Качество кокса, как металлургического топлива, определяется условиями, которые имеют место в доменной печи при выплавке чугуна. Как известно, основные процессы, связанные с восстановлением оксидов железа, осуществляются при высоких температурах за счет горения топлива. Однако этим роль кокса в доменном процессе не исчерпывается. Он является также разрыхлителем столба шихтовых материалов в печи, обеспечивая высокую газопроницаемость для вдувания в горн различных газов.
В нижней части доменной печи кокс образует своеобразную решетку, через которую стекают в горн жидкие продукты плавки.
Исходя из вышесказанного, кокс должен иметь: высокую газопроницаемость насыпной массы, которая обусловливается высокой механической прочностью, сохраняющейся при его нагреве до высоких температур; хорошую пористость и реакционную способность, обеспечивающие интенсивное горение и восстановление газов; низкое содержание минеральных примесей, серы и фосфора.
Все свойства кокса можно подразделить на три группы: физические, физико-химические и химические. К физическим свойствам кокса относится его механическая прочность и ситовый (гранулометрический) состав, определяющие газопроницаемость его насыпных масс, плотность.
Под механической прочностью подразумевается способность кокса противостоять дробящим и истирающим воздействиям в значительном диапазоне температур. Прочность кокса определяется путем искусственного разрушения его проб разными методами. Мерой прочности является степень изменения ситового состава кокса в процессе испытавши путем наложения нормированных усилий при определенных условиях.
Обычное испытание осуществляется в барабанах различной конструкции. Оно заключается в том, что проба кокса, помещенная внутрь барабана, при его вращении перемещается и подвергается дроблению и истиранию. На практике физико-механические свойства кокса определяют в барабанах различных конструкций.
К физико-химическим свойствам кокса относится его горючесть и реакционная способность. Под горючестью понимают скорость взаимодействия с кислородом, а под реакционной способностью - с оксидом углерода (IV). Горючесть кокса определяется по потере массы при стационарных условиях сжигания в специальной установке.
Стандартизированное определение реакционной способности предусматривает газификацию кокса фракции 0,5-1 и 3-4 мм в струе СО2 при температуре 950-1100 °С в течение определенного периода времени. Мерой реакционной способности является степень превращения CO2 в СО, которая определяется количеством образовавшейся СО, отнесенной к единице углерода (миллилитров СО на 1 г углерода в секунду).
К физико-химическим свойствам относится также удельное электросопротивление, которое может являться мерой завершенности формирования структуры кокса.
Показатели физических и физико-химических свойств кокса зависят как от технологического режима коксования, так и от природных свойств углей.
К химическим свойствам относится его химический состав. Обычно кокс состоит из углерода, водорода, кислорода, серы, азота и фосфора, а также минеральных примесей, образующих золу.
Механическая прочность
Кокс является единственным материалом, который сохраняет свою твердость до попадания в фурмы и поэтому служит разрыхлителем доменной шихты, обеспечивая газопроницаемость по всей высоте печи. При снижении расхода кокса интенсивное ведение доменного процесса возможно лишь при условии сохранения достаточной газопроницаемости шихты, что приводит к необходимости улучшения ее ситового состава, в том числе и кокса, повышения ее однородности. В современных условиях доменной плавки при использовании отсеянного от мелочи железорудного сырья, применении кислородного, углеводородного и водородосодержащего дутья снижается удельный расход кокса, приближаясь к теоретическому. Поэтому роль его сводится к обеспечению газодинамического режима работы доменной печи.
С увеличением объема доменных печей увеличиваются и нагрузки на кокс как в процессе его загрузки, так и непосредственно в доменной печи. Так, с увеличением объема доменной печи с 2700 до 5000 м3 возросли: общая высота падения с 7,5 до 12 м, рудные нагрузки на кокс с 3,3-3,5 до 4-4,5 кг/кг; выход жидких продуктов на тонну кокса с 2,5-2,9 до 3,3-3,6 кг, скорость движения шихтовых материалов с 3-4,5 до 5-6,4 м/мин. В результате этого кокс в процессе доменной плавки подвергается еще большему разрушению. Поэтому еще больше повышаются требования к его механической прочности.
Загружаемые в печь сырые материалы, двигаясь вниз и нагреваясь, претерпевают целый ряд превращений, изменяющих их физическое состояние и химический состав. От того, как кокс изменит свойства в процессе перемещения по шахте доменной печи до попадания в зону сгорания, во многом зависит ход плавки. В значительной степени на работу доменной печи влияет наличие мелких классов кокса. В доменной печи под действием различных механических и химических процессов кокс подвергается изменениям, которые приводят к разрушению и уплотнению его молекулярной структуры.
При движении по шахте доменной печи кокс испытывает в основном раздавливающие и истирающие нагрузки, в фурменной зоне он получает вращательное движение и его куски приобретают обкатанную форму. Одновременно кокс подвергается действию печных газов, в результате чего он становится пористым и менее прочным. Это приводит к увеличению содержания в коксе частиц менее 10 мм и соответственно - ухудшению газопроницаемости.
С увеличением объема доменных печей повышаются ударные и истирающие нагрузки, а увеличение высоты слоя шихты затрудняет прохождение газообразных продуктов, что без улучшения ситового состава и прочности шихтовых материалов может привести к снижению интенсивности плавки. При этом наиболее важная роль принадлежит показателю истираемости кокса. Истирающими агентами для кокса в доменной печи являются шихтовые материалы, кладка печи и восходящий поток газов, уносящих пылевидные частички. Накопление в горне кокса мелких классов при его истирании затрудняет проход горновых газов и фильтрацию продуктов плавки через шихтовые материалы, снижает серопоглотительную способность шлаков, приводит к горению воздушной и шлаковой арматуры.
Так, по опытным данным, по пути от колошника до нижней части доменной печи объемом 1242 м3 от 6 до 12%кокса превращается в мелочь, а в печи объемом 1719 м3 по пути до распара - от 17 до 27,5%кокса превращается в класс крупностью менее 5 мм, в результате чего на 1 т шлака приходится 75-80 кг коксовой мелочи, снижающей его подвижность и газопроницаемость.
Истиранию подвергаются в первую очередь кокс более мелких классов, который имеет большую удельную поверхность и легче вовлекается в циркуляцию печных газов после попадания в циркуляционную зону.
Накопление мелких классов способствует ухудшению равномерности насыпной массы, затрудняя проход горновых газов и препятствуя дренажу расплавленных материалов, причем при образовании вязких шлаков мелкие классы могут вообще закупорить печь. Все это свидетельствует о важности такого показателя прочности кокса, как истираемость. Другие показатели механической прочности имеют относительно меньшее значение для доменного процесса. Так, для разрушения кокса при его сжатии необходимы усилия 14,7-24,5 МПа, в то время как действующие в доменной печи статические нагрузки на кокс не превышают 0,2-0,3 МПа.
Увеличение объема современных доменных печей повышает высоту перепадов кокса и тем самым требования к показателю его дробимости. Кокс дробится преимущественно на куски достаточной величины, не нарушающие ход доменного процесса. Однако при прохождении различных зон доменной печи наряду с механическими нагрузками существует ряд других одновременно действующих факторов, снижающих прочность кокса. Среди них процессы расширения и усадки кокса при его нагреве в доменной печи, абсорбция газов на поверхности кокса, понижающая свободную поверхностную энергию, отложение сажистого углерода и попадание в поры кокса возгоняющихся щелочных металлов, взаимодействие минеральных веществ с углеродом и т. д.
Большое значение для доменного процесса имеет плотность кокса. В процессе схода кокса в доменной печи от колошника к фурменной зоне в результате действия активной газовой среды увеличивается пористость кокса, что приводит к снижению его плотности. Для доменного процесса необходимо использовать плотный кокс, имеющий большую толщину стенок пор. Такой кокс получают при коксовании уплотненных и термически подготовленных угольных шихт.