Эволюция топлива в металлургии
На заре металлургического производства, в старинных доменных печах, для выплавки чугуна использовался древесный уголь. Этот материал обеспечивал необходимую высокую температуру и был относительно чистым, не внося вредных примесей в получаемый металл. Однако с развитием доменного производства к XVIII веку масштабы вырубки лесов для получения древесного угля стали критическими. Кроме экологической проблемы, древесный уголь обладал существенным технологическим недостатком — низкой механической прочностью. Под давлением в печи он легко крошился, образуя плотный порошок, который забивал промежутки между кусками руды и нарушал циркуляцию газов, что снижало эффективность плавки.
Появление и преимущества кокса
Потребовалось найти новое топливо, которое сочеталось бы с высокой температурой горения и значительной прочностью. Таким решением стал кокс, производимый из особых сортов каменного угля — так называемых коксующихся углей. Исторически первое успешное применение кокса в металлургии зафиксировано в Англии в 1735 году. Непосредственное использование каменного угля в доменных печах было невозможно из-за его низкой прочности и, что важнее, высокого содержания вредных примесей, особенно серы, негативно влияющих на качество металла.
Технология производства кокса
Процесс коксования происходит в специальных герметичных металлических камерах, которые снаружи нагреваются газом. Несколько таких печей объединяются в коксовую батарею. Подготовленный каменный уголь, предварительно измельченный до состояния тонкого порошка, загружают в камеры. При нагреве до температур 950–1050°C без доступа воздуха уголь не сгорает, а подвергается сложным термическим превращениям. Из него удаляются летучие вещества, образующие ценный коксовый газ (смесь водорода, метана, оксида углерода и других компонентов). Оставшаяся масса спекается в твердый, пористый «пирог» — собственно кокс.
Полученный материал обладает рядом ключевых для металлургии свойств: высокой твердостью (что предотвращает его разрушение в доменной печи), способностью давать при сгорании очень высокую температуру, а пористая структура обеспечивает эффективный контакт с кислородом воздуха.
Завершающие этапы и применение продуктов
Процесс коксования длится 13–18 часов. После этого раскаленный кокс извлекают из печи, транспортируют в специальных вагонах к установке тушения, где его охлаждают водой или инертными газами. Охлажденный кокс готов к загрузке в доменную печь для выплавки чугуна.
Важно отметить, что производство кокса является безотходным. Побочный продукт — коксовый газ — используется не только как топливо для нагрева самих коксовых батарей, но и служит ценным сырьем в химической промышленности, например, для синтеза аммиака.
Современные тенденции и альтернативы
Помимо классического коксования в камерных печах, разработаны и новые, непрерывные технологии. Один из таких методов предполагает предварительное брикетирование угля с последующим его прокаливанием. Получаемый таким способом продукт называется формованным коксом.
Несмотря на свою незаменимость, традиционное коксовое производство является дорогостоящим, а запасы пригодных для него коксующихся углей ограничены. В связи с этим во всем мире активно ведутся исследования и внедряются технологии так называемой бескоксовой металлургии, направленные на снижение зависимости отрасли от этого вида топлива (подробнее см. Железо, сталь, чугун).