Для чего используют коксующийся уголь
Каменноугольный кокс, угольный кокс
Кокс каменноугольный применяют для выплавки чугуна (доменный кокс) как высококачественное бездымное топливо, восстановитель железной руды, разрыхлитель шихтовых материалов.
Кокс каменноугольный используют также, как ваграночное топливо в литейном производстве (литейный кокс), для бытовых целей (бытовой кокс), в химической и ферросплавной отраслях промышленности (специальные виды кокса).
Доменный кокс должен иметь размеры кусков не менее 25-40 мм при ограниченном содержании кусков менее 25 мм (не более 3%) и более 80 мм.
Литейный кокс по размерам кусков крупнее доменного; наиболее пригоден продукт, в котором присутствуют куски менее 60-80 мм.
В промышленности ферросплавов используют мелкий кокс (например, фракцию 10-25 мм), при этом в отличие от доменного и литейного производств предпочитают применять продукт с большой реакционной способностью.
Требования по прочности к бытовому коксу менее жесткие, чем к доменному и литейному.
Современное мировое производство кокса каменноугольного составляет около 550-650 млн т/год.
От 60 до 70% мирового производства осуществляется в КНР.
Коксующиеся угли, в отличие от других каменных углей, при нагревании без доступа воздуха переходят в пластическое состояние и спекаются.
Коксующиеся угли характеризуются в необогащённом виде или в концентратах зольностью менее 10% и низким содержанием S (менее 3,5%), выход летучих веществ (Vdaf) 15-37%.
В CCCP отнесение углей к группе коксующихся углей прежде всего базируется на их пригодности для производства кондиционного доменного кокса.
В действующих в CCCP классификациях к коксующимся углям относят угли марок Г, ГЖ, Ж, КЖ, К, К2, OC и CC.
Значительными запасами коксующихся углей располагают:
CНГ (Донецкий, Печорский, Кизеловский, Кузнецкий, Карагандинский, Южно-Якутский, Тунгусский и другие бассейны),
США (Аппалачский, Западный, Юинта, Грин-Ривер и др.),
Великобритания (Нортамберлендский, Южно-Уэльский, Ланкаширский и Йоркширский бассейны),
ФРГ (Нижнерейнско-Вестфальский, или Рурский, Нижневестфальский),
Польша (Верхне- и Нижнесилезский, Люблинский),
Индия (Бокаро, Ранигандж, Джхария),
Австралия (Боуэн, Новый Южный Уэльс),
Чехия (Остравско-Карвинский и Трутновский).
Ограниченные по запасам месторождения известны также в следующих странах:
Франции (Саарско-Лотарингский, Hop и Па-де-Кале, Аквитанский бассейны),
Испании (Астурийский и Южно-Кантабрийский бассейны),
Коксующийся уголь
Необходимость получения различных источников энергии заставляет разрабатывать новые технологии и внедрять их в жизнь. Эксперименты не обошли стороной и каменный уголь, из которого путем коксования получают кокс – материал, представляющий большую техническую ценность.
Сегодня около 10% добытого каменного угля подвергается процессу коксования, что свидетельствует о востребованности такого вида топлива в энергетике и промышленности.
Откуда берется коксующийся уголь
Процесс коксования появился относительно недавно, и приблизительно в средине прошлого века были разработаны новые технологии коксования.
Для получения кокса (нелетучего углеродистого остатка каменного угля) используют уголь определенных групп – жирный, отощенно-спекающийся, газовый, слабоспекающийся и коксовый. Технический состав, спекаемость и другие специальные показатели этих видов каменного угля должны быть учтены для коксования.
Главными особенностями коксующегося угля можно назвать следующие:
Использование концентрированного нелетучего угля
Прежде всего, этот вид угля используется в металлургической практике – для выплавки и восстановления металлов из руд, выплавки чугуна из железной руды в доменных печах.
Некоксующийся уголь применять в этих сферах не только неудобно, но и невозможно, поскольку его куски в жару приклеиваются друг к другу, образуя сплошные глыбы.
