-
бований слоевого процесса коксования. Особенности техники этого
процесса следующие: группировка в батареи, дифференцированный
подвод отопления в отдельные участки печи, реверсия потоков газов,
проходящих отопительную систему, нормирование подачи отопитель-
ного газа и требуемого для его горения воздуха не только для каждо-
го отопительного простенка, но и для каждого обогревательного ка-
нала (вертикала). Все это сделало коксовую печь очень сложным теп-
лотехническим агрегатом.
Зависимость свойств получаемого кокса от скорости прогрева кок-
суемого материала и от конечных температур процесса, т. е. от режи-
ма нагрева угольной загрузки, диктует необходимость равномерного
(идентичного) обогрева угольной загрузки коксовой камеры во всех
точках соприкосновения ее с греющей поверхностью стены коксовой
камеры. Следует учитывать, что подвод тепла должен соответствовать
теплосъему, который существенно отличается по высоте и длине
камеры коксования. Так, увеличение ширины камеры с машинной
1 Кустов Б. И., Израэлит Э. М.— «Сталь», 1950, 8, 865.
137
стороны на коксовую требует интенсификации подвода тепла к загрузке
по мере приближения к коксовой стороне печи. Плотность угольной
загрузки внутри камеры неравномерна, а в местах повышенной плот-
ности подвод тепла должен быть больше.
Обогрев печей называют равномерным, если распределение тем-
ператур в вертикалах обеспечивает (с учетом названных выше факто-
ров) одновременное достижение всеми точками загрузки в осевой плос-
кости коксового пирога одинаковых температур.
Наиболее равномерный обогрев стен камеры коксовой печи по
ее длине и высоте — главное условие совершенствования техноло-
гии коксования, особенно в связи с увеличением длины и высоты
коксовой камеры, что повышает производительность коксовых печей.
Следует учесть, что повышение равномерности обогрева стен кок-
совой камеры положительно сказывается также на теплотехнических
показателях процесса, в частности, за счет уменьшения местных пе-
регревов кокса снижается удельный расход тепла на коксование.
Равномерность обогрева стен камеры обеспечивается схемой обо-
грева, т. е. конструкцией отдельных элементов печи и схемой канали-
зации проходящих отопительную систему газов (отопительный газ,
воздух, продукты горения), и возможностью регулирования коли-
чества газа и воздуха, поступающих в каждый элемент обогрева,
начиная с газовоздушного клапана на входе и до выхода продуктов
горения в боров. Регулировочные средства в каждом элементе обо-
грева позволяют в процессе наладки теплового режима и при эксплу-
атации печей изменять количество газов, проходящих эти элементы,
чтобы достичь оптимального распределения температур по высоте и
длине камеры.
О распределении температур по длине коксовой камеры обычно
судят по температуре подов отопительных каналов. Замеряя темпе-
ратуру на подах обогревательных каналов, можно относительно точ-
но оценить характер распределения температур по длине камеры кок-
сования. Простота и надежность таких замеров позволила отказаться
от других методов оценки равномерности обогрева стен коксовой ка-
меры по длине.Температуру замеряют оптическим пирометром в наи-
более нагретом месте пода для всех обогревальных каналов на нисхо-
дящем потоке обогревающих газов. Место замера выбирают с учетом
расположения выходных отверстий косых ходов и горелки коксового
газа. Температуру замеряет в определенной последовательности,
начиная с машинной или коксовой стороны для каждой группы про-
стенков через определенный промежуток времени после кантовки. Эти
условия определены специальной инструкцией и дают возможность
сравнивать результаты замеров температур как в разных простенках
между собой, так и в одном и том же обогревательном простенке в
различные периоды времени за счет смягчения влияния на результаты
замера фактора изменения температуры пода отопительного кана-
ла во время работы канала на нисходящем потоке.
Характер распределения температур вдоль простенка зависит от
особенностей схемы обогрева печи (канализации движения газов в
отопительной системе, конструкции подового канала и выбора се-
138
чений отверстий колосниковой решетки, пропускающих бедный газ
и воздух в регенератор, конструкции самого регенератора, выбора
схемы подвода коксового газа к обогревательным каналам и пр.) и
от того, как полно используются регулировочные средства, заложен-
ные в конструкцию обогревательного простенка. К ним относятся:
регулировочные кирпичи-регистры («бананы», «шиберы») для измене-
ния сечения проходов воздуха, бедного газа или продуктов горения
в выходных отверстиях косых ходов, рециркуляционных окнах и в
верхней части обогревательного канала; горелки ^ли шайбы различно-
го сечения для регулирования подачи коксового газа в отдельные
обогревательные каналы отопительного простенка и пр.
Таким образом, в каждой конструкции печей есть не изменяе-
мые (постоянные) в процессе эксплуатации элементы регулирования
распределения температур в обогревательных каналах \ а также соз-
нательно изменяемые в процессе регулирования обогрева элементы
(переменные). Степень равномерности обогрева вдоль отопительного
простенка оценивают на основании кривых распределения темпера-
тур по его обогревательным каналам как для отдельных простенков,
так и среднее для их групп (пятерки, десятки простенков, средние кри-
вые распределения температур по простенкам целой батареи). Пра-
вильность выбора кривой распределения температур по длине про-
стенка должна быть подтверждена равномерностью нагрева коксового
пирога, определяемой или визуально, или замером через загрузочные
люки конечных температур коксования в центральной плоскости кок-
сового пирога. Разность конечных температур коксования, замеряе-
мых в центральной плоскости коксового пирога по его длине, на
уровне, равном половине высоты камеры, не должна превышать 20—
30 град.
Большинство конструкций коксовых печей от первых горизонтальных камер с
улавливанием летучих продуктов коксования до современных коксовых печей боль-
шой емкости удовлетворяло требованиям, предъявляемым к распределению темпера-
тур по длине коксовой камеры. Эти требования со временем становились более же-
сткими, кроме того, длина коксовой камеры со времен первых печей с улавливанием
увеличилась более, чем а полтора раза. Удовлетворительное распределение темпера-
тур обеспечено совершенствованием схем и средств регулирования их по длине кок-
совой камеры.
На рис. 34 приведена кривая распределения температур на по-
дах обогревательных каналов для отопительного простенка современной
коксовой печи большой емкости. Температуры постепенно и равно-
мерно повышаются от второго и третьего обогревательных каналов
(вертикалов) с машинной стороны печи к второму и третьему верти-
калу с коксовой стороны печи. Температура крайних («головочных»)
вертикалов простенка и с коксовдй и с машинной стороны значительно
ниже соседних вертикалов из-за особенностей условий их работы
(прежде всего теплообмена с окружающей средой).
Если обеспечить оптимальное распределение температур по длине
коксовой камеры было сравнительно легко в процессе увеличения
1 Изменение этих элементов может произойти лишь в аварийных случаях для
отдельных печей: забивка насадки регенератора; косого хода и т. п.
139
длины и повышения производительности коксовой камеры, то увели-
чение производительности коксовых печей за счет увеличения высо-
ты коксовой камеры потребовало специальных конструктивных ре-
шений. Наиболее распространенные из них следующие:
1. Увеличение высоты горелки для коксового газа. Горелки кок-
сового газа устанавливали на двух уровнях в соседних вертикалах:
более высокие горелки обеспечивали обогрев верхней части уголь-
ной загрузки, а более низкие поддерживали необходимую темпера-
туру в нижней части загрузки. Длина высокой горелки в печах с ка-
Рис. 34. Распределение температур по длине обогрева-
тельных простенков камер большой емкости.
мерой высотой 4,3 м доходила до 900 мм. Для обогрева доменным
газом этот прием не применяется.
2. Ступенчатая подача воздуха (для горения газа отдельными
порциями) по высоте вертикала через канал в разделительной пере-
городке между двумя вертикалами. При обогреве доменным газом че-
рез вертикальные каналы соседних разделительных перегородок на
различных уровнях подаются и газ, и воздух.
При этом, если по четным каналам подают газ, то по нечетным —
воздух. По этому принципу в 1928 г. на установке Нордштерн в Ру-
ре были построены коксовые печи с камерами высотой 6 м. Такие пе-
чи широкого распространения не получили.
3. Рециркуляция продуктов горения, т. е. разбавление горючей
смеси на восходящем потоке продуктами горения, для замедления
процесса горения и вытягивания факела. Этот прием является наи-
более эффективным средством улучшения нагрева верхних частей уголь-
ной загрузки.
В совершенствование этого метода и разработку различных кон-
струкций коксовых печей с применением разнообразных принци-
пов рециркуляции большой вклад внесли советские специалисты.
В настоящее время в СССР построены, строятся и проектируются кок-
совые печи с камерами большой емкости и высотой до 6,5 м, имеющие
наибольшую производительность в мире. Для обеспечения равномер-
ного обогрева по высоте в них используется принцип рециркуляции.
При использовании этого принципа можно регулировать распре-
деление температур по высоте вертикалов, изменяя кратность рецир-
куляции (количество продуктов горения, которые добавляют в горя-
чую смесь). Кратность рециркуляции на коксовых установках СССР
различна — от малой величины (20—25%) до очень большой (свыше
100%).
140
На некоторых установках работают печи одинаковой конструк-
ции, часть которых оборудована устройствами для рециркуляции, а
часть — нет. В табл. 44 и 45 приводятся данные о распределении
конечных температур по высоте в центральной плоскости коксового
пирога для двух различных конструкций — с рециркуляцией и без
нее. С применением рециркуляции значительно улучшается равно-
Таблица 44. Распределение конечных температур в центральной плоскости
коксового пирога для печей с парными вертикалами с рециркуляцией и без
рециркуляции (обогрев доменным газом)
Печи Температура по оси коксового пирога, °C, на уровне от пода, м Разность температур, град, между уровня- ми
0.6 2,1 3,2 3,5 0,6—3,2 0,6—3,5
С рециркуляцией (кратность 40—50%) Без рециркуляции 1095 1064 1038 1009 993 896 958 875 102 168 137 189
мерность обогрева по высоте при обогреве как коксовым газом, так
и доменным. При обогреве доменным газом равномерность обогрева по
высоте лучше, чем при обогреве коксовым газом.
Таблица 45. Распределение конечных температур в центральной плоскости
коксового пирога для печей с перекидными каналами с рециркуляцией и без
рециркуляции (обогрев коксовый газом)
Печи Температура по оси коксового пи- рога, °C, на уровне от пода, м Разность температур, гоад, MVAZpy УРОВНЯМИ
0,6 2,1 3,2 3.5 0,6—2,1 0,6—3,2 0,6—3,5
С рециркуляцией (кратность 25—30%) Без рециркуляции 1408 1122 1081 1020 1021 909 908 644 27 102 87 213 200 478
Большое значение для оптимального нагрева верхних частей за-
грузки камеры и подсводового пространства (пространства между сво-
дом камеры и верхом загрузки) имеет правильный выбор «уровня
обогрева», т. е. расстояния между сводом камеры и верхом отопитель-
ных каналов. Уровень обогрева выбирается с учетом свойств коксуе-
мой шихты (вертикальная усадка загрузки, влажность шихты) и осо-
бенностей конструкции печи. Выбор должен обеспечить «поспевание»
верхней части коксового пирога при минимальных термических воз-
действиях на летучие продукты коксования в подсводовом простран-
стве. Верх отопительных каналов всегда ниже уровня загрузки.
141
§ 5. МЕТОДЫ УДОВЛЕТВОРЕНИЯ ОБЩИХ ТРЕБОВАНИЙ
В РАЗЛИЧНЫХ КОНСТРУКЦИЯХ ПЕЧЕЙ
Совершенствование распределения температур по греющей по-
верхности стены камеры шло параллельно с совершенствованием кон-
струкций печей, которое должно было обеспечить прочность кладки,
т. е. длительный! срок службы коксовой установки, высокие тепло-
технические показатели ее работы, и плотность кладки, исключающую
перетоки газов из обогревательной системы печи в камеру коксования
и обратно, а также перетоки отопительного газа и воздуха в продукты
горения.
Стремление к повышению производительности коксовых печей и улучшению по-
казателей их работы, а также патентная политика привели к большому разнообразию
конструкций динасовых коксовых печей, отличавшихся друг от друга, главным об-
разом, канализацией потока газов в отопительной системе.
Для повышения теплотехнических показателей работы печей, т. е. снижения рас-
хода газа на обогрев, уже в 1881 г. были применены регенераторы, подогревающие
воздух, используемый для сжигания газа в обогревательных каналах. Сначала коксо-
вые печи имели продольные, общие для печей всей батареи, регенераторы, т. е. оба
регенератора располагались вдоль оси батареи (один по машинной, а другой по кок-
совой стороне). Такие регенераторы для печей с разделенным пополам отопительным
простенком, т. е. простенком, в обогревательных каналах одной половины которого
горел отопительный газ (работа на восходящем потоке), а продукты горения через
горизонтальный сборный канал по обогревательным каналам второй половины про-
стенка опускались к регенератору, работающему на нагреве, применялись длительное
время. Поперечные регенераторы обеспечивали более равномерное распределение воз-
духа (в дальнейшем и бедного газа) как по обогревательным каналам отопительного
простенка, так и по длине батареи. Они быстро завоевали монополию при строитель-
стве новых печей.
Чаще всего перетоки возникают в кладке печи, разделяющей нисходящий и вос-
ходящий потоки («короткое замыкание»). При комбинации разделенного пополам
отопительного простенка с индивидуальными поперечными регенераторами достига-
лась наименьшая поверхность этой кладки. Большим недостатком коксовых печей с
разделенным пополам отопительным простенком является ослабление прочности
кладки стен камеры в зоне горизонтального сборного канала, который должен иметь
сечение, достаточное для пропускания продуктов горения, образующихся во всех вер-
тикалах простенка. Применение горизонтального сборного канала переменного сече-
ния (увеличивающегося к середине печи) не устранило в принципе этот недостаток,
что послужило причиной постепенного сокращения строительства печей с разделен-
ным пополам отопительным простенком.
К прошлому зеку относится появление парных вертикалов: сжи-
гание газа в одном обогревательном канале с отводом продуктов горе-
ния в соседний. При этой схеме весь простенок разбивается на пары
вертикалов, в которых один вертикал работает на восходящем пото-
ке, а второй — на нисходящем. После реверсии вертикалы меняются
ролями. Парный обогрев является одной из самых распространен-
ных схем канализации газов в отопительном простенке. Парный обо-
грев в комбинации с нижним подводом газа (по вертикальным каналам,
идущим через верхнюю фундаментную плиту) позволяет разделить
поперечные регенераторы на отдельные секции соответственно числу
вертикалов, что обеспечивает четкое регулирование поступления га-
за и воздуха в каждый вертикал.
В 1921 г. Дж. Беккер видоизменил и усовершенствовал конст-
рукцию и отопительную схему старой печи Копперса. В новой кон-
142
струкции печей газ и воздух сгорают одновременно во всех ото-
пительных каналах одного обогревательного простенка. Продукты
горения проходят по 6—8 перекидным каналам над сводом коксовой
камеры и опускаются вниз по всем вертикалам соседнего простенка.
Перекидные каналы соединяются с вертикалами горизонтальными
сборными каналами небольшого сечения. Таким образом, над каж-
дой нечетной коксовой камерой находятся перекидные каналы. Вслед-
ствие этого количество печей с перекидными каналами в батарее мо-
жет быть только нечетным.
К преимуществам этой системы относятся:
1) малые размеры горизонтального канала (в последних конструкциях через
горизонтальные каналы проходят продукты горения не более чем из четырех вер-
тикалов);
2) удобство регулировки обогрева по длине камеры в связи с тем, что все вертика-
лы простенка одновременно работают на одном потоке (восходящем или нисходящем);
Доменный
газ
а
Рис . 35 . Схема отопления доменным и коксовым газом печей с перекид-
ными каналами (печи ПК):
а — до кантовки-, б — после кантовки (В — воздух; Г — доменный газ; ПГ —
продукты горения).
3) значительное уменьшение площади кладки стен, разделяющих потоки газов
различных направлений, по сравнению с площадью в печах с парным обогревом.
Недостатками печей с перекидными каналами являются высокие потери давления
газов в отопительной системе (большое гидравлическое сопротивление отопительной
системы) и недостаточная равномерность обогрева по высоте.
Схема обогрева печей с перекидными каналами на бедном и коксовом газе при-
ведена на рис. 35.
В 20—50 гг. печи с перекидными каналами строили с горизонтальными газовыми
распределительными каналами (корнюрами) и с нижним подводом газа. Для более
равномерного обогрева по высоте в последних конструкциях применена рециркуля-
ция продуктов горения. Советские специалисты внесли большой вклад в совершен-
ствование конструкции коксовых печей с перекидными каналами.
В СССР разработано много модификаций этих печей (ПК первой
нормализации, ПК второй нормализации, ПК-42, ПК-45, ПК-47,
ПК-2К- Буквы ПК во всех случаях означают «печи с перекидными
каналами»).
143
В печах этих конструкций устранены многие недостатки, сво-
йственные первым печам с перекидными каналами: улучшена равно-
мерность обогрева по высоте камеры, снижено сопротивление ото-
пительной системы, упрощена схема обогрева, увеличена темпера-
тура головочных вертикалов, улучшены теплотехнические показатели,
повышена прочность и плотность кладки печей. Принятые разме-
ры печей с перекидными каналами в СССР больше, чем в США, кроме
того, печи в СССР работают с более высокими скоростями коксования.
Коксовые печи с перекидными каналами являются одной из са-
мых распространенных конструкций коксовых печей в мире. Печи
ПК и печи с парными обогревательными каналами составляют в на-
стоящее время основную часть всех строящихся и эксплуатирую-
щихся коксовых печей.
Первые советские печи с парными обогревательными каналами были спроектиро-
ваны в 1930—1931 гг. Московским отделением Гипрококса («Мосгипрококс») под ру-
ководством инженеров И. Лоханского и В. Жунко. Эта конструкция, получившая
Рис. 36. Печи ПК-2 К-
название печей системы Мосгипрококса, имела обогревательный простенок из пар-
ных вертикалов, широкие' регенераторы с распределительными подовыми каналами
в корнюрной зоне и предусматривала возможность работы как на бедном, так и на
коксовом газе.
Но в печах системы Мосгипрококса были серьезные конструктивные недостатки,
выявившиеся в процессе эксплуатации. Поэтому в дальнейшем эти печи не строились,
а Гипрококс сосредоточил свое внимание на проектировании печей с перекидными
каналами. Первые батареи советских печей с перекидными каналами (ПК первой нор-
мализации) были введены в эксплуатацию в 1934—35 гг.
Постепенно устраняя в последующих проектах недостатки печей с перекидными
каналами, советские проектировщики в послевоенные годы создали более совершен-
ные печи этого типа (ПК-2К) с уменьшенным сопротивлением отопительной системы,
использованием рециркуляции продуктов горения для выравнивания температур по
высоте камеры, с улучшенной конструкцией корнюрной зоны и широкими регенера-
торами (рис. 36).
144
Параллельно с совершенствованием конструкций печей ПК усо-
вершенствовались коксовые печи с парными обогревательными ка-
налами и рециркуляцией продуктов горения (ПВР). В 1936—1938 гг.
был разработан окончательный вариант таких печей, принятый
для опытной проверки (ПВР-39). Опытная батарея из пяти таких пе-
чей введена в эксплуатацию на Харьковском коксохимическом заводе
и прошла промышленные испытания еще до второй мировой войны.
Печи имели размеры камер: средняя ширина 407 мм (382 мм с
машинной стороны и 432 мм —с коксовой), длина 13 120 мм, об-
Рис. 37. Схема обогрева печи ПВР-39.
щая высота 4 260 мм, полезная емкость камеры 20)0 лР. Схема обогре-
ва печей ПВР-39 показана на рис. 37. Эксплуатация таких печей
показала, что при равных периодах коксования в печах ПВР-39
температура подов вертикалов на 40—50 град ниже, чем в печах ПК.
При одинаковой температуре вертикалов период коксования в печах
ПВР-39 был короче на 1 ч, чем в печах ПК, что соответствует повыше-
нию производительности на 8%. Обогрев камер по высоте был доста-
точно равномерен, средняя разность температур между низом и вер-
хом стен камеры составляла 40 град. Сопротивление отопительной
системы при обогреве коксовым газом было в 2—2,5 раза ниже, чем
в печах ПК. Уже тогда можно было прийти к заключению о возмож-
ности увеличения высоты таких печей на 0,4—0,6 м без ущерба равно-
мерности обогрева по высоте. Удачная конструкция кладки печи и
совершенство ее армирования значительно продлили срок службы
печей. Опытная батарея, введенная в действие в 1939 г., до сих пор
находится в рабочем состоянии и на ней проводятся опытные коксо-
вания шихт. Печи ПВР-46, ПВР-51, ПВР-55, ПВР-57, ПВР-60 и дру-
гие, начиная с 1949 г., строили в СССР наряду с печами ПК-2К. Ба-
тареи таких печей были введены в эксплуатацию и за рубежом — в
странах социалистического содружества и в развивающихся странах
в порядке оказания экономической помощи .
В процессе эволюции этой конструкции была улучшена герме-
тичность и прочность кладки, усовершенствована схема рецирку-
ляции продуктов горения, повышена полезная емкость камеры до
21,6 м за счет увеличения длины печи до 14 080 мм и высоты до 4 300 мм.
145
Производительность таких печей составляла 25,5 т сухой шихты
в сутки против 23,6 т. для печей полезной емкостью 20 м3. Благодаря
улучшению равномерности обогрева качество кокса и летучих продук-
тов коксования, получаемых в этих печах, стало выше, а расход тепла
на обогрев снизился. Были разработаны также модификации этих
печей с нижним подводом отопительного газа (рис. 38).
Дальнейшее повышение производительности печей, а, следова-
тельно, и повышение технико-экономических показателей коксохи-
Рис. 38. Печи ПВР с нижним подводом, нижним регулированием и
комбинированным обогревом-
мических заводов, потребовало уже значительного увеличения дли-
ны и высоты камеры печей. Первые печи ПВР большой емкости были
введены в эксплуатацию в 1958 г.
Батарея из 77 печей ПВР с комбинированным обогревом имела
следующую характеристику камер: длина 15 040 мм, высота полная
5 000 мм, средняя ширина 450 мм, полезный объем 30 м3. Период
коксования в связи с увеличением ширины камеры по проекту со-
ставлял 17,5 ч, а производительность одной камеры 31,1 ш сухой ших-
ты в сутки. В то время это была самая мощная батарея в мире. Прин-
ципиальная схема обогрева таких печей не отличалась от обычных
печей ПВР последних конструкций.
В последующие годы эти печи строились в СССР как типовые
вместо печей ПК и ПВР емкостью 21,6 м3, однако вскоре они были
заменены типовыми печами с высотой камеры 5,5 м, шириной 410 мм
и полезной емкостью до 32,4 м3.
Сопротивление отопительной системы печей ПВР брлыпой емкос-
ти не выше сопротивления обычных печей ПВР емкостью 21,6 м3,
расход тепла на коксование примерно тот же.
Равномерность обогрева по длине и высоте камер коксования до-
статочно высокая. В табл. 46 приведены данные о распределении тем-
ператур в центральной плоскости коксового пирога перед выдачей
кокса для печей ПВР высотой в 5 м при различных уровнях обогрева
и различной толщине стен камеры.
В печах высотой 5 м наиболее целесообразен уровень обогрева
700 мм для донецких углей и 800—900 мм для кузнецких. При этом
146
следует учитывать и влажность шихты, увеличение которой ухудша-
ет прогрев верхних частей загрузки. Толщина стенки камеры в
105 мм, обеспечивающая достаточную механическую прочность кладки,
принята сейчас для большинства строящихся печей. Увеличение тол-
щины стенки снижает производительность печей.
Таблица 46. Температура в центральной плоскости коксового пирога перед
выдачей кокса для печей ПВР высотой 5 м
Донецкие угли | Кузнецкие угли
Показатели Группа печей
I II I II III
Уровень обогрева от сво-
да камеры, мм Толщина стены камеры, 700 800 800 800 1000
мм 105 105 105 115 115
Вертикальная усадка ших-
ты, мм Температура кокса, °C, на высоте, м, от пода камеры 0,6 350—370 350—370 560 560 560
1015 1048 1105 1063 1042
2,5 1005 1005 1060 991 973
3,9 978 983 1022 974 885
4,2 941 953 974 941 855
Разница температур, град, между уровнем 0,6 и 4,2 м 74 95 131 122 187
Многочисленные испытания качества кокса из печей высотой 5 м
и шириной 450 мм при периоде коксования в 17,5 ч показали, что
он мало чем обличается от кокса, полученного в печах высотой 4,3 м
и шириной 407 мм при периоде коксования 13,5—14 ч.
Можно считать, что качество кокса с повышением высоты печей
при прочих равных условиях не ухудшается. Поэтому сейчас в СССР
внедряются печи с камерами высотой 6 м. Полезная емкость камеры
такой печи при увеличении ее длиныдоЮ м может доходить до 40 м3.
Проектируются печи с камерами высотой в 6,5 м и выше. Шири-
на камеры таких печей принята 410 мм, а не 450 мм, поскольку это
повышает выход кокса с одной печи на 6—5%, а сам кокс — более
равномерный по крупности. Однако в отдельных случаях можно
строить печи с шириной камеры в 450 мм.
Советский Союз по строительству и внедрению в коксохимическую
промышленность коксовых печей с камерами большой емкости зани-
мает первое место в мире.
§ 6. ВОЗМОЖНОСТИ УВЕЛИЧЕНИЯ РАЗМЕРА КАМЕР КОКСОВАНИЯ
И ЧИСЛА ПЕЧЕЙ В БАТАРЕЕ
Несмотря на некоторые недостатки, слоевой процесс коксования
имеет целый ряд неиспользованных возможностей совершенствования.
Поскольку основным методом производства кокса и в дальнейшем
147
будет, по-видимому, слоевое коксование, большое значение придает-
ся увеличению единичной мощности агрегатов как отдельной кок-
совой камеры, так и батареи коксовых печей в целом, и в первую оче-
редь, дальнейшему увеличению размеров камер коксования и числа
печей в батарее. Размеры камер коксования и число печей в батарее
продолжают расти. В последнее время несколько трансформировалось
само понятие батареи коксовых печей. Многие специалисты, особенно
зарубежные, часто под понятием батарея подразумевают группу кок-
совых печей, обслуживаемую одним комплектом коксовых машин и,
соответственно, одной рампой, тушильной башней, коксосортиров-
кой Ч
В некоторых странах батарея обычно состоит из двух полубата-
рей по 30—55 печей в каждой (в зависимости от ширины камер), рас-
считанных на 120—140 выгрузок кокса в сутки (печевыдач).
Две батареи печей или блок являются основным ядром коксового
цеха современного коксохимического предприятия. Число печей в
батарее определяется требованиями обеспечения ее наибольшей про-
изводительности и наилучшим использованием коксовых машин. Сле-
дует учитывать, что при равном количестве печей в цехе меньшее
число батарей с большим числом печей в батарее требует меньших
капитальных затрат. Коксовые батареи, как правило, располагаются
в один ряд (хотя не исключены и другие комбинации).
Объем камеры может быть увеличен. Увеличение длины камеры
до 17 м для батарей, производящих прочный металлургический кокс,
вполне допустимо, поскольку оно влечет за собой только увеличе-
ние усилия выталкивания и лишь незначительное распирание кладки
(при смятии головки коксового пирога с машинной стороны во время
его выталкивания). При этом, конечно, должна быть подобрана ших-
та, не увеличивающая распирание при снижении ее влажности (при
переходе на сушку шихты).
Средняя ширина коксовой камеры в Советском Союзе составляет
410 мм (реже 450 мм).
За рубежом, в основном, строят печи с камерой шириной около
450 мм. В будущем ширина камер останется такой же. Что касается
высоты камеры, то ее при современном уровне конструирования коксо-
вых печей можно увеличить до 7,0—7,1 м. При этом равномерность
прогрева загрузки по высоте обеспечивается уже проверенными спо-
собами: двойной рециркуляцией отопительных газов внутри каждой
пары вертикалов, установкой высоких рассекателей и отсекателей
потоков воздуха и газа в обогревательных каналах, увеличением по-
перечного сечения вертикалов для выравнивания температур, а, так-
же уже проверенной на практике системой регулирования подачи га-
за и воздуха в каждый вертикал (секционная насадка регенераторов,
специальная колосниковая решетка и отдельное регулирование подачи
воздуха и газа в крайние вертикалы).
Таким образом, в ближайшее время совершенно реален ввод в
эксплуатацию коксовых печей с полезными линейными размерами ка-
1 В СССР такой комплекс называют блоком печей и считают двумя батареями-
148
меры 7,1 X 17,0 X 0,41 и и полезным объемом 45 м3 или 7,1 х
X 17,0 X 0,45 м и полезным объемом 49,5 м3. Очевидно, недалеко то
время, когда печи с полезным объемом камеры коксования в 45—50 л?
и высотой 7 м на коксохимических заводах станут обычными.
Опыт показывает, что дальнейшее увеличение объема камер сни-
зит капиталовложения. При эксплуатации батарей с камерами кок-
сования большой емкости значительно возрастает производитель-
ность труда.
Освоение печей с камерами такой емкости составит новую веху
на пути развития технологии слоевого процесса коксования. Однов-
ременно необходимо стремиться к улучшению свойств динасового кир-
пича, предназначенного для кладки стен камер коксования (или
замене его другими огнеупорами), повышению качества металла, иду-
щего на изготовление арматуры, анкеража и оборудования коксо-
вых печей, к повышению уровня механизации и автоматиза ции вспо-
могательных процессов (очистка дверей, рам, отверстий загрузочных
люков, газоотводящей арматуры коксовых печей, удаление остатков
шихты и кокса с рабочих площадок печей, устранение пыле- и газо-
выделения в коксовых цехах и др.).
Решение этих задач должно обеспечить ритмичную и устойчивую
работу мощных коксовых батарей и создание необходимых санитар-
но-гигиенических условий на коксохимических предприятиях и в их
окрестностях.
Глава II. ТЕПЛОВАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОЦЕССА КОКСОВАНИЯ
§ 1. УДЕЛЬНЫЙ РАСХОД ТЕПЛА НА КОКСОВАНИЕ J
Как и каждый технологический процесс, процесс коксования, по-
мимо количеств затраченного сырья и выхода конечных продуктов
процесса, характеризуется количеством энергии, затраченной при
переработке сырья в конечные продукты. Рассмотрим лишь затраты
тепловой энергии в процессе коксования, не касаясь других видов
энергетических затрат. Теплота, затраченная на переход угля в кокс,
состоит в основном из теплоты сгорания отопительного газа в обо-
гревательной системе коксовых печей. Количество затраченной теп-
лоты, полученной от сгорания отопительного газа, отнесенное к еди-
нице массы коксуемой шихты, представляет собой удельный расход
тепла на коксование. Этот показатель характеризует степень совер-
шенства процесса коксования в целом: равномерность обогрева пе-
чей, потери тепла в окружающую среду через наружные поверхности
печей и с дымовыми газами, ритмичность процесса, техническое сос-
тояние коксовых печей.
