Взаимосвязь свойств высокотемпературного кокса с внешней удельной поверхностью угольных шихт

УДК 662.749:067.5

/к. т.н./

Национальная металлургическая академия Украины

Взаимосвязь свойств высокотемпературного кокса с внешней удельной поверхностью угольных шихт

Установлены и проанализированы взаимосвязи нового показателя, основанного на соотношении внешней удельной поверхности хорошо и плохо спекающихся углей с качеством высокотемпературного кокса. Предложено при составлении угольных шихт и прогнозирования качества кокса использовать разработанный показатель ESSC. Ил. 6. Табл. 1. Библиогр.: 3 назв.

Ключевые слова: угольная шихта, внешняя удельная поверхность, коксование, кокс, прочность.

The relations of new index based on the ratio of external specific surface of well and bad caking coals with quality of high-temperature coke have been defined and analyzed. Proposed in the preparation of coal charge and prediction of coke quality to use the index ESSC

Keywords: coal charge, external specific surface, coking, coke, strength.

Постановка задачи

С целью проверки возможности использования нового показателя, характеризующего соотношении внешней удельной поверхности хорошо и плохо спекающихся углей, для прогнозирования качества кокса необходимо выполнить высокотемпературные коксования, получить и проанализировать соответствующие зависимости.

Результаты исследований и их анализ

Коксования угольных смесей проводили в крупнолабораторной четырехкамерной электропечи с односторонним нагревом по методу [1]. Разовая массовая загрузка составляла 3,2 кг (4 секции по 800 г каждая). По этому методу, на “горячей” стороне печи выдерживается следующий режим нагрева: от исходной температуры до 400оС скорость подъема температуры составляет 10оС/мин, от 400 до 1250оС – 5оС/мин. Достигнутая температура сохраняется постоянной в течение 2,5 ч. Период коксования, таким образом, составляет 6 ч.

Полученный кокс (4 коксовых королька) тушат сухим способом в металлических ящиках до полного остывания, после чего определяют выход сухого валового кокса от сухой шихты (Вкс, %). Затем кокс четыре раза сбрасывают на стальную плиту с высоты 1 м и определяют выход кокса крупнее 50 мм (К50, %). Далее кокс подвергают механической обработке в секционном барабане при 300 оборотах и получают следующие физико-механические показатели: выход класса более 40 мм (П40, %), более 25 мм (П25, %) и выход класса менее 10 мм (И10, %).

Также определяли показатели технического анализа полученных коксов, структурную прочность (СП, %) абразивную твердость (AT, мг), удельное электросопротивление двузондовым методом (УЭС, Ом·см) и физико-химические свойства кокса (реакционную способность) по методу [2]. Таким образом, используемые показатели отражали свойства кокса на трёх уровнях: кусковой материал, имеющий трещины; зерна, лишенные трещин; и, собственно, материал стенок пор.

В таблице приведен состав угольных смесей, значение ESSC, выход кокса, показатели технического анализа, физико-механические и физико-химические свойства полученных коксов.

Сразу необходимо указать, что значения абразивной твёрдости для 1-го варианта угольных смесей, также как и значения реакционной способности коксов, полученных из 2-го и 3-го вариантов смесей, являются ошибкой эксперимента согласно [3].

Исходя из результатов исследований можно говорить об улучшении механических характеристик полученного кокса при увеличении в смесях содержания хорошоспекающихся угольных концентратов марок Ж и К. В целом наиболее высокие значения механической прочности кокса имеют варианты проб №7 и 8, за исключением показателя П40 для 8-го варианта.

Структурная прочность пористого тела кокса также увеличивается с ростом доли хорошоспекающихся концентратов в смесях, что является отражением улучшения спекаемости. Схожая картина имеет место при изменении показателя абразивной твердости коксов: наибольшей твердостью характеризуются коксы из наиболее спекающих вариантов смесей № 7 и 8.

Таблица. Состав угольных смесей, значение ESSC, выход кокса, показатели технического анализа, физико-механические и физико-химические свойства полученных коксов

Содержание угольных концентратов в смеси, %	Значение ESSC	Выход кокса, %	Технический анализ, %	Механическая прочность, %	Структурная прочность по ВУХИНу, %	Абразивная твердость по УХИНу, мг	Реакционная способность по ГОСТ 10089-89, см3/(г·с)	Удельное электро-сопротивление, Ом·см
Г	Ж	К	КС	Вкс	Ad	Std	Vdaf	К50	П40	П25	И10	СП	АТ	К	УЭС
60	15	15	10	0,380	71,9	11,0	1,06	0,6	98,2	61,7	77,2	16,6	83,9	40,3	0,71	0,208
50	15	25	10	0,591	74,9	10,8	1,18	0,9	98,2	62,8	81,8	15,9	83,5	35,6	0,18	0,168
50	25	15	10	0,587	74,9	10,7	1,09	1,1	90,9	63,2	80,7	15,8	82,1	35,1	0,20	0,180
40	15	35	10	0,880	74,7	11,2	1,35	1,1	94,5	70,2	82,0	15,5	82,7	35,5	0,63	0,196
40	25	25	10	0,874	75,1	10,9	1,41	1,0	93,0	65,6	83,3	13,6	85,4	33,3	0,54	0,169
40	35	15	10	0,870	75,7	10,6	1,43	1,1	96,0	66,2	80,8	14,1	84,5	35,3	0,42	0,166
30	25	35	10	1,295	77,2	11,0	1,63	0,9	97,5	73,7	85,9	11,4	86,4	38,5	0,39	0,159
30	35	25	10	1,290	75,7	10,8	1,45	0,6	89,1	61,5	85,1	11,7	86,8	37,3	0,29	0,147

Реакционная способность коксов закономерно возрастает с ростом содержания в смесях малометаморфизированного угольного концентрата марки Г, что обусловлено снижением упорядоченности углеродистого тела получаемых коксов.

