Введенная в эксплуатацию в 1990 г. шахта «Красноармейская Западная № 1» (далее ш.К-3-1) была и остается единственной разрабатывающей в Донбассе уголь пласта d4.
Производственная мощность шахты в последние годы стабильно держится на уровне 5-6 млн. т/год. Доля вырабатываемого концентрата из рядового угля этой шахты составляет в настоящее время 60% от общего объема концентратов донецкого угля марки К, используемых в шихтах для коксования.
Важнейшая роль товарной продукции ш. «Красноармейская Западная № 1» в сырьевой базе коксования Украины отмечена в работе [1]. Тем не менее экспериментально установленная специфика элементного состава структуры и технологических свойств этого угля [12, 3], условность отнесения его к марке К по действующей в Украине классификации углей (ДСТУ 3472-96) - все это потребовало проведения специальных исследований с целью установления генетического типа по восстановленности марочной принадлежности угля ш. «Красноармейская Западная № 1».
Анализ полученных экспериментальных данных привел к заключению о принадлежности этого угля к генетическому типу «а» по восстановленности, т.е. к маловосстановленным углям, а по значениям классификационных параметров R0, Vdaf и у к марке КЖ, которую рекомендуется ввести при пересмотре действующей в Украине классификации [4].
На этапе лабораторных исследований с использованием двухкамерной лабораторной печи конструкции УХИНа было установлено, что при ограниченной спекаемости (у = 13 мм) уголь «Красноармейская Западная № 1» характеризуется хорошей коксуемостью и при индивидуальном коксовании дает твердый остаток со значениями показателей дробимости, истираемости, структурной прочности, абразивной твердости и др., соответствующими коксу удовлетворительного качества [5]. Исследование в этой же работе поведения угля ш. «Красноармейская Западная № 1» в смеси с донецкими углями других марок показало, что возможна и целесообразна им 10% газовых и 10% отощенных спекающихся углей с улучшением механических свойств кокса по показателям истираемости на 0,4 и дробимости на 0,3%.
На следующем этапе разработки рационального состава шихты с участием угля ш. «Красноармейская Западная № 1» были выполнены ящичные коксования на коксовой батарее № 5 ОАО «Ясиновский коксохимический завод». При этом опытные шихты включали угли не только Донбасса, но и Кузбасса (марок Г ш. «Заречная» и ГЖ ш. «Распадская»), а массовая доля угля ш. «Красноармейская Западная № 1» (от 38 до 80%) во всех исследованных вариантах опытных шихт была больше, чем любого другого компонента, т.е. он был основой шихты [6].
Важный для практики вывод из полученных результатов [6] состоит в том, что шихта одного и того же марочного состава не всегда обеспечивает высокое качество кокса по показателям как «холодной» (М25, М10), так и «горячей» (CSR, CRI) прочности. В условиях определения последней по методу японской фирмы «NSC» важную роль играют состав минеральных компонентов, характеризуемый индексом основности золы (Ио), массовая доля общей серы (Sdt) и выход летучих веществ (Vdaf) из шихты.
В настоящем сообщении изложены и обсуждаются результаты завершающего этапа разработки рационального состава шихты на основе маловосстановленного угля ш. «Красноармейская Западная № 1», выполненного в промышленных условиях на коксовых батареях № 5, 6 Ясиновского коксохимического завода. При этом с учетом современных требований доменщиков к качеству кокса в понятие «рациональный состав шихты» мы включали наряду с определенным массовым соотношением в ней углей разных марок также и сочетание комплекса технологических свойств, обеспечивающих получение кокса высокого качества, в том числе и по показателям CRI и CSR.
По данным [7], доменщики многих европейских стран формулируют такие основные требования к качеству кокса, %: Ad 10-11; Sdt 0,6-0,7; Vdaf < 1,0; класс >80 мм <10; М40 80-88; M10 6-8; CRI 19-34; CSR >60.
Трехмесячные батарейные коксования опытных шихт (ноябрь 2004 - январь 2005 гг.) провели без изменения принятых на заводе условий подготовки (содержание в шихте класса <3 мм 80±2%; насыпная плотность 0,725±0,01 т/м3; влажность 10,5±1%) и коксования (температура в контрольных отопительных каналах с машинной и с коксовой стороны соответственно 1343-1345 и 1370-1384 "С, температура в осевой плоскости 1050-1060 "С, период коксования 18±0,5 ч).
В связи с неравномерным поступлением угольных концентратов за период испытаний было произведено несколько оперативных перешихтовок с изменением как марочного, так и компонентного составов. В связи с этим общий период испытаний разделили на несколько этапов работы на шихте стабильного состава длительностью от 4 до 20 сут, в течение которых отбирали и анализировали пробы шихты и кокса.