Удельный расход тепла на коксование подсчитывается на 1 кг
коксуемой шихты фактической влажности. В этом случае пользуют-
ся формулой
где 7вЛ — удельный расход тепла на коксование влажной шихты,
149
кдж/кг-, Vo — расход газа на обогрев, нм3!ч\ QH — низшая теплота
сгорания газа, кдж/нм?; gRn — количество скоксованной шихты фак-
тической влажности, кг/ч.
/Уля шихты влажностью 8% qBn при обогреве печей коксовым
газом равно примерно 2250 кдж/кг (около 540 ккал/кг), а при обогре-
ве печей доменным газом значение qR« выше на 130—170 кдж/кг (30—
40 ккал/кг), чем при обогреве коксовым газом.
Современные коксовые установки из четырех батарей расходуют
в сутки более миллиона кубических метров коксового газа или более
пяти миллионов кубических метров доменного газа. В этих условиях
даже относительно небольшое снижение расхода тепла на коксование
является важной хозяйственной задачей.
Расход тепла на коксование особенно зависит от влажности кок-
суемой шихты и коэффициента избытка воздуха при сжигании ото-
пительного газа.
Расход теплоты на испарение влаги и перегрев водяных паров
можно рассчитать по формуле
Й7
= Too" [(10° - 30) + 2257 + 1,9 (/ - 100)1’ (68)
где qw — теплота, уносимая водяными парами на 1 кг влажной ших-
ты, кдж/кг-, 2257 — скрытая теплота испарения воды при темпера-
туре 100° С, кдж/кг (539 ккал/кг)-, t — температура газов в подсво-
довом пространстве коксовой печи в первой половине коксования,
°C; 1,9 — теплоемкость водяных паров, кдж/{кг град) [0,46 ккал/
{кг град)}-, W — содержание влаги в коксуемой шихте, %; 30 — тем-
пература загружаемой шихты, °C.
Применять эту формулу для расчета увеличения расхода тепло-
ты при повышении влажности нельзя, так как водяные пары уходят
из шихты при более низкой температуре и перегреваются в подсво-
довом пространстве за счет охлаждения газов, т. е. без дополнитель-
ной затраты теплоты. Парами воды уносится 11—17% общей теплоты,
затраченной на процесс коксования. Снижение содержания влаги
в шихте на 1 % уменьшает расход теплоты примерно на 29,4 кдж/кг
(7 ккал/кг). Эта величина значительно меньше при очень низком
содержании влаги в шихте и увеличивается с повышением влажнос-
ти шихты, так как изменение влажности шихты изменяет величину
удельной насыпной массы шихты. В предельном случае, если удель-
ная насыпная масса загрузки по влажной шихте постоянна, расход
теплоты меняется на 33,6 кдж/кг (8 ккал/кг) при изменении влажности
шихты на 1%.
Высокая влажность шихты вредно отражается и на состоянии
кладки коксовых печей из-за резкого охлаждения стен камеры после
загрузки влажной шихты, и поэтому срок службы кладки печей при
работе на шихтах с небольшой (и постоянной) влажностью больше.
Если влажность коксуемой шихты увеличить на 1 %, то для сохране-
ния температуры в осевой плоскости коксового пирога при том же
периоде коксования необходимо увеличить температуру в вертикалах
на 3—5 град.
150
При одинаковых температурах в вертикалах коксовых печей ко-
лебания влажности шихты изменяют качество кокса за счет коле-
баний конечной температуры коксования.
Колебания влажности шихты и обусловленные ими изменения ве-
личины насыпной массы шихты влияют на производительность кок-
совых печей.
Расход теплоты на коксование зависит от коэффициента избыт-
ка воздуха при сжигании отопительного газа. Подбором оптималь-
ного коэффициента избытка воздуха можно заметно снизить расход
газа на обогрев коксовых печей. При этом особенно нежелательна
работа печей с коэффициентом избытка воздуха ниже 1,20—1,25. При
работе с низким коэффициентом избытка воздуха, вследствие неэкви-
валентного распределения газа и воздуха по отдельным вертикалам,
газ может сгорать неполностью, что приводит к большим потерям
теплоты. Если в продуктах горения, например в доменном газе,
содержится 1 % оксида углерода, потеря теплоты за счет химической
неполноты горения составляет 128 кдж (50,5 ккал) на 1 нмя продуктов
горения, т. е. около 252 кдж (60ккал) на 1 нм? газа, или 6%. Повы-
шение коэффициента избытка воздуха также увеличивает потери теп-
лоты с продуктами горения, но меньше. Для доменного газа увеличе-
ние содержания кислорода в продуктах горения на 1% соответству-
ет возрастанию потерь теплоты с продуктами горения примерно на
12,6 кдж!нмя (3 ккал!нмя), или 0,6%. Изменение коэффициента из-
бытка изменяет характер факела горения в обогревательных каналах,
а, следовательно, распределение температур по высоте камеры кок-
сования.
Влияние различных факторов на величину удельного расхода
теплоты на коксование подробно описано в литературе.
j § 2. ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС КОКСОВАНИЯ
Современные коксовые печи представляют собой достаточно со-
вершенные теплотехнические агрегаты. Тем не менее использование
теплоты в коксовом производстве имеет целый ряд особенностей.
Основной особенностью процесса коксования в теплотехническом от-
ношении является малая величина теплового эффекта реакции кок-
сования, составляющая незначительную долю в общем балансе теп-
лоты процесса и зачастую неучитываемая в тепловых балансах. Раз-
личные исследователи приводят величину теплового эффекта для уг-
лей и их смесей в пределах 210 кдж!кг (50 ккал!кг) —134 кдж!кг
(32 ккал!кг). Промышленные шихты заводов СССР дают суммарный теп-
левой эффект реакции коксования, близкий к нулю.
Таким образом, теплота, расходуемая в процессе коксования,
делится на две части: теплота, нагревающая продукты коксования
и теплота, теряемая в окружающую среду через наружные поверх-
ности коксовой батареи и с дымовыми газами. Часть теплоты, рас-
ходуемая на превращение угольной загрузки в продукты коксования
при температуре их выхода из печи, отнесенная к 1 кг угля, называ-
ется теплотой коксования. Теплота коксования представляет 70—75%
151
общего расхода теплоты на коксование. Остальная часть теплоты со-
ставляет потери с дымовыми газами и потери в окружающее простран-
ство наружными поверхностями кладки и арматуры печей.
Потребность в теплоте для коксования устанавливается тепло-
вым балансом коксовых печей. В специальной литературе вопросам
составления тепловых балансов посвящены многие работы. Ниже
этот вопрос рассматривается только в общих чертах.
Таблица 47. Тепловой баланс коксования (обогрев доменным газом)
Приход тепла Расход тепла
Статья кдж/кг (ккал/кг) % Статья кдж/кг (ккал/кг) %
Физическая тепло- та угля Физическая тепло- та газа Физическая тепло- та воздуха для го- рения Теплота сгорания газа 25,2 (6,0) 16,8 (4,0) 16,8 (4,0) 2545,2 (606,0) 1,0 0,6 0,6 97,8 Теплота реакции про- цесса коксования Теплота, уносимая коксом Теплота, уносимая газом и парами ле- тучих продуктов Теплота, уносимая парами воды Потери теплоты в окружающее про- странство Потери теплоты от неполноты горения Теплота, уносимая продуктами горения 974,4 (232,0) 525,0 125,0 336,0 (80,0) 239,4 (57,0) 529,2 (126,0) 37,4 20,2 12,9 9,2 20,3
Итого: 2604,0 (620,0) 100 2604,0 (620,0) 100
При составлении теплового баланса проектируемых коксовых
печей предварительно должны быть известны тепловой эффект кок-
сования заданной шихты и материальный баланс продуктов коксова-
ния. По температурным параметрам и конструктивным узлам рассчи-
тывают все виды тепловых потерь и устанавливают потребность
втеплотедля коксования. Примерные величины отдельных статей при-
хода и расхода теплоты в тепловом балансе коксовых печей приве-
дены в табл. 47.
Сложнее тепловой баланс действующих коксовых печей. Для со-
ставления такого баланса необходимо провести специальные тепло-
технические испытания с составлением материального баланса про-
дуктов коксования. При этом как составную часть теплового ба-
ланса коксовых печей можно определить и теплоту реакций коксо-
вания.
В практических тепловых балансах действующих коксовых печей
для большей точности выделяют и учитывают тепловой эффект от
образования пирогенетической воды, теплоту сгорания сырого газа,
152
Таблица 48. Тепловой баланс (обогрев коксовым газом)
Приходные статьи Теплота Расходные статьи Теплота
кдж1кг (ккал/кг^ % кдж/кг (ккал/кг} □/ '0
\(Теплота сгорания 2 315 040 Теплота раскаленного 1 080 240
^газа (551 200) 87,0 кокса (257 200) 40,6
Теплосодержание 10584 Теплота нагрева кок- 339 990
газа (2520) 0,4 сового газа (80 950) 12,8
Теплосодержание 35 700 Теплота нагрева хи- 2,5
воздуха, поступаю- (8500) 1,3 мических продуктов: 66 570
щего на горение смолы 2,5
(15 850)
бензола 17 430 (4150) 0,6
аммиака 5775 (1375) 0,2:
Теплосодержание 25 200 0,9 Теплота, уносимая с 485 100 18,2
загруженной ших- (6000) внешней и пирогене- (115 500)
ты тической водой
Тепловой эффект от образования пиро- 120 288 (28 640) 45 Теплота, уносимая с продуктами горения 420 000 (100 000) 15,8
генетической воды Теплота сгорания 66 780 9 к Теплота, уносимая с 12 348
сырого газа, про- (15 900) продуктами горения (2940) 0,5
сачивающегося в от прососов сырого
отопительную сис- тему газа 237 300
Теплосодержание 8064 Q3 Потери теплоты в 8,8
сырого газа просо- (1920) окружающую среду (56 ЬОО)
сов Теплосодержание воздуха, поступаю- щего для сгорания просачивающегося газа Невязка баланса 1008 (240) —82 089 0,1
или скрытая тепло- та коксования и пиролиза продуктов (—19 545) 3,0
Итого: 2 664 753 2 664 753
(634 465) 100 (634 465) 100
просачивающегося через неплотности кладки из камеры коксования в
отопительную систему и физическую теплоту как этого газа, так и
воздуха, необходимого для его горения. В результате теплотехничес-
ких испытаний получают исходные данные для составления баланса
действующих печей.
Перечень необходимых данных, а также методика расчетов и сос-
тавления баланса действующих коксовых печей даны в «Справочнике
коксохимика», т. V, гл. 27. В табл. 48 приведен тепловой баланс дей-
ствующих печей системы ПВР в его окончательном виде, составлен-
ный на 1000 кг влажной коксуемой шихты.
153
§ 3. ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИЙ И ТЕРМИЧЕСКИЙ КОЭФФИЦИЕНТЫ
ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ КОКСОВЫХ ПЕЧЕЙ
При оценке коксовой батареи как теплового агрегата пользуют-
ся еще двумя характеристиками, получаемыми на основе теплового
баланса. Одна из них — это теплотехнический коэффициент полез-
ного действия коксовых печей. Он представляет собой долю общего
расхода теплоты, идущую на нагрев угля, кокса и летучих продуктов
коксования (ее можно выразить также и в процентах)
„ ___ Q Q1 — Qa
‘1тепл Г)
(69)
где Q — теплота, подведенная к печам, кдж/кг (ккал/кг); Qr — поте-
ри теплоты с продуктами горения кдж/кг (или ккал/кг)-, Q2 — потери
теплоты в окружающее пространство наружными поверхностями ба-
тареи лучеиспусканием, конвекцией и теплопроводностью, кдж/кг
(ккал/кг).
Для теплового баланса, приведенного в табл. 47, теплотехнический
коэффициент полезного действия
620-126 — 57
^ПЛ =-------620-----= °’7°5'
Для теплового баланса коксовых печей, приведенного в табл. 48,
634 465 — 100 000 — 2940 — 56 500 п „л
Чтепл =-----------634465-----------= °’7О°-
Последний расчет сделан по данным полного теплового баланса.
Если этих данных нет, то теплотехнический коэффициент полезного
действия коксовых печей можно рассчитать и по другой, более прос-
той формуле. Для теплового баланса, приведенного в табл. 48, эта
формула имеет вид
бтепл
551 200 — 100 000 — 56 500
551 200
= 0,714.
Здесь 551 200 — теплота сгорания отопительного газа, отнесенная
к одной тонне влажной шихты.
Естественно, второе значение и]Тепл (0,714) менее точно оценивает
коксовые печи как тепловой агрегат. Однако им приходится пользо-
ваться довольно часто, чтобы избежать сложных теплотехнических
испытаний, связанных с составлением полного теплового баланса дей-
ствующих коксовых печей. В то же время надо помнить, что, не учи-
тывая теплоту сгорания сырого газа, просачивающегося из камеры
в отопительную систему, можно искусственно занизить (а иногда и
заметно) видимый расход тепла на коксование, а, следовательно, за-
высить теплотехнический коэффициент полезного действия коксовых
печей.
Значения г;теп_, для современных коксовых печей находятся в
пределах 0,70—0,75.
Другой характеристикой коксовых печей как теплового агрегата
является так называемый термический коэффициент полезного дей-
154
ствия т]терн. Он характеризует количество теплоты, оставшейся в
печи от сгорания газов, и является показателем совершенства ото-
пительной системы печей и регенерации тепла в ней. т|терм представ-
ляет собой отношение разности между общим количеством подведен-
ной теплоты и теплоты, унесенной с продуктами горения, к общему
количеству подведенной теплоты (может быть выражен и в процентах)
О — о.
йтерм Q • (70)
Название термический коэффициент полезного действия не вполне
правильно, так как нельзя считать полезно использованной на про-
цесс коксования часть теплоты, которая потеряна в окружающее про-
странство наружными поверхностями коксовой батареи. Однако ха-
рактеристику работы отопительной системы коксовых печей этот коэф-
фициент дает.
Для теплового баланса, приведенного в табл. 48, термический
коэффициент полезного действия
551 200 + 2520 + 8500 — 100 000
Птерм - 551 200 4- 2520 + «500 ~ 0,823 ’
Лтерм зависит от избытка воздуха при сжигании газа: чем он больше,
тем больше объем продуктов горения и выше их температура при вы-
ходе из регенератора, а, следовательно, больше потери теплоты с
продуктами горения. Увеличение коэффициента избытка воздуха свы-
ше 1,30 на 0,1 при прочих равных условиях повышает расход тепло-
ты на коксование на 10 кдж/кг. Неполное сгорание отопительного
газа в обогревательной системе резко снижает термический коэффи-
циент полезного действия печей.
Род отопительного газа существенно не влияет на термический
коэффициент полезного действия коксовых печей, однако расход теп-
лоты на коксование при обогреве печей доменным газом обычно
выше, чем при обогреве коксовым газом. Это видимое увеличение рас-
хода теплоты объясняется потерями бедного газа из-за прососов че-
рез стены регенераторов и пропусков его в боров ввиду неплотностей
тарелок газовоздушных клапанов.
Термический коэффициент полезного действия коксовых печей воз-
растает с удлинением продолжительности коксования за счет сниже-
ния тепловой нагрузки на регенераторы.
Температура продуктов горения, выходящих из регенераторов,
снижается на 12—16 град при удлинении периода коксования на
1 ч. Термический коэффициент полезного действия современных кок-
совых печей в нормальных условиях составляет 0,80—0,84, что сви-
детельствует о достаточном совершенстве теплотехники коксовых
печей.
§ 4. ПУТИ УЛУЧШЕНИЯ ИСПОЛЬЗОВАН ИЯ ТЕПЛА
В КОКСОВОМ ПРОИЗВОДСТВЕ
Несмотря на достаточно высокие термический и теплотехнический
коэффициенты полезного действия коксовой печи, энергетику процесса
коксования в целом (т. е. по всей коксовальной установке) нельзя
155
признать совершенной. С одной стороны, еще есть резервы улучшения
термического и теплотехнического коэффициентов действия коксовой
печи, а с другой, необходимо рационально использовать теплоту
нагретых продуктов коксования (раскаленный кокс, нагретые лету-
чие продукты коксования), которая даже на самых современных кок-
совальных установках используется крайне недостаточно. Из об-
щего количества потребленной коксовальной установкой и пригод-
ной для использования теплоты (часть теплоты трудно использовать
из-за его низкого температурного потенциала; часть — из-за необра-
тимости процесса его передачи) примерно 55% теряется при тушении
кокса, а 30% —при охлаждении коксового газа. В связи с этим во-
просы улучшения использования теплоты в коксовом производстве
приобретают актуальное значение, так как совершенствование об-
щего энергетического баланса установки может значительно улуч-
шить технико-экономические показатели производства в целом.
Как уже было сказано, расход теплоты на коксование зависит
от влажности коксуемой шихты, равномерности обогрева камер
коксования, коэффициента избытка воздуха при сжигании отопи-
тельного газа и др.
Утилизация теплоты раскаленного кокса, хотя и имеет уже более
чем сорокалетнюю историю, широко стала применяться лишь в по-
следнее десятилетие. Советский Союз был инициатором внедрения мощ-
ных установок для «сухого тушения» кокса (УСТК) на крупных кок-
сохимических заводах, опередив в этом отношении промышленно раз-
витые капиталистические страны.
Подробная характеристика процесса сухого тушения кокса бу-
дет дана в разделе IV.
К. п. д. УСТК составляет 82—83%. Использование теплоты рас-
каленного кокса значительно улучшает общий энергетический ба-
ланс коксовальной установки. К. п. д. комплекса «коксовые печи —
УСТК» составляет 37,1%, в то время как для коксовых печей без
УСТК он равен 14,6%. Эти цифры свидетельствуют о важности ис-
пользования энергетических ресурсов в коксовом производстве.
Нельзя считать теплоту, затраченную на нагрев продуктов коксо-
вания, полезно израсходованной. То же следует сказать о теплоте ле-
тучих продуктов коксования («прямом газе»), уходящих из коксовых
печей с температурой 800° С и выше.
Расход теплоты на коксование может быть уменьшен за счет сни-
жения конечной температуры коксования, т. е. температуры в цен-
тральной плоскости коксового пирога в конце процесса. Однако та-
кой путь нереален, ибо конечная температура коксования связана
с физико-механическими свойствами получаемого кокса, и решающим
доводом при ее подборе является качество кокса, а не расход теплоты
на коксование. Надо также учесть, что в последнее время наблюдает-
ся общая тенденция к повышению конечных температур коксования.
Расход теплоты на коксование снижается с удлинением периода
коксования (с одновременным снижением или постоянством темпе-
ратуры в центральной плоскости коксового пирога), главным обра-
зом, из-за снижения тепловой нагрузки на регенераторы и уменьше-
.156
ния температуры отходящих продуктов горения. Однако снижение
производительности коксовых печей при удлинении времени коксо-
вания делает этот резерв также малореальным.
В последнее время теплоту воды, охлаждающей прямой газ в
первичных холодильниках, ранее . полностью терявшуюся, начи-
нают использовать для подогрева технологических растворов. Это
только первые шаги по рационализации энергетического хозяйства
коксохимических предприятий. Современная техника дает возможность
снижать тепловые потери в окружающую среду и, хотя бы частично,
использовать теплоту отходящих продуктов. Развитие энергетики! про-
цесса коксования в целом зависит от решения всех этих вопросов
и является принципиальной технологической проблемой.
В заключение следует сказать, что подбор оптимального теплово-
го режима коксовых печей имеет огромное влияние на выход и качест-
во всех продуктов коксования.
§ 5. ОСНОВЫ РАСЧЕТА РЕГЕНЕРАТОРОВ .
Регенерация теплоты — широко распространенный процесс во мно-
гих областях техники.
Регенераторы занимают 30—35 % всего объема кладки коксовой
печи и обеспечивают работу печей с высоким термическим коэффи-
циентом полезного действия.
Поскольку ширина и длина регенератора достаточно точно оп-
ределяются размерами самой коксовой печи и ее конструкцией, оп-
ределяют только высоту насадки регенератора (или количество ря-
дов насадки), зная тип и способ укладки насадки и определив по этим
данным поверхность нагрева регенератора на 1 м высоты насадки
(или один ряд насади^. П ри определении поверхности нагрева учи-
тывается также поверхность стен регенератора.
Схематически расчет регенераторов можно представить следую-
щим образом1: требуемую поверхность нагрева регенератора опре-
деляют по формуле
где F— требуемая поверхность нагрева, м\ q— теплота, переданная
воздуху (газу) в регенераторе, кдж (определяют по тепловому балан-
су регенератора за период нагрева или охлаждения); — общий
коэффициент теплопередачи для периода нагрева и охлаждения,
ккалЦм1 град)-, Ко — коэффициент омываемости насадки, учиты-
вающий неравномерность распределения газов в рабочем пространст-
ве регенератора (Ко колеблется от 0,7 до 0,9; принимается, по данным
Гипрококса, равным 0,85); А/ — средняя логарифмическая разность
1 Расчеты регенераторов и воздухонагревателей можно найти в специальной ли-
тературе, содержащей формулы, таблицы и графики, которые облегчают вычисление
основной характеристики регенератора — поверхности насадки. Некоторые книги
приведены в списке литературы.
157
температур по высоте регенератора; ее рассчитывают по начальным
и конечным температурам
(/2 - /') - (/, -
2,3 1с
5 —/|
(72)
здесь — температура продуктов горения, поступающих в реге-
нератор, °C; t\----температура воздуха (бедного газа), уходящего
из регенератора, °C; /2 — температура продуктов горения, уходящих
из регенератора, °C; t?—температура воздуха (бедного газа), поступа-
ющего в регенератор, °C.
Таблица 49. Тепловой баланс регенератора
Приход Расход
Статья Статья 0/ /0
Теплота, вносимая продуктами 97,2 Теплота, уносимая продуктами 23,6
горения, qx Теплота, вносимая воздухом, q.2 горения, q3
2,8 Теплота, уносимая подогретым воздухом, q Потери теплоты, qi 74,9 1,5
Итого: 100 Итого: 100
Величину q определяют из теплового баланса регенератора: в теп-
ловом балансе регенератора приход состоит из теплоты, вне-
сенной продуктами горения, и теплоты, внесенной воздухом (или
бедным газом), а расход — из теплоты продуктов горения, уносимой
из регенератора, теплоты, переданной воздуху (бедному газу) и по-
терь теплоты через торцевые стены регенератора и в грунт (обычно эти
потери составляют 1,5% -прихода). Примерное соотношение этих
количеств теплоты приведено в табл. 49, если печь обогревается
коксовым газом.
Все данные для составления теплового баланса регенератора
можно получить, зная количество газа, воздуха и продуктов горения
за время между кантовками (они есть в тепловом балансе коксования);
состав продуктов горения и газа; температуру продуктов горения,
входящих в регенератор (обычно принимается на 50° С ниже средней
температуры пода вертикалов; температуру воздуха (бедного газа),
поступающего в регенератор. Температуры отходящих продуктов го-
рения, по данным Гипрококса, можно принимать 250—280° С при
обогреве доменным газом и 300—340° С при обогреве коксовым га-
зом.
Тогда
4 = 4j 'г 4г 4з — 4 г
По данным теплового баланса регенератора можно вычислить
температуру нагрева воздуха (или бедного газа).
158
Наиболее трудоемкая часть расчета регенератора — вычисление
общего коэффициента теплопередачи для периода нагрева и охлаж-
дения. Приводим схему этого расчета по методу Руммеля.
По эмпирической формуле
Кр = i-------j Л ’ (73)
_! ।-------1___-—
ат а'т
где а = ак + ал — коэффициент теплоотдачи конвекцией и луче-
испусканием от продуктов горения к насадке, кдж!(м2 • ч • град)-,
а,' = ай + ай —то же, от насадки к нагреваемому воздуху (бедному
газу), кдж! (м2 • ч • град)-, т —период нагрева или охлаждения, ч;
£ — отношение максимальной разности температур на поверхности
кирпича к средним температурам на той же поверхности за период
нагрева и охлаждения; r]S —коэффициент использования кирпича
насадки или отношение действительно аккумулируемого кирпичом
насадки теплоты к теплоте, которую мог бы аккумулировать этот
кирпич при бесконечной теплопроводности Z = оо (определяется по
графикам в зависимости от а, т, б); С —теплоемкость кирпича насадки,
кдж/ (ч град)\ у— объемная масса кирпича, кг/м?-, б —эквива-
/ 2VS \
лентная толщина кирпича, м 16 = —=-1.
Величина § вычисляется по специальным графикам. Руммель
предложил принимать в среднем § = 2,5.
2
Величина в формуле Руммеля при небольших зна-
чениях а и а', обычных для регенераторов коксовых печей, незна-
чительно влияет на общий коэффициент теплопередачи регенератора.
Поэтому для упрощения расчета ее иногда не учитывают. При этом
вычисляемый коэффициент теплопередачи следует увеличить пример-
но на 10%.
Коэффициенты теплопередачи конвекцией ак и Ок рассчитывают
для щелевидной насадки, обычно применяемой в регенераторах коксо-
вых печей, по формуле Бэма
ак = 0,9617 4
О,2125шо \ ,,0,25
d™ ) ’
(74)
где соо — скорость газов в каналах насадки при нормальных усло-
виях, м/с-, d„ —гидравлический диаметр канала, м\ Т —температура
газов, °К.
Коэффициенты теплоотдачи конвекцией ак и ак вычисляют обыч-
но отдельно для верха и низа насадки, учитывая существенно отли-
чающиеся для верха и низа насадки условия теплообмена.
Коэффициенты теплоотдачи лучеиспусканием ал и ал также рас-
считывают отдельно для верха и низа насадки, пользуясь эмпирически-
ми формулами и графиками.
В результате этих вычислений получают два коэффициента теп-
лопередачи: Кр (для низа насадки) и Кр (для верха насадки). Для
159
определения поверхности насадки берется обычно их полусумма
к _
Лр-
Иногда, учитывая, что температура продуктов гор'ения и поверх-
ности кирпича изменяются по высоте регенератора по кривой с мак-
симумом, средний коэффициент по высоте регенераторов определяют
по формуле
/<Р- УЛЛ
где величина п колеблется в пределах 1,25—1,75. Для регенераторов
коксовых печей обычно принимают п = 1,5.
После определения необходимой поверхности нагрева F можно,
зная поверхность нагрева регенератора на 1 м высоты насадки (или
поверхность нагрева на один ряд насадки), определить число рядов
насадки или ее общую высоту.
Приведенная схема расчета не является типовой. Применяют и
другие схемы, использующие иные соотношения величин, входящих
в формулу для определения поверхности нагрева регенераторов,
и разные уровни исходных данных. При достаточно точном расчете
конечные результаты мало отличаются друг от друга.
Глава III. ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ ПРОЦЕССА
СЛОЕВОГО КОКСОВАНИЯ
§ 1. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ПРОЦЕССА
Под технологией, или технологическим процессом, обычно под-
разумевают комплекс некоторых воздействий на материал, в резуль-
тате которого изменяются свойства последнего (например, величина,
форма, химический состав). Главное во всякой технологии — это
регламент, т. е. поддержание упомянутых воздействий на определен-
ном (постоянном) уровне. Регламент технологии называют также
регламентированным технологическим режимом. Управление всяким
технологическим процессом сводится к выбору оптимального для
данных конкретных условий регламента и к усилиям по поддержа-
нию постоянства его.
Для технологического процесса слоевого коксования характерны
следующие требования:
1. Отсутствие в процессе нагрева контактов нагреваемого мате-
риала (угольной шихты) с кислородом воздуха.
2. Нагрев угольной шихты с определенной для каждого случая
скоростью и до определенной в каждом отдельном случае конечной
температуры (по определению коксования значения конечной тем-
пературы лежат в интервале 900—1050° С).
160
Первое требование выполняется при определенном распределении
давления газов в обогревательной систему и камерах коксования (рп:
ределенного «гидравлического, режима» коксовых печей).
Второе требование удовлетворяется поддержанием определенных
температур в обогревательной системе коксовых печей (температур-
ный режим коксовых печей)^ а также определенной технологическое:
схемой загрузки камер угольной шихтой и выгрузки кокса из камер
(режим эксплуатации коксовых печей).
С точки зрения эксплуатации коксовых печей соблюдать регла-
мент означает поддерживать стабильность заданного температур-
ного режима и постоянство оборота коксовых печей. Последнее обес-
печивается выталкиванием кокса из камеры сразу после достижения
в центральной плоскости коксового пирога ; заданной конечной тем-
пературы коксования. При четком соблюдении принятой схемы заг-
рузки камер шихтой и постоянном ее качестве (состав, влажность,
степень измельчения) этот регламент обеспечивает, оптимальнее пока-
затели качества всех продуктов коксования, у
§ 2. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РЕЖИМ КОКСОВЫХ ПЕЧЕЙ
И ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЕГО РАСЧЕТА
; Гидравлический режим коксовых печей, т. е. регламентирован-
ное поддержание давлений в отопительной системе коксовых п!ечей
и в камере коксования, не допускает проникновения в камеру .кок-
сования наружного воздуха и газов ,из;отопительной системы печи,
обеспечивая, таким образом, отсутствие контакта коксуемой загруз-
ки в процессе ее нагрева с кислородом. Кислород, проникший в кат
меру печи, приводит к сгоранию части коксуемой загрузки и прежде-
временному выходу из строя' огнеупорной кладкй из-за ее оплавлений
и ошлаковываний. : V
Основные положения гидравлического режима коксовых печей,
предложенные в 1936—37 гг, Р. 3. Лернером, сводятся к следу-
ющему: ; ’ •
1. Давление газов в камере коксования при всех условиях на
протяжении всего времени коксования должно: быть больше атмо-
сферного. -
2. Давление газов в камере коксования при всех условиях и в
любой точке должно быть выше давления, газов в сопряженной с ней
точке отопительной системы коксовой печи. ,
3. Распределение давлений в отопительной системе печи долж-
но быть практически постоянным при одном и том же периоде Кок-
сования (марше печей).
Сейчас эти положения гидравлического режима внедрены на всех
коксохимических заводах Советского Союза и во многих зарубежных
странах.
Поддерживать давление в камере коксования выше атмосферного
особенно важно в последние часы коксования, когда давление в ка-
мере наименьшее. Это обеспечиваете?! определенным давлением газа
в газосборнике, которое в современных условиях устанавливается на
6 5-1611
161
уровне 10—15 мм вод. ст. (конкретно оно зависит прежде всего от
высоты печей). Давление у пода камеры перед выдачей кокса должно
быть не ниже +0,5 мм вод. ст. Верхний предел давления у пода ка-
меры перед выдачей кокса устанавливается, исходя из конкретных
условий работы. Он не должен быть чрезмерно большим, чтобы пре-
дотвратить возможные потери газа через неплотности дверей и излиш-
ние потери газа в отопительную систему.