Такое свойство сплавляться прекращает или затрудняет равномерное передвижение зарядов, которые опускаются по доменной шахте. Кокс же лишен таких свойств, поэтому он увеличивает проницаемость доменных зарядов для газов, действующих на него.
В печах должны сохраняться наиболее высокие температуры, а для достижения таких целей важно употребление концентрированных нелетучих материалов. Пары и газы сберегают в печи то количество теплоты, которое заимствовалось бы для газообразования от самой печи.
Нелетучие материалы, кроме того, должны быть плотные и тяжелые, чтобы в горн можно было внести наибольшее по весу количество горючего материала на каждую единицу объема. Таким образом, выгода и необходимость использования коксующегося угля очевидна.
Применение кокса
Кокс – это остаток, который получается при нагреве без доступа воздуха любого органического материала. Нагрели дерево до температур 500 – 700ºС градусов в закрытой реторте – получили древесный кокс, или как его по началу назвали – древесный уголь. А, если нагреть уголь, тоже без доступа воздуха до температуры 1000ºС – получится каменноугольный кокс.
Почему каменноугольный кокс в металлургии вытеснил древесный уголь? Пользуясь древесным углем, невозможно было удовлетворить потребности промышленности в металле. Во-первых, это обратило бы земной шар в безлесную пустыню. Во-вторых, древесный уголь имел малую прочность. Для производства большого количества металла необходимо было строить доменные печи больших размеров. Чем выше доменная печь, тем больше столб руды, флюсов, угля, тем большая нагрузка приходится на уголь. Не выдерживая нагрузки, уголь крошится. Образовавшаяся при этом угольная пыль набивается между кусками руды. Газы не могут преодолеть сопротивление столба шихты, плавка замедляется, а то и прекращается полностью. Хрупкость, недостаточная прочность древесного угля не позволяла сооружать большие домны. Для этого необходим был более прочный углеродистый материал.
Все это не значит, естественно, что неизбежная победа каменноугольного кокса оказалась простой и легкой. Путь кокса в домны оказался длиной почти в двести лет.
И каменный уголь, и кокс, получаемый из него, содержат немало примесей, которых нет в древесном угле. Так, в древесном угле практически нет серы, а в каменных углях ее немало. Даже в малосернистых углях, добываемых в Кузнецком каменноугольном бассейне (Кузбассе), содержится до одного процента серы. В углях Донецкого угольного бассейна ее в три раза больше, а из шахт Кизеловского бассейна в Пермской области, где добывали коксующийся уголь в Х1Х – ХХ вв. серы 3 – 5%. Сера из кокса попадает в чугун, а из него в сталь. Чем больше серы в стали, тем хуже она работает при высоких температурах. Именно примеси серы делают металл ломким в нагретом состоянии (прокатка, штамповка). Это и называется «красноломкостью».
Стандарты устанавливают очень жесткие нормы содержания серы в сталях и ограничивают применение стали, в которой «много» серы. Конечно, серу кокса можно связать в шлаки. Но это означает, что в домну надо подать дополнительное количество флюсов, в основном, известняка и доломита. А чтобы их нагреть, расплавить шлак, нужно подавать дополнительные тонны кокса, при этом уменьшается производительность доменной печи.
После сгорания древесного угля остаются всего десятые доли процента золы. А зольность каменного угля и тем более кокса намного выше. В среднем, зольность металлургического кокса, полученного из каменного угля, составляет 10 – 12%. Зола является балластом, и ее обращают в плавкий шлак. А для этого в доменную печь надо добавлять дополнительно флюсы, в основном, известняки и доломиты, а значит расходовать больше тепла на плавление шлака.
Что же такое кокс? Сравним каменный уголь и приготовленный из него кокс. Уголь – вещество черного цвета. В нем заметны блестящие и матовые прослойки. Кокс – серо-стального цвета, плотный, оплавленный, намного прочнее угля. Уголь горит коптящим пламенем, а кокс дает розовато-голубое пламя без следов копоти. Отличаются они и по химическому составу.
Кокс – точнее его горючая масса – почти чистый углерод. В угле же содержится много водорода и кислорода. Получают кокс путем нагрева каменного угля без доступа воздуха. При этом разлагается вещество угля, выделяются газообразные продукты распада.
