Качество кокса и перспективы доменной плавки

КАЧЕСТВО КОКСА  
И ПЕРСПЕКТИВЫ ДОМЕННОЙ ПЛАВКИ
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2020 

УДК 669.162.26 
ББК 34.323 
К30 
А в т о р ы :  
В. П. Лялюк, Д. А. Мучник, Д. А. Кассим, Е. О. Шмельцер 
Р е ц е н з е н т ы :  
профессор, доктор технических наук А. К. Тараканов; 
профессор, доктор технических наук Г. В. Губин 
К30     Качество кокса и перспективы доменной плавки / [В. П. Лялюк 
и др.]. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2020. – 228 с.: ил., 
табл. 
ISBN 978-5-9729-0489-1 
Механической обработкой можно обеспечить качество кокса для доменной 
плавки, стабилизировать и улучшить его свойства до заданного гранулометрического состава и прочности. Технология не требует больших инвестиций. Разработана также технология загрузки в печь кускового антрацита до 90 кг/т, не 
требующая капитальных вложений и обеспечивающая высокую эффективность 
за счет снижения расхода кокса и разницы цен на кокс и антрацит. Пылеугольная 
технология сегодня самая эффективная, однако на доменных печах, где она еще 
не используется, а печь не готова для вдувания ПУТ до 200 кг/т, загрузка антрацита может быть более эффективной. 
Книга может быть полезна специалистам черной металлургии и студентам 
вузов.
УДК 669.162.26 
ББК 34.323 
ISBN 978-5-9729-0489-1 
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2020 
 
© Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2020 
2

ВВЕДЕНИЕ
Важность качества кокса для работы доменных печей с высокими техникоэкономическими показателями общеизвестна и не вызывает сомнений. В доменной плавке кокс выполняет функции комплексного энерготехнологического
материала. В процессах его превращений у фурм печи выделяется основная
часть необходимой для процессов плавки теплоты и образуется основная часть
восстановительного газа, к которому в вышерасположенных горизонтах добавляется дополнительная часть газа от прямого восстановления. Кроме указанных
энергетических функций кокс выполняет функцию твердой насадки в зоне размягчения и плавления железосодержащих материалов, обеспечивающей противоток шихты и газов в печи, а также функцию регулятора газораспределения по
площади поперечного сечения агрегата. В вопросе эффективного применения
кокса в доменном производстве очень важными следует считать три момента:
какими показателями оценивается качество кокса; целесообразный уровень
этих показателей; как достигать этот уровень. Издавна прочность кокса во всем
мире оценивают испытанием, на сопротивление разрушающим воздействиям
при температуре окружающей среды. Варьировали глубину и методы разрушения, а также оценку результатов испытания, но принципиально подход был
одинаков. Предлагавшиеся методы оценки качества кокса в условиях, приближенных к условиям использования в доменной печи, по разным причинам, не
получили распространения в промышленности.
В монографиях [1-3] предложена методика пересчета результатов испытаний, основанных на механическом разрушении кокса при температуре окружающей среды, с одного метода на любой другой. Однако серьезные исследования по разработке новых методов остановились. Сегодня в мире широко используют барабанные испытания с оценочными критериями дробимости и истираемости, отличающимися крупностью исходного металлургического кокса и
остатком, после испытания, отмечаемые подстрочными индексами, (например,
М25, М40, I40, M10, I10) [4]. В США подобные показатели называют индексами
стабильности (I25) и твердости (I6,5) [5].
Более четверти века назад распространилась оценка кокса по методу японской фирмы Niрроn Stееl Corporation (NSC или НСК) определения реакционной
способности СRI (coke reactivity index) и послереакционной прочности СSR
(coke strength after reaction) кокса. На его базе разработаны и применяются
стандарты: британский BS 42626-84, США ASTM D 5341-93, в России ГОСТ
Р50921-96. В Украине – это национальный стандарт ДСТУ 4703:2006 “Метод
определения индекса реакционной способности кокса (CRI) и прочности остатка кокса после реакции (CSR)” (ISO 18894:2006, MOD) [6].
Исследования их сущности, методической обоснованности и взаимосвязи с
работой доменных печей, показали, что предварительная обработка углекислым
газом при высокой температуре с последующим испытанием пробы в специальном барабане не дает основания для революционного пересмотра отношения
к оценке качества кокса и не является абсолютно новым подходом определения
СRI. Более того, было отмечено, что иногда СSR именуют термином “горячая
3