В табл. 1 приведены характеристика использованных компонентов, их массовые доли в шихте, а также показатели качества шихты шести вариантов.
| Поставщик концентрата (ЦОФ, разрез) | Марка угля | Показатели технического анализа, % | Показатели пластометрии, мм | Ио | Массовая доля (%) компонента в шихте варианта | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Ad | Sdt | Vd | Vdaf | X | Y | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | |||
| Чумаковская | К | 8,1 | 0,82 | 27,8 | 30,3 | 22 | 13 | 2,31 | 62 | 65 | 68 | 68 | 78 | 80 |
| Самсоновская | Ж | 8,8 | 3,01 | 31,7 | 34,8 | 16 | 24 | 5,16 | 12 | 10 | 14 | 6 | 10 | 7 |
| Им. Скочинского | Ж | 8,2 | 0,98 | 31,1 | 33,9 | 19 | 17 | 3,27 | 12 | 12 | 10 | 6 | 6 | 7 |
| Краснолиманская | Ж | 7,9 | 2,67 | 32,5 | 34,9 | 20 | 19 | 5,81 | — | — | — | 12 | — | — |
| Распадская (Россия) | ГЖ | 7,4 | 0,56 | 34,2 | 36,9 | 27 | 17 | 4,11 | 8 | 6 | — | — | — | — |
| Черниговский разрез | СС | 8,0 | 0,59 | 23,5 | 25,5 | 39 | 7 | 2,43 | 6 | 7 | 8 | 8 | 3 | 3 |
| Нефтеперерабатывающий завод | Нефтекоксовая мелочь | 0,9 | 2,08 | 10,5 | 10,6 | 11 | 6 | 0,50 | — | — | — | — | 3 | 3 |
| Всего | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | ||||||||
| Показатели качества шихты вариантов 1-6 | Ad | 8,3 | 8,4 | 8,0 | 7,9 | 7,8 | 7,8 | |||||||
| Sdt | 1,17 | 0,97 | 1,10 | 1,06 | 1,01 | 0,98 | ||||||||
| Vd | 28,6 | 28,3 | 28,3 | 27,8 | 27,3 | 26,9 | ||||||||
| Vdaf | 31,2 | 30,9 | 30,9 | 30,2 | 29,6 | 29,2 | ||||||||
| Y | 15 | 14 | 14 | 14 | 14 | 14 | ||||||||
| Иo | 2,93 | 2,83 | 2,81 | 2,97 | 2,60 | 2,53 | ||||||||
| Продолжительность этапа, сутки | 4 | 6 | 20 | 5 | 5 | 15 | ||||||||
С учетом результатов предыдущей работы [6] содержание угля ш. «К-З-1» в опытных шихтах увеличивали от 62 до 80% за счет соответствующего снижения содержания углей марок Ж и ГЖ от 32до 14% при практически постоянной массовой доле отощающих компонентов.
Для удобства анализа группировка результатов, полученных на каждом из этапов, произведена не в хронологическом порядке, а в направлении увеличения массовой доли угля ш. «Красноармейская Западная № 1». Этот уголь был представлен концентратом ЦОФ «Чумаковская».
Концентраты углей марки Ж Донбасса поставляли ЦОФ «Самсоновская», ш. им. Скочинского, «Краснолиманская», а марки ГЖ Кузбасса — ш. «Распадская». Отощающими компонентами служили уголь марки СС разреза «Черниговский» (Кузбасс), а в отдельные периоды – также и нефтекоксовая мелочь нефтеперерабатывающего завода.
При всем разнообразии марочного и компонентного состава прослеживаются некоторые достаточно четкие тенденции изменения показателей качества опытных шихт с ростом массовой доли угля ш. «Красноармейская Западная № 1» (т.е. в направлении от первого к шестому варианту). Это относится и к снижению зольности (от 8,3 до 7,8%), выхода летучих веществ (от 31,2 до 29,2%) и индекса основности золы (от 2,93 до 2,53%). Что же касается массовой доли общей серы, то она снижается (от 1,10 до 0,98%) в шихтах от 3-го до 6-го вариантов, а спекаемость по показателю у в пяти вариантах из шести остается постоянной, равной 14 мм.