Как топливо уголь известен человечеству более 25 столетий, а поделочный камень (гагат), тот же уголь по происхождению, известен намного раньше.
Еще ученик Аристотеля Теофраст в книге «История камня» сравнивал каменный и древесный угли и указывал на возможность применения каменного угля для выплавки металлов.
В Европе добыча угля как топлива велась уже римлянами на территории Британии. Имеются сведения, что более двух тысяч лет назад в Китае, в провинции Юннань, производили кокс. Письменные источники указывают на подземную добычу угля в XII в. на территории Бельгии и Моравии (тогдашней Чехии). С XIII в. в Европе известны случаи применения каменного угля в кузнечных горнах. Эти сорта угля и в настоящее время в Западной Европе называют кузнечными.
Первые патенты по коксованию углей относятся к концу XVII в. Пионерами в этом деле не зря стали англичане.
Для получения древесного угля в XV — XVI вв. на английских островах было предано сожжению столько лесов, что над ними нависла угроза полного истребления. А ведь немало древесины требовалось и для строительства домов, кораблей, мостов. Было тут, отчего забить тревогу. Напомним, что в 1558 г. королева Елизавета издала указ, запрещавший на большей части территории Англии использовать лес для выжига древесного угля. Но, видимо, металлурги ухитрялись нарушать королевское веление, поэтому спустя четверть века появился новый государственный указ, согласно которому в ряде графств вообще не разрешалось заниматься выплавкой железа. В последующие годы этот запрет распространился почти на все районы Англии. Остывшие доменные печи «прозябали» без живительного топлива — выплавка чугуна в стране резко упала. Железо приходилось ввозить из России, Швеции и других стран.
Тяжелое положение, в котором оказалась в связи с этим английская промышленность, вынудило металлургов искать замену древесному углю. И, прежде всего их взоры обратились к каменному углю, которым природа, не скупясь, одарила британские острова. Крупные угольные залежи располагались близко к поверхности земли. После прядения и ткачества добыча угля и металлургия была одной из главных отраслей развивающейся промышленности.
К этому времени каменный уголь, выделявший при сгорании больше тепла, чем древесный, уже успел снискать репутацию отличного топлива, но… не для доменных печей. Все попытки выплавить чугун на каменном угле кончались неудачей: металл содержал вредные примеси — серу и фосфор, расход топлива был очень большим.
И все же слишком заманчивой была идея замены в доменной плавке древесного угля каменным, крупные залежи которого могли надолго обеспечить топливом металлургическую промышленность. Не мудрено, что многие англичане, да и не только они, пытались решить эту задачу.
История донесла до нас имя священника Симона Стуртеванта, немца по происхождению, который в паузах между молитвами предавался сугубо земным металлургическим заботам. В 1611 г. он получил привилегию, касающуюся употребления «морского или горного угля» при различных железоделательных операциях. Но то ли наскучило ему вскоре это дело, то ли мысли о спасении души заполнили все его бренное существование, во всяком случае, уже через год Стуртевант отказался от своей привилегии.
Пожалуй, одним из первых, кому определенно удалось добиться успеха, был совсем еще молодой английский металлург Дод Додлей — побочный сын знатного лорда, владевшего несколькими железоделательными заводами. В 1619 г. Додлей получил королевский патент, свидетельствовавший о том, что его владелец «открыл после долгих трудов и многих дорогостоящих опытов секрет, способ и средства выплавки железной руды и производства из нее чугунного литья или брусков путем применения каменного угля в печах с раздувательными мехами, причем результаты получились такого же хорошего качества, как и те, что до сих пор производились при помощи древесного угля, — изобретение, еще никем до сих пор не совершенное в нашем английском королевстве…».
Долгая жизнь, прожитая Додлеем, была до краев наполнена драматическими событиями. Чего только не довелось ему испытать: конкуренты разрушили его завод, он сидел в лондонской долговой тюрьме, принимал участие в гражданской войне, дважды попадал в плен и приговаривался к расстрелу, но оба раза бежал, получил тяжелое ранение, был коварно обманут своими компаньонами — словом, скучать ему не приходилось. Но, к сожалению, в этом жизненном калейдоскопе Додлей так и не смог осуществить на практике свое изобретение. Он никому не пожелал открыть секрет, и после его смерти металлургия вновь осталась без минерального топлива.