Превышение давления газов в камере над давлением в обогре-
вательной системе обеспечивается подбором необходимого распреде-
ления давления в последней. При этом исходят из принципа под-
держания нулевого давления в смотровых отверстиях шахточек
вертикалов, через которые замеряют температуры подов вертикалов.
Нулевое или небольшое избыточное давление в верху обогревательного
канала при всех условиях обеспечивает превышение давления в ка-
мере коксовой печи над давлением в отопительн ой системе (ибо в верх-
ней части обогревательного канала наибольшее давление в отопитель-
ной системе) и это благоприятно сказывается на условиях эксплуа-
тации. Большие давления в верхней части обогревательных каналов
затрудняют замер температур и вызывают перегрев верхнего строения
печей, в частности анкерных стяжек, а при разрежении — мел-
кий уголь с верха печей может попадать во время замеров в вертика-
лы, засоряя их.
Нужное распределение давлений в отопительной системе печей
контролируется по разрежению в наднасадочном пространстве на
уровне смотровых глазков регенераторов на восходящем потоке, ве-
личину которого для любых условий можно приблизительно рас-
считать по формуле
^,per = 'P0.K-^ + //(Va-7n.r). (75)
где Ррег — давление в верхней части регенератора, мм вод. ст.-,
Рок — давление в верхней части обогревательного канала, мм вод.
cm.; 2&Р — сопротивление участка между верхом регенератора и
верном обогревательного канала, мм вод. ст.; Н — разность высот
верха регенератора и верха обогревательного канала, м; ув — плот-
ность атмосферного воздуха, кг/м?; уп г — плотность печных газов
при рабочих условиях, кг/м3.
Если принять давление в верхней части обогревательного кана-
ла равным нулю (Р0.14 = 0), то
Pper = Р (Та - Тп.г) -
Превышение давления газов в камере коксования над давлением
в обогревательной системе вызывает перетоки газов, выделяющихся
при коксовании угольной шихты из камеры в обогревательную систе-
му, так как даже новая кладка стен коксовой камеры является газо-
проницаемой. Степень газопроницаемости стен камеры коксования
зависит от качества огнеупорного материала (его структуры), плот-
ности швов, дефектов в кладке и, конечно, разности давлений газов
в камере коксования и в отопительной системе. Однако при перетоке
газов из камеры коксования в отопительную систему в первые часы
162
коксования происходит заграфичивание неплотностей кладки (в них
откладывается пироуглерод) вследствие термического разложения
продуктов коксования. Если точно поддерживать перепад давлений
между камерой коксования и отопительной системой, неплотности
кладки сравнительно быстро уплотняются *и перетоки газа постепен-
но уменьшаются до известного предела. При правильном гидравли-
ческом режиме, по данным многих исследований, потери газа для:
коксовых печей со сроком службы не более 15 лет не превышают 2,5%
его общего выхода. Для других летучих продуктов коксования эта
Рис- 39- Давление газов у стены коксовой камеры (а) и внутри загруз-
ки (б) в процессе коксования.
цифра не превышает 1,5% их ресурсов в сыром коксовом газе. Пол-
ной же герметичности стен камер достичь невозможно.
Динамика изменений давлений в камере коксования, по данным
С. И. Кафтана, для печи высотой 5 м показана на рис. 39. Как вид-
но из рисунка, давлени е из оц н аправляющихся на горячую сторону
(кривая 2), даже сразу после загрузки не превышает 50—60 мм вод.
ст. и в дальнейшем быстро снижается.
В подсводовом пространстве камеры коксования (кривая 3) дав-
ление газов остается практически постоянным (12—15 мм вод. ст.),
так же как и в газосборнике (кривая 4). Газы внутри уголь-
ной загрузки создают давление (кривая 1), которое постепенно повы-
шается, достигая максимума через 1—2 ч после загрузки, а затем
постепенно снижается. Величина этого давления определяется тол-
щиной и вязкостью пластического слоя, которые зависят от состава
плихты и условий нагрева. Давление воспринимается пластическими
слоями и передается на стены камер коксования в виде механической
нагрузки. Чтобы создать правильный гидравлический режим, сле-
дует учесть, что давление газов в камере ср авнительно б ыстро па-
дает. Кладка заграфичивается только в перво й половине периода кок-
сования, когда выделяются газы, которые при разложении могут
6* 163
образовывать пироуглерод. В это время давление в камере достаточно
для обеспечения перетока этих газов в отопительную систему.
Применение первых двух положений гидравлического режима
1позволило значительно увеличить срок службы коксовых печей.
Третье положение при современных приемах регулирования обогре-
ва коксовых печей, которые предусматривают определенное (близкое
•к нулю) давление, в верхней части обогревательных каналов, практи-
чески всегда выполняется. Но надо
учитывать то, что при изменении
количеств газов, проходящих ото-
пительную систему печи, несколь-
ко изменяется распределение этих
потоков внутри обогревательной
системы.
Распределение давлений в ото-
пительной системе коксовых печей
Рис. 40. Гидравлическая кривая пе-
чей Ш)Р:
I — газовый регенератор; 2 воздушный
регенератор.
рассчитывают на основе формулы
Бернулли, хорошо известной из
гидравлики. Формула эта справе-
длива для несжимаемой жидкос-
ти, но при не очень больших пере-
падах давления (до 500 juju вод. ст.)
ее можно применять для газовых
потоков. В уравнении Бернулли
фиксируется следующее соотноше-
ние, выражающее закон сохранения внешней энергии потока газа
при переходе потока! из сечения в сечение F2:
<й? ®2 2
•' . Pi+-^- -y + F1y = P1+-^ у + Н1у + ^р, (76)
где и Р2 статические давления в первом и втором сечениях вдоль
потока, н/м3 (мм вод. ст)\ и <d2-— средние скорости потока в тех же
сечениях, ju/c; у — плотность газа, кг/м3-, — геометрические
высоты центра сечения потока; S АР — потери напора на преодоле-
.нце местных сопротивлений между первым и вторым сечением, h/ju3
(juju вод. ст.).
Зная показатели- состояния газового потока в одном из сечений,
можно определить статическое давление в любом другом сечении при
известных геометрических высотах центра сечения (или разности
этих высот), величины сечения и плотности газа. Потери напора (SAP)
выбирают в соответствии с надлежащими руководствами, приведен-
ными в перечне литературы. Техника этих вычислений здесь опус-
кается.
В результате последовательных расчетов можно определить зна-
чение статических давлений в. определенных точках отопительной си-
стемы печи. Обычно такими точками выбираются: на восходящем по-
токе газов подовый канал рёгенератб'рй, поднасадочное пространство
регенератора, низ и верх вертикала, верхняя часть смотровой шах-
: ’н 4
точки вертикала и те же точки на нисходящем потоке./Примерное
практическое распределение давлений (гидравлическая кривая) для
печей ПВР приведено на рис. 40.,
§ 3. ТЕМПЕРАТУРНЫЙ РЕЖИМ КОКСОВАНИЯ
При правильном температурном режиме конечная температура
коксования должна одновременно достигаться всеми точками цент-
ральной плоскости коксового пирога в каждой камере батареи через
строго определенный промежуток времени после загрузки камеры
шихтой (период коксования)?! Этот промежуток времени не должен
изменяться в пределах одного и того же режима коксования (марша
печей).
Постоянство периода коксования — одно из важнейших положе-
ний слоевого процесса производства кокса.Юдновременное достижение
конечной температуры коксования всеми точками центральной плос-
кости камеры по длине обеспечивается соответствующим распреде-
лением температур по обогревательному простенку и характеризу-
ется так называемой температурной кривой, т. е. графиком распреде-
ления температур на подах вертикалов. |
Примерный вид такой кривой и соответствующее распределение
конечных температур в центральной плоскости коксового пирога для
коксовой печи с камерой высотой 5 м по разовому замеру даны на
рис. 34. На рисунке видно характерное снижение температуры в
крайних вертикалах простенка. "
( Характер распределения температур вдоль обогревательного про-
стенка должен быть идентичным для всех простенков батареи (кро-
ме простенков, граничащих с контрфорсами). Распределение давления
во всех простенках батареи также должно быть одинаковым. На прак-
тике это достигается поддерживанием одинакового давления (точ-
нее — разрежения) в одноименных реген ераторах всех печей бата-
реи.[Регулирование величины живого сечения отверстий газовоздуш-
н'ых клапанов, количества газа, подаваемого в каждый простенок,
и величины разрежения при выходе продуктов горения из подовых
каналов, наряду с поддерживанием требуемого распределения темпе-
ратур по длине простенка, обеспечивают минимальные отклонения
разрежения в верхней части каждого регенератора от разрежения в
верху контрольного регенератора и наибольшую равномерность тем-
ператур, замеренных по контрольным вертикалам (т. е. вертикалам,
по которым сравниваются температуры простенков) коксовой и ма-
шинной сторон вдоль батареи. Такая служба «синхронизации» режи-
ма простенков батареи я вля ется основой работы персонала, обеспе-
чивающего необходимый технологический режим.
-- Реверсия («кантовка») потоков газов в отопительной системе кок-
совых печей изменяет температуру на подах вертикалов во времени:
на восходящем потоке она повышается, на нисходящем потоке тем-
пература снижается. Эти изменения температуры характерны для
наружных стен обогревательных каналов; со стороны камеры кок-
сования их нет. Для устранения возможных неточностей определенця
165
температуры отдельных простенков обычно рабочие температуры
в контрольных вертикалах приводятся к определенному моменту пос-
ле перевода вертикала на нисхо; ящий поток (чаще всего к двадцатой
секунде после кантовки;|делается это по специальной инструкции).
Пересчет замеряемых температур к двадцатой секунде после кан-
товки легко сделать, если известны характер падения температуры
в вертикале на нисходящем потоке, время начала и конца замера тем-
ператур в контрольных вертикалах. Все отчетные данные, как пра-
вило, включают в себя приведенные к двадцатой секунде после кан-
товки температуры по контрольным вертикалам.
Характер изменения температуры на подах вертикалов за время
между реверсиями должен систематически проверяться. Он зависит
от величины поддерживаемой средней температуры, от разности тем-
ператур по высоте обогревательного канала, а также от некоторых
других причин. Приведенные температуры подов контрольных вер-
тикалов можно использовать для оценки равномерности обогрева
печей по длине батареи и стабильности этих температур во времени.
—- Равномерность температур вдоль батареи оценивают коэффициен-
том равномерности среднесуточных температур Кб в контрольных
вертикалах обогревательных простенков, подсчитанным не менее чем
из трех замеров, по формуле
_ (лг — Дм) + (т — ак)
где т — количество простенков в батарее, за исключением крайних
и обогревающих ремонтируемые и буферные печи; ам — количество
простенков с машинной стороны с отклонениями температур в кон-
трольных вертикалах больше ±20 °C от среднесуточной температуры;
ак — то же с коксовой стороны.
Постоянство среднесменных температур по длине батареи характе-
ризуется коэффициентом Кс и определяется по формуле
_ 2п — (ом±ок)
Кс--------2п-----’ z <78)
где п — количество замеро.в температур, произведенных по длине
батареи за анализируемый промежуток времени; ом — количество
отклонений средних температур в контрольных вертикалах машин-
ной стороны батареи более чем ±7° С от заданного по технологиче-
скому регламенту для данного оборота печей; ок — то же для коксо-
вой стороны.
На нормально работающих батареях значения коэффициентов
Кб и Кс близки к единице, причем для достижения таких значений
обоих коэффициентов особое значение имеет строгое соблюдение-' ве-
личины оборота печи^1
В нормальных условиях при постоянном подводе тепла к бата-
рее и при постоянстве свойств коксуемой шихты обеспечивается пол-
ная стабильность теплового режима на определенном уровне и рав-
номерность качества получаемого кокса. При этом должна также
соблюдаться схема загрузки шихты в камеру (порядок и скорость
166
выпуска шихты из бункеров, начало и продолжительность планирова-
ния загрузки в камере и другое, что обеспечивает одинаковый отъ-
ем тепла у всех камер, а, следовательно, и постоянство теплового
режима.
Стремление к равномерному отъему тепла по длине батареи дик-
тует определенный порядок (последовательность) выдачи кокса из
печей для более равномерного распределения свежезагруженных пе-
чей по длине батареи. Загрузка камеры печи шихтой резко снижает
температуру стен камеры (понижение
температуры заметно даже на поду
вертикала). Распределение темпера-
тур по ширине камеры коксования
для различных отрезков времени,
прошедших с момента загрузки каме-
ры угольной шихтой (изохроны тем-
ператур), представлено на рис. 41.
Изохроны температур по ширине ка-
меры характеризуют условия коксо- Рис,41. Изохронь, темПераТур по
образования, так как по ним в каж- ширине камеры коксования (цифры
дый момент времени легко предста- на кривых — время коксования
вить температурное поле и тепловые в ч).
потоки в загрузке, изучить скорости
прохождения температурных интервалов, определить толщину плас-
тического слоя и установить влияние влажности шихты на измене-
ние температурного поля. При этом следует учитывать, что тепло-
вые характеристики угольной загрузки, в частности ее теплоемкость
и теплопроводность, изменяются в процессе коксования. По изо-
хронам можно рассчитать тепловой поток в камеру коксования, ес-
ли известны постадийные теплоемкости угля, пластической массы,
полукокса и кокса, а также почасовое выделение влаги из загрузки
и потери в массе твердого остатка при отгоне летучей части.
Условия прогрева угольной загрузки сильно влияют на качество
и выход продуктов коксования. Так, повышение влажности шихты
при неизменном периоде коксования ведет к образованию более мел-
кого кокса. Повышение скорости прогрева загрузки и конечной
температуры коксования, как правило, увеличивает выход коксово-
го газа, изменяет состав каменноугольной смолы и бензола. Изучению
влияния теплового режима коксования на состав и выход продуктов
процесса коксования посвящены работы многих ученых как в Совет-
ском Союзе, так и за рубежом.
§ 4. СЕРИЙНОСТЬ ВЫДАЧИ КОКСА
Порядок (очередность, или последовательность) в выдаче кокса
из камер батареи, называемый серийностью выдачи кокса из печей,
устанавливается, исходя из условий равномерного теплового состоя-
ния кладки отдельных камер и батареи в целом , загрузки коксовых
машин, в том числе совмещения различных операций по обслуживанию
167
печей; создания оптимальных условий для обслуживающего пер-
сонала; требований техники безопасности и т. д.
Теоретические основы выбора рациональной серийности выда-
чи кокса из печей в технологии коксового производства заложены
Р. 3.Лернером. По Р. 3. Лернеру серийность выдачи может быть пред-
ставлена математически в общем виде
1; 1 + m; 1 + 2m; 1 3m; 1 + 4m; . . .
1 + «; (1 + я) + т; (l + n)-J-2m; (1 + n) + 3m; (1 -f- n) + 4m; ...
l-f-2n; (1 + 2n) + m; (1 + 2n) + 2m; (l+2n) + 3m; (1 + 2n) + 4m; ...
Каждый горизонтальный ряд этой таблицы, ограничиваемый чис-
лом печей в батарее, является арифметической прогрессией с раз-
ностью т (т = 0, 1, 2, 3, 4, ...). Каждый член этого ряда представ-
ляет собой номер печи, подлежащей выдаче. Разность т (будем
называть ее шагом выдачи) —это расстояние (выраженное в числе ка-
мер) между двумя камерами, из которых последовательно выдается
кокс. Величина т изменяется от 0 до числа печей в батарее.
Каждый вертикальный ряд этой таблицы тоже арифметическая
прогрессия с разностью п (п — 0, 1, 2, 3, 4, ...). Величина п является
разностью в номерах соответствующих печей двух соседних серий
(шаг серии).
Таким образом, любая серийность выдачи может быть обозначена
двумя цифрами тип, одна из которых представляет собой шаг вы-
дачи, а вторая — шаг серии.
Выражение (иг — п) — это -совершенно конкретный порядок вы-
дачи печей.
Так, при т = 10, п = 3 серийность выдачи будет обозначаться
(10—3), а порядок выдачи кокса будет следующим: номер печей: 1,
11, 21, 31, 41 и так далее до конца батареи, затем 4, 14, 24, 34, 44 и
так далее до конца батареи, затем 7, 17, 27, 37, 47 и так далее до кон-
ца батареи. Далее по принятому порядку (кокс будет выдаваться из
печей, начинающихся с номеров 10, 3, 6, 9, 2, 5, 8), пока не будет
выдан кокс из всех камер батареи. После этого цикл начинается сна-
чала (с первой серии: 1, 11, 21 и т. д.).
Количество серийностей, которые можно применить на батарее
с числом печей N, равно А/2 — N.
На выбор серийности выдачи кокса влияют, как уже было сказано,
несколько факторов, важнейшими из которых являются тепловое
состояние каждой из камер батареи и тепловое состояние батареи в
целом. Тепловое состояние камер, находящихся рядом с камерой,
из которой следует выдавать кокс, нужно оценивать не только с точ-
ки зрения отъема тепла от кладки, но и с точки зрения возможного
давления распирания.
Во всех случаях благоприятными условиями эксплуатации печей
являются наименьшая разница «возрастного состояния» камер с обе-
их сторон от камеры, подлежащей выдаче, и наибольшее прибли-
168
жение «возрастного состояния» обеих этих камер к половине периода
коксования, т. е. в общем виде принцип таков: разрыв между выда-
чей-загрузкой двух соседних печей должен быть равен половине пе-
риода коксования.
Это накладывает жесткие ограничения на выбор вариантов се-
рийности выдачи, прежде всего, с точки зрения отъема тепла уголь-
ной загрузкой камеры у кладки обогревательных простенков. Кро-
ме того, следует помнить, что подвод тепла в каждый простенок (обо-
гревательный канал) практически постоянен, а отъем тепла у кладки
стены, разделяющей камеры коксования и обогревательные каналы,
колеблется. В первые часы коксования (сразу после загрузки камеры
шихтой) тепловой поток от кладки простенка к угольной загрузке
резко возрастает. Это даже несколько снижает температуру поверх-
ности вертикалов, несмотря на аккумулирующее действие нагретой
кладки.
Начиная со средины периода коксования, кладка простенка нака-
пливает тепло, температура кладки отопительных каналов повышает-
ся, поэтому рационально примерно в этот период загружать сосед-
нюю камеру для стабилизации процесса отъема тепла от простенка х.
Ни один из вариантов серийностей выдачи не обеспечивает точного
соблюдения этого порядка, тем более, что на выбор серийности влия-
ют причины не только теплотехнического характера. Однако макси-
мальное приближение к принципу равномерного отъема тепла
с обеих сторон камеры является решающим при выборе вариантов
серийности выдачи кокса. Важным фактором при этом является рав-
номерное распределение свежезагруженных камер по длине батареи,
что также способствует правильной балансировке теплового потока
в массиве батареи.
При выборе варианта серийности приходится считаться также
с рациональной загрузкой коксовых машин (особенно при напря-
женном темпе выдачи), снижением их холостых пробегов и создани-
ем необходимых условий для персонала, обслуживающего выдачу
и загрузку коксовых печей.
Исследования, выполненные советскими специалистами, показа-
ли, что лишь немногие варианты серийности выдачи печей могут удов-
летворять требованиям современной технологии коксования. При
этом удовлетворение одних требований часто противоречит другим
требованиям. Так, требования сближения периодов коксования (вре-
мени, прошедшего от загрузки) двух камер, находящихся по обе сто-
роны камеры, подлежащей выдаче, лучше всего удовлетворяются при
вариантах серийности 2—1 или вида А—2, где А — нечетное число
больше пяти. Ниже показан разрыв между загрузкой двух смежных
1 Исследованиями установлено, что температура кладки простенка от начала до
конца коксования изменяется примерно на 40—50 град: сначала в течение 2,5—3 ч
температура понижается на эту величину, а затем постепенно повышается до исход-
ного уровня. По данным фирмы Вилпут (США), указанное изменение температуры в
отопительных каналах составляет при скорости коксования 28 мм!ч около 55 град,
а при скорости коксования 25 мм/ч — 70 град.
169
печей; создания
сонала; требогб
Теоретичен %
чи кокса изб
Р. З.Лерне-
ставлена & •%.
V. Ъ £ °,
<> Л
> Л А, '
камерой при различной серийности и общем
-1ри
3—2 5—2 9—2 11—2 20—2
5,25 3,00 1,70 1,50 1,00
ость типа А—2 нА — четное число, не-
настное состояние камер, смежных с
равномерное распределение по длине
> (т. е. тех, которые создают наиболь-
оатареи) не достигается.
лучшим вариантом серийности выдачи счи-
котором обеспечивалось достаточное при-
лежных камер к средине периода коксования, что
.юкализации действия
,и. 50. Возрастное состояние камер
при различных серийностях
Серийность Время от начала коксования, ч, для печи
слева загружен- ной справа
5—2 6,00 0 9,00
9—2 6,65 0 8,35
2—1 7,25 0 7,50
давления распирания коксуемой
шихты. При такой серийности
выдачи обеспечивался относи-
тельно равномерный отъем теп-
ла по длине батареи. В табл. 50
приведены данные о возрастном
состоянии камер для трех наибо-
лее распространенных вариантов
серийности при общем обороте
печей в 15 ч.
Увеличение числа А при се-
рийности А'—2 увеличивает про-
бег машин, хотя распределение
свежезагруженных камер подли-
не батареи и возрастное состояние смежных камер с камерой, гото-
вой к выдаче, улучшаются (уменьшается разрыв между загрузкой
двух рядом расположенных камер).
Серийность 2—1 является наилучшей с точки зрения равновесно-
го теплового состояния отдельной камеры (наименьший разрыв меж-
ду загрузкой двух рядом расположенных камер), а, следовательно,
и нагрузок от давления распирания. При этой серийности операции
на коксовыталкивателе и загрузочном вагоне можно совмещать, но
тепловое состояние по длине батареи ухудшается (вплоть до иска-
жения температур обогревательных простенков) и затрудняются ус-
ловия обслуживания печей. На больших батареях с напряженными
режимами работы машин серийность 2—1 выгодна, так как дает воз-
можность выдать кокс из всех камер всего в два «захода», т. е. практи-
чески исключает холостые пробеги коксовых машин.
Серийность 5—2 до последнего времени была мало распростране-
на, так как в тепловом отношении она уступает серийностям 9—2
и 2—1. Сейчас ее опять стали применять на больших батареях, т. к.
она допускает возможность совмещать операции коксовых машин.
Серийность 11—2 совсем не применяют из-за больших потерь
машинного времени.
Таким образом, вопрос подбора оптимальной серийности выдачи
решается выбором между вариантами 2—1, 9—2 и 5—2 с учетом
конкретных условий работы.
170
§ 5. ПРАВИЛА ТЕХНИЧЕСКОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ.
ГРАФИКИ ВЫДАЧИ КОКСА ИЗ ПЕЧЕЙ
Итак, основной фактор, определяющий оптимальное ведение про-
цесса коксования и получение продуктов лучшего качества,— это
постоянство периода коксования, которое обеспечивается постоянством
свойств загружаемой в печи угольной шихты,стабильностью заданного
теплового и гидравлического режимов и постоянством оборота печей,
т. е. времени между двумя последовательными загрузками одной
и той же камеры.
Для соблюдения оптимальных параметров технологического ре-
жима на всех участках производства необходима большая и согла-
сованная работа многих людей, обслуживающих эти участки. Рабо-
та их облегчается, если для каждого участка производства или для
каждой операции определен соответствующий оптимальный регламент.
Регламенты для основных операций и участков коксохимического
производства сведены вместе и называются «Правилами технической
эксплуатации коксохимических предприятий» (сокращенно «ПТЭ»),
Они были впервые изданы в Советском Союзе еще в довоенное вре-
мя и сыграли колоссальную роль в оптимизации, упорядочении тех-
нологического режима и организации коксохимического производ-
ства.
ПТЭ включают в себя основные положения организации управ-
ления коксохимическими предприятиями; поддерживания оптималь-
ных технологических режимов в основных цехах коксохимического
производства; взаимоотношений между цехами и участками; органи-
зации обслуживания и ремонта основных средств; снабжения цехов
предприятия различными видами энергоресурсов; безопасного веде-
ния работ; контроле производства и другие принципиальные положе-
ния, общие для всех предприятий коксохимической промышленности.
Некоторые положения, изменяющиеся в зависимости от конкретных
условий, характерных только для отдельных предприятий, согласно
ПТЭ регламентируются заводскими и цеховыми технологическими и
другими инструкциями, составляемыми на основе типовых. Отдель-
ные положения ПТЭ в связи с прогрессом в технологии коксохимиче-
ского производства периодически пересматриваются.
Правила технической экплуатации регламентир уют порядок за-
грузки шихтой камер коксования, выдачи кокса из печей, тушения
и сортировки кокса, параметры теплового и гидравлического режима
печей и другие принципы обслуживания печей и оборудования.
В ПТЭ подчеркивается необходимость строго регламентировать
операции по загрузке шихтой камер коксования, чтобы обеспечить ми-
нимальные колебания массы шихты, загружаемой в каждую камеру.
Постоянство разовой загрузки камер обеспечивает одинаковые усло-
вия коксования во всех камерах, т. е. стабильность режима коксо-
вания.
При постоянном тепловом и гидравлическом режимах коксовых
печей стабильность технологического процесса коксования в целом
определяет график выдачи кокса из печей. В графике указывается
171
камер с готовой к выдаче камерой при различной серийности и общем
обороте печей 15 ч:
Серийность.......... 2—1 3—2 5—2 9—2 11—2 20—2
Разрыв во времени, ч 0,25 5,25 3,00 1,70 1,50 1,00
Если применяется серийность типа А—2 и А — четное число, не-
смотря на благоприятное возрастное состояние камер, смежных с
камерой, подлежащей выдаче, равномерное распределение по длине
батареи свежезагруженных камер (т. е. тех, которые создают наиболь-
ший отъем тепла от массива батареи) не достигается.
Поэтому долгое время лучшим вариантом серийности выдачи счи-
тался вариант 9—2, при котором обеспечивалось достаточное при-
ближение обеих смежных камер к средине периода коксования, что
важно для локализации действия
давления распирания коксуемой
шихты. При такой серийности
выдачи обеспечивался относи-
тельно равномерный отъем теп-
ла по длине батареи. В табл. 50
.приведены данные о возрастном
состоянии камер для трех наибо-
лее распространенных вариантов
серийности при общем обороте
печей в 15 ч.
Увеличение числа А при се-
рийности А'—2 увеличивает про-
бег машин, хотя распределение
свежезагруженных камер по дли-
смежных камер с камерой, гото-
Таблица 50. Возрастное состояние камер
при различных серийностях
Серийность Время от начала коксования, ч, для печи
слева загружен- ной справа
5—2 6,00 0 9,00
9—2 6,65 0 8,35
2—1 7,25 0 7,50
состояние
не батареи и возрастное
вой к выдаче, улучшаются (уменьшается разрыв между загрузкой
двух рядом расположенных камер).
Серийность 2—1 является наилучшей с точки зрения равновесно-
го теплового состояния отдельной камеры (наименьший разрыв меж-
ду загрузкой двух рядом расположенных камер), а, следовательно,
и нагрузок от давления распирания. При этой серийности операции
на коксовыталкивателе и загрузочном вагоне можно совмещать, но
тепловое состояние по длине батареи ухудшается (вплоть до иска-
жения температур обогревательных простенков) и затрудняются ус-
ловия обслуживания печей. На больших батареях с напряженными
режимами работы машин серийность 2—1 выгодна, так как дает воз-
можность выдать кокс из всех камер всего в два «захода», т. е. практи-
чески исключает холостые пробеги коксовых машин.
Серийность 5—2 до последнего времени была мало распростране-
на, так как в тепловом отношении она уступает серийностям 9—21
и 2—1. Сейчас ее опять стали применять на больших батареях, т. kJ
она допускает возможность совмещать операции коксовых машин.
Серийность 11—2 совсем не применяют из-за больших потерь!
машинного времени.
Таким образом, вопрос подбора оптимальной серийности выдач!
решается выбором между вариантами 2—1, 9—2 и 5—2 с учето.'
конкретных условий работы.
170
§ 5, ПРАВИЛА ТЕХНИЧЕСКОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ.
ГРАФИКИ ВЫДАЧИ КОКСА ИЗ ПЕЧЕЙ
Итак, основной фактор, определяющий оптимальное ведение про-
цесса коксования и получение продуктов лучшего качества,— это
постоянство периода коксования, которое обеспечивается постоянством
свойств загружаемой в печи угольной шихты, стабильностью заданного
теплового и гидравлического режимов и постоянством оборота печей,
т. е. времени между двумя последовательными загрузками одной
и той же камеры.
Для соблюдения оптимальных параметров технологического ре-
жима на всех участках производства необходима большая и согла-
сованная работа многих людей, обслуживающих эти участки. Рабо-
та их облегчается, если для каждого участка производства или для
каждой операции определен соответствующий оптимальный регламент.
Регламенты для основных операций и участков коксохимического
производства сведены вместе и называются «Правилами технической
эксплуатации коксохимических предприятий» (сокращенно «ПТЭ»),
Они были впервые изданы в Советском Союзе еще в довоенное вре-
мя и сыграли колоссальную роль в оптимизации, упорядочении тех-
нологического режима и организации коксохимического производ-
ства.
ПТЭ включают в себя основные положения организации управ-
ления коксохимическими предприятиями; поддерживания оптималь-
ных технологических режимов в основных цехах коксохимического
производства; взаимоотношений между цехами и участками; органи-
зации обслуживания и ремонта основных средств; снабжения цехов
предприятия различными видами энергоресурсов; безопасного веде-
ния работ; контроле производства и другие принципиальные положе-
ния, общие для всех предприятий коксохимической промышленности.
Некоторые положения, изменяющиеся в зависимости от конкретных
условий, характерных только для отдельных предприятий, согласно
ПТЭ регламентируются заводскими и цеховыми технологическими и
другими инструкциями, составляемыми на основе типовых. Отдель-
ные положения ПТЭ в связи с прогрессом в технологии коксохимиче-
ского производства периодически пересматриваются.
Правила технической экплуатации регламентируют порядок за-
грузки шихтой камер коксования, выдачи кокса из печей, тушения
и сортировки кокса, параметры теплового и гидравлического режима
печей и другие принципы обслуживания печей и оборудования.
В ПТЭ подчеркивается необходимость строго регламентировать
операции по загрузке шихтой камер коксования, чтобы обеспечить ми-
нимальные колебания массы шихты, загружаемой в каждую камеру.
Постоянство разовой загрузки камер обеспечивает одинаковые усло-
вия коксования во всех камерах, т. е. стабильность режима коксо-
вания.
При постоянном тепловом и гидравлическом режимах коксовых
печей стабильность технологического процесса коксования в целом
определяет график выдачи кокса из печей. В графике указывается
171
время (часы и минуты) выдачи кокса из каждой камеры в данной
смене (или сутках).