прочность”, а тем более “доменная прочность”, что представляется ошибочным, поскольку характеристика определяется в холодном состоянии [6-9 и др.].
Еще в 60-е годы прошлого столетия в Институте горючих ископаемых
(ИГИ, Москва) установлена отчетливая связь между показателями холодной
прочности (М25, M10) и прочности охлажденного кокса после повторного нагрева его до 1200 qС. Примерно в тот же период в Восточном Углехимическом институте (Россия, ВУХИН) было установлено, что нагрев до 1100 qС и механические воздействия в условиях различных газовых сред не дают принципиально
иной характеристики по сравнению с испытанием холодного кокса, хотя уровень прочности снижается при нагреве в окислительной среде [7, 10].
ИГИ совместно с ОАО “Северсталь” установили, что показатель CRI с высокой степенью достоверности коррелируетcя с давно известным показателем
оценки реакционной способности Km (ГОСТ 10089-62, позже ГОСТ 10089-89)
[11]. Одновременно отметим, что, оборудование для определения Km недорогое, тогда как аппаратурное обеспечение метода NCS весьма дорогостоящее и
определение СRI одной пробы кокса занимает как минимум два часа. Многочисленные исследования показателей СSR и СRI, показали, что их значения
между собой тесно связаны [6, 11-14 и др.]. Уже это само по себе снижает информативность ровно вдвое, а отсюда и ценность метода. В последнее десятилетие количество исследований по этому вопросу несколько сократилось. Нам
представляется, что поиск преимуществ CSR и CRI по сравнению с показателями прочности в холодном состоянии не имеет под собой логического обоснования, поскольку оценивается кокс по различным свойствам, имеющим значение в разных зонах доменной печи [15-18].
Изменения, которые произошли в технологии доменной плавки в последнее время, привели в существенному снижению удельного расхода кокса, некоторому изменению тепловых нагрузок по высоте доменной печи, что увеличило
значимость реакционной способности кокса. Соответственно, повысился интерес к этому свойству, отражаемый разными показателями, в том числе и показателем CRI. Широкая реклама метода привела к практически повсеместному
использованию показателей CSR и CRI [6, 12, 15-19].
Максимально полезные свойства кокса для доменной печи могут быть установлены с учетом ее объема, характеристики железосодержащего сырья, а
также дутьевого режима и многих других условий доменной плавки. Отыскание единого показателя ценности качества кокса для всех доменных печей и
технологических условий процессов доменной плавки нереально, а поиски его
априори обречены на неудачу. Именно по этой причине во всем мире в настоящее время физико-механические свойства кокса оценивают показателями, характеризующими его свойства в соответствии с функциями, которые он выполняет в конкретных условиях доменной плавки. Несколько отличается лишь абсолютный уровень требований к качеству коксу [20].
Например, в Америке пользуются показателями прочности М40 и М10, а
также индексами стабильности (>4 дюйма) и прочности (0,25 дюйма). Определяют также показатели CSR и CRI. Институт черной металлургии США установил влияние индекса стабильности, а также величины CRI, на удельный рас4

