3.2 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.