Пиролиз и спекание углей в смесях при коксовании являются сложным процессом, в котором преобладает термическая радикальная поликонденсация и сопутствующие восстановительные реакции [1]. На его ход значительно влияет физическое состояние исходной дисперсной массы углей. Последняя представляет собой гетерогенную среду, компоненты которой разнородны, различаются по генетическим признакам — петрографическому составу и степени метаморфизма, а также по крупности, распределению вещественного состава и пр. Поэтому в пластическом состоянии при коксовании возникает гетерогенная система, подобная массе «наполненных полимеров» [2]. Оптимизация состояния этой среды как исходного материала является целью подготовки углей для коксования.
Гетерогенность пластической массы угольных смесей вызывается кратковременностью размягчения (20—40 мин), высокой вязкостью компонентов (102—105 Па*с при скорости нагревания 3°С/мин) и недостаточной их совместимостью вследствие несовпадения температурных интервалов пластического состояния. Спекание угольных зерен происходит главным образом в результате поверхностного взаимодействия, зависящего от плотности контакта зерен, взаимной диффузии молекулярных поверхностных слоев или их адгезии. Поэтому на микроскопическом уровне сохраняется видимость очертаний частиц при анизотропии структуры, свойственной компонентам. Прочность спекания угольных частиц как поверхностный акт описывается функциональной зависимостью [3].
Коксование частично брикетированных угольных шихт со связующим представляет собой особый вид термического преобразования наполненных полимеров. Специфичность гетерогенного состояния пиролизуемых угольных смесей в этом случае обусловлена присутствием в них измельченных разнородных умей и массивных включений — брикетов. Наличие связующего благоприятствует пластификации материала брикетов и повышает лиофильность их поверхности так же, как и введение лиофильных добавок в наполненные полимеры, что способствует смешению брикетов с вмещающей шихтой — матрицей. Их взаимодействию благоприятствует тождественное возрастание реакционной способности пиролизуемой массы, которая у всех углей достигает максимума в узком температурном интервале термохимического преобразования, в основном при 400±25°С (при скорости нагревания 3°С/мин).
Различие в составе материала брикета и матрицы и высокая объемная плотность брикетов порождают соответствующие различия в их тепловом состоянии и структуре, в изменении линейных размеров, пористости и упругости. Вследствие этого неизбежно возникновение и развитие местных внутренних напряжений при отверждении (после пластического состояния) брикетов и матрицы. Поэтому концентрация брикетов в угольной засыпи должна быть не более некоторой величины, Превышение которой может снизить насыпную плотность загрузки, нарушить равномерность структуры коксуемого массива, уменьшить прочность кокса.
Практические наблюдения подтверждают, что для обеспечения более высокой насыпной плотности частично брикетированной шихты и достаточно хорошего качества кокса, получаемого из нее, особое значение имеют состав брикетов, и их количество в смеси. Форма и размеры брикетов меньше влияют на данный процесс [4].
Можно предположить, что развитие напряженного состояния в коксуемом массиве проходит различно в зависимости от того, изготовлены брикеты из той же шихты, что и матрица, или из шихты другого состава — в основном из слабоспекающихся углей. Соответственно доли участия этих брикетов должны быть различны.
Для проверки расчета использованы данные, полученные при коксовании угольных шихт Череповецкого (1) и Нижнетагильского (2) металлургических комбинатов в полузаводских условиях.
В шихте I было уменьшено количество жидких углей Печорского бассейна (с 74 до 56%) и увеличено (до 20%) — печорских меньшей спекаемости ш. «Воргашорская»; были использованы также угли марки СС разреза им. 50 лет Октября (5—10%). Спекаемость шихты характеризовалась толщиной пластического слоя Y= 16-17 мм. Брикеты готовили из этой же шихты. (Без брикетов получили кокс с показателями М25=86 и М10 = 11,4%).
Для II шихты была взята обычная производственная шихта из кузнецких углей (Y=17 мм). В нее вводили брикеты из шихты состава: Г17 30 и СС 70%, Со связующим такая шихта давала Y = 8-9 мм. Плотность брикетов составляла 1,2 г/см3, насыпная плотность вмещающей шихты 0,72 г/см3. Кокс из вмещающей шихты и из брикетов был получен раздельно по ГОСТ 9521 — 74 при конечной температуре 1000°С. Образцы кокса характеризовались показателями модуля упругости, приведенными в табл. 1.
Таблица 1.
| Коксуемый материал | Шихта | Модуль упругости при 20°С, МПа | Предельная массовая доля брикетов в шихте |
| Вмещающая шихта (матрица) | 1 | 1420 | - |
| Брикеты | 1 | 1290 | 0,39 |
| Вмещающая шихта (матрица) | 2 | 1390 | - |
| Брикеты | Г17 30%+СС 70% | 1540 | 0,26 |
Найденное соотношение значений модулей упругости кокса из брикетов и из матрицы характерно для условий компоновки шихт. Для смеси брикетов и матрицы из одной и той же шихты (I) модуль упругости кокса из брикетов оказался меньше, чем у кокса из матрицы. Обратное соотношение получили при введении брикетов из шихты с участием 70% углем марки СС и 30% углей технологической группы Г17. В таком случае модуль упругости кокса из брикетов больше. (Это объясняется низкой спекаемостью из шихты, что позволяет избежать вспучивания при коксовании и сохранить высокую плотность, жесткость и упругость.) Отсюда — предельная массовая доля таких брикетов в угольной загрузке должна быть 25—30% (по расчету), т. е. существенно ниже возможного участия в загрузке брикетов из матричной шихты.
Полузаводские коксования проводили в динасовой печной камере шириной 410 мм. Толщина греющей стенки составляла 105 мм. Температура обогрева (с помощью карбидокремниевых нагревателей) обеспечивалась на уровне, принятом в промышленных печах (1320—1350°С). Результаты коксовании угольных шихт Череповецкого (I) и Нижнетагильского (II) комбинатов при их частичном брикетировании согласуются с расчетными данными (табл. 2).
Таблица 2.
| Состав вмещающей шихты, % | Количество брикетов в шихте, % | Прочность кокса, % | |
| М25 | М10 | ||
| Брикеты из шихты 1 | |||
| 1,100 | 0 | 86,0 | 11,4 |
| 1.75 | 25 | 87.1 | 10.1 |
| 1.50 | 50 | 88,0 | 8.7 |
| Брикеты из шихты Г17 30%+СС 70% | |||
| 11,100 | 0 | 85,1 | 10,7 |
| 11,70 | 30 | 85,6 | 10,8 |
| Брикеты из шихты Г17 20%+Г6 20%+СС 60% | |||
| 11,100 | 0 | 85,1 | 10,7 |
| 11,80 | 20 | 85,8 | 10,8 |
| 11,70 | 30 | 84,4 | 10,7 |
Характерно, что в УХИНе при брикетировании только слабоспекающейся части шихты из донецких углей при введении 25% брикетов, был получен кокс более высокой прочности по сравнению с коксом из шихты с участием тех же брикетов 35 и 46% [4].
Вывод:
Представляется возможным расчетным путем определять предельную (рациональную) концентрацию массы брикетированной части в угольной загрузке соотносительно составам брикетируемой шихты и вметающей (матрицы).
Библиографический список.