ход кокса на выплавку чугуна в зависимости от абсолютной величины этих параметров [5]. В СССР на V Международном конгрессе доменщиков, проведенном в 1999 году в Днепропетровске и Кривом Роге специалисты выдвинули к
качеству кокса следующие требования: прочность М25 – не менее 90 %; истираемость М10 – не более 6 %; содержание фракции +80 мм – не более 5 %; содержание фракции -25 мм – не более 5 %; колебания влажности в обе стороны –
не более 0,5 %; реакционная способность CRI – 23-26 %, CSR – 70 % [21].
Результаты испытаний физических и физико-химических свойств кокса
показывают, что известные и применяемые на практике показатели: выход летучих веществ, удельное электросопротивление, структурная прочность и реакционная способность достаточно тесно и надежно сопряжены с показателями
CSR и CRI. Названные свойства могут быть определены по средней пробе кокса, по классам различной крупности и по мелочи, образующейся при разрушении в процессе испытания. В последнем случае абсолютная величина показателей больше, а также больше выявляемое различие.
Отметим повсеместное внимание доменщиков к стабилизации кокса. Этим
термином называют результат механического воздействия в период, последующий за выдачей кокса из камер коксования и до его участия в технологическом процессе. Например, в СССР его именовали механической обработкой, по
сути, выполняемой работой. Оба названия, по нашему мнению, правомерны. На
III-м Международном конгрессе по коксохимическому производству [5] говорилось о стабилизации кокса в процессе его транспортировки. По материалам
конгресса, специально организованный процесс стабилизации реализован только в Индии и Южной Корее. Еще в 70-е годы прошлого столетия в специальной
литературе [22, с. 200] отмечалось, что “дробление кокса часто практикуется в
Японии, оно развивается в США и в других странах. Помимо желаемого гранулометрического состава, оно дает, как и любая грубая механическая обработка,
увеличение прочности остающихся кусков и особенно улучшение их индекса
истирания”. До недавнего времени единственным направлением улучшения качества кокса для доменной плавки практически на всех металлургических
предприятиях были и остаются факторы, обеспечиваемые свойствами угольного сырья и технологией коксового производства [23]. Она видится неизменной
и в базовом труде профессора И.Г. Товаровского [24]. Так, в разделе “Планирование оптимальных путей развития технологии доменной плавки” (с. 619) один
из пунктов называется “Стабилизация свойств кокса за счет совершенствования
технологии его получения при ухудшении марочного состава угольных шихт”,
то есть, доменщики видят основной путь повышения качества кокса только в
совершенствовании технологии подготовки угольной шихты к коксованию и
сам процесс коксования. Вместе с тем использование процесса механической
обработки позволяет не только стабилизировать свойства кокса, но и существенно улучшить их вплоть до получения заданных, желаемых показателей состава и прочности [25-28]. Кроме того, и это отмечено в сборнике трудов 2-го
международного симпозиума “Познание процессов и развитие технологии доменной плавки” [29, с. 198-206], улучшение прочности кокса позволяет увеличить эффект от других мероприятий по совершенствованию технологии домен5