Принцип составления графика выдачи кокса из печей заключа-
ется в поддержании постоянного, соответствующего заданному ре-
жиму, периода коксования для всех печей (а, следовательно, и обо-
рота печей). При составлении графика допускается отклонение от
заданного периода коксования, определенного тепловым режимом пе-
чей, не более ±5 мин.
В ПТЭ подчеркивается, что основным условием нормальной экс-
плуатации печей является четкое соблюдение твердо установленного
графика выдачи кокса. Если кокс выдан из печи с отклонением от гра-
фика более чем на 5 мин, то такая печь считается вне графика. Иногда
в силу сложившихся обстоятельств (ремонт, бурение и др.) в график
выдачи вводят печи, период коксования которых значительно отли-
чается от заданного. Наличие таких .печей нарушает стабильность
технологического режима. Для количественной характеристики чис-
ла таких печей используют коэффициенты равномерности выдачи
кокса из печи. По существу они являются коэффициентами постоянст-
ва периода коксования — важнейшего показателя соблюдения тех-
нологического режима.
Если в график пришлось ввести а печей с периодом коксования,
отличающимся более, чем на 5 мин от заданного, при общем количест-
ве печей, из которых предстоит выдать кокс за смену (сутки), равном
т, то отношение
к т~~а
Лрасч т
называется расчетным коэффициентом равномерности выдачи кокса и
характеризует график с точки зрения постоянства периодов коксо-
вания.
Работу за смену (сутки) оценивают по выполнению составлен-
ного графика выдачи кокса при помощи коэффициента исполнения:
Кисп = п~“г-, (79)
где Кисп — коэффициент равномерности выдачи кокса из печей, ха-
рактеризующий исполнение расчетного графика; т — заданное ко-
личество печей, из которых нужно выдать кокс; п — фактическое
количество обработанных за смену печей; a — количество печей,
обработанных с отклонением более, чем на 5 мин от составленного
(расчетного) графика.
Для общей оценки постоянства периодов коксования (выдержи-
вания заданного периода коксования) используется общий коэффи-
циент равномерности выдачи Кобт- Он является произведением двух
рассмотренных коэффициентов
^общ ^расч^исп
и указывает долю печей, кокс из которых выдан с заданным перио-
дом коксования (или с отклонением от него не более 5 мин).
Отклонения от графика в какой-то смене (низкий Лисп) вызовут
172
Таблица 51. Методика составления
цикличного графика эксплуатации
Номе- ра цик- лов Время, ч
начала ' периода выдачи окончания пе- риода выдачи и начала пе-. риода ремонта окончания пе- риода ремонта и всего цикла
1 0 13,5 15,0
2 15,0 4,5 6,0
3 6,0 19,5 ' : 21,0 '
4 21,0 ; 10,5' 12,0
5 12,0 1,5 . , 3,0
6 3,0 16,5 18,0
7 18,0 7,5 9,0
8 ! 9,0 22,5 0
период вы-.
ухудшение /Срасч в последующей смене, что приведет даже при высо-
ком Киеп к ухудшению Кабщ.
Графики выдачи печей должны составлять только высококвалифи-
цированные специалисты.
Широко применявшийся рацее график, предусматривающий рав-
номерную на протяжении смены выдачу кокса с небольшими (15—
20 мин) перерывами между сменами для приема и сдачи смены и мел-
ких ремонтов, теперь заменен ^цикличным. и более практичным гра-
фиком работы, предложенным Р. 3. Лернером. Недостаток старого гра-
фика выдачи кокса состоял в <гбм, что междусМенные простои, а также
остановки для ремонта машин Л '
и оборудования (1—2 раза в
неделю) происходили после
выдачи различных печей, что
приводило к колебаниям пе-
риода коксования, следстви-
ем чего были нарушения теп-
лового режима батареи.
Р. 3. Лернер предложил
останавливать машины для
ремонта всегда после выдачи
кокса из одной и той же пе-
чи: при работе на «полном
цикле» после выдачи кокса
из всех печей батареи, а при
работе «на полуцикле» — меж-
ду выдачей кокса из четных
или нечетных печей. Каждый
цикл делится на период выдачи
дачи кокс выдается из всех
выдачи и периода ремонта равна
роту печи). В табл. 51 представлена методика составления цикли-
чного графика эксплуатации коксовых печей (теперь это уже не
только график выдачи кокса) при периоде коксования 15 ч и оста-
новке на ремонты 1,5 ч («полный цикл»), В конце восьмого цикла гра-
фик замыкается, так как девятый цикл аналогичен первому. Таким
образом, при обороте печей 1-5 ч достаточно составить график только
з 15 , -
на восемь циклов, т. е. на —— = 5 су?ток.
Промежуток .времени, после которого цикл начинает повторять-
ся, называют большим циклом в отличие от малого цикла, равного'
обороту печей. Здесь большой цикл равен 5 суткам.
Цикличный график эксплуатации коксовых речей позволяет один
раз на протяжении оборота печей ремонтировать машины и оборудо-
вание, убирать территорию и. проводить другие работы, для кото-
рых необходимо прекращать выдачу кокса из печей. Продолжитель-
ность периода ремонта определяется по максимальному . числу
выдач кокса в час без ухудшения условий эксплуатации. Если требу-
ются менее продолжительные, но более частые ремонты, то применяют
и период ремонта. За
печей батареи. Сумма периода
периоду коксования (точнее, обо-
173
полуциклические остановки. Их устраивают два раза на про-
тяжении периода коксования: после выдачи кокса из всех четных
и после выдачи кокса из всех нечетных печей.
Практика работы по циклическому методу показала достаточную
устойчивость температурного режима печей и равномерность газовы-
деления.
Глава IV. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СТРОИТЕЛЬСТВЕ
И ПУСКЕ КОКСОВЫХ БАТАРЕЙ
§ 1. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИСПОЛЬЗУЕМЫХ
ОГНЕУПОРОВ И КЛАДКИ
Батарея коксовых печей в строительном отношении представляет
собой сложную конструкцию. Это дорогостоящее сооружение, кото-
рое рассчитано на длительный срок службы (20 лет и более). По-
сле подземных сооружений (шахтотоннели и т. п.) по объему капи-
тальных вложений коксовая батарея занимает первое место среди
промышленных объектов.
Основной частью коксовой батареи является огнеупорная клад-
ка, выполняемая из высококачественных и сложных в изготовлении
фасонных огнеупорных кирпичей и мертелей (растворы, на которых
ведут кладку огнеупорных кирпичей для достижения монолитности
и малой газопроницаемости кладки).
Огнеупорная кладка должна обеспечивать необходимую механи-
ческую прочность конструкции печи, иметь высокую плотность, т. е.
минимальную возможность для непредусмотренных проектом пере-
токов газов из одного участка рабочего пространства печи в другой,
быть достаточно огнеупорной (огнеупорность определяется темпе-
ратурой плавления материала) и термостойкой (здесь и далее под
термостойкостью понимается устойчивость к переменам температур).
Проектирование и выполнение кладки современных коксовых печей —
это обширная и хорошо разработанная часть технологии коксохими-
ческого производства.
В процессе эволюции конструкций коксовых печей в последние
годы сложилась оптимальная схема применения различных огнеупо-
ров в разных зонах кладки. При этом еще учитывались требования,
связанные с химическим взаимодействием угольной загрузки и огне-
упоров кладки коксовой камеры.
Для кладки коксовых печей в наибольшем количестве расходуется
динасовый кирпич. Из него выполняются наиболее ответственные
части кладки коксовой батареи: кладка камеры и обогревательного
простенка, а также зона косых ходов. Если на одну камеру объемом
21,6 ж3 в коксовой батарее приходится примерно 167 т огнеупоров,
динас из них составляет около 125 т, а для камеры объемом 30м3
из 210 т необходимых огнеупоров динас составляет около 180 т.
Более широкое применение динаса в кладке батареи ограничивается
174
его высокой стоимостью и относительно низкой термостойкостью, не
допускающей применения его для кладки подовых каналов насадки реге-
нераторов, сводов камер и т. п. Однако технология производства ог-
неупоров совершенствуется. Сейчас уже вырабатывают огнеупоры,
которые удовлетворяют более высоким требованиям коксового произ-
водства. Возможно в будущем весь динасовый кирпич в кладке кок-
совой батареи будет заменен другими огнеупорами. Перспективными
с этой точки зрения являются: динас с повышенной объемной массой,
магнезитовые и карборундовые изделия с более высокими огнеупор-
ностью и термостойкостью.
В последнее время ведутся исследования по использованию ко-
рунда для кладки стен камер коксовых печей. Первые результаты
исследований показывают, что при использовании корундовых
огнеупоров можно резко снизить период коксования, увеличить
конечную температуру процесса, повысить скорость нагрева уголь-
ной загрузки. Все это открывает новые перспективы совершенство-
вания процесса коксования. Но применение корундовых изделий тор-
мозится пока недостаточным их производством.
Шамотный кирпич также является одним из основных материалов
для огнеупорной кладки. Его изготовляют из огнеупорных пластиче-
ских глин с добавкой шамота (предварительно обожженых глин).
Химический состав такого кирпича следующий: SiO2— 50—55%,
A12Q— 35—45%. Шамотный кирпич высокотермостойкий и огне-
упорный, но температура деформации под нагрузкой у него низкая
(около 1300° С), что резко сокращает возможности его применения
в современных коксовых печах. Кирпич с повышенным содержанием
SiO2 (70—80%) называют полукислым. Многошамотные изделия го-
товят из шихт с увеличенным содержанием шамота методом полусухо-
го прессования Они отличаются повышенной механической проч-
ностью и теплопроводностью.
Динасовый кирпич готовят из дробленых кварцитов с добавкой
в качестве связки известкового молока. Содержание SiO2 в динасовом
кирпиче составляет не менее 94%. Динасовый кирпич имеет высокую
огнеупорность (около 1700° С) и высокую температуру деформации
под нагрузкой (примерно 1650° С). Этим он выгодно отличается от
шамотного кирпича. Динасовый кирпич также механически более
прочен, чем шамотный. Временное сопротивление сжатию для дина-
сового кирпича составляет при комнат ной температуре 17,1—21,6 Мн!м2
(175—220 кгс!смг), а для шамотного — 7,8—14,7 Мн/м2, (80—
150 кгс/см2). Хотя таких нагрузок в коксовой печи кирпич не несет,
но следует помнить, что при высоких температурах механическая
прочность огнеупорных изделий резко падает. Теплопроводность
динасового кирпича значительно выше, чем у шамотного, что имеет
решающее значение для производительности коксовых печей.
Нормальный и фасонный динас применяют для кладки стен реге-
нераторов, корнюрной зоны, вертикалов, стен камер, головок обо-
гревательных простенков, сводов и пода камер коксования.
Полукислый и нормальный шамот используют для кладки боро-
вов, зеркал регенераторов, колосниковой решетки, футеровки
175
подовых каналов и др. Из полукислого шамота изготовляют и ре-
шетчатую насадку регенераторов.
В отдельных местах кладки, требующих высокой термостойкости,
повышенной механической прочности, Высокой точности размеров
(нижняя часть стен регенераторов, крайние корнюрные кирпичи,
крайние сводовые кирпичи камер, верхняя часть люков и др.), испо-
льзуется многошамотный кирпич. ; -
Количество фасонных марок кирпича (типоразмеров) велико и
колеблется в зависимости о+ конструкции печи примерно от 450
до 500.
Один из недостатк сВ динасового кирпича— это неравномерное
изменение объема при нагреве. Кремнезем (SiO2) имеет несколько
модификаций; резко отличающихся по плотности и переходящих од-
на в другую в очень узких температурных интервалах, причем часть
этих реакций обратима. В связи с этим при обжиге динасового кирпича
применяется медленный и длительный нагрев для обеспечения полно-
ты необратимых переходов. Однако это не гарантирует достаточной
термостойкости кирпича в эксплуатации. Критерием его качества в
этом отношении служит истинная плотность. Как уже указывалось,
лучший динасовый материал имеет истинную плотность 2,32 г!см?.
Из-за особенностей динасового материала разогревать новопостроен-
ную коксовую батарею до рабочих температур, а также отдельные
печи после холодного ремонта1 нужно очень осторожно. Особенно ва-
жен и Ответственен график разогрева новой батареи коксовых печей.
Учитывая большую стоимость вводимых в эксплуатацию основных
средств, необходимо избегать отклонений от графику ухудшающих
состояние огнеупорной кладки коксовой батареи, что определяет
последующее сокращение срока нормальной ее эксплуатации.
: — Z \
§ 2. СУШКА И РАЗОГРЕВ БАТАРЕИ )
S' Разогрев;и пуск коксовой батареи — это работа, требующая вы-
сокой квалификации исполнителей, и 'четкого соблюдения технологи-
ческого регламента. Изучению растопки и пуска коксовой батареи
посвящены подробные монографии и.статьи. Существует множество
инструкций, определяющих действие исполнителей на всех этапах
этого процесса. Для равномерного прогрева массива батареи приме-
няют временные топки, специальную канализацию отопительных га-
зов ;(из камеры через растопочные отверстия в вертикалы и далее
вниз через регенераторы в борова и дымовую трубу), регулирование
температуры теплоносителя (в основном это продукты горения кок-
сового или доменного газов, реже:продукты горения угля или кок-
са) при входе в печную кладку и при выходе из нее, не допуская кон-
денсации влаги продуктов горения, в наименее нагретых частях мас-
сиву ,батареи. Чтобы выполнялось последнее условие, топливо, на
первых этапах разогрева . батареи, приходится сжигать при очень
высоком коэффициенте избытка воздуха (в 25—30 раз больше необ-
ходимого). ?
Первый этап разогрева батареи , называемый сушкой, продолжает-
176
Телица 52- Режим ра30грева Коксовой батареи
5 а xbitbhbm xnaotou я 0,015 0,009 0,016 0,018 0,011 0,022 0,025 0,014 0,011 0,003
4> О >» аГ и X ф “ XBdoiKl анэлай я 0,022 0,026 0,024 0,034 0,012 0,015 0,023 0,023 0,029 0,031
S 0> а ЕГ я Ж О XBirBMHiI ан я 0,023 0,029 0.026 О,о36 0.021 0,0 И 0,015 0,029 0,027
>1Й п°Дъем тем- >атуры, °C ХВ1ГВНВЯ wrcoflou я С^тРСО^СО^Ют^тРЮ см
й графив XBd -oiBdanajad я 9 5,5 5,5 6,0 5,0 8,0 10,0 17,0 21,0 зо.о
g X X X а Е = ь* 5 4) ZT Е о 3 xBirBjiHidaa а OcDC£)<DcDOCMOlOiD — — О') СМ со
т ияхКэ usadJOEed J/OHdejj tTJOOOOOX-.OOiO'tOI
под канала) | 1 % ‘эин «adnmoBd Э0НЧ1ГВИНЭМВК 0,138 0,070 0,149 0,141 0,Ю4 0,242 0,198 0,071 0,045 0,006
3 а. о «а Ннжняя Зона ( Эо ‘udKiBdauwai , см ci — to о сг о ю о riOCJOOOCNCOGOO — 1 '040104CQCO S 1 1 I II 1 1 1 1 О OQ CJ —‘ЮСэСэОЮ sr-ooioooojoaoo ffi —1 О) сч 0-1 со
S а> и а СЧ X о <п % ‘эин -adnmaed ЭОНЧ1ГВИИЭЯВИ 0,195 о,211 о,216 0 275 О,105 О,165 о,102 0,1J3 о,118 о,063
1 ВеРхняя Эо ‘BdAiedauwai 1пС5С5Г^-^-|Л1ЛО’^’-^ m^OOCOt^CO’^t'O-^C4' а 1 1 1 1 • 1 1 1 11 Я Ю OCiF'-b-lOLOO^ SCiCOOOCOb-C£>’4t-CO-* X —, —i CM СМ СО Tf Ю CD
я -oBd % 'аинаёнш ЭОНЧ[ГВКИЭЯВДО 0,212 0,239 0,233 0,292 0,172 0,125 0,124 0,148 0,107
X 4) о а. Е □e ‘BdAiBdauwai см о см о о ю ю ю ю OLQOLOOCiCiOCJCO —’ —1 е-1 CM со СО LQ CD 1 1 1 1 1 1 1 1 II СМСМО’^СМООзьОЮЮ — OLQOLQOCJCiCiCi —СЧСМ СО СО io Ю
1 Всего д° перевода на норМальный обогРев —
177
ся обычно 9—10 дней до достижения в верхней части вертикалов
температуры около 100—125° С.
Дальнейший график растопки предопределен практически допус-
тимыми безопасными нормами суточного расширения кладки. В лю-
бой зоне кладки суточное расширение ее не должно превышать
0,035%. Обычно это сочетается с такими перепадами температур в
массиве: в начале разогрева температура регенераторов поддержи-
вается в пределах 95% температуры вертикалов, а в конце разогре-
ва — около 85%. Температура в подовых каналах должна составлять
70% температуры в вертикалах в начале разогрева и 40% в конце.
Для перевода печей на нормальную схему обогрева температура в
подовых каналах не должна превышать 320° С во избежание пере-
грева фундаментной плиты.
Перед разогревом батареи определяют термическое расширение
(при нагреве до 700—750° С) образцов динаса, уложенного в кладку
различных зон коксовой батареи. Из полученных данных выбирают
максимальные значения расширения в определенных температур-
ных интервалах и на этом основании рассчитывают график разогре-
ва, руководствуясь максимально допустимой нормой расширения
(0,035%) и соотношением температур в различных зонах кладки,
приведенными выше. Скорость подъема температур необходимо согла-
совать также с температурными интервалами превращений модифи-
каций кремнезема (100—117, 140—175, 229—252, 573° С), т. е. в этих
температурных интервалах уменьшить.
Ориентировочный график разогрева коксовой батареи приводит-
ся в табл. 52.
Для разогрева коксовых печей сооружают временный комплекс:
тепляки, временные газоотводы, выносные и внутренние топки и
т. д. В процессе разогрева каждую смену контролируют температур-
ный и гидравлический режимы, распирание кладки, прочность ан-
керных колонн, анализируют продукты горения и т. д. Все эти про-
цессы до мелочей регламентированы и должны строго соблюдаться.
Специальными инструкциями также определены все действия, свя-
занные с переводом печей на нормальный (постоянный) обогрев и
вводом их в эксплуатацию.
За состоянием кладки печей и армированием ее необходимо не-
прерывно наблюдать и в процессе эксплуатации печей.
§ 3. ОГНЕУПОРНАЯ КЛАДКА И ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ КОКСОВЫХ ПЕЧЕЙ
Повышение качества огнеупорного припаса для коксовых печей и совершенство-
вание конструкции кладки отдельных элементов печей на протяжении всего развития
коксового производства являлись эффективными средствами улучшения технологи-
ческих показателей процесса слоевого коксования. Изыскиваются резервы улучшения
показателей процесса слоевого коксования за счет улучшения качества огнеупорного
припаса и совершенствования конструкции кладки. При увеличении размеров камеры
(длины и высоты) повышаются требования к некоторым показателям качества огне-
упоров. Например, истинная плотность материала динасового кирпича, используе-
мого для кладки стен камер, должна быть выше. Истинная плотность характеризует
качество обжига кирпича, т. е. степень перерождения кварца (перехода его в триди-
мит). С повышением степени перерождения кварца снижается дополнительный рост
178
динасового кирпича при разогреве и начальном периоде работы коксовых печей, что
особенно важно для печей больших размеров. Повышенный дополнительный рост
кирпича может привести к нарушениям кладки печей больших размеров еще в период
их разогрева.
Исходная истинная плотность динасового кирпича для кладки коксовых печей
больших размеров должна быть не ниже 2,32 г!см3, что соответствует лучшим показа-
телям мировой практики. Такой кирпич, практически, не содержит неперерожден-
ного кварца и не имеет видимого дополнительного роста при рабочих температурах
1400—1500° С. Однородности свойств каждого кирпича и неизменности свойств раз-
личных кирпичей придается также первостепенное значение. Организация массового
выпуска хорошего огнеупорного кирпича — важная технологическая задача, так как
при недостаточно высоком качестве кирпича невозможно сооружать коксовые печи
с высотой камеры 7 м и длиной 17 м, ибо все дефекты в кладке, появляющиеся и в пе-
чах обычных размеров, будут намного больше.
Из других свойств огнеупорного припаса, которые необходимо улучшить, сле-
дует отметить его объемную массу (объемный вес). Увеличение объемной массы сте-
нового динасового кирпича с 1,73—1,85 до 1,90—1,95 г! см3 значительно увеличивает
его теплопроводность, а следовательно, и повышает скорость коксования. Различные
добавки (железистые, титановые) увеличивают плотность и однородность кирпича.
Исследования показали, что принятая в Советском Союзе скорость коксования 27—
29 мм!ч (с обеих сторон камеры) для печей шириной 410 мм при повышении объемной
массы стенового кирпича с 1,85 до 1,90 г!см3 позволяет при тех же температурах в вер-
тикалах снизить период коксования почти на час или увеличить скорость коксования
на 1,0—1,5 мм!ч.
В связи с повышением однородности свойств стеновых кирпичей и общим улучше-
нием их качества открывается возможность повышения допустимой рабочей темпе-
ратуры в вертикалах до 1500° С.
При всех этих условиях скорость коксования можно довести до 32—33 мм!ч,
что соответствует периоду коксования в 12,5 ч для печей с камерами коксования ши-
риной 410 мм.
Конечная температура коксования в таких печах должна быть ограничена 1000—
1050° С, так как каждый градус дальнейшего ее повышения требует увеличения тем-
ператур в отопительных каналах на 0,2 град. Это связано с тем, что при температуре
поверхности стен камеры коксования на стыке динаса и кокса выше 1150—1200° С
может восстанавливаться Si’O2 и разрушаться динас.
Дополнительным резер вом повышения скорости коксования без увеличения ра-
бочих температур в вертикалах является также уменьшение толщины стены камеры
коксования . Однако это кроме снижения механической прочности стены, ведет
также к большим колебаниям температуры при загрузке камеры шихтой, что сни-
жает срок службы кирпича.
Некоторые зарубежные фирмы предлагают уменьшить толщину стены камеры
до 90 и даже до 85 мм. В будущем при учете многих факторов — влажности загружа-
емой шихты, рабочих температур в печи, свойств самого кирпича — этот оптимум
будет найден.
В отопительных каналах самые высокие температуры на коксовой стороне, где
ширина камеры максимальна. Для снижения температур можно несколько снизить
толщину кирпича на коксовой стороне. Это уменьшит предельно допустимые темпе-
ратуры примерно на 20 град или несколько повысит скорость коксования.
Глава V. РАЗВИТИЕ НАПРАВЛЕНИЙ ПОЛУЧЕНИЯ КОКСА
И ПЕРЕРАБОТКИ УГЛЕЙ
§ 1. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССА СЛОЕВОГО КОКСОВАНИЯ
Ввиду изменения некоторых требований к физико-механическим
свойствам доменного кокса (желаемое снижение верхнего предела
крупности, повышение равномерности гранулометрического состава
179
снижение истираемости) изменилось отношение к- увеличению
скорости коксования. Длительное время считалась оптимальной ско-
рость коксования 25 мм/ч (или 1 дюйм за 1 ч). При этой скорости
коксования образуется достаточно крупный и вместе с тем.умерен-
но истирающийся кокс. В связи с изменением требований к домен-
ному коксу, а также необходимостью использования в угольных
шихтах для коксования повышенной доли слабоспекающихся уг-
лей, в режиме коксования также могут быть изменения. Например,
может повышаться конечная температура коксования, увеличивать-
ся скорость коксования и др. Не исключая возможности использо-
вания первого варианта режима, в отдельных случаях позволяющего
получать равномерный по гранулометрическому составу и малоисти-
рающийся кокс, следует отдать все же предпочтение второму вариан-
ту, связанному с повышением производительности коксовых печей,
т. е. с лучшим использованием мощностей.
Как уже было сказано, большие возможности повышения ско-
рости коксования открывает коксование сухих шихт. Но эксплуа-
тация отдельных установок глубокой сушки шихты пока еще не при-
вела к высокой технико-экономической эффективности. Тем не менее
во Франции с 1961 г. четыре коксовые батареи по 15 печей работают
на шихте с влажностью 1,5—2%. При снижении влажности на 1%
производительность печей повышается на 2,5%. Проектирование,
строительство и испытания установок для глубокой сушки ведутся
как за рубежом, так и в Советском Союзе.
Эффективность глубокой сушки шихты можно увеличить, если
перед загрузкой в коксовые печи шихту подогреть до 250—300° С.
Подогрев шихты позволяет повысить скорость коксования до
40 мм!ч, получить более равномерный по гранулометрическому со-
ставу кокс и использовать в шихтах большое количество слабоспе-
кающихся углей. Создание и освоение технически совершенных
устройств для сушки и подогрева шихты, а также хранения ее и загруз-
ки в коксовые печи — непременное условие использования этого
резерва совершенствования слоевого процесса.
При коксовании сухой шихты становится более равномерной
структура полученного кокса. Поэтому качество кокса можно улуч-
шать, совершенствуя приемы подготовки шихты к коксованию
(оптимизация режима дробления шихты, пневмомеханическая се-
парация, улучшение' усреднения качества углей, поступающих на
коксование). Развиваются также методы улучшения качества уже
произведенного кокса: сухое тушение, механическая обработка, а
также разделение кокса на узкие классы крупности. Многие из этих
приемов рассмотрены подробно далее. Все это показывает, что тех-
ника и технология слоевого коксования еще будут совершенствовать-
ся независимо от других способов получения кокса.
§ 2. МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ КУСКОВОГО КОКСА
Поскольку классическим (слоевым) методом коксования в силу
его особенностей нельзя получить кокс, однородный по структуре
и размерам кусков, появились новые методы производства кусково-
180
го металлургического топлива. Они принципиально отличаются от
классического слоевого процесса коксования. Цель их — обеспечить
получение кокса с нужными физико-механическими свойствами из
различных углей, в том числе и таких, которые не используют для
составления шихты при слоевом процессе коксования.
Кусковый кокс, получаемый при таких процессах, должен иметь
одинаковые форму и размер кусков и вполне однородную структуру.
В качестве основных приемов получения кокса в процессе неслоевого
коксования используют формование или брикетирование шихты с
последующей термической обработкой полученных брикетов при тем-
пературах иногда даже меньших, чем конечные температуры клас-
сического коксования.
Предложены и разработаны были также и другие, отличные от
классического, методы получения кокса. Все методы получения куско-
вого кокса можно классифицировать следующим образом.
1. Классический (слоевой) способ получения кокса в горизон-
тальных камерах периодического действия.
2. Брикетирование измельченного угля без связующего с после-
дующим коксованием брикетов в печах непрерывного или перио-
дического действия.
3. Б рикетированге со связующим неспекающихся или слабоспе-
кающихся видов сырья с последующей термической обработкой по-
лученных брикетов.
4. Производство формованного кокса: получение брикетов (фор-
мовок) из нагретого до пластического состояния мелкого угля с по-
следующей прокалкой формовок в вертикальных печах непрерывного
или периодического действия.
5. Получение кускового кокса в печах с вращающимся подом и
на движущихся колосниковых решетках.
При загрузке камер свободной насыпью коксуются шихты, со-
стоящие из каменных углей и шихты с добавками антрацитов, бурых
углей, полукокса и коксовой мелочи, жидких органических продук-
тов (главным образом, нефтепродуктов) и твердых неорганических
веществ (колошниковой пыли и железорудных концентратов). Про-
дукт, полученный при коксовании шихт с железосодержащими до-
бавками, называют железококсом. Он интересен тем, что может слу-
жить единственным компонентом шихты для доменной печи. Ввод
в каменноугольные шихты различных добавок диктуется в каждом
отдельном случае конкретными условиями технологии производства
кокса и использованием кокса в металлургических процессах.
Главный принцип второго метода коксования — уплотнение уголь-
ной шихты перед коксованием — уже давно внедрен в слоевой про-
цесс: шихту перед загрузкой в коксовальные камеры трамбуют.
Уменьшение расстояния между частичками угля способствует по-
лучению более сплавленного кокса. Коксование уплотненных трам-
бованием шихт широко распространено во многих капиталистических
странах.
В последнее время в некоторых странах, например в ФРГ,
обычные коксовые печи загружают гранулированной шихтой
181
(небольшими брикетами). Аналогичные приемы ранее использовались
и в СССР. Часть брикетов при загрузке разрушается. Сейчас нельзя
определенно сказать, насколько при этом улучшается качество кок-
са, но производительность печей возрастает заметно благодаря уве-
личению плотности загрузки. Полностью преимущества коксования
угольных брикетов можно использовать только при специальной тех-
нологии.
В ГДР уже свыше 20 лет получают кокс из брикетированного бу-
рого угля (без связующего). Брикеты осторожно сушат до влажности
1—2%, а затем нагревают в специальных камерах коксования до
800—1000°С. Полученный кокс используют вместе с обычным коксом
в низкошахтных доменных печах. Объем производства такого кокса
только на двух установках составляет несколько миллионов тонн
в год. Существуют и другие схемы получения кокса из угольных
брикетов. Характерная особенность этих процессов заключается в
отсутствии связующего при брикетировании.
В США в небольших масштабах из угольной шихты перед кок-
сованием получали окатыши, которые потом термически обраба-
тывали.
Третий метод получения металлургического кокса — брикетиро-
вание неспекающегося или плохо спекающегося материала со связу-
ющим с последующей термической обработкой полученных бри-
кетов — применяется во многих технологических вариантах и при
использовании разнообразного сырья. Брикетируют измельченный ан-
трацит, полукокс, кокс, неспекающиеся и плохо спекающиеся угли,
окислившиеся спекающиеся угли и другие вины сырья. В качестве
связующих применяют пек, нефтепродукты, тяжелые каменноуголь-
ные масла и т. п. Например, в Англии были сделаны брикеты из
угля, предварительно прошедшего окислительную обработку и подогре-
того в смеси с пеком. Далее эти брикеты перед коксованием прокали-
вали при температуре 650° С.
В ПНР был предложен метод производства кокса из слабоспе-
кающихся силезских углей полукоксованием их в ретортах типа
Лургн (в них измельченный уголь нагревается до 850— 900° С во
взвешенном состоянии с помощью газового теплоносителя) с после-
дующим брикетированием полученного и измельченного до размера
менее 4 мм полукокса (тбчнее, среднетемпературного кокса) и мяг-
ким нагревом этих брикетов в туннельной печи в слабоокислительной
среде. Связующим при брикетировании служат тяжелые фракции
смолы, полученной при обработке угля в печах Лурги. Процесс в
туннельной печи более подобен мягкой полимеризации связующего,
чем чисто пирогенетическим реакциям, свойственным классическо-
му методу коксования. Таким способом получают достаточно прочные
брикеты заданного размера, которые успешно применяют в литейном
производстве. Масштабы производства такого кокса на заводе в Бля-
ховне (ПНР) составляют около 200 тыс. т в год.