Дод Додлей в своей книге по металлу писал: «Если леса будут и впредь уменьшаться, для нас будет потеряно то, что составляет главную силу и величие Англии: ее корабли, ее торговля, ее матросы, ее рыболовство, военный флот ее величества, наше наступательное и оборонительное оружие».
Используя каменноугольный кокс, Додлей получил хороший чугун. Но ему не повезло. Повсеместного распространения его способ не получил, а патент был составлен, вероятно, не совсем понятно и поэтому не был расшифрован.
В 1651 г. англичанин Бук получил один из первых патентов на выработку железа с использованием каменного угля взамен древесного. Но железо или чугун получались плохого качества. В 1681 г. известный немецкий химик Иоганн Бехер затребовал патент на «новый метод получения кокса и смолы из торфа и каменного угля, никем никогда ранее не открытый и не примененный»
Лишь в 1735 г., т. е. спустя 116 лет после выдачи патента Додлею, доменный процесс был впервые осуществлен полностью на коксе — полученном из каменного угля – топливе, без которого немыслимы сегодня ни доменная плавка, ни ряд других металлургических процессов.
Изобретение коксования — важное событие в истории техники, связанное с именем английского железопромышленника Абрахама Дерби-сына. Семейный клан Дерби владел железоделательным заводом в Колбрукдейле.
Опыты по превращению каменного угля в кокс и использованию его при выплавке чугуна начал проводить еще родоначальник династии — Абрахам Дерби-отец, но до конца решить проблему ему не удалось.
Каменноугольный кокс получали также как и древесный – коксованием в кучах различных видов угля, но пригодного для доменной плавки получить никак не удавалось.
Работу отца продолжил сын, прекрасно понимавший значение перевода доменной плавки на минеральное топливо. Однако получить отвечающий всем требованиям кокс оказалось необычайно сложно. На эксперименты, проводившиеся один за другим, понадобился не один год. Когда же желаемый кокс, наконец, был получен, его тут же загрузили в доменную печь
Как пишет С.А. Венецкий, по семейному преданию, Дерби круглые сутки, не зная сна, дежурил у печи в ожидании результатов плавки. Прошло несколько дней, наполненных волнением и тревогой, надеждами и разочарованиями. Лишь на шестой день, под вечер, домна дала отличный чугун. И тут же прямо у печи счастливый Дерби уснул мертвецким сном. Так и отнесли его, спящего, домой.
К концу XVIII в. практически все доменные печи Англии работали на каменноугольном коксе. Однако переход на топливо со значительно большей теплотой сгорания потребовал увеличить количество воздушного дутья, подаваемого в печь. Водяное колесо уже не могло справиться с такой задачей — на смену ему пришла паровая машина.
Еще в 1711 г. англичанин Томас Ньюкомен изобрел пароатмосферную поршневую машину для подъема воды из шахт. Спустя четыре десятилетия все тот же Абрахам Дерби-сын применил эту машину для привода доменной воздуходувки. Но машина была далека от совершенства и работала с частыми перебоями. Усовершенствованием машины Ньюкомена в одно и то же время занимались два замечательных изобретателя — англичанин Джеймс Уатт и наш соотечественник И. И. Ползунов.
В 1763 г. Ползунов, работавший на медеплавильном заводе в Барнауле, создал проект «огнедействующей машины для заводских нужд». Ползунову не суждено было увидеть свое детище в работе: в 1763 г., за неделю до пробного пуска машины, изобретатель умер. В течение некоторого времени установка успешно обеспечивала воздушным дутьем три плавильные печи. Однако квалифицированных специалистов, способных обслуживать машину, на заводе не было. Начались поломки, котел дал течь, машину остановили, а потом и вовсе сломали.
К работам Д. Уатта судьба оказалась благосклоннее: в 1784 г. он получил патент на универсальную паровую машину двойного действия. К этому периоду относится и появление первой паровой воздуходувки на доменных печах английских заводов.