ной плавки, а многолетняя практика совершенствования технологии классического процесса слоевого коксования практически исчерпала себя. Улучшение
коксуемости шихты привлечением хорошо спекающихся углей вызывает повышение стоимости шихт и, соответственно, кокса. Кроме того, этот путь ограничен земными ресурсами углей. Но и это направление не всегда обеспечивает получение кокса желаемой прочности и, как показала прошлая практика, не является полностью управляемым.
Среди современных способов повышения качества кокса, которые требуют
больших инвестиций и сопряжены с большими капитальными затратами это
трамбование угольной шихты в сочетании с сухим тушением кокса и термоподготовка шихты перед подачей ее в коксовые камеры.
Например, в Украине кокс с высокими показателями холодной механической прочности М25 89-90 % и М10 5-5,5 % при содержании класса -25 мм 3,5 %
производят на батарее №10-бис ПАО “Алчевсккокс”, где совмещены технологии трамбования угольной шихты и сухого тушения кокса. Высококачественный кокс получают из шихт, в которых доля хорошо спекающихся углей (при
отсутствии марки К) равна 33,9 % при содержании газового и слабоспекающегося угля 66,1 %. [30].
Высококачественный кокс производят и на ПАО “Ясиновский КХЗ” с использованием технологии термической подготовки шихты (М25 88-89 %, М10
6,2-6,7 %, CRI 28-29 %, CSR 55-56 %). Технология стабильно обеспечивает высокое качество кокса при колебаниях состава и свойств угольной шихты [31].
Остался неиспользуемым практически один прогрессивный путь, который
не требует больших инвестиций и дорогостоящего оборудования, обеспечивающий возможность изменения свойств кокса, получаемого в слоевом процессе в традиционных коксовых печах в нужном направлении, вплоть до получения требуемых состава и показателей прочности, а также их постоянства, это
механическая обработка (стабилизация) кокса.
Реализация этого способа воздействия осуществима как у производителя,
так и у потребителя продукта, то есть в доменных цехах.
Оптимизация процессов ранее была основана на отличающихся ценах кокса различной крупности и скидках-приплатах к цене доменного кокса при изменении установленных средних показателей качества [26]. Идея была в достижении наибольшей разницы в стоимости тонны валового кокса до и после его
механической обработки. Обеспечиваемый экономический эффект должен был,
и действительно мог перекрывать затраты на проектирование, изготовление и
эксплуатацию установки для механической обработки и классификации кокса.
В настоящее время цена кокса не связанна с его качеством, но влияние
прочности и истираемости кокса на работу доменных печей природа не позволяет отменить. В частности, влияние прочности на удельный расход кокса на
выплавку тонны чугуна фиксировали с подачи ИЧМ НАН Украины в 1984 г.
нормативы Министерства черной металлургии СССР. Эти зависимости описаны и в источнике [24]. Подобные результаты зафиксированы Институтом черной металлургии Америки, а также в Китае [4, 5, 14].
6

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДОМЕННОЙ ПЛАВКИ
1.1. Физическая сущность плавки
Доменная плавка предназначена для выплавки металла – чугуна из железных руд. Железные руды представляют собой горную породу, состоящую из
рудного минерала (оксиды железа), пустой породы (оксиды кремния, кальция,
магния, марганца и др. элементов), примесей полезных (Ni, Mg, Cr, W, V) и примесей вредных (S, P, Zn, Pb, As и др.).
С учетом этого в доменной плавке необходимо решить следующие основные задачи:
– восстановить оксиды железа, т.е. разделить железо с кислородом;
– отделить восстановленное железо от оксидов пустой породы;
– предотвратить насыщение выплавленного металла вредными примесями в
то же время, обеспечить максимальное усвоение полезных примесей [32, 33].
Перечисленные задачи решаются в противоточном тепло-массообменном
металлургическом агрегате шахтного типа – доменной печи (рис. 1, 2). В качестве восстановителей здесь используются углерод топлива твердого, а также газифицированного в кислороде дутья. Применяются также газообразные жидкие
и пылевидные топливные добавки к дутью. Основным топливом в подавляющем большинстве случаев служит каменноугольный кокс.
Шихтовые материалы (железорудные компоненты и флюс) совместно с
топливом загружаются в доменную печь сверху и в процессе плавки опускаются в рабочем объеме печи вниз навстречу поднимающемуся потоку горячего
восстановительного газа. Этот газ образуется в нижней части печи, главным
образом, в результате газификации (неполного горения) загруженного в домну
углерода топлива, в кислороде подаваемого через воздушные фурмы дутья.
В ходе противотока протекают реакции, обеспечивающие превращение загруженных материалов в чугун и шлак. Железорудные материалы отдают потоку
газа кислород, сами восстанавливаются до металлического железа, которое насыщаясь углеродом (растворяя в себе углерод) нагревается до расплавления,
превращаясь в чугун.
Не восстановленные оксиды пустой породы в рабочем объеме печи опускаются в составе шихты, попадая в зону все более высоких температур, в результате нагреваются до расплавления, образуя сплав окислов – шлак.
Образующийся в нижней части печи горячий восстановительный газ формирует поток, поднимающийся снизу вверх навстречу опускающимся материалам. Газ отдает материалам тепло, сам при этом остывает и отнимает у них кислород, в результате чего окисляется.
Таким образом, в ходе доменной плавки происходит обмен теплом и массой между встречными потоками газа и материалов.
Продукты плавки чугун и шлак накапливаются в нижней части печи и периодически выпускаются из нее, разделяясь в процессе выпуска.
Важными особенностями доменной плавки являются [32, 33]:
7