Близок к описанному процессу процесс производства кокса из
неспекающихся углей, разработанный в США (метод FMC). Уголь
сушат, измельчают и карбонизируют во взвешенном состоянии, полу-
182
чая при этом твердый кальцинат, газ и жидкие продукты. Газ исполь-
зуют как топливо, смолу перерабатывают, получая из нее связующие
для производства брикетов из кальцината, которые прокаливают при
высокой температуре. Для производства кокса этим методом в штате
Вайоминг построена установка производительностью 225 т в сутки
по коксу. Проверка этого кокса при опытных доменных плавках на
небольшой печи дала удовлетворительные результаты. Но какой ре-
зультат будет при использовании такого кокса в крупных доменных
печах пока сказать трудно.
Получение металлургического кокса по схеме: слабоспекающийся
уголь -> полукокс —его брикетирование со связующим -> прокали-
вание (или мягкий нагрев) применялась и в других странах (СРР,
Япония, Англия, Австралия). Процессы разнятся исходным сырьем,
способом его термической обработки, связующим (чаще всего связу-
ющее является одним из продуктов первичной обработки угля), а
также конечной температурой обработки брикетов и аппаратурным
оформлением.
Процесс коксования брикетов имеет много преимуществ перед
классическим методом и не только из-за возможности использования
более широкой гаммы углей. Термическая обработка брикетов при
всех предосторожностях, связанных с медленным их нагревом во
избежание растрескивания, короче периода коксования в классичес-
ких коксовых печах. Значительно снижаются и капитальные затраты.
Но зато при обработке брикетов (или окатышей) в реакторах и тун-
нельных печах летучие продукты коксования сильно разбавляются
и практически теряются. Исключение составляют реакторы с движу-
щимся твердым теплоносителем. Это так называемые термофоры,
идея построения которых возникла во Франции. Теплоносителем для
нагревания брикетов служил песок, периодически приводящийся в
псевдоожиженное состояние. Работы по использованию твердого теп-
лоносителя ведутся и в СССР. Возможность использования летучих
продуктов тепловой обработки брикетов при таком процессе, а также
применение этой технологической схемы для установок большой
производительности делает процесс перспективным, однако он еще
не получил применения в промышленном масштабе.
Перспективен, с точки зрения получения высококачественного
доменного кокса, четвертый метод получения металлургического кок-
са — производство формованного кокса из нагретого до пластиче-
ского состояния мелкого угля. Получение брикетов (формовок) на
основе угля в пластическом состоянии с их последующим прокалива-
нием является самостоятельным технологическим процессом, имею-
щим мало общего с коксованием брикетов. Поэтому целесообразно
применять термин «формованный кокс» только к коксу из брикетов,
полученных на основе формования угля в пластическом состоянии.
Часто называют формованным кокс, получаемый способом терми-
ческой обработки брикетов (третий метод). Правильнее было бы на-
зывать этот процесс «коксование брикетов», а конечный продукт —
«коксобрикетами». Эти термины уже применяются в технической
литературе.
183
При быстром нагревании измельченного угля до температуры об-
разования пластической массы, брикетировании этого угля и после-
дующей прокалке брикетов при высокой температуре «получается
очень прочный и равномерный по структуре куска кокс. Основы это-
го метода разработаны в СССР Институтом горючих ископаемых
(ИГИ), а в настоящее время такие исследования ведутся и за рубежом.
Использование формованного кокса в доменном производстве очень
перспективно.
Пятый метод получения кускового кокса — коксование на дви-
жущихся колосниковых решетках или в печах с вращающимся подом
(кольцевых печах) — является непрерывным и одноступенчатым.
В обоих случаях кусковой кокс получают регулируемым быстрым на-
гревом угля в тонком слое, что обеспечивает, в определенных услови-
ях, производство сравнительно прочного кускового кокса из углей,
не дающих такового в других условиях коксования. На движущихся
колосниковых решетках или в печах с вращающимся подом коксуют-
ся не только слабоспекающиеся угли, но и угли, дающие достаточно
прочный кусковой кокс при других методах коксования. Благодаря
сравнительно простому оборудованию, эксплуатация которого уже
освоена в других областях техники, и относительно высокой произ-
водительности этих установок (процесс превращения угля в кокс
продолжается от 10 до 100 мин), такие процессы являются перспектив-
ными. Они освоены в полупромышленном и промышленном масшта-
бах во многих странах, в том числе и в СССР.
Коксование на колосниковых решетках принципиально отличает-
ся от коксования в кольцевых печах тем, что в первом случае для
нагрева коксуемого угля используется теплота частичного сгорания
как самого угля, так и летучих продуктов коксования путем про-
дувания воздуха через специально проделанные в слое коксуемого
угля каналы, а во втором — тепло подводится снизу извне, и преду-
смотренных реакций коксуемого угля с кислородом воздуха не про-
исходит.
На движущихся колосниковых решетках и в кольцевых печах по-
ка в основном получают кокс для выплавки ферросплавов для ис-
пользования в электропечах и для агломерации ру^. Возможность
получения таким способом доменного кокса еще только исследуется.
Таким образом, уже сегодня неуклонное повышение требований
к однородности насыпньТх масс кокса, используемого в доменной плав-
ке, а также однородности свойств самого куска кокса предопределя-
ет необходимость расширения масштабов производства высокока-
чественного доменного кокса неслоевого процесса. Требования к ме-
таллургическому топливу, используемому вне доменного процесса,
новыми технологическими процессами коксования удовлетворить зна -
чительно проще. Новые технологические процессы проще полностью
механизировать и автоматизировать.
Несмотря на постоянное совершенствование техники и техноло-
гии слоевого процесса, очевидно в ближайшие годы удельный вес
слоевого процесса в общем объеме производства кокса для метал-
лургических целей будет постепенно снижаться за счет увеличения
184
производства кокса новыми, преимущественно непрерывными, ме-
тодами .
Работы по созданию мощных, надежно работающих непрерывных
установок по производству кокса заданного гранулометрического
состава в заданной структуре ведутся как в СССР, так и за рубежом.
§ 3. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ФОРМОВАННОГО
МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО КОКСА, РАЗРАБОТАННАЯ
В СССР
Технологию получения формованного металлургического кокса
предложил в 1949 г. чл.-корр. АН СССР Л. М. Сапожников. Кокс,
полученный этим способом, удовлетворяет высоким требованиям сов-
ременного доменного процесса. Поэтому исследователи и производ-
ственники большое внимание уделяли созданию, совершенствованию
и внедрению этого процесса (методу ИГИ), хотя велись исследования
и по другим видам новой технологии получения кускового металлур-
гического топлива.
Технология получения формованного кокса по методу ИГИ про-
шла путь от лабораторных исследований до небольшой полупромыш-
ленной установки и строительства крупной опытно-промышленной
установки, получения на ней больших партий промышленного кокса
и проведения на этом коксе опытных доменных плавок. Была также
проверена эффективность использования этого кокса в других ме-
таллургических процессах, в частности в ферросплавном произ-
водстве . Результаты подтвердили возможность получения высоко-
прочного металлургического кокса из газовых и слабоспекающихся
углей. Установлено, что можно полностью автоматизировать про-
цесс. Ведется проектирование первых крупных промышленных уста-
новок, работающих по этой технологии коксования.
Технологическая схема получения формованного кокса на одной
опытно-промышленной установке представлена на рис. 42. Уголь,
предназначенный для переработки, подается на установку из бун-
керов углеподготовительного цеха элеваторами 1,2. Здесь уголь из-
мельчается в молотковой дробилке 3 до крупности менее 3 мм (90—
95%). В цикл нагрева уголь поступает отсюда через автодозатор 4
и шнековый питатель 5. Нагревается уголь в трехступенчатом кас-
каде циклонов газом-теплоносителем, получаемым в отдельной печи
6 сжиганием коксового газа. Газ-теплоноситель вначале подается в
третий по ходу угля циклон 7 и последовательно проходит через ос-
тальные два циклона 8 и 9. Уголь движется от первого к третьему
циклону. Отработанный газ-теплоноситель проходит через доочист-
кой циклон 10 для отделения пыли и нагнетателем И подается в
цикл для разбавления горячего газа-теплоносителя, получаемого в
печи при сжигании коксового газа, и снижения температуры тепло-
носителя до 580—600° С.
В цикле уголь нагревается до 435—460° С и через шлюзовые за-
творы 12 поступает на пресс-формовочную машину 13, где форму-
ются брикеты (формовки). Формовки с температурой 350—400° С
185
Рис. 42. Технологическая схема опытно-промышленной установки непрерывного
коксования углей (нагрев угля в каскаде трех циклонов).
пластинчатым конвейером 14 подаются в вертикальные непрерывно
действующие печи 15, где нагреваются до 850 —900° С. В нижней
части печи формовки охлаждаются и через шиберные разгрузочные
устройства выдаются на сборный конвейер. Парогазовые продукты
разложения угля отсасываются. Получаемые при температуре 850—
900° С, они по составу не отличаются от обычных летучих продук-
тов коксования.
Кокс, получаемый по такой технологической схеме, имеет до-
статочно хорошие физико-механические свойства. Так, использован-
ный для первых опытных доменных плавок формованный кокс
имел следующие показатели качества (на шихтовом дворе метал-
лургического завода): М40 —89,9%, МЮ —6%, содержание кус-
ков крупностью 40—80 мм— 86%. При прокалке до 1400° С в
инертной атмосфере этот кокс не отделяет мелочи, не распадается
на части, а, наоборот, становится плотнее и механически более
прочным. Пористость этого кокса в зависимости от требований по-
требителя может регулироваться изменением процесса от 35 до 60%
при коксовании одного и того же угля. Выход летучих веществ из
товарного формованного кокса составляет 1,6—2,5%.
Высокая равномерность гранулометрического состава улучшает
газопроницаемость насыпных масс формованного кокса по сравне-
нию с коксом слоевого процесса. Удельная насыпная масса формо-
ванного кокса выше, чем у кокса слоевого процесса, что объясняет-
ся более правильной формой его кусков.
Опытные доменные плавки на формованном коксе и его смеси
с коксом слоевого процесса дали вполне удовлетворительные резуль-
таты. Формованный кокс мало разрушается на своем пути от колош-
ника доменной печи к ее горну. Испытания подтвердили возмож-
186
ность использования формованного кокса, полученного по методу
ИГИ, в доменной плавке.
Широкое внедрение в промышленность мощных установок для
получения формованного кокса по методу ИГИ пока еще тормозит-
ся некоторым несовершенством механического оборудования. Необ-
ходимо также выработать оптимальные режимы получения летучих
продуктов коксования.
На основе технологии, предложенной Л. М. Сапожниковым, по-
лучены, помимо кокса, также образцы топливно-плавильных мате-
риалов, т. е. кусковых изделий различной формы, сочетающих в
различных пропорциях топливо, рудную составляющую и флюсы.
Рудной части в таких материалах до 60%. Они имеют высокие меха-
нические свойства.
Работы над технологическими схемами, подобными процессу
ИГИ, ведутся в последнее время во многих странах. Все это служит
доказательством огромных возможностей процесса для улучшения
показателей доменной плавки.
§ 4. ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ МЕТОДОВ ХИМИЧЕСКОЙ
ПЕРЕРАБОТКИ УГЛЕЙ
Развитие химических методов переработки нефти позволило получить продукты
аналогичные или одинаковые по составу с продуктами коксохимического производ-
ства, например бензол и его гомологи, нафталин и др. Благодаря простой технологии
получения и невысокой стоимости, продукты нефтяного происхождения заменили
на рынках сбыта многие коксохимические продукты.
Однако мировые запасы твердых горючих ископаемых, главным образом угля,
составляют около 98% всех запасов топлива, а на долю нефти и природного газа при-
ходится всего 2% ресурсов топлива. Потребление же угля в настоящее время состав-
ляет только третью часть общего мирового расхода топлива. Англия, Франция, ФРГ
и другие страны импортируют нефть и имеют небольшие промышленные запасы при-
родного газа, который в последнее время также конкурирует с коксовым газом не
только как топливо, но и как химическое сырье. Поэтому масштаб исследований по
использованию угля как сырья для производства химических продуктов (нетоплив-
ное использование угля), а также по получению из угля жидких моторных топлив
в последнее время во многих странах резко увеличился.
В настоящее время наметились некоторые перспективные направления в химиче-
ской переработке угля, кроме ставших традиционными методов коксования, полу-
коксования и других способов термической обработки угля, которые тоже все время
совершенствуются.
Наибольшее развитие получило гидрирование угля или, точнее, деструктивная
гидрогенизация, т. е. обработка углей водородом при повышенных температурах и
давлении в присутствии катализаторов, с целью получения жидких продуктов и газа.
Деструктивной гидрогенизацией можно получить в промышленных условиях бензин
в количестве до 55% органической массы угля и до 30% газообразных углеводородов.
Около 10% органической массы составляет выход воды и около 5% — непрореаги-
ровавипй твердый остаток. Метод деструктивной гидрогенизации, предложенный в
1913 г. Ф. Бергиусом, сейчас значительно усовершенствован и широко распространен
в промышленности. Имеются сведения о том, что в США освоен в полузаводском мас-
штабе процесс гидрогенизации угля при температуре 500° С и давлении 9,8 Мн!м2
(100 ат) и с расходом водорода на 50—80% меньшим, чем в процессах, применявших-
ся в Германии в довоенный период. При этом выход ценных продуктов составляет
до 80% исходного угля. Экономический анализ показывает, что процесс является
рентабельным при переработке 1500—1600 т угля в сутки.
Сейчас многие ученые исследуют возможность применения давления водорода
до 196 Мн!м? (2000 ат), что должно повысить производительность установок.
187
Гидрогенизации подвергается не только уголь, но и тяжелые жидкие продукты его пе-
реработки. Часто из угля предварительно экстрагируют различными растворителями
обогащенную водородом фракцию (выход 40—50%), которую затем гидрируют. Это
снижает расход водорода и улучшает показатели процесса за счет исключения из основ-
ной фазы процесса — гидрирования —минеральной части угля. Нерастворимая часть
угля может подвергаться полукоксованию с получением газа, метан и водород кото-
рого используются для гидрогенизации, а жидкие продукты полукоксования вместе
с частью жидких продуктов гидрирования-—как растворители. Жидкое топливо
из угля можно получать и прямой экстракцией при высоких температурах.
Наряду с классическими методами газификации угля развиваются процессы гид-
рогазификации (получение высококалорийного газа, приближающегося по своей теп-
лотворной способности к природному) и газификации угля в водороде при температу-
рах 850—950° С и давлении до 49 Л4н/.и2 (500 ат). По имеющимся результатам работ
опытно-промышленных установок газифицируется 53% исходного угля. Гидрирование
и газификация угля являются процессами относительно освоенными. В настоящее
время разрабатываются разнообразные и многочисленные методы переработки угля
с применением новых средств воздействия на него. К ним относятся: лазерное облу-
чение углей, испарение углей в электродуговом реакторе, воздействие пламенем плаз-
менной дуги. Г азообразные продукты таких процессов состоят главным образом из аце-
тилена. Проведенные в нашей стране лабораторные опыты по высокоскоростному
нагреву угля до 2000° С в течение 10—100 с показали, что газы процесса состоят
исключительно из оксида углерода и водорода, соотношение между которыми опре-
деляется степенью метаморфизма обрабатываемого угля. Смола в таком процессе не
образуется.
Сейчас в СССР конструируют турбины, работающие на угле, ведутся работы по
прямому получению электроэнергии в электрогазодинамических генераторах на
угольном топливе и по окислению угля с получением карбоновых кислот.
Если на определенном этапе технического прогресса часть продуктов коксохими-
ческой промышленности замещалась продуктами нефтехимии, то в последнее время
разрабатываются технологические процессы получения из угля продуктов, вырабаты-
ваемых нефтехимической промышленностью. Так, разрабатывается технология полу-
чения сажи (важного сырья для резиновой промышленности) непосредственно из
угля вместо технологии получения ее из нефтепродуктов и природного газа. Исследу-
ется возможность получения на базе угля белка, подобного тому белку, который сей-
час вырабатывают из нефти, и т. п.
Несомненно, что роль угля как сырья для целого ряда технологических процес-
сов в дальнейшем будет возрастать.
Раздел IV. ТЕХНОЛОГИЯ ПОДГОТОВКИ КОКСА
К ИСПОЛЬЗОВАНИЮ В МЕТАЛЛУРГИИ
Глава I. ПЕРВИЧНАЯ (ОРДИНАРНАЯ) ПОДГОТОВКА КОКСА
§ 1. МОКРОЕ ТУШЕНИЕ
Раскаленный кокс, выгруженный из камеры коксовой печи, еще
нельзя использовать в металлургии. Охлаждение (тушение) кок-
са, его транспортировка, сортировка по крупности с последующей
передачей для использования в технологических целях являются
такими же полноправными элементами технологии производства
кокса, как и подготовка угольной шихты и собственно сам процесс
коксования.
188
Машинная сторона I Концевая
: площадки
В коксе от выдачи его из камеры печи до загрузки в доменную
печь происходят разнообразные управляемые и неуправляемые про-
цессы, влияющие на его свойства. Использование этих процессов
в целях улучшения свойств кокса — одна из важных задач общего
технологического процесса производства. Кокс, выданный из печи,
охлаждают (тушат) до температур, при которых его можно транспор-
тировать и сортировать. Более распространен способ мокрого тушения:
кокс после выдачи из камеры коксовой печи заливают водой. При
этом тепло раскаленного кокса безвозвратно теряется. Теряется также
часть воды, идущей на тушение кокса (примерно 0,5—0,6 л3 на тонну
валового кокса).
Применяющиеся на большинстве коксохимических предприятий
современные установки для мокрого тушения в основном сходны меж-
ду собой. Они состоят из тушильного вагона и путей для его пере-
движения, тушильной башни и насосной с отстойником для осаждения
коксового шлама (рис. 43).
Тушильный вагон обычно представляет собой открытый стальной
кузов с наклонным дном, установленный на двух железнодорожных
тележках нормальной колеи. Он передвигается при помощи электро-
воза по путям вдоль фронта коксовых печей, обеспечивая таким обра-
зом прием кокса при разгрузке любой камеры батареи и транспор-
тировку его к тушильной башне.
Тушильная башня (рис. 44) представляет собой мощный железо-
бетонный каркас с вытяжной трубой и устройством для тушения кок-,
са, которое состоит из нескольких (от двух до семи) рядов труб, рас-
положенных параллельно оси тушильного вагона. Трубы имеют от-
верстия для пропускания воды, подаваемой из насосной. Число труб,
количество, размеры и расположение отверстий в трубах выбирают-
ся, исходя из условий получения равномерной влажности кокса при
его заливке. При этом следует учитывать, что слой кокса в тушиль-
ном вагоне неодинаков по толщине и количество воды, подаваемой
на более толстый слой кокса, должно быть больше.
В последнее время все чаще применяются тушильные устройства,
состоящие из одной или двух труб с использованием для разбрызги-
вания воды форсунок, разработанных в ДХТИ под руководством
И. М. Ханина. Принцип их действия основан на создании завихре-
ний и спирального вращения потока, проходящего с большой ско-
ростью через форсунку.
Цель процесса тушения — получить равномерно охлажденный
кокс как можно более низкой влажности, но при отсутствии отдель-
ных плохо охлажденных кусков («очагов жара»). Так тушить можно
в том случае, если соблюдать определенные условия, главными из
которых являются оптимальное распределение потоков воды в соот-
ветствии с толщиной слоя кокса по ширине тушильного вагона и оди-
наковая, ровная укладка кокса каждой принимаемой печи по длине
вагона. Последнее обеспечивается синхронизацией хода штанги кок-
совыталкивателя и передвижения тушильного вагона в период при-
ема коксового пирога.
Продолжительность тушения устанавливается автоматической си-
190
стемой, обеспечивающей также регламентированный по времени отстой
вагона под тушильной башней после прекращения подачи воды на
тушение (для полного стока неиспарившейся воды). Продолжитель-
ность тушения (80—150 с) зависит от многих факторов: гранулометри-
ческого состава кокса, его температуры, пористости, на которые в
свою очередь влияют состав шихты, степень готовности кокса, период
Рис. 44. Тушильная башня (поперечный разрез)’.
1 — управление открыванием спускного клапана; 2 — тушильный
вагон; 3 — спускной клапан; 4 — оросительное устройство; 5 — ту-
шильная башня; 6 — направляющие щиты; 7 — кабина для пульта
управления грейферной тележкой; 8 — грейферная тележка; 9 — эс-
такада; 10 — насосная; 11 — отстойники; 12 — площадка для обслу-
живания конечных выключателей.
коксования и др. Поэтому как отдельные детали конструкции ту-
шильного устройства, так и режим его работы подбираются в кон-
кретных условиях работы каждого коксового блока. Кокс посто-
янной влажности можно получить только при стабильности всего
технологического процесса.
Количество воды для тушения 1 т кокса колеблется от 2 до 4 л?
и зависит от времени подачи воды (при одинаковом конечном эффекте).
При большей продолжительности тушения расход воды на 1 т
191
охлаждаемого кокса меньше. По данным 3. Медриского и его сотруд-
ников расход воды на заводах США составляет 1,93 м3!т при времени
подачи воды 140 с. На коксохимических заводах ПНР эти цифры
равны, соответственно, 2,2 мй!т и 130 с.
На коксохимических предприятиях СССР время тушения в боль-
шинстве случаев менее 120 с. На многих заводах для сокращения
времени пребывания тушильного вагона под башней устанавливают
мощные насосы и укорачивают время подачи воды. Но это небла-
гоприятно сказывается на прочностных характеристиках кокса. При
быстром охлаждении раскаленного кокса появляются термические
напряжения, определяющие возникновение микродефектов струк-
туры, от чего сопротивление кокса разрушению снижается. Особен-
но это касается крупных кусков.
Для более мягкого режима охлаждения и уменьшения термиче-
ских напряжений, возникающих при заливке кокса водой, некото-
рые заводы используют способ импульсного тушения. Суть его сво-
дится к тому, что воду на кокс подают многократно короткими им-
пульсами (10—15 с) с промежутками между ними 15—20 с. Для этого
к линии водопровода насос — оросительная система присоединяют
трубопровод несколько большего сечения (байпас), на котором ус-
танавливают регулируемую запорную арматуру (заслонка, вентиль
или др.). После въезда тушильного вагона под башню включается
насос. При закрытой заслонке на байпасной линии вода поступает
на оросительную систему, при открытой — она идет через байпасную
линию на сброс в отстойники. В это время кокс охлаждается паром,
образовавшимся во время подачи воды на тушение. Запорная арма-
тура управляется по специальной программе, которой задается вре-
мя импульсов подачи воды и промежутков между ними.
При таком способе тушения воды М40 товарного кокса увели-
чивается на 0,7—1,0%. Сернистость кокса снижается на 0,04—0,05%
за счет того, что при температуре более 700° С FeS реагирует с парами
воды:
FeS + Н2О -+ H2S + FeO.
При таком способе тушения снижается влияние ситового со-
става кокса на его влажность, которое связано с зависимостью между
удельной поверхностью кусков различной крупности и остаточной
влагой после тушения. При обычном способе мокрого тушения влага
кусков различной крупности находится в следующих пределах по
классам: более 80 мм —0,5 —2%; 60—80 мм — 1,5—3,5%; 40—
60мм —5,0—7,0%; 25—40мм—8,0—10,0%. Содержание влаги вклас-
се 10—25 мм больше 12—15%, а в мелочи часто превышает 20%. При
импульсном тушении различие во влажности кокса различных классов
крупности снижается, а в мелких классах не превышает 12—15% .
Процесс мокрого тушения кокса предполагает строгий регла-
мент очистки отверстий в трубах тушильного устройства, своевре-
менную очистку от коксового шлама отстойников, для предупреж-
дения попадания шлама в трубы тушильного устройства и контроль
за состоянием тушильного вагона.
192
При использовании для разбрызгивания воды форсунок ДХТИ
чистка оросительной системы упрощается, так как форсунки име-
ют большой диаметр отверстий. В этом их существенное преимущество
по сравнению с другими аналогичными устройствами.
После мокрого тушения кокс выгружают из вагона на рампу,
открывая затворы, расположенные против нижней части наклонно-
го днища. Угол наклона днища обеспечивает свободное перемещение
Рис. 45. Коксовая рампа:
/ ~ затворы; 2 — ленточный транспортер для кокса; 3 — контр-
грузы на затворах; 4 — тушильный вагон.
кокса из тушильного вагона на коксовую рампу, где он окончатель-
но охлаждается за счет испарения влаги с поверхности кусков. После
рампы кокс н жыва ют рамповым, а после коксосортировки — товарным.
• Рампа (рис. 45) представляет собой наклонную площадку из моно-
литного железобетона или железобетонных плит. Ширина ее на боль-
шинстве заводов около 7 м. Наклонная поверхность футеруется чу-
гунными плитами или плитами из каменного литья.
Необходимую длину рампы можно рассчитать по формуле
L = _пАг(1± 2) + 2 (Z + 2) и, (80)
“К
где L — длина рампы, м; п — число батарей в коксовом блоке, об-
служиваемых одной рампой; А — число печей в батарее; т — время
охлаждения кокса на рампе, ч (принимается от 0,30 до 0,55 ч); / +
+ 2 — длина тушильного вагона (увеличивается на 2 м с учетом
расположения на рампе кокса, выгружаемого с вагона), м\ Пк —
период коксования одной печи, ч. (На большинстве заводов длина
рампы — 60 .и и т менее 0,3 ч).
Количество испарившейся с поверхности кокса влаги зависит в
основном от времени пребывания его на рампе. Экспериментальные
данные, подтверждающие эту зависимость, приведены на рис. 46.
Как видно из рисунка, влажность кокса на рампе может снизиться
на 1,5 и более процента. Поэтому постоянное время охлаждения кокса
7 5-1611
193
на рампе является непременным условием постоянства его влаж-
ности.
На величину теряемой влаги влияют также атмосферные условия.
Так, по данным Р. А. Мотта и Р. В. Уиллера, в безветреную погоду
за 30 мин теряется вдвое меньше влаги, чем в ветреную. При этом
наибольшее количество влаги теряется мелкими классами. Если кокс
находится на рампе меньше времени, значение атмосферных условий
снижается.
Часто на заводах возникает необходимость в повторном рассеве
(при превышении предела по замусо-
ренности, уборке россыпей кокса и
др.). Для этого используют так на-
зываемую обратную рампу, а на не-
которых новых заводах — бункер воз-
врата. Обратная рампа аналогична
обычной рампе. Длина ее равна дли-
не четырехосного вагона. Она при-
мыкает к торцу рампы, но смещена
и развернута на 180° так, чтобы по
некоторого количества кокса
Рис. 46. Зависимость влаги в товар-
ном коксе класса более 25 мм от
времени пребывания на рампе:
/ — I блок; 2 — п блок. железнодорожному пути, проложен-
ному рядом с рабочей площадкой
рампы, можно было подвезти вагон и разгрузить его на рампу, а затем
через секторные затворы выпустить кокс на рамповый транспортер.
Бункер возврата представляет собой подземный металлический
бункер, над которым проходят железнодорожные пути. Под бунке-
ром проходит рамповый транспортер.
§ 2. СУХОЕ ТУШЕНИЕ
Уже в конце первой мировой войны появились первые техниче-
ские решения по полезному использованию тепла раскаленного кок-
са при его охлаждении.
Сейчас установки для сухого тушения кокса, т. е. его охлаждения без воды и с
утилизацией тепла_пягкяленного кокса, достигли такого трхвидеского Уровня, что
позволяют применять сухоа-язднетгиг-я-длксовых прхах большой производительности.
Установки сухого тушения кокса (УСТК) основаны на принципе охлаждения его по-
током газа инертного пб отношению к коксу, с последующей рекуперацией теплВты
этого газа в замкнутом цикЛр. За рубежом установки сухого тушения применяют, Ь
основном, на коксохимическиУ и газовых заводах небольшой производительности.
В СССР первая мощная установка сухого тушения кокса была сооружена еще перед
Великой Отечественной войной на Керченском коксохимическом заводе. В послево-
енный период построена самая крупная в мире УСТК на Череповецком металлурги-
ческом заводе. Результаты работы этой установки позволили спроектировать и по-
строить ряд крупных УСТК на коксохимических заводах страны. В настоящее время
процесс сухого тушения внедряется на большинстве строящихся заводов Советского
Союза.
Выдаваемый из печи раскаленный кокс уносит с собой примерно
45% тепла, затраченного на коксование. На установках сухого тушег
ння может быть рекуперировано примерно 80% всего тепла, уносимо-
го коксом из печей или около 40% всего тепла, затрачиваемого на
194
коксование. Использование этого тепла эквивалентно экономии 4,5—
5,0% всей тепловой энергии, содержащейся в каменном угле. Если
учесть, что при сухом тушении кокса улучшаются его физико-меха-
нические свойства, а также структура, то ясно, что сухое тушение
кокса является весьма важным элементом в общей схеме технологии
производства кокса. Принципиальная, не зависящая от конструктив-
ного выполнения схема УСТК следующая: инертные-по отношению
к коксу газы (обычно продукты горения кокса) проходят простран-
ство с раскаленным коксом, затем теплообменник-(рекуператор) и
вентилятор. Охлажденные после теплообменника газы опять подают-
ся для охлаждения раскаленного кокса. Обычно теплота газов УСТК.
используется для получения пара в котлах-утилизаторах различных
типов, однако в некоторых схемах тепло передается воде под высоким
давлением, воздуху или бедному газу, используемым в воздухе- и
газонагревателях.
На рис. 47 представлен разрез камеры сухого тушения кокса сис-
темы Гипрококса в блоке с котлом-утилизатором и вспомогательным
оборудованием. Раскаленный кокс поднимается к разгрузочному ус-
тройству камеры прямо в съемном кузове тушильного вагона специ-
альным подъемником и через загрузочное устройство попадает в
форкамеру установки, расположенную непосредственно над каме-
рой тушения. Между камерой и форкамерой есть окна для вывода
из камеры тушения горячих газов. Назначение форкамеры — при-
ем и постепенный спуск горячего кокса в камеру тушения. Между
нижней конусообразной частью камеры и ее цилиндрической частью
(цилиндрическая часть имеет высоту примерно 9 м и диаметр 6 м)
вмонтированы устройства для ввода охлажденных газов.' В нижней
части конуса находится герметическое устройство для выпуска ох-
лажденного кокса на транспортеры. Кокс в цилиндрической части
камеры охлаждается движущимися снизу газами и постепенно опус-
кается за счет непрерывной выгрузки его натранспортер, ведущий на
коксосортировку . Охлаждающие газы подаются в камеру по всему пе-
риметру конусообразной части и в центре через распределитель.