Наиболее обобщающей является зависимость между качеством кокса по показателю удельного электросопротивления (УЭС) и составом угольных шихт.

УЭС кокса мало зависит от пористости и главным образом отображает состояние его углеродистой структуры, а также плотность контакта остаточного материала угольных зерен и петрографических компонентов внутри зерен. Следовательно, более высоким электросопротивлением характеризуются коксы, полученные из слабоспекающегося и петрографически неоднородного или высокозольного угля. Исходя из этого, показатель УЭС можно считать комплексной (интегральной) характеристикой свойств кокса.

Полностью подтверждают данные положения результаты проведенных исследований. Так, с повышением содержания в угольных смесях слабоспекающегося концентрата марки Г значения УЭС коксов возрастают.

Что касается выхода сухого валового кокса из сухой шихты, то он в целом пропорционален выходу летучих веществ из угольных смесей.

Проанализировав результаты исследований, можно построить зависимости изменения физико-механических и физико-химических свойств полученных коксов с предлагаемым показателем соотношения внешней удельной поверхности (УП) хорошо и плохоспекающихся компонентов угольных шихт (ESSC), сущность которого рассмотрена в сообщении 1.

На рис. 1-4 представлены зависимости изменения физико-механических свойств кокса от показателя ESSC.

Анализ кривых указывает на улучшение механических свойств коксов при возрастании показателя соотношения внешней УП компонентов шихт, что объясняется улучшением спекаемости угольных смесей. Наилучшей взаимосвязью с показателем ESSC характеризуется истираемость кокса (И10).

Спекаемость угольных шихт улучшается вследствие лучшего взаимодействия компонентов смеси в условиях, когда образующаяся пластическая масса обволакивает значительную часть поверхности неспекающихся компонентов загрузки. Это приводит к образованию относительно прочного твердого остатка.

Рисунок 1. Изменение выхода класса крупности коксов более 25 мм (П25, %) после испытания в барабане в зависимости от показателя соотношения внешней УП (ESSC)

Рисунок 2. Изменение выхода класса крупности коксов менее 10 мм (И10, %) после испытания в барабане в зависимости от показателя соотношения внешней УП (ESSC)

Рисунок 3. Изменение структурной прочности коксов в зависимости от показателя соотношения внешней УП (ESSC)

Рисунок 4. Изменение абразивной твердости коксов в зависимости от показателя соотношения внешней УП (ESSC)

На рис. 5 показано изменение реакционной способности коксов от показателя ESSC. Как следует из графика, с ростом соотношения внешней УП хорошо и плохоспекающихся компонентов шихт реакционная способность коксов снижается. Прямо пропорционально изменяется и УЭС коксов (рис. 6). Так, при увеличении показателя ESSC величина УЭС снижается, что также свидетельствует об улучшении качества кокса.

Рисунок 5. Изменение реакционной способности коксов в зависимости от показателя соотношения внешней УП (ESSC)

Рисунок 6. Изменение УЭС коксов в зависимости от показателя соотношения внешней УП (ESSC)

Таким образом, экспериментально подтверждены теоретические положения, согласно которым спекаемость угольных смесей и качество кокса улучшаются при росте соотношения внешней УП хорошо спекающихся компонентов к слабо спекающимся. Это связано с тем, что на стадии пластического состояния образующаяся жидкая фаза в большей мере способствует спеканию твердой фазы еще не размягченных угольных зерен, а также неспекающихся компонентов угольной загрузки. В результате улучшается взаимодействие компонентов шихты на стадии пластического состояния, в результате чего образующийся полукокс имеет более прочную структуру, которая улучшается при средне - и высокотемпературной обработке.

Выводы

1. Результаты исследований и их анализ показывают, что для составления угольных шихт и прогнозирования качества кокса может быть использован показатель, который учитывает величину внешней УП компонентов шихты. Предлагаемый показатель ESSC хорошо отражает изменение спекающих свойств угольных смесей, а также хорошо коррелируется с показателями качества кокса.

2. Получены схожие зависимости качества кокса с показателем ESSC, указывающие на улучшение свойств высокотемпературного кокса при росте в смесях соотношения внешних УП хорошо спекающихся углей к плохо спекающимся. Следует ожидать, что поддержание показателя ESSC на определенном уровне будет способствовать получению кокса требуемого качества.

3. Учитывая простоту и экспрессность определения внешней УП углей (с учетом подготовки прибора и подсчетов продолжительность опыта составляет 5-10 минут), а также установленную в первом сообщении неаддитивность данного свойства, рекомендуется при составлении угольных шихт для коксования экспериментально находить внешнюю УП компонентов фактической крупности и рассчитывать величину ESSC.

Библиографический список

1.  Серик метод получения коксового королька и испытания его физико-механических свойств // Сб. науч. тр. УХИНа. – М.: Металлургия. – 1964. – Вып. № 15. – С. 138-141.

2.  ГОСТ 10089-89. Кокс каменноугольный. Метод определения реакционной способности. – [Введен 01.07.90]. – М.: Изд-во стандартов, 1990. – 19 с.

3.  , Коган математико-статистический анализ в коксохимии. – М.: Металлургия, 1975. – 185 с.

4.  Коверя спекающей способности углей и их смесей с внешней удельной поверхностью // Металлургическая и горнорудная промышленность. – 2013. – № 5. – С. 9-11.