Рис. 1. Разрез доменной печи: 1 – чугунная летка; 2 – горн;
3 – заплечики; 4 – распар; 5 – шахта; 6 – колошник; 7 – засыпной аппарат; 8 –
горизонт образования чугуна; 9 – горизонт
образования шлака; 10 – зоны горения кокса; 11 – слой шлака;
12 – шлаковая летка; 13 – слой чугуна
8

Рис. 2. Общий вид доменной печи объемом 5000 м3
9

1) Организация процесса горения в условиях избытка топлива (углерода).
В результате углерод окисляется только до СО, образуя восстановительный газ
и, соответственно, создавая восстановительную атмосферу в рабочем объеме
печи, обеспечивающую возможность решения основной задачи плавки по восстановлению оксидов железа. При этом выделяется тепло, необходимое для
решения второй задачи плавки по разделению восстановленного железа и оксидов пустой породы, что осуществляется в жидком (расплавленном) состоянии
при выпуске продуктов плавки из доменной печи.
2) Образование железа в доменной печи осуществляется в условиях тесного контакта с углеродом топлива. Поскольку железо способно растворять в себе
углерод, то оно быстро им насыщается в пределах 4-6 %, образуя чугун – сплав
железа с углеродом. Предотвратить насыщение железа углеродом в доменной
плавке в связи с отмеченным невозможно. Углерод в чугуне повышает твердость,
однако ухудшает вязкие и пластические свойства металла. Поэтому для его удаления из металла путем окисления и перевода в газовую фазу, выделяющуюся из
металла, и повышения, таким образом, качества последнего предусматривается
вторая ступень металлургического передела – производство стали.
1.2. Некоторые общие особенности
расходования энергии в доменной плавке
Доменная плавка в целом представляет собой сложный комплекс явлений,
в рамках которого задача по получению чугуна из железорудных материалов
решается за счет использования трех видов энергии: физической (тепловой),
химической (восстановительной) и механической. Как дополнение к ним, для
выполнения вспомогательных операций по обслуживанию доменной печи, используется также и электрическая энергия.
Необходимая для осуществления доменной плавки тепловая энергия выделяется при газификации топлива у воздушных фурм и расходуется на нагрев и
плавление материалов. При газификации топлива высвобождается также химическая энергия и образуется горновой восстановительный газ, с помощью которого выполняется работа по восстановлению оксидов железа и других элементов, переходящих в чугун. При этом основным элементом топлива, загружаемого
в доменную печь в виде кокса или его заменителей (антрацит) через колошник,
является углерод [32, 33].
Еще академик М.А. Павлов указывал, что “...необходимо различать двойную роль, которую играет сгорающий в печи углерод, а именно: 1) роль материала, дающего нужное для хода доменного процесса тепло, и 2) материала,
образующего такое количество окиси углерода, какое позволяет закончить восстановление руды, благодаря избытку окиси углерода против отношения, соответствующего равновесию при температуре восстановления закиси железа
685 °C…” [34]. Отсюда, расход кокса может быть уменьшен путем сокращения
потребности в углероде процессов нагрева и восстановления.
Актуальность проблемы энергосбережения всегда занимала одну из центральных позиций при выплавке чугуна в доменных печах. С течением времени
10