Этим достигается равномерное распределение газов по всей массе кок-
са, а следовательно, его одинаковое охлаждение по горизонтальному
сечению камеры тушения.
В верхней части камеры нагретые инертные газы отводятся по
всему периметру горизонтального сечения камеры через окна в коль-
цевой газоход, затем в камеру обеспыливания, проходят поверхности
нагрева котла-утилизатора, а затем охлажденные поступают в дымо-
сосы через специальные • циклоны для дополнительного отделения
пыли в целях снижения эрозии рабочих поверхностей дымососа.
Дымосос подает охлажденные инертные газы опять в камеру тушения.
Производительность каждой такой камеры около 50 т кокса в
час. Она работает в блоке с котлом-утилизатором, который выраба-
тывает пар под давлением 3,82 Мн/м? (39 кас/ши2) и при температуре
450° С. Температура охлажденного кокса около 250° С. Из 1 т поту-
шенного кокса можно получить около 0,42 пг пара указанных пара -
метров.
7*
195
Рис. 47. Камерная установка сухого тушения кокса системы Гипрококса:
1 — камера тушения; 2 — форкамера; 3 — газоходы; 4 — пылеотделитель; 5 —
котел; 6 — дымосос; 7 разгрузочные устройства; 3 — рампа.
Некоторые ученые предполагали, что при сухом тушении кокса сернистость его
должна быть больше сернистости кокса мокрого тушения. За счет связывания серы
водяным газом, получающимся при мокром тушении кокса, часть серы кокса может
перейти в газообразное состояние. Практика работы УСТКна Череповецком метал
лургическсм заводе не подтвердила заметного увеличения сернистости кокса при сухом
тушении по сравнению с мокрым. В этой связи следует заметить, что в ФРГ предло-
жен способ сухого тушения с одновременной его десульфурацией. Способ основан на
подаче в охлаждающий газ водяных паров и связывании сернистых соединений, на-
ходящихся в газе, известью или специальной массой в очистном аппарате.
196
Таблица 53. Качество кокса сухого и мокрого тушения
Показатели Тушение
мокрое сухое
Технический анализ, %; Wp 3,2 0,3
дс 10,5 10,4
VT 0,9 0,9
sc 0,53 0,53
Показатели большого колосникового барабана, кг'. остаток 334 343
класс менее 10 мм в провале 33 38
Показатели малого барабана, %: М40 73,6 79,3
М10 7,6 7,2
Ситовый состав, %, по классам, мм: более 80 11,8 8,5
60—80 36,0 34,9
40—60 41,1 44,8
25—40 8,7 9,5
менее 25 2,4 2,3
Средняя крупность, Dcp, мм 53,4 52,8
Коэффициент однородности по П. А. Щукину 371 4,49
Показатель газопроницаемости по К. И. Сыекову 262 286
Реакционная способность, мл/(г-с) 0,629' 0,541
Истинная плотность, г]см3 1,108 1,120
Пористость, % 41,6 41,3
В качестве циркулирующего газа используется смесь газов, об-
разующаяся с первого момента загрузки раскаленного кокса в каме-
ру УСТК. Находящийся в замкнутом контуре УСТК воздух в
результате циркуляции через слой раскаленного кокса постепенно пре-
вращается в газ, инертный по отношению к коксу. Простота образова-
ния такого теплоносителя и его естественное поп олнение в случае
вьброса при возникновении неплотности определи ли выбор продуй-
тов сгорания кокса в качестве тушильного агента.
Циркулирующий газ представляет собой смесь горючих и него-
рючих составляющих. Горючие компоненты в газе обусловлены ре-
акциями первично образовавшихся продуктов горения с раскаленным
коксом, а также выделением летучих веществ кокса в камере УСТК.
Примерный состав (в %) циркулирующего газа следующий: СО2 —
ТД) о^, СО — 18, Н2 — 10, N2 — 66,6, О2 — 0,4. Количество СО в
газе может увеличиваться до 23—24%.
Горючие компоненты, содержащиеся в циркулирующем газе,
затрудняют эксплуатацию УСТК, делают установку взрывоопасной,
а газ высокотоксичным.
Утилизация тепла немаловажное, но не единственное преимуще-
ство способа сухого тушения кокса. Из сухого кокса лучше выде-
197
ляются мелкие (менее 25 мм) классы, благодаря чему засоренность
его ниже, чем у кокса мокрого тушения. Кроме того процесс сухого
тушения значительно улучшает физико-механические свойства кокса.
При сухом тушении кокса в отличие от мокрого нет термического
удара, который приводит к образованию дополнительных трещин в
коксе.. Кроме того, во время движения кокса от форкамеры до разгру-
зочного устройства происходит отделение губки, непрочных частей,
частичная реализация трещин, скалывание углов и острых граней
кусков кокса и, наконец, частичное выравнивание степени готовности
и улучшение структуры вещества кокса.
Качество кокса сухого и мокрого тушения, полученного на Че-
реповецком металлургическом заводе, по данным ВУХИНа представ-
лено в табл. 53. Из нее видно, что показатель М40 кокса сухого ту-
шения больше на 5,7%, М10 меньше на 0,4%, остаток в большом
барабане больше на 10 кг, содержание класса более 80 мм в коксе
меньше на 3,3%, реакционная способность ниже на 0,088 мг/ (г • с)
или на 14 отн. %. Улучшились и другие показатели кокса сухого
тушения.
Повышенное количество класса менее 10 мм в провале при испы-
тании в большом барабане связано с различной влажностью испыты-
ваемого кокса. Сравнение показателей качества кокса при различном
способе тушения, но приведенных к одинаковым условиям по влаге
(после увлажнения кокса сухого тушения) показало, что в коксе
сухого тушения выход мелких классов значительно ниже, т. е. кокс
более устойчив к истиранию.
Исследование полномерных кусков кокса Криворожского завода при различном
способе тушения показало, что изменение зольности по длине куска примерно оди-
наково, независимо от способа тушения. Сернистость средней и приосевой части кус-
ков при мокром тушении несколько ниже (на 0,07—0,09%), чем при сухом. Отлича-
ется также выход летучих веществ и структурная прочность кокса. Если при мокром
тушении выход летучих веществ от головочной к приосевой части увеличился с 0,5
до 1,0%, то при сухом он практически не изменился (0,3—0,5%). Структурная проч-
ность в этом же направлении снижается для кокса мокрого тушения с 81,3 до 73,0%,
а для кокса сухого тушения — с 83,3 до 78,2%. Отсюда видно, что кокс, находясь
определенное время при высоких температурах в состоянии свободной засыпи, суще-
ственно выравнивает механические свойства по длине кусков и упрочняется. Коли-
чественно эти изменения связаны со временем пребывания кокса в камерах УСТК-
Благодаря улучшенным физико-механическим свойствам и сниженной реакцион-
ной способности кокс сухого тушения имеет большие преимущества при использо-
вании его в доменных печах. Более высокая прочность и частично реализованная тре-
щиноватость уменьшают разрушение кокса при подаче к доменным печам, в резуль-
тате чего несколько снижается количество мелких классов, отсеваемых перед подачей
в скипы доменных печей. В доменной печи (по данным опытных плавок на Череповец-
ком металлургическом заводе) расход кокса сухого тушения на 1 т чугуна меньше
на 2—6 кг, чем расход кокса мокрого тушения. По зарубежным данным расход кокса
сухого тушения снижается еще больше.
Так, швейцарская фирма «Зульцер» считает, что при переходе на сухое тушение
расход кокса в доменных печах снижается на 5—7%. По мнению английских специа-
листов эта экономия может составлять 7—9%. Некоторые фирмы Франции называют
цифру снижения потребления кокса доменными печами при сухом тушении 4—5% .
В любом случае преимущества сухого тушения кокса не вызывают сомнений.
Следует отметить еще один аспект технологии производства кокса при использовании
УСТК- Пребывание раскаленного кокса некоторое время (в некоторых случаях до
часа) в виде засыпи позволяет уменьшить конечную температуру в осевой плоскости
198
коксового пирога без существенного изменения свойств кокса. Температура в осевой
плоскости может быть снижена за счет уменьшения температуры в обогревательных
каналах и сокращения периода коксования. Исследования, проведенные УХИНом,
показали целесообразность этих мероприятий.
Использование сухого тушения наиболее целесообразно при кок-
совании слабоспекающихся шихт, дащщих при слоевом способе кок-
сования куски с большой степенью анизотропности.
Таблица 54. Влияние сухого тушения на свойства коксов из различных
угольных шихт
Вариант шихты Тушение кокса Прочность кокса
остаток в боль- шом колоснико- вом барабане, кг содержание клас- са менее 10 мм в подбарабанном провале, кг М40. % М10, %
t мокрое 306 31 68,2 8,4
] сухое 310 43 74,8 7,5
J] мокрое 312 33 65,2 8,1
сухое 319 41 74,9 7,3
1TI мокрое 323 35 73,0 6,9
jj j сухое 325 36 78,1 6,8
Различие влияния сухого тушения в зависимости от качества
исходного кокса иллюстрируется данными О. В. Штеменко,
В. Д. Фришберга и др. (табл. 54). Как видно из таблицы, при сухом туше-
нии показатель большого барабана кокса из шихты I варианта больше
на 4 кг, а М40 на 6,6%. Кокс из шихты II варианта вначале был ме-
нее устойчив к дроблению (М40 = 65,2 %), а использование сухого
тушения увеличило показатель М40 на 9,7%. Кокс из шихты III ва-
рианта был наиболее прочным. Эффект сухого тушения проявился
в увеличении М40 на 5,1%, М10 практически не изменился, в то
время как в первых двух случаях М10 снижался на 0,8—0,9%.
§ 3. СОРТИРОВКА коксА
Потушенный кокс с рампы поступает на коксосортировку.
Схема и оборудование коксовой сортировки определяется многи-
ми факторами, однако решающим из них является назначение клас-
сифицируемого кокса, т. е. количество классов крупности и их гра-
ничные размеры. Важную роль играет производительность сорти-
ровки и способ отгрузки крупных классов кокса. Крупный кокс
к металлургическому заводу может поступать по транспортерам и
железнодорожными вагонами. В первом случае на коксссортировке
предусматриваются бункера только для мелких классов, а во вто-
ром— для мелких и для крупных классов.
В Советском Союзе кокс обычно сортируют по двум схемам:
1) выделение классов крупности более 40 мм, 40—25 мм, 25 —
10 мм, менее 10 мм;
2) выделение классов более 25 мм, 10—25 мм, менее 10 мм.
199
Классы более 25 и 40 мм используют в доменном производстве
(класс более 40 мм дают также в вагранки литейных цехов). Класс
25—40 лии применяют как доменный чсокс для небольших печей и в
энергетических целях, класс 10—25 мм—в ферросплавном производ-
стве, а мелочь менее 10 мм является топливом при агломерации
руд. Остальные потребители должны приспосабливаться к такой
классификации.
Примерный выход каждого из этих классов от валового кокса в
среднем составляет: более 40 мм — 85—87%; 25—40 мм— 6—8%;
10—25 мм—1,0—1,5% и менее 10 мм — 4—6%.
В последние годы некоторое количество кокса выпускается в
виде рассортированного на классы более 60 мм и 40—60 мм.
В зарубежной практике кокс по классам крупности сортируй
Рис. 48. Схема коксосортировки с бункерами для кокса:
/ — бункер возврата; 2 — десятивалковый грохот; К-0, К-1. К-2,
К-3 и так далее — транспортеры.
в зависимости от возможностей сбыта. В ФРГ, например, до послед-
него времени в качестве доменного кокса использовались классы круп-
ности более 40, 60 и 80 мм. Крупный кусковой кокс в доменных пе-
чах используют также во Франции. В США, наоборот, отдают пред-
почтение более мелкому коксу; в доменных печах используется кокс
от 25 и даже от 20 мм.
Известны некоторые схемы коксосортировок в США, где в зависимости от назна-
чения кокса выделяется большое число классов по крупности, а именно: литейный —
более 75 мм, генераторный — более 50 мм, коксовая мелочь — менее 12 мм, кроме
того, бытовой кокс классов, в зависимости от желания потребителя: 50—75 мм, 43—
50 мм, 30—43 мм, 25—30 мм, 12—25 мм, 6—12 мм. При этом, кроме сортировки по
крупности, кокс также дробят на валковых дробилках для получения необходимого
количества мелких сортов. Правда, такие схемы встречаются все реже: кокс как бы-
товое топливо почти повсеместно вытесняется природным газом.
Первые сортировки, обслуживающие коксовые установки большой производитель-
ности, были построены в СССР в период первой пятилетки вместе с батареями быстро-
ходных динасовых печей. Они были оборудованы валковыми грохотами для отделе-
200
ния крупного металлургического кокса и грохотами Армса для рассева мелких клас-
сов. Предусматривалась погрузка в железнодорожные вагоны через бункера. С незна-
чительными изменениями эти сортировки существуют и поныне на некоторых старых
заводах.
Рис. 49. Схема заполнения бункеров круп-
ного кокса с помощью катучего реверсивного
транспортера.
Схема современной коксовой сортировки с бункерами для кок-
са представлена на рис. 48. Кокс с двух рамп подается транспорте-
рами К-1 и К-2 и наклонными транспортерами К-3, К-4 на десяти-
валковые грохоты с зазорами между дисками 40 мм. Одна из рамп
имеет обратный бункер. Кокс крупностью более 40 мм с валковых
грохотов по транспортерам
К-5 и К-6 поступает через же-
лоб непосредственно в желез-
нодорожные вагоны или по
транспортеру К-Ю к ссору-
иным отдельно, от коксо-
сортировки бункерам круп-
ного кокса.
Высота бункеров весьма зна-
чительная. Чтобы предотвратить
дробление кусков при падении,
бункер заполняют при помощи ре-
версивного транспортера К-12, ра-
ма которого смонтирована на те-
лежке. Тележка установлена на
рельсах над бункером и оборудо-
вана индивидуальным приводом, с
помощью которого может переме-
щаться вместе с транспортером.
Длина тележки с транспортером
равна примерно половине расстоя-
ния между стенами бункера.
-В начальный момент заполнения кокс транспортером 1 (рис. 49) через желоб 2
с перекидным клапаном 3 подается на транспортер 4 и далее на наклонную стенку 5
бункеров, по которой скатывается вниз. После заполнения определенной части бунке-
ра 6 транспортер 4 автоматически перемещается, подавая последующий кокс на кокс,
находящийся в бункере под углом естественного откоса, до повторного достижения
в точке загрузки конуса определенной высоты (7) .Далее транспортер повторно автома-
тически перемещается на определенное расстояние. Так при многократных переста-
новках заполняется одна половина бункера, после чего направление движения транс-
портерной ленты автоматически изменяется на обратное и аналогично заполняется
вторая половина бункера.
Выгружают крупный кокс из бункеров в железнодорожные вагоны
транспортером К-13 (рис. 48), проходящим под выпускными ворон-
ками бункеров и имеющим опускающуюся консольную часть. Эта
часть опускается в вагон в начальный момент заполнения его, а затем
поднимается по мере заполнения вагона коксом до горизонтального
уровня, с которого ведется последующая загрузка.
Вследствие разработки дисков валковых грохотов и столбчатой
структуры кокса, сквозь отверстия, образуемые дисками, вместе с
мелким коксом в подгризлевый провал проходит часть кусков с раз-
мерами более 40 мм. Чтобы уловить крупный кокс, подгризлевый
провал с обоих валковых грохотов подают транспортерами К-7 и К-8
8 5-1611 201
на контрольный грохот ВГО (вибрационный грохот, односитный)
с отверстиями сита 40 х 40 мм. Надрешетный продукт этого грохота
по транспортеру К-8 поступает в общий поток кокса более 40 мм,
а провал передается транспортером К-9 на дальнейшую сортировку.
При остановке грохота ВГО весь провал валковых грохотов можно
подавать на транспортер К-9. С транспортера К-9 кокс поступает
на двухситный грохот ВГД, где разделяется на классы более 25,
10—25 и менее 10 мм. Последние два класса поступают каждый в
предназначенный для него бункер, откуда могут отгружаться в же-
лезнодорожные вагоны, а класс более 25 мм передается транспорте-
ром К-П на грохот ВГО для разделения на классы более 40 и 25—
Рампа 1 Рам па 2
Рис. 50- Типовая схема коксосортировки без бункеров.
40 мм. Кокс класса 25—40 мм собирается в два предназначенных для
него бункера, а кокс класса более 40 мм поступает в один из бункеров
крупного кокса. Кокс класса более 25 мм можно без разделения на
грохоте подавать в бункер класса 25—40 мм.
Такая схема достаточно гибка и удобна в эксплуатации.
На рис. 50 представлена схема коксовой сортировки с безбун-
керной погрузкой крупного кокса в вагоны или передачей его в до-
менный цех транспортерами. Схема эта для двух блоков коксовых
печей полностью симметрична, за исключением процесса разделения
мелких классов, объединенного в одном месте для обоих блоков.
Кокс каждого блока по рамповому и наклонному транспортерам
(/, 2 и la, 2a соответственно) передается на десятивалковый грохот
<3 с расстояниями между дисками 25 мм. Надрешетный продукт вал-
кового грохота (класс более 25 мм) через желоб 4 и транспортер 5
подается на транспортер доменного цеха 6 или желобом — в желез-
нодорожные вагоны 13 на путь I. Провал валкового грохота по тран-
спортеру 7 поступает на контрольный грохот ГЖ (5) с отверстиями
сита 25 X 25 мм. Надрешетный продукт этого грохота может пода-
ваться вместе с крупным коксом на транспортер доменного цеха
6 или транспортером 12 в железнодорожные вагоны 13 (путь I) или,
наконец, через желоб грузиться раздельно от крупного кокса в желез-
нодорожные вагоны 13 (путь III).
Подрешетный продукт контрольного грохота (класс менее 25 мм)
202
транспортером 9 направляется в отдельно стоящее здание бункеров
мелких классов, где грохотом 10 разделяется на классы 10—25 и ме-
нее 10 мм, каждый из которых поступает в отдельный бункер 11,
откуда грузится в железнодорожные вагоны 1-4 (путь II).
Такие же коксосортировки, приспособленные для выделения до-
менного кокса крупностью более 40 мм, имеют зазоры между диска-
ми на валковых грохотах и отверстия сит на контрольных грохотах
40 X 40 мм. При этом предусматриваются три бункера для кокса
мелких классов: 25—40, 10—25 и менее 10 мм. Эти классы разделя-
ются на двухситных грохотах ВГД вместо односитных грохотов ВГО.
Коксосортировки сооружают по типовым проектам — одна на два
блока коксовых печей (четыре батареи). В шестибатарейном коксо-
вом цехе для двух батарей предусматривается самостоятельный ком-
плекс сортировки и отгрузки кокса. При проектировании восьми-
батарейного коксового цеха дублируются сооружения коксосортиров-
ки четырехбатарейного цеха.
В связи со значительным повышением роли равномерности си-
тового состава кокса создан проект типовой коксосортировки, пре-
дусматривающей разделение доменного кокса, как мокрого, так и
сухого тушения, на два класса крупности.
Сортировки такого типа построены на некоторых коксохимиче-
ских предприятиях.
Типовая схема Гипрококса предусматривает разделение домен-
ного кокса на узкие классы — 40—60 либо 25—60 и более 60 мм.
Сортировка предназначена для приема кокса с двух установок су-
хого тушения, каждая из которых обслуживает две коксовые батареи.
Одна из установок сухого тушения может быть дублирована рампой.
Кокс с установок сухого тушения подается на сортировку симметрич-
но с двух противоположных сторон.
Технологическая схема такой сортировки показана на рис. 51. Кокс с установки
сухого тушения (или с рампы) поступает двумя транспортерами параллельно на две
клети сдвоенного стационарного валкового грохота. Один транспортер постоянно на-
ходится в работе, второй — в резерве, что обеспечивает непрерывную круглосуточ-
ную подачу охлажденного кокса с установки сухого тушения. На сортировке установ-
лены валковые грохоты усиленного типа, имеющие 14 валков и ширину 1850 мм вмес-
то обычных 10 валков и ширины грохота 1650 мм. Грохот имеет зазоры между дисками
60 мм. Надрешетный продукт валковых грохотов (класс более 60 мм) передается
транспортерами на один из транспортеров доменного цеха.
Провал валковых грохотов транспортером подается на сдвоенный передвижной
1-1-валковый грохот. Техническая характеристика грохотов одинакова, но 14-валко-
вый грохот имеет зазоры между дисками 25 леи. В работе находится постоянно одна
клеть, вторая — резервная. Надрешетный продукт (класс 25—60 мм) передается жело-
бом на второй транспортер доменного цеха.
Провал грохота (класс менее 25 мм) поступает на транспортер и передается в бун-
кера коксовой мелочи, где при помощи вибрационного грохота разделяется на класс
25—40.И.И, отгружаемый в железнодорожные вагоны, и на класс менее 25 мм, кото-
рый предусмотрено передавать транспортером на аглофабрику или рассевать на клас-
сы 10—25 и менее 10 мм.
Благодаря перекидным клапанам в желобах, оба узких класса доменного кокса
могут передаваться на любой из транспортеров, идущих в доменный цех. Предусмот-
рена также возможность раздельной погрузки обоих узких классов кокса в железно-
дорожные вагоны.
8:
203
К!
бункер бозВрота кокса
1\Р| ХТК-1
L‘,_?_____lEj-2^
Перегрузочная
станция
УСТК-2
т>
1Л
:—о
о~\ 60 -25мм
Рис. 51. Типовая схема коксосортировки, оборудованной УСТК,
с разделением кокса на узкие классы по крупности.
м
т
Если мелкий кокс (класса менее 40 мм) нельзя передавать из-под грохота в бунке-
ра мелочи, то поток при помощи перекидного клапана можно переключить на погрузку
в железнодорожные вагоны непосредственно через желоб. Тогда один из классов до-
менного кокса должен подаваться в доменный цех транспортером, так как для погруз-
ки крупного кокса в вагоны есть только два железнодорожных пути. Схемой преду-
сматривается удаление пыли из-под очистных устройств лент транспортеров при по-
мощи вибрационных желобов, а также механизированные пробоотборники для отбора
проб крупных классов кокса.
Управление работой сортировки полностью централизовано.
Глава II. ЗАКОНОМЕРНОСТИ ИЗМЕНЕНИЯ СВОЙСТВ КОКСА
В ПРОЦЕССЕ ПОДГОТОВКИ К ИСПОЛЬЗОВАНИЮ
§ 1. ИЗМЕНЕНИЯ СИТОВОГО СОСТАВА
Во время сортировки на валковых грохотах, перегрузки кокса
с транспортера на транспортер, погрузки в бункера и вагоны трещи-
ны частично реализуются. Крупные куски разрушаются, а образовав-
шиеся из них части имеют меньше трещин, следовательно, более проч-
ны. Таким образом, в процессе ординарной подготовки кокса проис-
ходит естественный процесс изменения ситового состава и прочности
исходного, рампового кокса.
Эти изменения зависят от конструктивных особенностей пере-
грузочных станций, системы погрузки, степени заполнения бунке-
ров и других особенностей прохождения пути подготовки, а также
от исходной прочности кокса.
Порядок изменения ситового состава кокса в процессе сортиров-
204
ки и последующей транспортировки дан в табл. 55. В конкретном слу-
чае содержание класса более 80 мм снижается с 32,1% в рамповом
коксе до 4,6% в коксе из дальних бункеров доменных печей. В про-
цессе сортировки на валковом грохоте содержание этого класса сни-
жается на 9,2%. За счет отходящего провала на грохоте количество
класса более 80 лии несколько возрастает на этом этапе (17,7 против
15,1%).
Таблица 55. Разрушение кокса в процессе сортировки и транспортировки
в доменный цех
Ситовый состав кокса, %, по классам, мм
Место отбора пробы более 80 60—80 40—60 25—40 менее 25
Рамповый транспортер 32,1 34,2 22,8 6,1 4,8
Наклонный транспортер 24,3 33,8 26,4 8,6 6,9
Сортировка на десятивалковом грохоте 15,1 36,0 29,8 9,8 9,3
(гризли) 1 17,7 42,1 34,9 3,7 1,6
После перепада на тракте подачи в до- менный цех 16,0 35,1 35,5 10,7 2,7
То же 13,3 30,5 41,3 11,9 3,0
9,8 29,5 43,6 13,4 3,7
» 8,1 29,1 42,7 15,3 4,8
» 6,4 29,0 42,0 16,4 6,2
5,4 28,8 42,4 17,1 6,3
» 4,6 28,0 42,4 18,0 7,0
1 В знаменателе дан рассев надрешетного продукта валкового грохота, в числи
теле — надрешетного и подрешетного продуктов в сумме.
Существенно изменяется ситовый состав кокса при использова-
нии бункеров. Многочисленные исследования показывают, что в
зависимости от конструктивных особенностей и систем загрузки со-
держание в коксе класса более 80 мм после бункеров снижается
на 6—14%, а класса 60—80 мм — на 2—10%. Содержание класса
25—40 мм увеличивается на 1—7%, а мелочи (менее/25 мм)—на
0,5—3,0%. '
Учитывая существенное влияние бункеров на ситовый состав
кокса, в целях повышения степени постоянства качества устанав-
ливают определенный режим заполнения и разгрузки бункеров,
иногда снижают высоту падения кокса при их загрузке и др .
На разрушение кокса существенно влияют перегрузки с транс-
портера на транспортер. Если необходимо уменьшить дробление
кокса на перепаде, устанавливают так называемую подушку (оди-
нарную или двойную в зависимости от высоты перепада) или па-
раболический желоб. Устройство и принцип действия их ясен из
рис.52. Желоб с коксовой подушкой может сохранить 3—4% класса
более 80 мм и такое же количество класса 60—80 мм при высоте
205
Рис. 52. Разгрузочные желоба:
а — с «подушкой* (П); б — с двойной «подушкой»; в
параболический (/ — скребок; 2 — металлический лист;
3 — смотровое окно; 4 — скребок со щеткой).
перепада 2—3 м. Для большего разрушения
кокса в месте перегрузки устанавливают
отбойную плиту (рис. 53).
Распределение в общей массе кусков
кокса различной крупности подчиняется
закономерностям. Оно описывается бимо-
дальной кривой (рис. 54), характерной для
двух и более одновременно протекающих
процессов. В данном случае бимодальность
определяется одновременным дроблением
и истиранием кокса, разрушением кус-
ков определенной крупности и воспол-
нением их при дроблении более круп-
ных кусков. Как видно из рис. 54, с
увеличением глубины разрушения наибо-
лее резко изменяется содержание клас-
са менее 5 мм и классов более 60 мм.
6
Следует отметить, что в классе менее 5 мм
преобладает пыль с крупностью частичек
менее 1 мм. Содержание класса 5—10 мм
практически не изменяется. Содержание
класса более 10 мм изменяется тем сильнее,
чем больше размеры кусков.
На рис. 55 показаны кривые распределения
кусков кокса по классам крупности при разных сту-
пенях разрушения в барабане иной конструкции.
Как видно из рис. 54 и 55, характер кривой распределения не зависит от типа испы-
тательного барабана и глубины разрушения.
Не менее наглядно единообразие распределения кусков при построении кривых
суммарных остатков на сите в зависимости от размеров его отверстий (рис. 56). Кри-
вые на рис. 55 и 56 построены по одним и тем же
данным.
Аналогичную форму имеют кривые распреде-
ления кусков кокса по крупности при практичес-
ки любом способе разрушения, что иллюстрируется
рис. 57, на котором представлены кривые ситового
состава до и после разрушения различными спосо-
бами.
Как показал С. А. Шварц, суммарный
остаток на сите кусков кокса более 15 мм
во всех случаях подчиняется эмпиричес- рис. 53. Схема желоба с от-
кой формуле войной плитой.
у = Ae~blC, (81)
где Y — процентный выход суммарного остатка на сите со сторо-
ной квадратного отверстия, равного х мм; е — основание натураль-
ного логарифма; А — масштабный коэффициент, равный 100; b и
с — константы уравнения, определяющие данный ситовый состав.
206
Размеры кусков, мм
Рис. 54. Распределение кусков по крупности на различных стадиях разру-
шения пробы рампового кокса в малом барабане. Цифры на рисунке — чис-
ло оборотов барабана.
Если Ь =
f—У
\ х /
, то формула (81) принимает вид
У = Ле
с
При этом ясен физический смысл констант. Константа х определяется при услгл ии
X - X
У = 100е-1~ 36,8%.
Следовательно, константа х есть такой размер отверстий сит, который обуслов-
ливает для данного ситового состава выход надрешетного продукта, равный 36,8%.
Размер отверстия сит, мм
Рис* 55. Распределение кусков кок-
са по крупности на разных ступе-
нях разрушения в барабане Сундг-
рена:
1 — исходный кокс; 2 — после 150 обо-
ротов; 3 — после 350 оборотов; 4 —
после 1000 оборотов; 5 после 1500
оборотов.
Рис. 56. Кривые суммарных остат-
ков на ситах кокса на различных
ступенях разрушения в барабане
Сундгрена:
/ — исходный кокс; 2 — кокс после
150 оборотов; 3 — кокс после 350 обо-
ротов; 4 — кокс после 1000 оборотов;
5 — кокс после 1500 оборотов.
207
Разнер отверстия сит, мм
Рис. 57. Кривые ситового соста-
ва кокса до и после испытания
Следовательно, константа может дать представ-
ление об общей крупности кусков в пробе.
Константа с математически является тангенсом ,
угла наклона прямой в координатах In In Jqq и
In х. Физически эта константа определяет сте-
пень рассеяния размеров или степень однород-
ности по размеру кусков кокса данного сито-
вого состава. Чем круче прямая., т. е. чем боль-
ше с, тем уже пределы крупности кусков и тем
больше однородность кокса.
Как критерии свойств кокса константы с и
х имеют и недостатки, например относительную
сложность определения. Но факт распределения
кусков кокса независимо от глубины разруше-
ния и характера разрушающих усилий согласно
одной и той же закономерности свидетельствует
об общности законов разрушения кокса.
его различными способами:
1 — исходная проба (Харьковский
КХЗ); 2, 3 и 4 — после 4, 12 я 16
сбрасываний с высоты 1,85 м; 5 —
после испытания в большом бараба-
не Сундгрена; б и 7 — пробы мас-
сой 125 и 50 кг после 50 оборотов в
малом стандартном барабане; 8 —
пробы массой 50 кг после 100 оборо-
тов в малом стандартном барабане.
i На рис. 58 показаны кривые измене-
ния содержания в общей пробе суммы
крупных классов кокса при разруше-
нии в барабане. Аналогичный вид (рис.
59) имеют кривые, если разрушаются
отдельные классы различной крупности.
Как видно из рисунков, с увеличением
глубины разрушения общее количество
крупных классов (любого граничного предела крупности) уменьшается.