Следующий значительный шаг в развитии доменного производства был сделан спустя примерно полвека, когда шотландский изобретатель Джеймс Бомон Нилсон предложил нагревать воздух, прежде чем подавать его в доменную печь. Как это часто бывает, это замечательное открытие, произведшее подлинную революцию в металлургии, возродило английскую железоделательную индустрию и открыло широкие перспективы перед каменноугольной промышленностью и металлургией, сразу не было оценено.
Воздухонагреватель Нилсона был далек от совершенства: проходя по чугунным трубам, расположенным в топке, воздух мог нагреваться лишь до 300 — 400С (иначе трубы перегорали и быстро выходили из строя). В 1857 г. английский инженер Эдуард Альфред Каупер предложил оригинальную конструкцию доменного воздухонагревателя — высокую цилиндрическую башню из стальных листов, внутри которой по всей ее высоте была выложена решетка из огнеупорного кирпича. Кирпичи нагревались докрасна горячими газами, а затем подачу газов прекращали, и через решетку, или, точнее, насадку, пропускали воздух. Благодаря большой поверхности кирпичей воздух теп0ерь мог нагреваться до 600 — 700С. Спустя несколько лет Каупер развил свою идею, предложив для нагрева огнеупорной насадки сжигать отходящие газы доменной печи.
Были заложены первые основы неразрывного союза этих двух гигантских областей производства. Логическим продолжением изобретения Додлея и Дерби явилось применение каменного угля при переработке чугуна в ковкое железо и сталь, осуществленное Генри Кортом в его пудлинговых печах.
Угольная промышленность Англии (особенно в окрестности Нью-Касла) становится центром мировой добычи угля. Удобный порт, он быстро становится центром добычи и торговли углем двух обширных графств – Нортумберленда и Дергема.
«Черной Индией» называли этот край, приносящий их торговцам и владельцем копей баснословные богатства, такие же, какие английская аристократия и молодая буржуазия выкачивали из захваченной Индии. Уголь вывозился не только в разные районы Англии, но и за границу. «Неукостильское уголье» пылало в кузнечных горнах на заводах Кронштадта, Санкт-Петербурга, Сестрорецка, Петрозаводска.
В XVIII в. топливная проблема черной металлургии в Европе была разрешена, кокс начинают применять и в других отраслях промышленности.
Коксующиеся угли
История каменного угля насчитывает до 300 миллионов лет. Он образовался из древесных остатков в так называемом каменноугольном периоде истории земли, когда еще миллионы лет оставались до старта первого птеродактиля, когда землю населяли уродливые стегоцефалы, когда росли дремучие леса древовидных папоротников и хвощей, а в заливах теплых морей скапливались сносимые реками остатки растительности и морских водорослей.
Уже много лет ученые спорят о том, что происходило с остатками деревьев и водорослей, покрытых осадочными породами, когда море затапливало районы накопления растительного материала, когда при горообразовании то подымался, то опускался первичный материал, в результате чего изменялись температура и давление. Растительный материал без доступа воздуха обращался в черный блестящий или матовый каменный материал, отличающийся высоким (до 80 – 95%) содержанием углерода.
Коксохимика интересуют только те угли, которые обладают уникальными свойствами – спекаемостью и коксуемостью.
В печь для сухой перегонки засыпают тонкоизмельченный материал – кусочки угля размером меньше трех миллиметров, а получают большие очень прочные куски серебристого цвета хорошо проплавленного материала. Если уголь не проплавился в однородную массу, а как бы слипся друг с другом, то получатся менее прочные куски. Что же происходит с этими углями при сухой перегонке, то есть при нагреве без доступа воздуха?
При достижении температуры 380 – 420° C угли, выделяя газообразные и жидкие продукты разложения, превращаются в вязкую, пластичную тестообразную массу, которая при температуре 450 – 500° C затвердевает, превращаясь в монолит. Если остановить подъем температуры и даже охладить массив размягченного угля, масса все равно затвердеет. При дальнейшем повышении температуры до 900 – 1000° C из образовавшегося монолита «полукокса» продолжают выделяться продукты разложения угольного вещества. Объем полукокса уменьшается, он претерпевает усадку, трескается и в результате получается кусковой материал – кокс.
Процесс образования кокса у разных коксующихся углей проходит по-разному. Дело в том, все они по свойствам мало похожи друг на друга, хотя и обладают способностью переходить при нагреве без доступа воздуха в пластическое состояние, о котором мы упомянули выше. Для получения кокса необходимо, чтобы уголь обладал «спекаемостью» или «спекающей способностью».
Попытаемся качественно оценить различия свойств коксующихся углей. Для этого возьмем тонкоизмельченные образцы и поместим одинаковые их количества (обычно один грамм) в фарфоровые тигельки. А потом эти тигельки, накрытые крышками, установим в нагретую до 800 – 850° C печь. Очень скоро из-под крышки начнут выделяться летучие продукты, которые воспламеняются и сгорают. Когда выделение летучих продуктов закончится, тигельки извлечем, охладим и снова взвесим, чтобы определить количество выделенных при нагревании паров и газов.
Существует тесная связь между выходом летучих веществ и внешним видом образующегося кокса. В большинстве случаев, если потеря массы превышает 40%, в тигельке остается неспекшийся, порошкообразный кокс. Если выход летучих веществ составляет больше 35%, но меньше 40 – 42%, то кусочек кокса в тигле, называемый коксовым корольком, – спекшийся, нередко вспученный, рыхлый, не очень прочный. Выход летучих составил 26 – 35%, и остаток оказывается спекшимся, оплавленным, вспученным, умеренно плотным, пористым. Если масса угольного образца уменьшилась на 20 – 25%, то кусочек кокса в тигле получается плотный, сплавленный, прочный. При количестве летучих 17 – 20% королек, спекшийся и умеренно плотный, а угли с выходом летучих менее 15 – 17% очень часто образуют неспекшийся порошкообразный или просто спёкшийся королек. Это уже основа для классификации.
Так, по выходу летучих и виду коксового королька угли называют соответственно длиннопламенными, газовыми, жирными или коксовожирными, коксовыми, отощенными спекающимися и, наконец, тощими. Такие ряды можно построить почти для каждого угольного бассейна. Хороший металлургический кокс можно приготовить из коксовых углей. Из одних же газовых или тощих углей хорошего кокса не получишь. Однако можно получить его из смеси этих углей с коксовыми и жирными.
Что же происходит с углем при нагревании? Как же образуется кокс? Для этого надо, прежде всего представить химическую формулу угля. Уголь – очень сложная система, и написать точную формулу его невозможно. Можно лишь изобразить модель, более или менее отображающую поведение угля при нагревании. Одна из таких моделей представляет уголь как систему, состоящую из блоков, содержащих чередующиеся двойные связи шестичленных углеродных колец (химики их называют ароматическими), соединенных кольцами из звеньев СН2.
Следует отметить, что новейшие исследования заставляют сомневаться в исключительно ароматической основе угольного вещества.
У разных углей разное количество таких шестичленных колец в блоке. Так, у газовых углей в этих блоках по три-четыре кольца, у жирных – по четыре-пять, у тощих – три-девять. При нагревании угля отдельные цепочки разрываются. Вещество распадается на молекулы меньших размеров, которые и образуют жидкоподвижную и газовую фазы тестообразной пластической массы. Аналогия с тестом оказывается довольно полной. Тесто в квашне подымается. Из него выделяются пузырьки углекислого газа, а если сформованное тесто поставить в печь, то из нее Вы вынимаете готовый пирог.
Неустойчивы и обломки угля, образовавшие пластическую массу, они распадаются. Часть угольного вещества обращается в газы и пары, вырывающиеся из вязкой массы, вспучивающие ее. Более массивные блоки колец соединяются друг с другом, образуя твердое неплавкое вещество – полукокс, представляющее собой систему из огромного числа ароматических колец. Полукокс теряет водород, соединенный с атомами углерода на крайних кольцах. Свободные от водорода блоки получают возможность соединяться друг с другом, и при 900 – 1000° C полукокс становится коксом. Будет кокс прочным или рассыплется – зависит от того, какими свойствами, прежде всего вязкостью и термоустойчивостью, будет обладать пластическая масса и как из нее станут выделяться газы.