На каждом из шести этапов производили отбор проб товарного кокса при его погрузке в вагоны и выполняли анализы его качества с определением показателей Ad, Sdt, Vdaf , содержания классов крупности >80 и <25 мм
В зависимости от требовании потребителей дробимость кокса оценивали показателями М40 или М25, а истираемость - показателем М10.Реакционную способность и послереакционную прочность кокса оценивали соответственно показателями CRI и CSR (проект стандарта ISO/ DIS 18894). Результаты анализов приведены в табл. 2.
| Вариант | Ad | Sdt | Vdaf | Класс, мм | М40 | М10 | М25 | М10 | CRIэ | CRIp | CSRэ | CSRp | Δ , % | ||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| > 80 | < 25 | CRI | CSR | ||||||||||||
| 1 | 10,6 | 0,95 | 0,80 | 8,1 | 2,4 | 78,1 | 6,4 | 87,3 | 7,4 | 32,9 | 34,8 | 49,8 | 47,5 | 1,9 | 2,3 |
| 2 | 11,2 | 0,83 | 0,80 | 7,9 | 2,6 | — | — | 87,3 | 7,1 | 32,3 | 33,1 | 52,3 | 50,2 | 0,8 | 2,1 |
| 3 | 10,7 | 0,90 | 0,78 | 8,9 | 2,0 | 78,3 | 6,2 | 87,7 | 7,0 | 32,3 | 33,5 | 51,3 | 49,5 | 1,2 | 1,8 |
| 4 | 11,0 | 0,88 | 0,72 | 6,8 | 2,3 | 78,3 | 6,2 | 88,0 | 6,5 | 31,9 | 31,3 | 51,8 | 53,0 | 0,6 | 1,2 |
| 5 | 10,6 | 0,84 | 0,68 | 6,2 | 2,0 | 78,5 | 6,1 | — | — | 29,6 | 28,8 | 54,8 | 57,0 | 0,8 | 2,2 |
| 6 | 10,5 | 0,79 | 0,58 | 6,1 | 2,2 | 78,3 | 5,8 | 87,8 | 6,3 | 29,1 | 27,3 | 56,3 | 59,4 | 1,8 | 3,1 |
| Примечание. Приведены значения показателей качества кокса за период работы на шихте каждого из вариантов 1-6. | |||||||||||||||
Анализируя их в целом, следует подчеркнуть, что коксование шихты любого из испытанных вариантов обеспечивает получение кокса высокого качества, соответствующего по значениям нормируемых показателей марке КД-1 (ТУ У 322-00190443-114-96 «Кокс доменный»). Тем не менее, несмотря на некоторые исключения, можно отметить следующие основные тенденции изменения показателей качества кокса из шихт с возрастающим содержанием угля ш. «Красноармейская Западная № 1»:
- снижение сернистости от 0,95 до 0,78% в соответствии с уменьшением величины Sdt в шихтах (коэффициент остаточной серы в коксе 0,83±0,02);
- снижение остаточного выхода летучих веществ (от 0,80 до 0,58%), свидетельствующее при одинаковых условиях коксования о большей степени «готовности» кокса;
- повышение однородности состава валового кокса по крупности, что при его сортировке проявляется в снижении содержания как крупных (>80 мм), так и мелких (<25 мм) классов;
- снижение истираемости по показателю М10 от 6,4 до 5,8% и от 7,4 до 6,3% при определении дробимости кокса по показателям соответственно М40 и М10, тогда как сами эти показатели изменяются без четкой закономерности;
- снижение реакционной способности по показателю CRI от 32,9 до 29,1 % и увеличение прочности после реакции с СО2 по показателю CSR от 49,8 до 56,3%.
Что касается остаточного выхода летучих веществ, истираемости и реакционной способности, то отмеченные тенденции изменения этих показателей качества коксов обусловлены, по-видимому, не только снижением выхода летучих веществ из исходных шихт (при постоянстве их спекаемости), но также и способностью угля ш. «Красноармейская Западная № 1» образовывать кокс многослойной, плотно упакованной, наиболее упорядоченной надмолекулярной структуры.
По данным [3], уголь ш. «Красноармейская Западная № 1» по этой способности превосходит другие угли, включая типичный донецкий уголь марки К.
На качество кокса по показателям CRI и CSR несомненное влияние оказывает состав минеральных компонентов, характеризуемый величиной индекса основности золы (Ио).
Обработка результатов ящичных коксований привела к разработке математических моделей качества кокса по показателям CRI и CSR [6]:
CSIp = 0.98*Иo + 3.03*Sdt + 3.26*Vdaf - 69.3 (1)
CSRp = 102.8 - 1.59*CRIp (2)
В уравнениях (1) и (2) Ио, Sdt и Vdaf — соответственно показатели основности золы, массовой доли общей серы и выхода летучих веществ, относящиеся к вещественному составу и свойствам минеральной и органической частей шихты. Индекс «р» соответствует расчетным в отличие от экспериментальных значений CRI и CSR.