Иной вид кривых изменения отдельных классов различной
крупности (рис. 60). Если содержание класса более 80 мм непре-
рывно уменьшается, то количество клас-
са 60—80 мм вначале несколько возрас-
тает, так как образование класса 60—
80 мм при разрушении кусков более
80 мм идет интенсивнее, чем разру-
шение исходного класса 60—80 мм.
Когда в коксе остается небольшое коли-
чество класса более 80 мм, прочность
которого выше прочности уже разру-
шившихся кусков, начинает преобла-
дать процесс разрушения класса 60—
80 мм, и общее количество его сни-
жается.
Аналогичные изменения происходят
с каждым классом крупности. Отличие
заключается лишь в том, на каком эта-
Рис. 58. Изменение содержания кокса отдель-
ных составляющих частей различной крупности
в динамике разрушения пробы рампового кокса
размером кусков более 25 мм в малом стандарт-
ном барабане:
( — более 25 мм; 2 — более 40 мм; 3 — боле 60 мм;
4 — 25—40 мм; 5 — менее 25 мм; 6 — менее 5 мм;
7 — более 80 мм; 8 — 10—25 мм.
208
Рис. 59. Изменение содержания в коксе отдель-
ных составляющих частей различной крупности
в динамике разрушения в малом стандартном ба-
рабане кусков кокса размером более 80 мм-
1 — более 25 мм; 2 — более 40 мм; 3 — более 60 мм;
4 — более 80 мм; 5 — 25 — 40 мм; 6 •— менее 5 мм;
7 — 10 — 25 мм.
Рис. 60. Динамика изменения ситового состава
кокса (по классам) при разрушении в барабане:
1 — 40 — 60 лл; 2 — 25 — 40 мм; 3— 60 — 80 мм; 4 —
более 80 мм.
пе разрушения процесс образования рассматриваемого промежуточно-
го класса из более крупных кусков начинает идти медленней, чем
процесс разрушения этого класса. Если для класса 60—80 мм
соотношение процессов может измениться на этапе от несколь-
ких единиц до нескольких десятков обротов барабана (в зависимос-
ти от содержания класса более 80 мм в исходной пробе и его проч-
ности), то для класса 40—60 мм это происходит при ста и более
оборотах барабана, а для класса 25—40 мм — при еще большей сте-
пени разрушения. В каждом конкретном случае это зависит от сито-
вого состава исходной пробы и прочности кокса.
Зная динамику разрушения отдельных классов крупности, можно
с достаточной точностью по правилу аддитивности вычислить си-
товый состав для каждой стадии разрушения общей пробы кокса.
Наиболее точно (с расхождением до 1%) определяется содержание
в коксе кусков размером более 25 мм.
§ 2. ИЗМЕНЕНИЕ ПРОЧНОСТИ
Как было показано в предыдущем параграфе, насыпная масса
кокса представляет собой совокупность кусков различной крупнос-
ти и прочности. При разрушении изменяется ситовый состав в пер-
вую очередь вследствие разрушения наиболее слабых кусков. Остав-
шиеся куски имеют меньшую трещиноватость и большую проч-
ность. Таким образом, в процессе транспортировки и сортировки
кокса, а также при разрушении в процессе дальнейшей подготовки к
209
металлургическому использованию кокс не только изменяет свой
ситовый состав, но и упрочняется. Это можно проследить по пока-,
зателям оценки сопротивления дробящим и истирающим усилиям.
Предварительное разрушение по-разному повышает прочность кокса
и связано с исходной прочностью его. Чем слабее исходный кокс,
тем сильнее он разрушается на первых этапах и значительней
упрочняется в оставшейся неразрушенной массе. Эта общая законо-
мерность может проявляться по-разному в зависимости от того, по
какому признаку кокс имеет пониженную прочность — по истирае-
мости или по дробимости. Если кокс легко истирающийся, но с
малой трещиноватостью, эффект упрочнения при разрушении будет
сказываться меньше, чем при мало истирающемся коксе, но с повы-
шенной дробимостью.
Влияние предварительного разрушения на прочностные характе-
ристики кокса определяет зависимость показателей качества от мес-
та отбора пробы. Так, показатели качества кокса у пробы, отобран-
ной сразу после валковых грохотов, будут ниже, чем у проб кокса,
взятых после коксовых бункеров и при погрузке в железнодорож-
ные вагоны. Скиповый кокс всегда более прочный, чем товарный
и т. п. Степень изменения показателей будет связана с величиной
разрушения кокса от рампы до места отбора пробы.
Так, для Криворожского коксохимического завода им. Коротченко
установлено, что рамповый кокс с показателями М40 и М10, равными
76,2% и 8,9%, пройдя 12 перегрузок по транспортерному тракту
при испытании имеет значение М40 = 83,9%, а М10 = 7,6%. При
транспортировании кокса вагонами и меньшем дроблении скиповый
кокс дает показатель М40 = 80,8% и М10 = 7,8%.
По данным Кузнецкого металлургического комбината, показатель
М40 скипового кокса увеличивается по сравнению с товарным на
10% (с 72 до 82%), а остаток в большом колосниковом барабане воз-
растает с 323 до 340 кг.
Изменение прочностных показателей кокса при его разрушении
связано не только с повышением прочности, но и с изменением сито-
вого состава его. Однако эти изменения действуют по-разному в за-
висимости от принятого метода оценки. Так, при испытании в боль-
шом колосниковом барабане рост в исходной пробе кокса класса
25—40 мм приводит к увеличению количества провала его и, соответ-
ственно, класса более 25 мм в провале.
Поскольку класс 25—40 мм показывает наименьшее значение М25,
увеличение этого класса в исходной пробе снижает величину пока-
зателя М25 испытываемого кокса. Аналогично воздействие класса
40—60 мм при оценке прочности по показателю М40.
Как уже отмечалось, названные изменения связаны с условностью
показателей, используемых для оценки прочностных свойств. Влия-
ние изменения ситового состава и снижения крупности несколь-
ко занижают фактический эффект повышения прочности при разру-
шении, но он неизменно проявляется.
Второй причиной повышения прочности разрушаемого кокса яв-
ляется неравномерность истирания кусков кокса по поверхности.
О1 л
Вначале истирается и отходит от кусков наиболее слабая часть, ко-
торая располагается в камере коксования ближе к осевой плоскости.
Чем больше степень анизотропности кусков, тем больше будет прояв-
ляться эффект неравномерности разрушения кусков по поверхности.
На рис. 61 представлены выход летучих веществ (а) и зольность (б) мелочи (ме-
нее 5 мм), образующейся при последовательном разрушении кокса различных клас-
сов крупности в барабане. После каждого этапа разрушения образовавшийся кокс
Рис. 61. Выход летучих веществ (а) и зольность (б) в мелочи (ме-
нее 5 мм), образующейся при разрушении кокса различных клас-
сов крупности:
/ — более 80 мм; 2 •— 60—80 мм; 3 —. 40—60 мм; -4 — 25—40 ям.
класса менее 5 мм удалялся. Как видно из рисунка, на первых этапах разрушения
зольность мелочи повышена и выход летучих веществ увеличен. На более глубоких
ступенях разрушения (100, 200, 300 оборотов) названные показатели снижаются и
лишь после 500—800 оборотов барабана они не изменяются. Наиболее изменяются
свойства мелочи, полученной при разрушении классов более 80 мм и 60—80 мм. Ме-
нее всего изменяется характеристика мелочи, образовавшейся из класса 25—40 мм.
Упрочнение кокса при его разрушении, снижение его дробимое-
ти и истираемости, изменение ситового состава и возможность после-
дующего регулирования его в любых пределах создали предпосылку
для разработки установок по механической обработке кокса на эта-
пах технологической подготовки кокса к доменным плавкам.
§ 3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ (МОДЕЛЬ)
ПРОЦЕССА РАЗРУШЕНИЯ
Графически представленные и описанные ранее изменения сито-
вого состава и прочности кокса можно выразить аналитическими
уравнениями. Вывод уравнения, описывающего изменение содержа-
ния крупных кусков в коксе (более 80 мм, более 60 мм и т. д.), осно-
вывается на следующем.
211
Количество крупных кусков, разрушившихся при совершении
единицы работы, будет тем большим, чем больше крупных кусков
было в исходной пробе. >
^Д = К[С], (82)
usi
где [С] — количество кокса крупностью более рассматриваемого раз-
мера, %; А — работа, затрачиваемая на разрушение, н1м2\ К — коэф-
фициент пропорциональности.
Знак «минус» показывает, что количество рассматриваемого клас-
са убывает.
Из опыта известно, что эффективность работы разрушения кок-
са непрерывно снижается. Из-за неравной прочности в первую оче-
редь разрушаются самые слабые куски. Разрушенные по наиболь-
шей трещине они в дальнейшем требуют большей работы для разру-
шения по трещинам меньшей протяженности и глубины.
Таким образом, коэффициент пропорциональности К изменяется
с увеличением работы, т. е. К = f (А). Эта зависимость близка
к степенной, поэтому принимаем К — K0Ata, где t0 < 1, а Ко — ко-
эффициент пропорциональности.
Тогда выражение
приобретает вид
= КаА‘о [С]
U/i.
или
Интегрирование этого
d[Cl ,
-±± = -КаАЧА.
[OJ
выражения дает
К Дго+'
1п[С] = —Т-7-,-+В,
‘о Т 1
где В — постоянная интегрирования.
Значение В находят при работе разрушения, равной 0, т. е. в
начальный момент. При этом В ~ In [Со1 и
1п[С] =---+1п [Со].
*0 I 1
Обозначим - . = tn, а /0 + 1 = I. Тогда
*0 “г 1
In [С] = In [Со] — mA1.
Это же выражение можно записать в виде
[С] = [Со] е~т< (83)
Работа разрушения может быть выражена в обычных единицах ра-
боты, либо в условных единицах, например 1 оборот испытательного
212
барабана. В этом случае формулу (83) можно записать как
[С1 = [С0]е-т< (84)
где п — число оборотов испытательного барабана.
Количество в коксе классов крупностью 60—80, 40—60 или 25—
40 мм на каждом этапе разрушения может быть установлено по раз-
ности между суммарным содержанием кусков с предельными разме-
рами класса, то есть
[С]60_80 ~ Ю>60 — 1> 80’
IQ40—во = (С]>40 —
[0)25—40 = IQ>25 — 1<-')>40-
Для решения уравнения (84), т. е. для определения коэффици-
ентов т и t, необходимо знать ситовый состав исходного кокса и
состав кокса после п2 и п2 оборотов в барабане.
Более сложной, но и более универсальной, является эмпириче-
ская формула
[С]= MJ + ae*1 ьпс, (85)
где [А1 и [С] — содержание искомого класса в исходном коксе и пос-
ле п этапов равномерного разрушения, %; a, k, Ь, с — коэффициенты
уравнения.
Эта формула связывает разрушенный и исходный кокс в любом
пределе крупности кусков.
Если искомым является класс менее 10 мм или менее 25 мм, то
с — 0; k > 0; Ь > 0 и а > 0.
Для описания изменения суммарных классов крупностью более
25, 40, 60 и 80 мм коэффициенты в формуле (85) следующие: с = 0;
[А] = 0, k <z 0; b > 0, а = [Со], т. е. содержанию искомого класса
в исходном коксе. Таким образом, формула (85) становится равной
формуле (84).
При описании изменения содержания классов 25—40 мм, 40—
60-ми, 60—80 мм коэффициенты в формуле (85) будут такими: 5 = 1;
0 < с < 1; k < 0; а > 0.
Поскольку в каждом из трех названных выше случаев в формуле
остается не более трех значащих коэффициентов, для решения урав-
нения необходимы данные ситового состава кокса не менее чем на
трех ступенях разрушения, кроме исходного, из которого определяет-
ся [Д].
Иногда необходимо определить ситовый состав кокса на том или ином участке
сортировки его или транспортировки. Для этого нужно выполнить большой объем
работ по отбору проб (поскольку пробоотборники устанавливаются только в месте
передачи кокса в доменный цех). Далее отобранные пробы необходимо транспорти-
ровать к месту испытания и проводить испытания.
Используя аналитические зависимости ситового состава от глубины разрушения,
можно значительно упростить решение этих задач. Для этого необходимо лишь од-
нажды определить число оборотов барабана, при котором выполняется эквивалент-
ная работа по разрушению на каждом этапе перегрузки и сортировки. Обычно для
этого отбирают пробы кокса до и после обследуемого объекта (перегрузка, грохот и
т. п.), рассевают их и затем пробу, отобранную до разрушающего объекта .испытывают
913
в барабане при 10, 25 и 50 оборотах. Обычно этого достаточно для воспроизведения
естественного разрушения.
Далее строят кривые изменения классов крупности и по ним определяют число
оборотов барабана, при котором воссоздается ситовый состав, аналогичный коксу пос-
ле естественного разрушения.
Можно построить кривые изменения ситового состава по результатам испытания
рампового кокса в широком диапазоне числа оборотов барабана (например 16, 20,
30, 40, 50, 75) и по кривым определять число оборотов барабана, воссоздающее кокс
до и после естественного разрушения на объекте. По разности найденных значений
числа оборотов находят условную работу разрушения, выраженную числом оборотов
барабана.
По этим данным при любых изменениях технологии можно будет, испытав рам-
повый кокс в барабане, определять коэффициенты уравнений, а затем, подставляя
вместо п число оборотов барабана, соответствующее работе разрушения на искомом
объекте, вычислять ситовый состав кокса в заданной точке коксосортировки, перегру-
зки или транспортного тракта и т. д.
В технологической практике имеет значение не только содер-
жание отдельных классов крупности в насыпной массе кокса, но и
средний размер кусков. Изменение среднего размера кусков при
разрушении подчиняется той же закономерности, что и содержание
крупных кусков в коксе.
Изменение среднего размера кусков ДО при выполнении работы
разрушения ДЛ будет тем больше, чем больше начальный размер
кусков
— ДО=К0ОДД, (86)
где Ко — коэффициент пропорциональности.
Знак «минус» показывает, что величина размера уменьшается.
При бесконечно малой работе разрушения изменение диаметра
также будет бесконечно мало
— dD = KaDdA.
Скорость изменения среднего размера кусков будет уменьшаться
по мере повышения прочности кокса, что происходит при разруше-
нии. Это уменьшение может быть представлено степенной функци-
ей, т. е. Ко = КАт
— dD = KAmDdA.
Преобразуем это уравнение
Для использования его в конечных значениях А и D интегрируем
tn _L I 1 ’
где В — постоянная интегрирования.
Значение В находят при Л = 0. Тогда В = In Da,
Подставив значение В, получаем
Д'Д'п+1
1п0=1п°о-4тг-
214
Обозначим = б (константа дробимости), а m + 1 х
In D = In Do — 6АХ,
или
D = D0e6AX. (87)
Если выразить работу разрушения числом оборотов в барабане,
уравнение (87) можно написать в виде
D = О0е~6пХ. (88)
Это выражение является основным уравнением кинетики разру-
шения кокса, увязывающим средний размер кусков и работу раз-
рушения, выраженную числом оборотов в барабане. Оно адекватно
описывает процесс на любом интервале разрушения кокса. Чтобы
найти значения б и х, необходимы данные о среднем размере кусков
исходного кокса на какой-то промежуточной ступени разрушения
п± и конечной ступени п2.
При использовании уравнения (88) для оценки изменения кокса
в процессе сортировки целесообразно испытывать рамповый кокс,
а значения принять равными 10 или 25 оборотам и п2— 100 обо-
ротам. Для оценки последующих изменений товарного кокса лучше
принимать, что пг = 100 оборотам и и2 = 300 4- 400 оборотам.
Опыты показали, что для товарных коксов большинства заводов
Юга СССР значения х = 0,35 при разрушении в малом стандартном
барабане и х = 0,65 при разрушении в большом колосниковом ба-
рабане. В этих условиях величина б может характеризовать прочность
кокса (см. стр. 44). Чтобы найти б, достаточно знать средний раз-
мер кусков на одной, любой ступени разрушения (например 100,
200 или 400 оборотов). Величина б постоянна и не зависит от приня-
того числа оборотов барабана для испытания.
Глава III. МЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА
§ 1. СПОСОБЫ ОБРАБОТКИ. ИЗМЕНЕНИЯ, ПРЕТЕРПЕВАЕМЫЕ
КОКСОМ ПРИ ОБРАБОТКЕ
Неоднородность ситового состава кокса и анизотропия его кус-
ков идут вразрез с требованиями, предъявляемыми к коксу как ком-
поненту доменной шихты. При слоевом способе коксования указан-
ные недостатки качества кокса устранить нельзя, поэтому целесооб-
разно кокс специально подготавливать к использованию в доменных
печах. Одним из направлений такой подготовки является предвари-
тельная механическая обработка.
В США уже давно на многих заводах из общей массы кокса вы-
деляют крупные куски и дробят их. Кокс после дробления посту-
пает на повторный рассев.
tHa одном из заводов Англии на коксовой сортировке, располо-
женной в доменном цехе, из рядового кокса выделяют класс более
215
60 мм и дробят его в двухвалковой дробилке. В доменные печи нап-
равляют кокс класса 60—18 мм. В СССР этот способ разрабатывали
А. С. Брук, П. А. Щукин (1940—50 гг.), а позже многие другие
ученые.
Описанный способ обработки целесообразен при получении из
коксовых печей хорошо спекшегося кокса, но с высокой трещино-
ватостью крупных кусков.
При дроблении в валковых дробилках крупного кокса повышается
только однородность ситового состава; другие же свойства не изменя-
ются. Кроме того, разрушение кокса в валковых дробилках значи-
тельную часть кускового кокса превращает в мелочь, которая исклю-
чается из ресурсов доменного кокса. Так, по данным К. А. Богояв-
ленского и др., при дроблении от 15 до 25% класса более 80 мм в
зубчатой валковой дробилке образуется 6—7,5% класса менее 25 мм
(от кокса, поступавшего на дробление). При дроблении кокса класса
более 60 мм количество переходящего в мелочь менее 25 мм увели-
чивается до 8—10%. Механическая прочность оставшегося кокса по
показателям М40 и М10 практически не изменилась при коксовании
хорошо спекающейся шихты с содержанием газовых углей 30% и
значительно улучшилась при обработке кокса из шихты, содержащей
40% газовых углей.
Для дробления только крупных кусков кокса в валковой дро-
билке необходимо предварительно выделить их из общей массы, что
усложняет схему сортировки кокса.
На некоторых коксохимических заводах Юга СССР в последнее
время установлены приспособления, позволяющие обрабатывать круп-
ную часть кокса без выделения ее из потока. Для этого на перепаде
с рампового транспортера на наклонный монтируется вал параллель-
но приводному барабану рампового транспортера и отстоящему от
него на 1,4—1,6 м. На валу жестко насажены бичи в шахматном по-
рядке с расстоянием между ними 140—160 мм. Вал вращается таким
образом, что бичи по ходу потока «прочесывают» его на некоторую
глубину, ударяя по крупным кускам, а некоторые из них отбрасывая
на отбойную плиту. Это устройство снижает содержание крупных
классов. Например, класс более 80 мм на одном из заводов снижен
с 9 до 6%. При этом количество мелких классов увеличилось на
0,2—0,3%. Жесткость режима обработки может изменяться за счет
скорости вращения вала, расстояния между бичами, числа рядов
бичей и заглубления бичей в поток (т. е. длины бичей).
Если дробят крупную часть кокса с большой степенью анизотро-
пности кусков, что является следствием высоких скоростей коксо-
вания и применения слабоспекающихся угольных шихт, его истира-
емость снижается незначительно. В этом случае более целесообразной
является обработка кокса в барабанах, где одновременно происхо-
дит дробление, обтирание и удаление мелочи. Так как наиболее ани-
зотропны куски более 80 мм, то рационально механически обрабаты-
вать в барабанах только крупнйй кокс.
Выделить крупный кокс из о бцего потока не всег да возможно
на действующем заводе, а при строительстве новых заводов это тре-
бует дополнительного оборудования. Поэтому иногда механически
обрабатывают всю массу кокса.
С 1968 г. на одном из заводов ПНР внедрена механическая об-
работка кокса более 25 мм с помощью двух вращающихся в проти-
воположные стороны барабанов. Барабаны в сечении представляют
собой квадрат и шестиугольник, на внешних сторонах которых ук-
реплены отрезки рельсов. Длина барабанов 1100 мм, наружный ди-
аметр 500 и 620 мм. Крупный кокс по инерции попадает с транспор-
тера на внешнюю поверхность первого барабана и отбрасывается от-
ражательными плитами на внутреннюю поверхность второго бараба-
на. Дробится в первую очередь крупный кокс при ударах о ребра
барабанов и неподвижную балку, расположенную между ними. Мел-
кий кокс попадает в пространство между транспортером и барабаном
и не дробится.
Обработанный в описанном устройстве кокс значительно повышает
сопротивление дробящим и истирающим усилиям. Использование
его в доменных печах снизило удельный расход кокса на 17 кг и уве-
личило производительность доменной печи.
Промышленные исследования по влиянию механической обработки
кокса на его свойства и эффективность использования обработан-
ного кокса в доменных печах были проведены в 1966—1968 гг. ДОН-
НИИЧерметом совместно с УХИНом на Макеевском коксохимиче-
ском и Ждановском металлургическом заводах. Кокс обрабатывался
в машине избирательного дробления (МИД), применяемой в уголь-
ной промышленности. МИД представляет собой барабан, поверхнос-
тью которого являются сита.
Режимы работы МИДа регулируются за счет изменения размера
отверстий в ситах, скорости вращения и степени заполнения бараба-
на. Кокс, проходя через барабан, претерпевает обкатку вследствие
трения кусков друг о друга и о стенки барабана. Одновременно круп-
ные, непрочные куски дробятся. Образующуюся мелочь, которая
проходит сквозь отверстия в барабане, удаляют. Кокс пребывает в
барабане около 1,3 мин. За это время барабан успевает сделать 33
оборота при скорости вращения 25 об/мин и 20 оборотов при скорости
15 об/мин.
Принципиальная схема способа механической обработки кокса
с использованием барабанной дробилки представлена на рис. 62.
В барабан для обработки может подаваться весь металлургический
кокс либо классы более 60 или 40 мм.
Эффективность различных схем такой механической обработки
кокса, по данным А. В. Карпова, К. А. Богоявленского и др., пред-
ставлена в табл. 56. Как видно из таблицы, при всех режимах об-
работки существенно повышались прочностные характеристики
кокса, увеличивался коэффициент газопроницаемости, снижался
отсев мелочи в доменном цехе и расход кокса на 1 т выплавляемого
чугуна.
Самые большие отходы мелочи были при обработке всего метал-
лургического коксд если размер отверстий сит составлял 25 X
X 25 мм.
217
Рис. 62. Принципиальная схема механи-
ческой обработки кокса:
I — валковый грохот; 2 — барабанная дро-
билка; 3 — транспортер доменного кокса;
4 — транспортер мелкого кокса (а — домен-
ный кокс; б — кокс крупностью более 60 мм
или более 40 мм; в — кокс в бункера домен-
ных печей; г — кокс на сортировку мелких
классов или на агломерацию).
В ситовом составе обработанного кокса снижалось содержание
классов более 80 мм (с 12,3—13,9% до 2,9—3,1%) и 60—80 мм
(с 25,2—30,2% до 9,1—15,0%) и увеличивалось количество классов
40—60 мм и 25—40 мм.
Несколько меньше изменялся ситовый состав при скорости вра-
щения барабана 15 об/мин, меньше изменились и прочностные
характеристики, однако количество отсева снижалось в 3 раза.
Режим и схема обработки кокса, оптимальные с точки зрения
максимального эффекта при минимальных потерях металлургическо-
го кокса, могут быть различны-
ми и связанными как с качест-
вом исходного кокса, так и с
уровнем подготовки остальной
части шихты доменных печей и
соответствующим эффектом от
повышения качества кокса.
Эффект обработки кокса в
барабанных дробилках воспро-
изводится при разрушении кок-
са в испытательных барабанах
(малом стандартном, большом
колосниковом и др.). По такой
методике широко исследуются
коксы различных условий про-
изводства. Так, для кокса Маг-
нитогорского металлургического комбината установлено, что об-
работка его в большом колосниковом барабане при 25 оборотах
увеличивает остаток в барабане с 320,5 до 339,0 кг, т. е. на 18,5 кг.
При этом количество класса менее 10 мм в провале снижается с
38,5 до 26,0 кг. В процессе обработки этого же кокса при 50 оборотах
барабана остаток в барабане повышается на 21,5 кг, а количество
мелочи в провале снижается на 11 кг. Потери металлургического кок-
са в первом случае составили 7%, во втором они были значительно
больше.
ВУХИНом была исследована обработка кокса Нижнетагильского
металлургического комбината в барабане при 25, 50 и 75 оборотах.
Результаты их представлены в табл. 57. Данные подтверждают разли-
чие в эффективности обработки кокса, отличающегося по качеству.
Так, слабый кокс 7—8 батарей после обработки увеличил остаток
в барабане на 52 кг, а кокс 3—4 батарей в этих же условиях улуч-
шился по остатку в барабане на 32 кг. Эти же данные подтверждают
увеличение отходов при увеличении интенсивности обработки с одно-
временным повышением механической прочности кокса.
По данным И. М. Лазовского и других, обрабатывать кокс Челябинского метал-
лургического завода крупностью только более 80 мм рациональнее, чем всю массу
кокса. В смеси обработанного при 40 оборотах в большом колосниковом барабане
класса более 80 мм и необработанного кокса 25—80 мм, прирост прочности меньше,
чем при обработке всего кокса, но и потери от измельчения (класс менее 25 мм) мень-
ше (до 2,2%). Если обрабатывался весь кокс, потери составляли 4,5% при 20 оборо-
тах барабана и 6,5% при 40 оборотах.
О1Я
Таблица 56. Эффективность различных схем механической обработки кокса
(скорость вращения барабана 25 об/мин)
Показатели Обработка кокса более 60 мм (размер отверстия сит 25 Х25 мм) Обработка кокса более 40 мм (размер отверстия скт 20X20 мм) Обработка кокса более 25 мм (размер отверстия сит 25x25 мм)
। товарный обрабо- танный товарный обрабо- танный товарный обрабо- танный
Ситовый состав (%) по классам, мм'. более 80 13,9 2,9 12,3 3,1 12,4 3,1
60—80 25,2 9,1 27,4 10,7 30,2 15,0
40—60 45,3 57,0 44,1 46,8 42,4 54,1
25—40 12,6 26,7 13,3 33,7 12,2 25,0
менее 25 3,0 4,3 2,9 5,7 2,8 2,8
Прочность кокса, %: М40 75,6 83,0 77,4 86,0 78,9 88,5
М10 8,1 6,8 7,5 6,2 7,4 6,3
Коэффициент однородности кусков, Ко Коэффициент газопроницаемости, Г Подбарабанный продукт МИД (фактиче- ской влажности): % 3,4 3,7 3,4 3,4 3,2 3,3
265 312 278 323 280 334
7,7 7,4 . _ 11,1
класса — 25 мм —. 6,6 — 7,1 — 9,4
Отсев кокса в доменном цехе, % 7,6 6,6 6,3 5,1 5,4 4,4
Расход сухого скипового кокса (скоррек- тированный), т/т чугуна 0,572 0,550 0,567 0,539 0,571 0,536
Снижение расхода скипового кокса, % — 3*8 — 4,9 — 6,1
Среднесуточная производительность до- менной печи, т 2153 2161 2158 2169 2068 2103
Таблица 57. Изменение прочности кокса при механической обработке в большом
колосниковом барабане
Показатели Число оборотов барабана
Кокс батарей 3—4 Кокс батарей 7—8
0 25 50 75 0 25 50 75
Механическая прочность: остаток в большом ко- лосниковом барабане, кг 305 328 334 337 277 309 319 329
количество мелочи ме- нее 10 мм в провале, кг 46 31 29 31 44 26 23 20
М40, % 60,4 69,5 67,0 71,4 — —- — —
М10, % н,о 9,4 8,5 7,3 — — — —
Потери крупного кокса (класс менее 25 мм) при обработке, % — 6,8 10,2 10,8 — 6,7 11,2 12,6
219
Е. Б. Иванов показал, что обработка кокса Криворожского коксохимического
завода класса более 60 мм в малом барабане при 50 оборотах увеличивает показатель
М40 с 74,0 до 80,9%, а М10 снижает с 9,8 до 4,0%. Потери кокса крупности менее
20 мм при этом составляют 2,9%. Подобные исследования выполнялись и на других
заводах.
Изменения прочности, ситового состава и потерь от измельчения
для кокса, полученного из шихты одинакового состава, при различ-
ных периодах коксования в зависимости от глубины предваритель-
ной механической обработки в малом стандартном барабане показа-
ны в табл. 58 и на рис. 63. Как видно из приведенных данных, кокс,
Таблица 58. Изменение качества кокса в результате предварительной
механической обработки
Период коксова- ния (варианты) ’ Глубина предва- рительного раз- рушения, число оборотов бара- бана Ситовый состав кокса, %, по клас- сам, мм, после обработки Прочность, % Потери от измельче- ния, %
более 80 60—80 40—60 25—40 менее 25 j М25 MI0 менее 25 мм в том числе
10—15 мм менее 10 мм
0 49,3 27,1 18,2 5,4 86,8 8,0
10 25,6 27,0 34,9 9,5 3,0 88,4 7,6 2,3 0,4 1,9
25 18,0 25,1 40,1 13,8 3,0 89,2 6,8 4,0 1,0 3,0
24 (I) 50 9,6 24,4 43,9 19,1 3,0 89,6 6,8 6,5 2,5 4,0
75 6,9 22,2 44,8 23,1 3,0 90,2 6,8 8,5 2,9 5,6
100 5,2 22,1 45,5 24,2 3,0 90,6 6,8 10,5 3,8 6,7
0 36,2 27,6 28,4 7,8 — 87,6 7,8 — —
10 18,3 25,0 40,2 13,5 3,0 89,2 7,4 1,5 0,6 0,9
25 Н,2 24,4 42,5 18,9 3,0 89,6 6,8 3,5 1,0 2,5
20 (II) 50 Ю,1 20,6 43,8 22,5 3,0 90,3 6,4 6,4 3,4 3,0
75 8,5 18,8 45,2 24,5 3,0 90,8 6,4 8,4 4,1 4,3
100 5,9 19,9 45,5 25,7 3,0 91,3 6,4 10,2 4,5 5,7
0 21,6 29,6 37,7 П,1 — 87,0 7,2 — — —
10 11,4 22,4 45,0 18,2 3,0 87,8 6,4 0,8 0,4 0,4
25 7,2 20,1 47,0 22,7 3,0 89,4 6,2 3,0 1,0 2,0
16 (Ill) 50 3,5 17,8 47,5 28,2 3,0 90,2 5,8 6,0 2,6 3,4
75 0,5 18,0 47,3 31,2 3,0 91,0 5,6 8,3 3,6 4,7
100 0,0 14,6 47,8 34,6 3,0 91,4 5,6 10,8 5,1 5,7
0 15,1 26,8 43,4 14,7 85,6 6,8 —. - — —
10 6,3 14,8 • 46,5 29,4 3,0 86,6 6,4 1,2 0,6 0,6
25 2,2 11,0 47,8 36,0 3,0 88,8 6,1 4,1 2,5 1,6
15 (IV) 50 0,7 8,7 45,2 42,4 3,0 90,6 5,8 6,5 3,5 3,0
75 0,0 7,9 42,5 46,6 3,0 91,2 5,6 8,5 5,3 3,2
100 0,0 6,9 41,1 49,0 3,0 91,2 5,4 Ю,1 6,7 3,4
1 Состав шихты в вариантах I—IV одинаковый.