Уголь не «плавится» весь сразу, да и сама вязкая масса неустойчива. В каждой крупинке угольного вещества идут непрерывные и одновременные процессы расщепления на фрагменты с образованием пластической массы и затвердевания этой массы. Все зависит от относительных скоростей этих двух процессов. Если мезофаза (промежуточное состояние) оказывается довольно устойчивой, если скорость ее распада, обращения в полукокс меньше скорости образования, то одновременно количество мезофазы оказывается значительным. Зерна угольного вещества хорошо сплавляются, образуя прочный кокс. Если мезофазы много, то она может связать и плохо спекшийся или вообще неспекающийся материал. Такими свойствами обладают, например, коксовые и жирные угли.
Газовые угли переходят в пластическое состояние при сравнительно невысоких температурах (350 – 370ºС). Однако их мезофаза быстро разлагается и поэтому большого количества пластического материала не образуется. К тому же при разложении такой мезофазы выделяется очень много газов, которые вспучивают пластический материал и разрывают образующийся полукокс. Поэтому-то из одних газовых углей хороший прочный кокс приготовить не удается.
У тощих углей переходит в «плавкое» состояние лишь малая их часть. Пластического материала образуется немного, и он не может сцементировать всю массу угля. Кусочки угля, полукокса, лишь склеиваются в точках соприкосновения. Чтобы получить при «сухой перегонке» прочный кокс, уголь должен обладать своеобразным свойством – «спекаемостью». Только спекаемость углей позволяет из мелкораздробленного материала получать монолитные куски.
Правда, может возникнуть вопрос. А зачем нужно коксовать мелкий уголь? Не лучше ли из крупных кусков хорошо спекающегося угля получать крупные куски кокса, но меньших размеров, чем куски угля? Можно! Так и делали когда-то. Но, во-первых, крупных кусков угля размером больше 30 миллиметров, которые могут дать пригодный по размерам кокс, добывают очень мало. Даже когда уголь добывали вручную, откалывая куски угля обушком или кайлом, образовывалось значительное количество (до 20 – 30%) мелочи. Теперь же уголь добывают и транспортируют машинами, и в угле, идущем на коксование, содержится 60 – 70% кусочков меньше трех миллиметров. Поэтому и крупные куски хорошо спекающегося угля уже почти сто лет дробят, чтобы в смеси с мелочью использовать для коксования максимальное количество спекающихся углей.
Да и не всякий хорошо спекающийся уголь можно коксовать самостоятельно. Такие угли при нагревании без доступа воздуха образуют очень вязкую, плотную пластическую массу. Газы и пары, образующиеся в процессе коксования, не могут быстро выйти через плотный и вязкий слой и развивают огромное давление. Если стенки камеры и останутся целыми, то вытолкнуть из коксовой печи готовый кокс, полученный при коксовании таких «распирающих» углей, невозможно.
Обычно же в результате того, что из коксующихся углей при коксовании удаляется 25 – 30% летучих веществ, происходит усадка массива. Между готовым коксовым «пирогом» и стенкой камеры коксовпания возникает усадочный шов 5 – 15 миллиметров, и кокс свободно выталкивается из камеры коксования.
Однако запасы коксовых и жирных углей сравнительно невелики (15 – 20% от общего количества каменных углей) и добывать такие угли приходится с больших глубин: 700 – 1000 метров. Газовых углей намного больше и залегают они неглубоко. Поэтому их можно добывать открытым способом (в карьере) и стоят они намного дешевле жирных и коксовых.
С первых дней существования большой коксохимии перед учеными встала задача – получать кокс из угольных смесей, содержащих не только жирные и коксовые угли, но также газовые и тощие угли. Советскими учеными была создана наука о составлении угольных смесей – шихт, в которые можно включить много дешевых и доступных углей. И очень большой вклад в развитие этой науки внес член-корреспондент АН СССР Леонид Михайлович Сапожников.