Попытка адаптации уравнений (1) и (2) к описанию качества промышленных коксов выявила систематическую погрешность в сторону завышения CRIp в сравнении с CRIэ в среднем на 4% и такую же погрешность в сторону занижения CSRp в сравнении с СSRэ.
Причина систематической погрешности расчетов состоит, по-видимому, в различной глубине термохимических превращений при коксовании шихты в ящиках и в камере коксования. В последнем случае вклад в среднемассовые характеристики вносят пристеночные слои кокса, находящиеся более длительное время в области более высоких температур, чем кокс из ящиков, устанавливаемых в осевой плоскости камеры коксования. Для компенсации погрешности расчетов в уравнение (1) введена поправка в величину свободного члена, который принят равным - 73,3.
В табл. 2 приведены рассчитанные по уравнениям (1) с поправкой и (2) значения CRIp и CSRр, а также экспериментальные значения этих показателей CRIэ и CSRэ. Сопоставление величин показателей и оценка абсолютной погрешности расчетов Δ позволяют заключить, что по принятым показателям качества исходных шихт Sdt, Vdaf и Ио можно прогнозировать качество кокса по CRI и CSR с погрешностью, не превышающей допустимые расхождения параллельных измерении этих показателей попроекту стандарта ISO/ DIS 18894 (3,0%). Это заключение подлежит экспериментальной проверке при выходе значений прогнозируемых параметров за пределы их варьирования в условиях выполненных промышленных коксований.
Анализ данных табл. 2 позволяет также заключить, что значения приведенных в ней показателей качества кокса соответствуют указанным уже требованиям европейских доменщиков (по величинам Ad, Sdt, Vdaf, класс >80 мм, М10 и CRI) или весьма близки к ним (по М40 и CSR).
За период испытаний кокс наилучшего качества был получен из шихты, включающей 80% угля ш. «Красноармейская Западная № 1», 14% хорошо спекающихся и 6% отощающих компонентов.
Это соотношение может быть и иным (в пределах исследованных), учитывая конъюнктуру цен на угли и кокс, а также различные требования к качеству кокса на внутреннем и внешнем рынках, особенно по показателям CRI и CSR.
1 Промышленное коксование шихт разработанного состава, содержащих 62-80% маловосстановленного донецкого угля шахты «Красноармейская Западная № 1», обеспечивает получение высококачественного доменного кокса марки КД-1, соответствующего по большинству показателей требованиям европейских доменщиков.
2 Расчет по показателям индекса основности золы (Ио), массовой доли серы (Sdt) и выхода летучих веществ из шихты (Vdaf) с использованием регрессионных уравнений CRIp = 0.98*Ио + 3,03*Sdt + 3.26*Vdaf – 73.3 и CSRp = 102.8 – 1.59*CRIp дает значения, близкие к экспериментально измеренным при испытании производственного кокса Ясиновского коксохимического завода в исследованных условиях его получения.
1. Васильев Ю.С. Важнейшая роль товарной продукции шахты «Красноармейская Западная № 1» в сырьевой базе коксования заводов Украины // Углехимический журнал. 2003. № 3-4. - С. 67 - 68.
2. Давидзон А.Р., Дроздник И.Д. Особенности элементного состава, структуры и свойств угля шахты «Красноармейская Западная № 1» // Углехимический журнал. 2003 №3-4. - С. 13-16.
3. Давидзон А. Р., Шендрик Т.Г., Пащенко Л.В. и др. Исследование угля шахты «Красноармейская Западная №1» как важного компонента сырьевой базы Украины // Кокс и химия. 2004. № 3. С. 8-11
4. Давидзон А.Р., Дроздник И.Д., Бидоленко Н.Б. Научное обоснование генетического типа и марочной принадлежности угля шахты «Красноармейская Западная № 1» // Углехимический журнал. 2004. № 3-4. С 12 – 16.
5. Кафтан Ю.С., Дроздник И.Д., Торяник С.С. и др. Технологическая ценность угля шахты «Красноармейская Западная № 1» // Углехимический журнал. 2002. № 3 – 4. С. 3 – 7.
6. Давидзон А.Р., Дроздник И.Д., Улановский М.Л. и др. Разработка рациональных составов шихты для коксования на основе угля шахты «Красноармейская Западная № 1» // Углехимический журнал. 2005. № 1-2. С. 20-26.
7. Требования европейских доменщиков к качеству кокса // Кокс и химия. 2001. № 4. С. 24-26.