полученный при периоде коксования 24 ч и имеющий вследствие это-
го относительно невысокую степень анизотропности кусков, но ма-
лую структурную ’ прочность (I), на первых ступенях разрушения
(до 25 оборотов) снижает дробимость и истираемость. Дальнейшее
повышение глубины обработки до 100 оборотов не изменяет истирае-
мости (М10 остается равным 6,8%) и незначительно (на 1,4%) изме-
няет показатель М25 (рис. 63, а, б, в).
220
Кокс II варианта несколько более анизотропен (период коксова-
ния 20 ч), а прочность материала кокса немного выше. Нарастание
прочности происходит до 50 оборотов, после чего М10 не изменя-
ется, а М25 изменяется на 1%.
При периодах коксования 16 и 15 ч (III и IV варианты) куски
кокса были более анизотропны, в результате чего истираемость кок-
са непрерывно уменьшалась по мере
увеличения глубины обработки (в ва-
рианте IV с 6,8 до 5,4%). Во всех
случаях повышение глубины механи-
ческой обработки увеличивает поте-
ри от измельчения, однако характер
зависимости количества образующей-
ся мелочи от числа оборотов бараба-
на при механической обработке нес-
колько различается. Так, в коксе ва-
рианта I после 10 оборотов барабана
мало изменяется интенсивность на-
растания мелочи. Кокс варианта IV
до 50 оборотов дает мелочи больше,
чем кокс варианта I, а затем интенсив-
ность образования мелочи снижается
и при 75 и 100 оборотах мелочи об-
разуется меньше. Различен и состав
класса менее 25 мм: в первом случае
преобладает класс менее 10 мм, а во
втором —10—25 мм.
Это имеет немаловажное значение
с точки зрения экономики процесса,
о чем ниже будет подробно рассказано.
На первых этапах механической
обработки кокса происходит значи-
тельный прирост прочности и резкое
изменение ситового состава. После-
дующее разрушение идет менее ин-
тенсивно. Иными словами, кокс все
Число оборотов
Рис. 63. Влияние глубины разру-
шения при механической обработ-
ке на повышение прочности кокса
и образование мелочи:
/ — кокс, полученный при периоде кок-
сования 24 ч; 2 — то же, при 20 ч; 3 —
то же, при 16 ч; 4 — то же, при 15 ч.
более стабилизируется по мере уве-
личения глубины предварительной
обработки (см. рис. 63).
Но при любой глубине механи-
ческой обработки не достигается пос-
тоянства скорости разрушения, под
которой подразумевается изменение ситового состава кокса на еди-
ницу выполненной работы. Таким образом, говоря о стабилизации
качества или свойств кокса, обычно предполагают снижение измен-
чивости свойств до определенного уровня, который может быть оп-
ределен лишь условно.
Чтобы правильно выбрать уровень глубины предварительной ме-
ханической обработки кокса, необходимо знать динамику изменения
221
прочностных свойств, динамику возрастания потерь металлургиче-
ского кокса и динамику возрастания эффективности применения
кокса, обработанного до различных стадий в доменном производ-
стве. Если при этом учесть, что возможны различные схемы под-
готовки кокса к доменным плавкам, то станет очевиден тот огром-
ный объем работ, который необходимо выполнить, чтобы найти
оптимум разрушения для кокса одного определенного типа (выше
говорилось, что общих решений быть не может).
На практике часто упрощают задачу до поиска экономического
оптимума с точки зрения коксохимического производства, предпо-
лагая, что повышение эффективности использования механически
обработанного кокса выражается теми приплатами, которые в соответ-
ствии с прейскурантом цен будут получены за повышение качествен-
ной характеристики кокса.
§ 2. ЭКОНОМИКА СОРТИРОВКИ И МЕХАНИЧЕСКОЙ
ОБРАБОТКИ КОКСА
Цены на кокс устанавливаются Государственным комитетом цен
Совета Министров СССР, который утверждает соответствующие прей-
скуранты.
В прейскуранте № 01—06 «Оптовые цены на кокс и термоантра-
цит» приведены цены за 1 т сухого доменного кокса, коксового ореш-
ка и коксовой мелочи при определенных средних показателях ка-
чества. Предусмотрено, что за отклонение фактических качественных
показателей от приведенных в прейскуранте расчетных норм произ-
водится:
а) за улучшение этих показателей — приплата;
б) за ухудшение, не превышающее предельных норм, указанных
в стандартах или технических условиях, — скидки от цены.
Если ухудшение превышает предельные нормы, продукция браку-
ется.
Средние нормы устанавливаются индивидуально для заводов
УССР, центрального района СССР, Урала (без Губахинского КХЗ).
Губахинского КХЗ, Западной Сибири, северозападного района СССР.
Обычно скидки (приплаты) устанавливают за изменение зольнос-
ти, сернистости, прочности и некоторых показателей ситового со-
става кокса.
Скидки (приплаты) за изменение качества от расчетных норм сти-
мулируют выполнение работ по совершенствованию технологии про-
изводства и изменение качества кокса в направлении, желательном
для потребителя.
Поскольку изменяется технология ведения доменного процесса,
уровень подготовки доменной шихты, а соответственно и требования,
предъявляемые к качеству кокса, периодически изменяются скидки
(приплаты) за изменение качественных показателей.
Существовавший до 1972 г. прейскурант экономически стимулировал снижение
содержания в коксе класса 25—40 мм, т. е. повышение однородности при увеличении
средней крупности кусков.
222
Таблица 59. Изменение стоимости кокса в зависимости от фактического
качества по прейскуранту до 1972 г.
Расчетные показатели Размер отклонений от расчетной нормы, % Размер приплат (ски- док) к оптовой цене, %
Зольность о,1 0,2
Сернистость 0,1 1,0
Прочность, М40 1,0 0,2
Замусоренность (класс менее 25 мм) 1,0 0,6
Содержание в коксе класса 25—40 мм 1,0 0,5
Рассмотрим это на конкретном примере. Размеры скидок-приплат представлены
в табл. 59.
Предположим, имеется 1000 т кокса размерами кусков более 25 мм марки КД-1,
1-й группы прочности (в соответствии с ГОСТ 513—63). Кокс произведен одним из за-
водов Украины и в нем содержится 14% класса 25—40 мм. В соответствии с действо-
вавшим уровнем цен, при средней расчетной норме содержания класса 25—40 мм
16% стоимость 1 т кокса была равна
20,8 + 0,2 = 21 руб.,
л е 9,9Л Я
где 0,2 = U,Q'Z’. u’° — размер приплаты за снижение содержания класса 25—
40 мм на 2% против расчетной нормы.
Стоимость 1000 т кокса равна 21 000 руб.
В результате изменения элементов технологии сортировки кокса оказалось воз-
можным снизить содержание класса 25—40 мм еще на 3%. При выделении класса
крупностью 25—40 мм неизбежны некоторые потери с ним более крупных кусков.
Предположим, что более крупного кокса уйдет 10% от выделенного класса 25—40 мм.
Тогда вместо 1000 т кокса крупностью более 25 мм будет 33 т кокса класса 25—40 мм
и 967 т крупного кокса, в котором будет 11% класса 25—40 мм. Прочие показатели
качества не изменились.
Новая стоимость этих 1000 т будет равна:
а) крупного кокса
967 ^20,8 + °’5--f0Q 20’8 = 20 597 РУ6-
б) класса 25—40 мм 33 • 18,7 = 617 руб.
И/г ого 21214 руб.
Таким образом, выделение кокса класса 25—40 мм принесло заводу прибыль в
размере 214 руб. на каждые 1000 т отгружаемого кокса.
Предъявляемые ранее требования к качеству кокса диктовали це-
лесообразность применения на коксортировках так называемого ща-
дящего режима транспортировки и рассева, при котором крупный
кокс к потребителю поступал бы с минимальным разрушением.
С одной стороны, это обеспечивало возможный минимум класса 25—
40 мм в коксе, с другой, — большое количество класса более 80 мм
увеличивало показатель М40. В то же время кокс, йрежно достав-
ленный к доменным печам, интенсивно разрушается уже в самой
печи.
В изменившихся условиях ведения доменного процесса и уровня
подготовки железосодержащей части шихты кокс класса 25—40 мм
перестал играть отрицательную роль. Из прочностных характеристик
223
Таблица 60. Средние расчетные нормы и цены на некоторые виды кокса
заводов УССР
Расчетные нормы, %
Продукция
Кокс доменный более
40 мм
То же, более 25 мм
То же, 25—60 мм
Кокс литейный
Коксовый орешек
Коксовая мелочь
43—50
43—00
44—00
54—00
38—00
26—00
Таблица 61. Прейскурантные нормы расчета за кокс
Расчетные показатели Размер отклоне- ний от расчетной нормы, % Размер приплат (скидок) к оптовой цене, %
Зольность о,1 0,2
Сернистость кокса:
доменного 0,1 1,0
литейного 0,1 1,5
Прочность кокса:
М40, % 1,0 0,3
М25, % 1,0 0,3
МЮ, % 1,0 1,2
Содержание класса более 80 мм в коксе круп-
иостью более 40 мм и более 25 мм 1,0 0,2
Содержание мелочи менее 25 мм 1,0 0,5
доминирующее положение заняла истираемость. Выявлено отрица-
тельное воздействие класса более 80 мм.
Введенный в 1972 г. новый прейскурант отражал эти измененные
требования. Средние нормы и оценка прочности предусматривались
ГОСТ 513—63. С 1975 г. введен новый прейскурант, предусматриваю-
щий оценку прочности показателями М25 и МЮ и устанавливающий
обобщенную норму качества без разделения на группы. Эти средние
расчетные нормы и оптовые цены за 1 т сухого кокса для заводов
УССР приводятся в табл. 60. Размеры скидок (приплат) за отклонение
качества фактически поставляемого кокса от расчетных норм приве-
дены в табл. 61.
Как видно из таблицы, в новых условиях более целесообразным
является жесткий режим транспортировки и сортировки. Разруше-
ние на перепадах с транспортера на транспортер снизит класс более
80 мм, а увеличивающееся количество класса 25—40 мм не снижает
224
ценности кокса. Эти же требования определяют целесообразность по-
вышения конечных температур коксования и предварительной, спе-
циально организованной, механической обработки кокса.
Как уже отмечалось, при механической обработке кокса прибыль
обеспечивают повышение показателя М40 (М25), снижение показате-
ля М10 и содержания в коксе класса более 80 мм (исключая эффектив-
ность, достигаемую в доменном производстве). Убыток дает образо-
вание из крупного кокса мелочи менее 25 мм.
Таблица 62. Экономическая эффективность обработки кокса при скорости
вращения барабана 25 об/мин
1 ! Варианты Затраты, отнесенные на 1 млн. т чугуна, тыс. руб. 1
Сортировка отсевов, образующихся при обработке в барабане МИД н в доменном цехе на классы более 25 мм, 10—25 мм и менее 10 мм То же, но без сорти- ровки отсева в домен- ном цехе Из отсева в МИД вы- деляется только класс более 25 мм. Класс менее 25 мм не сор- тируется Подбарабанный про- дукт МИД и отсев в доменном цехе реа- лизуются по цене класса менее 10 мм
I +717 + 122 —356 —613
II +962 +387 —38 — 110
III +974 +246 —246 —650
1 Плюс — экономия; минус — убытки.
Важным экономическим моментом (учитывая существующий уро-
вень цен на различные сорта кокса) является путь реализации образу-
ющегося класса менее 25 мм.
Расчетами, выполненными в УХИНе по данным опытов обработки
кокса в МИД (см. табл. 62), показано, что это мероприятие эконо-
мически оправдано лишь в том случае, если мелкий кокс рассорти-
ровывается на орешек и мелочь, которые реализуются каждый
по своей цене. Если весь образующийся мелкий кокс реализуется
по цене коксовой мелочи (менее 10 мм), то механическая обработка
кокса в конкретно рассматривающихся условиях становится убы-
точной.
Оптимальная глубина механической обработки кокса зависит от
соотношения между суммой приплат за снижение содержания в кок-
се класса менее 80 мм, повышения М25, снижения МЮ при данной
глубине обработки и убытками от перехода части металлургического
кокса размером более 25 мм в мелочь менее 25 мм.
Вычислим, пользуясь данными табл. 58 по варианту I, эффек-
тивность обработки кокса при 25 оборотах барабана.
Изменение качества определяли по сравнению с качеством кокса
после обработки при 10 оборотах барабана, так как в табл. 58 пред-
ставлены данные испытаний рампового кокса, а 10 оборотов в бараба-
не приблизят его к состоянию товарной поставки. При этом фактичес-
ки обработка кокса во всех случаях будет н>а 10 оборотов меньше
указанной в последующих расчетах. Однако для удобства пользова-
ния данными таблицы мы сохраним те же сбозначения чисел сборотов
225
в барабане. Условно примем, что зольность и сернистость кокса
при обработке не изменяются.
Стоимость 1 т кокса фактического качества составится из прей-
скурантной цены, приплаты за более высокий показатель М25 (88,4
против расчетного 86%), скидки за высокое содержание класса бо-
лее 80 мм (25,6 при расчетной норме 8%) и скидки за повышенную
истираемость кокса (М10 = 7,6% при расчетной норме 7%). Таким
образом, цена тонны кокса фактического качества будет
„ лп лл , (88,4 — 86,0)0,3-43,0 (25,6- 8,0)0,2-43,0
Ц—43,00 + шо )00
(7,6-7,0)1,2-43,0 ..... ,
- --------joe-------=41149 руб-
где 0,3; 0,2 и 1,2 — размер скидок — приплат за изменение факти-
ческого качества на 1 % против расчетной нормы.
Расчет ведем на 1000 т обрабатываемого кокса.
Стоимость 1000 иг кокса исходного качества будет равна
41,49 • 1000 = 41 490 руб.
В результате механической обработки при 25 оборотах бараба-
на потери крупного кокса составят 4% (т. е. 40 т), в том числе 1%
орешка и 3% мелочи. Из 1000 т крупного кокса более 25 мм останет-
ся 960 т, но качество его, а соответственно, и цена будут выше. Но-
вая цена будет равна
1Т лопЛ1 (89,2-86,0)0,3-43,0 , (7,0-6,8)43,0
ц = 43’00 +--------loo-------+-------ioo------
-(18,0 — 8,0)0,2-43,0 = 42,65 руб.
Как видно, в результате механической обработки цена кокса уве-
личилась на 1,16 руб!т.
Стоимость 960 т крупного кокса составит 40 944 руб.
Стоимость 10 т орешка по цене 38 руб!т равна 380 руб.
Стоимость 30 т мелочи по цене 26 руб/т. равна 720 руб. Итого,
общая стоимость 1000 т кокса после механической обработки будет
равна
40 944 + 380 + 720 = 42 044 руб.
Таким образом, предварительная обработка кокса при 25 оборо-
тах обеспечит прибыль в размере 554 руб.
Аналогично опредилим экономическую эффективность предвари-
тельной механической обработки кокса при глубине разрушения в
50 оборотов. Стоимость 1000 т кокса после обработки будет равна
42 588 тыс. руб.
Таким образом, несмотря на увеличение потерь металлургиче-
ского кокса в конкретном случае более глубокая предварительная
механическая обработка обеспечивает большую прибыль. Она со-
ставит 1098 руб. на каждой 1000 пг. Увеличение прибыли было обес-
печено в основном снижением содержания в коксе класса более 80 мм
с 18,0 до 9,6%.
226
Таблица 63. Эффективность механической обработки кокса различных
периодов коксования
1 Вариант 1 Глубина ме- ханической обработки, число оборо- тов барабана 1 Цена 1 т крупного кок- са после ме- ханической обработки, руб. Стоимость кокса после обра- ботки 1000 т, тыс. руб. Экономический эффект, руб. на 1000 т
образующая- ся мелочь ме- нее 25 мм сортируется образующая- ся мелочь ме- нее 25 мм реализуется по цене клас- са менее 10 мм класс менее 25 мм сорти- руется класс менее 25 мм не сор- тируется
10 41,49 __ — —
25 42,65 42,044 41,984 +554 +494
I 50 43,42 42,588 42,288 +1098 +798
75 43,74 42,580 42,232 + 1090 +742
100 43,93 42,503 42,047 + 1013 +557
10 42,30
25 43,28 42,795 42,675 +495 +375
п 50 43,68 42,956 42,548 +656 +248
75 43,89 42,879 42,387 +579 +87
100 44,17 42,857 42,317 +557 + 17
10 43,2 5
25 43,92 43,502 43,388 +252 +499 + 138
III 50 44,55 43,749 43,437 + 187
75 45,02 43,873 43,441 .+623 + 191
100 45,11 43,658 43,046 +403 4-204
10 43,33
25 44,33 43,878 43,578 +548 +248
IV 50 44,84 44,035 43,615 +705 +285
75 45,08 44,094 43,458 +764 + 128
100 45,19 44,055 43,251 +725 —79
1 10 оборотов соответствует исходному коксу.
При глубине предварительной обработки кокса в 75 оборотов
барабана стоимость 1000 т составит 42 580 руб. Поскольку 42 580 <
< 42 588, делаем вывод, что такая глубина механической обработки
менее целесообразна. Оптимум находится в промежутке между об-
работкой при 50 и при 75 оборотах. Нахождение более точного его
положения требует интерполяции для определения на промежуточ-
ных уровнях значений показателей качества и величины потерь
кокса.
В табл. 63 представлены расчеты всех четырех вариантов качества
кокса при глубине разрушения 25, 50, 75 и 100 оборотов барабана и с
учетом различной реализации мелочи, образующейся при механической
обработке кокса. Эти данные иллюстрируют различие оптимальной глу-
бины разрушения в зависимости от качества исходного кокса, круп-
ности образующегося продукта менее 25 мм и условий р еализа-
ции его.
Т ак, при рассеве кокса класса менее 25 мм, образующегося при
обработке, на орешек и мелочь и реализации каждого продукта
227
по его стоимости, оптимум глубины разрушения для кокса I, II и III
вариантов находится между 50 и 75 оборотами барабана, а для кок-
са варианта IV между 75 и 100 оборотами. Если весь образующийся
мелкий кокс реализуется по цене коксовой мелочи, оптимум глубины
предварительной обработки смещается. Для вариантов I и III он
будет в этом же интервале — 50—75 оборотов, а для II и IV вариан-
тов он перемещается в интервал 25—50 оборотов.
При глубине разрушения 100 оборотов барабана без рассева об-
разующейся мелочи предварительная обработка кокса III и IV ва-
риантов становится убыточной. Таким образом, способ предваритель-
ной механической обработки кокса, несмотря на безусловное улуч-
шение качества крупного кокса, не является априорно экономически
эффективным.
В каждом конкретном случае должны учитываться качество ис-
ходного кокса, динамика его разрушения, свойства крупных клас-
сов более 80 и 60 мм, возможность рационального использования
мелких классов, образующихся при разрушении, и крупность их,
уровень изменения свойств крупного кокса. Только с учетом всех
этих факторов можно решать вопрос о целесообразности организа-
ции предварительной механической обработки кокса и оптимальном
уровне ее глубины.
Следует учитывать, что у кокса сильно выражены абразивные
свойства, поэтому используемые для механической обработки устрой-
ства (барабаны, бичи, дробилки) быстро изнашиваются. Эго опреде-
ляет значительные эксплуатационные расходы агрегатов для механи-
ческой обработки кокса.
Приведенные выше расчеты показывают, что сортировка кокса
и механическая обработка его представляют собой мощные факторы
экономики всего коксохимического производства.
В настоящее время организация предварительной механической
обработки кокса на заводах тормозится общим дефицитом доменного
кокса. Однако следует учитывать, что при механической обработке
кокса может быть снижен нижний предел крупности кусков до 20 мм
и даже меньше, при этом удельный расход кокса тоже уменьшается.
В общем случае, если потери от измельчения не превышают снижения
удельного расхода кокса на выплавку чугуна, механическая об-
работка кокса безусловно оправдана.
ПЕРЕЧЕНЬ РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 1
Справочник коксохимика, т. I—VI. Под ред. А. К-Шелкова. М., «Металлур-
гия», 1966.
Аронов С. Г., Нестеренко Л. А. Химия твердых горючих ископаемых.
Изд-во Харьк. ун-та, 1960.
Руководство по коксованию, т. I, т. II. Под ред. О. Гросскинского. М., «Метал-
лургия», 1966
Лейбович Р. Е., Обуховский Я- М., СатановскийС. Я.
Технология коксохимического производства. М., «Металлургия», 1966.
Зашквара В. Г. Подготовка углей к коксованию. М., «Металлургия», 1967.
Мирошниченко А М Составление угольных шихт для коксования.
Киев, «Техн1ка», 1965.
Агроскин А.А., Шелков А. К-Расширение угольной базы коксования.
М., Металлургиздат, 1962.
Гофтман М. В. Прикладная химия твердого топлива. М, Металлургиздат,
1963.
Сапожников Л. М., СперанскаяГ.В. Исследование современных
принципов коксования углей. М., Изд-во АН СССР, 1953.
Т а й ц Е. М. Свойства каменных углей и процесс образования кокса. М., Ме-
таллургиздат, 1961.
Сысков К- И., ВербицкаяО.В. Основные закономерности поведения
кокса при вторичном нагревании. М., Металлургиздат, 1962.
Т е п л и ц к и й М. Г. и др. Сухое тушение кокса. М-, «Металлургия», 1971.
МучникД А, Иванов Е. Б. Сортировка кокса. М., «Металлургия»,
1968.
В и р о з у б И. В., Лейбович Р. Е. Расчеты коксовых печей и процессов
коксования. Киев, «Вища школа», 1970.
Л г а л о в К- И., Соколов Г. А., ХалабузарГ. С., Кафтан С. И.
Технология обогрева коксовых печей. М., Металлургиздат, 1949.
Хейл'ИгенштедтВ. А. Регенераторы, рекуператоры и воздухонагреватели.
М., Металлургиздат, 1948.
Кайнарский И. С. и др. Огнеупоры для коксовых печей. М., «Металлургия»,
1966.
Ханин И. М. и др. Методы расчета материального и теплового балансов кок-
совых печей. М., «Металлургия», 1972.
1 Научная и техническая информация по коксохимии публикуется в следующих
периодических изданиях: в журналах «Кокс и химия», «Химия твердого топлива»,
в сборниках статей «Труды УХИНа», «Труды ВУХИНа» (Подготовка и коксование
углей), «Металлургия и коксохимия».
co
Предисловие ............................................................ 3
Введение................................................................ 5
§ 1. Зарождение и развитие коксохимического производства............... 5
§ 2. Роль и значение коксохимического производства в народном хозяйстве 11
РАЗДЕЛ 1
КОКС КАК МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОЕ СЫРЬЕ
Глава I. Современные требования к коксу . ........................... 13
v § 1. Доменный процесс и требования к коксу............................. 13
§ 2. Требования к литейному коксу .................................... 17
§ 3. Требования к коксу для ферросплавов............................... 18
§ 4. Требования к коксу как аглотопливу ............................... 19
§ 5. Другие требования к коксу ........................................ 19
Глава 11. Свойства кокса .............................................. 20
§ 1. Химический состав кокса........................................... 20
§ 2. Физические свойства кокса......................................... 23
§ 3. Физико-химические свойства кокса.................................. 27
§ 4. Физико-механические свойства кокса................................ 28
Глава 111. Оценка прочности и ценности кокса .......................... 36
§ 1. Общие сведения ................................................... 36
§ 2. Методы оценки прочности кокса, используемые в СССР................ 39
§ 3. Методы определения прочности кокса, используемые за рубежом .... 42
§ 4. Показатели физико-механических свойств кокса, рассчитанные поданным
изменения ситового состава при разрушении ............................ 43
§ 5. Комплексные индексы, используемые за рубежом...................... 45
Глава IV. Неоднородность свойств и классификация кокса ............... 46
§ 1. Свойства кокса по длине куска..................................... 46
§ 2. Свойства кокса различных классов крупности....................... 49
§ 3. Классификация кокса .............................................. 53
РАЗДЕЛ II
ПОДГОТОВКА УГОЛЬНОЙ ШИХТЫ И ПРОЦЕСС ОБРАЗОВАНИЯ КОКСА
Глава I. Общая характеристика сырья для коксования .................... 56
§ 1. Показатели, характеризующие качество углей для коксования......... 56
§ 2. Классификация каменных углей...................................... 61
§ 3. Характеристика основных угольных бассейнов ....................... 64
§ 4. Составы угольных шихт............................................. 67
§ 5. Расчет показателей качества шихты................................ 69
§ 6. Влияние состава и свойств шихты на качество кокса.................. 72 г
Глава 11. Подготовка углей к коксованию как комплекс процессов, изменяю-
щих коксуемость углей и шихты.......................................... 74
§ 1. Общие сведения ................................................... 74
§ 2. Прием, складирование и усреднение углей .......................... 76
§ 3. Дозировка углей. Технологические схемы углеподготовки............ 81
§ 4. Использование процесса измельчения для регулирования коксуемости
шихты ................................................................ 87
§ 5. Использование процесса смешения для регулирования коксуемости шихты 97
§6. Использование других способов воздействия на коксуемость шихты . . . ЮЗ
230
Глава 111. Процессы, протекающие в коксовых печах .....................112
§ 1. Тепловой поток в угольной загрузке..............................112''
§ 2. Взаимодействие углей при спекании их смесей в коксовых печах .... 114
§ 3. Коксообразование и формирование ситового состава кокса ...........117
§ 4. Термодинамика и кинетика процесса превращения углей в кокс........121
§ 5. Ход паро- и газообразных продуктов при коксовании.................122
§ 6. Усадка в процессе коксования ......................................124
§ 7 . Ж идкие и газовб разные продукты коксования......................127
РАЗДЕЛ III
ТЕЛИКА И ТЕХНОЛОГИЯ СЛОЕВОГО КОКСОВАНИЯ
Глава I. Современная техника слоевого коксования ........................129
§ 1. Современная схема производства кокса ...............................129
§ 2. Материальный баланс процесса коксования.............................132
§ 3. Общие требования к производительности коксовой печи................134
§ 4. Равномерность обогрева по длине и высоте камер коксования..........137
§ 5. Методы удовлетворения общих требований в различных конструкциях
печей ..................................................................142
§ 6. Возможности увеличения размера камер коксования и числа печей в батарее 147
Глава /7. ^Тепловая характеристика процесса коксования .................149
§ 1. Удельныи~расход тепла на коксование................................149
§ 2 Тепловой баланс коксования ...................................... 151'
§ 3. Теплотехнический и термический коэффициенты полезного действия коксо-
вых печей ..............................................................154
§ 4. Пути улучшения использования тепла в коксовом производстве .... 155
§ 5. Основы расчета регенераторов .....................................
Глава III. Основы технологии процесса слоевого коксования .............. ГЕО '
§ 1. Основные принципы процесса .......................................1§0.
/§ 2. Гидравлический режим коксовых печей и теоретические основы его расчета фГг
§ 3. Температурный режим коксования....................................1 в>
§ 4. Серийность выдачи кокса...........................................1 67
§5. Правила технической эксплуатации. Графики выдачи кокса из печей ... 171
Глава IV. Общие сведения о строительстве и пуске коксовых батарей .... 174 1
§ 1. Основные характеристики используемых огнеупоров и кладки...........174
§ 2. Сушка и разогрев батареи ..........................................176
§ 3. Огнеупорная кладка и производительность коксовых печей.............178
Глава V. Развитие направлений получения кокса и переработки углей.........179
§ 1. Совершенствование процесса слоевого коксования ....................179
§ 2. Методы получения кускового кокса ..................................180
§ 3. Технология получения формованного металлургического кокса, разра-
ботанная в СССР.........................................................185
§ 4. Перспективы развития методов химической переработки углей..........187
РАЗДЕЛ IV
ТЕХНОЛОГИЯ ПОДГОТОВКИ КОКСА К ИСПОЛЬЗОВАНИЮ В МЕТАЛЛУРГИИ
Глава 1. Первичная (ординарная) подготовка кокса ..................... 18г
<2 § 1. Мокрое тушение...................................................181
о § 2. Сухое тушение ....................................................
§ 3. Сортировка кокса ..................................................lift
Глава II. Закономерности изменения свойств кокса в процессе подготовки к
использованию...........................................’..............207
§ 1. Изменение ситового состава .......................................207
§ 2. Изменение прочности ..............................................20'
§ 3. Математическое описание (модель) процесса разрушения..............211
Глава III. Механическая обработка .......................................215
§ 1- Способы обработки. Изменения, претерпеваемые коксом при обработке . . 215
§ 2. Экономика сортировки и механической обработки кокса.................222
Перечень рекомендуемой литературы .................................229
Пред
Введ
§ 1.
§ 2.
РАЗ
КОКС
Г лаве
§ 1.
§ 2.
§ 3.
§ 4.
Главе
1.
2.
3.
4.
§
§
§
Иванов Евгений Борисович,
Мучник Дамир Абрамович
Технология производства кокса
§ 5. Допущено Министерством высшего и среднего специального
Глава образования УССР в качестве учебного пособия для
§ 1 < студентов металлургических вузов и факультетов
§ 2. <
§ 3.
Издательское объединение «Вища школа:;
р дз Головное издательство
подг<
Редактор Г. М. Законь
Литредактор Н.'Г. Кириллова
Переплет художника В. Г. Павлютина
Художественный редактор Е. Н. Прокофьев
Технический редактор И. И. Левченко
Корректор И. Б. Милевская
щих I
S Сдано в набор 16.06.1975 р. Подписано к печати 11.12.1975 г. Формат бу«
§ 2, 1 маги 6ОХ9О*/1б. Бумага тип. № 1. Печ. л. 14,5. Уч.-изд. л. 16,76. Ти-
§ 3. J Раж Изд. 1568. БФ 08633. Цена 72 коп.
§ 4. I Головное издательство издательского объединения <Вища школа»,
252054, Киев, 54, Гоголевская, 7,
§ 5. I Отпечатано с матриц Головного предприятия республиканского
S 6, I производственного объединения «Полиграфкнига» Госкомиздат::
1 ’ УССР, Киев, ул. Довженко, 3 в Харьковской городской типо
графин X» 16 Областного управления по делам издательств, по-
230 лиграфии к книжной торговли, Харьков, Университетская, 16.
Зак, 269.