Какой уголь спекается лучше, а какой хуже? И можно ли коксовать хорошо спекающийся уголь без возникновения опасных распирающих усилий? Как выразить точными цифрами спекающую и коксующую способности углей различных бассейнов, месторождений, пластов без этих неопределенных выражений «больше – меньше», «лучше – хуже»?
То есть, как из неопределенных индивидуальных, основанных только на личном опыте отдельного специалиста качеств материала угля, извлечь научные основы, заключающиеся в том, чтобы спекающие и коксующие свойства углей были выражены точными цифрами и чтобы угли на основании этих цифр были классифицированы?
Измерить спекающие свойства углей пытались и раньше. В приборе, созданном под руководством члена-корреспондента АН СССР Леонида Михайловича Сапожникова (пластометрическом аппарате) наиболее удачно сочеталось получение одновременной характеристики спекающих, распирающих и усадочных свойств углей.
Всего 100 граммов измельченного угля нужно для испытания. Нагрев ведется с одной стороны, снизу специального стакана, куда засыпается проба. В процессе нагрева пластометрического стакана уголь слоями переходит (или не переходит) в пластическое состояние, образуя слой размягчающегося угля, имеющий довольно четкие границы, которыми являются, с одной стороны, образовавшийся полукокс – твердый, а с другой – граница размягчившегося угля.
Специальной иглой с делениями (пластометром) можно, опуская ее в слой угля, достигнуть верхней границы пластического слоя и, проколов его до полукокса, измерить толщину этого слоя. Периодические измерения на протяжении всего времени испытания позволяют получить весьма надежные средние значения. Одновременно с измерением толщины пластического слоя в миллиметрах (у) измеряется конечная усадка кокса ( x ) и на графике фиксируется вид кривой, которую выписывает рычаг, принимающий на себя давление, развиваемое углем при коксовании. Эта кривая характеризует состояние пластической массы, ее вязкость, газопроницаемость, и она характерна для каждой марки угля.
С помощью пластометриче c кого метода Л.М.Сапожникова, при одновременном учете данных технического анализа углей (выхода летучих веществ и вида тигельного коксового королька) оценивались и в настоящее время оцениваются и классифицируются угли различных бассейнов, месторождений, пластов.
На основании данных пластометрических испытаний (толщины пластического слоя) угли шихтуют, то есть смешивают на заводах в строго определенных пропорциях.
Исследованиями углей, опытными коксованиями установлено, что из смеси газовых, жирных, коксовых и тощих углей можно получить кокс, по прочности удовлетворяющий требованиям доменщиков, если толщина пластического слоя смеси углей – шихты будет 14 – 16 миллиметров.
Вот и подбирают угли разных марок с различным пластическим слоем таким образом и в таком количестве, чтобы общая спекаемость шихты, идущей на коксование, была в этих пределах. Это задача исследователей. А вот подготовить уголь к коксованию да еще 3 – 5 млн. т в год – это задача заводских углеподготовителей.
Наука об угле и, в особенности, тот ее раздел, который помогает определить угли наиболее подходящие к производству высококачественного кокса идет вперед. Информативность пластометрического метода определения спекаемости углей уже недостаточна.
Почти сто лет известно, что угольное вещество состоит из нескольких видов так называемых петрографических составляющих. Один из них – витринит является как бы «носителем» спекающей способности, но не всякий, а только определенной степени метаморфизма. Сегодня к пластометрическим показателям прибавился еще один важный классификационный показатель – величина показателя отражения витринита, заключенного в аншлифе брикета приготовленного из средней пробы того или иного коксующегося угля.
Средняя проба угля измельчается до крупности требуемой для проведения технических анализов и из нее приготовляется аншлиф из пробы пропитанной шеллаком и отшлифованной. На специальной оптической установке определяется в процентах коэффициент отражения света от входящих в поверхность включений витринита, и это дает представление о возрасте угля, его коксующих и спекающих возможностях.
Например, для хороших коксовых и жирных углей такой показатель составляет 1 – 1,26%. Метод гостирован и входит в как классификационный в систему международной классификации углей.