Кокс в металлургии

Кокс — это твёрдый пористый углеродистый продукт, получаемый путём пиролиза (сухой перегонки) каменного угля при высоких температурах (900—1100 °C) без доступа воздуха. В металлургии кокс используется в качестве основного топлива, восстановителя железной руды и разрыхлителя шихты в доменных печах при производстве чугуна. Ключевые характеристики кокса — высокая теплотворная способность, пористость, механическая прочность и низкое содержание серы и золы.

История

Применение каменного угля в металлургии началось в XVII веке в Англии, когда возник дефицит древесного угля, традиционно использовавшегося для выплавки чугуна. В 1709 году английский кузнец Абрахам Дерби I впервые успешно применил кокс, полученный из каменноугольного пека, в доменной плавке. Это позволило значительно увеличить производительность и снизить затраты, положив начало промышленной революции.

В России первая коксовая печь была построена в 1830-х годах на Донбассе. Массовое внедрение кокса в доменное производство в Российской империи началось во второй половине XIX века, особенно после строительства металлургических заводов на юге страны (Юзовский, Днепровский, Таганрогский). К началу XX века кокс стал основным топливом для чёрной металлургии.

Получение кокса

Процесс получения кокса называется коксованием. Он осуществляется в коксовых печах, объединённых в коксовые батареи. Основные этапы:

Подготовка угля: Каменный уголь дробят, смешивают в определённых пропорциях (шихта) для получения требуемых свойств кокса.
Загрузка: Шихту загружают в камеры коксовой печи через загрузочные люки.
Нагрев: Камеры нагреваются снаружи через стенки от сжигания коксового газа. Температура в камере достигает 1000—1100 °C. Процесс длится 14—18 часов.
Пиролиз: При нагреве из угля выделяются летучие вещества (коксовый газ, каменноугольная смола, бензол, аммиак). Твёрдый остаток — кокс — спекается в монолитную массу.
Выдача: Готовый кокс (коксовый «пирог») выталкивают из камеры в тушильный вагон.
Тушение: Кокс охлаждают водой («мокрое тушение») или инертным газом («сухое тушение»), чтобы предотвратить его окисление и разрушение.

Свойства и классификация

Основные свойства

Химический состав: Основной компонент — углерод (85—92 %). Содержание золы (минеральных примесей) — 8—12 %, серы — 0,5—1,5 %, фосфора — до 0,05 %.
Механическая прочность: Способность выдерживать нагрузки при транспортировке и в доменной печи. Оценивается по показателю М25 (сопротивление истиранию) и М10 (сопротивление дроблению).
Пористость: Обеспечивает доступ газов к поверхности кусков кокса, что важно для восстановительных реакций.
Реакционная способность (CRI): Способность кокса реагировать с углекислым газом (CO₂) при высоких температурах.
Теплотворная способность: Высокая, около 30—32 МДж/кг.

Классификация

Кокс классифицируют по нескольким признакам:

По назначению:
Доменный кокс — основной вид, используется в доменных печах для выплавки чугуна. Требует высокой прочности и крупности кусков (25—80 мм).
Литейный кокс — применяется в вагранках для плавки чугуна при производстве фасонного литья. Отличается особо высокой прочностью и низкой зольностью.
Кокс для цветной металлургии — используется в шахтных печах для выплавки меди, никеля, свинца. Требования к прочности ниже, чем у доменного.
Кокс для ферросплавов — применяется в руднотермических печах для восстановления оксидов металлов (марганца, хрома, кремния).
По размеру кусков:
Крупный (более 40 мм)
Средний (25—40 мм)
Мелкий (10—25 мм) — часто используется как топливо в агломерационном производстве.
По качеству (марки): В России кокс маркируется по ГОСТ 26137-84, например, КД (кокс доменный), КЛ (кокс литейный), КФ (кокс для ферросплавов).

Применение в металлургии

Доменное производство

Основное применение кокса — в доменных печах для выплавки чугуна. В доменной печи кокс выполняет три функции:

Топливо: Сгорает в нижней части печи, создавая высокую температуру (до 2000 °C), необходимую для плавления шихты.
Восстановитель: Углерод кокса и образующийся при его сгорании оксид углерода (CO) восстанавливают железо из оксидов руды (Fe₂O₃ → Fe₃O₄ → FeO → Fe).
Разрыхлитель (механическая опора): Кокс, обладая высокой пористостью и прочностью, создаёт в печи газопроницаемый столб, через который проходят горячие газы, обеспечивая равномерный нагрев и восстановление руды.

Другие металлургические процессы

Агломерационное производство: Коксовая мелочь (0—10 мм) используется как твёрдое топливо для спекания железорудного концентрата в агломерат.
Производство ферросплавов: Кокс применяется в качестве восстановителя оксидов марганца, хрома, кремния и других элементов в руднотермических печах.
Цветная металлургия: В шахтных печах для выплавки меди, никеля, свинца кокс служит и топливом, и восстановителем.
Литейное производство: В вагранках для плавки чугуна при изготовлении отливок.

Побочные продукты коксования

Коксование является безотходным производством. Помимо кокса, получают ценные химические продукты:

Коксовый газ — содержит водород, метан, оксид углерода. Используется как топливо для обогрева коксовых печей, в металлургии, химической промышленности.
Каменноугольная смола — сложная смесь ароматических углеводородов. Служит сырьём для получения фенола, нафталина, антрацена, креозота, пеков.
Сырой бензол — источник бензола, толуола, ксилолов.
Аммиачная вода — используется для производства аммиака, удобрений.

Экологические аспекты

Производство кокса относится к экологически опасным отраслям. Основные загрязнители:

Выбросы в атмосферу: Коксовый газ, содержащий оксиды углерода, серы, азота, бенз(а)пирен, фенолы, сероводород.
Сточные воды: Содержат фенолы, аммиак, цианиды, смолы.
Твёрдые отходы: Коксовая пыль, шламы, отработанные катализаторы.

Для снижения вредного воздействия применяются:

Герметизация оборудования и систем аспирации.
Установки очистки коксового газа от сероводорода и цианидов.
Биохимическая очистка сточных вод.
Сухое тушение кокса (снижает выбросы пыли и пара).
Использование коксового газа в качестве топлива вместо сжигания на факелах.

Современное состояние и перспективы

Мировое производство кокса в 2023 году составило около 700 млн тонн, из которых более 60 % приходится на Китай. В России крупнейшими производителями кокса являются «Евраз», «Северсталь», «Мечел», «Новолипецкий металлургический комбинат» (НЛМК).

Основные тенденции в коксохимии:

Повышение качества кокса: Снижение содержания золы, серы, фосфора, улучшение механической прочности и реакционной способности.
Снижение экологической нагрузки: Внедрение технологий сухого тушения, очистки газов и сточных вод.
Разработка альтернатив: Исследуются технологии вдувания пылеугольного топлива (ПУТ) в доменные печи, что позволяет частично заменить кокс. Однако полная замена кокса в доменной плавке пока невозможна из-за его уникальных функций.
Развитие бездоменных процессов: Прямое восстановление железа (DRI) с использованием природного газа или водорода, что может снизить потребность в коксе в будущем.

Источники

ГОСТ 26137-84 «Кокс каменноугольный. Технические условия».
Справочник металлурга по доменному производству / под ред. Ю. С. Карабасова. — М.: Металлургия, 1995.
Кокс и химия: научно-технический журнал (архив номеров).
World Steel Association. Steel Statistical Yearbook 2023.
Министерство промышленности и торговли РФ. Обзор рынка кокса и коксохимической продукции.

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →