ХИМИЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА, 2010, № 1, с. 15-18
УДК 662.749
ОБРАБОТКА ДОМЕННОГО КОКСА ВОДНЫМ РАСТВОРОМ
ТЕТРАБОРАТА НАТРИЯ
© 2010 г. В. А. Тамко, И. В. Золотарёв, В. И. СаранчуК, Т. Г. Шендрик, Е. И. Збыковский, И. И. Швец
Институт физико-органической химии и углехимии НАН Украины им Л.М. Литвиненко, Донецк E-mail:postmaster@infou.donetsk.ua; office.ipocc@nas.gov.ua Поступила в редакцию 14.04.2009 г.
Изучено влияние внепечной обработки доменного кокса водными растворами неорганических веществ на изменение индекса реактивности (CRI) и горячей прочности (CSR). Установлено, что наибольшее влияние на улучшение качественных показателей CRI и CSR кокса оказывает обработка его водным раствором тетрабората натрия (Na2B4O7 • 5H2O). Исследованы закономерности изменения показателей CSR и CRI доменного кокса от концентрации и количества раствора тетрабората натрия. Показано, что наибольший эффект улучшения показателей CSR и CRI кокса достигается при его обработке 7.5%-ным раствором Na2B4O7 из расчета 45 л на 1 т кокса. При этом горячая прочность кокса повышается на 18.8 отн. %, а индекс реактивности снижается на 13.2 отн. %.
Известно, что металлургический кокс — один из дорогостоящих компонентов выплавки чугуна. В настоящее время новейшие технологии выплавки чугуна направлены на замену дефицитных и дорогостоящих энергоносителей (кокс, газ, мазут и др.) пылеугольным топливом (ПУТ). Замена в домне части кокса на ПУТ предъявляет и новые требования к его качеству, которые определяются условиями и поведением кокса в доменной печи. Важнейшие характеристики металлургического кокса — индекс реактивности (CRT) и горячая прочность кокса (CSR), которая определяется после его реакции с СО2 [1—3] в соответствии с международным стандартом TSO 18894:2006.
Требования металлургических заводов к качеству доменного кокса по показателям CRT и CSR очень высоки: CRT - менее 22—30%, CSR - более 50-70% [4, 5].
На многих металлургических заводах Америки, Европы и Азии достигнут расход вдуваемого в домну пылеугольного топлива до 200-240 кг/т, а расход кокса снижен до 280-300 кг/т чугуна [5]. Для достижения таких показателей доменной печи необходимо использовать доменный кокс с показателями CRT менее 26.6%, CSR = 65-70% [5,6].
Для получения высококачественного доменного кокса коксохимические заводы должны быть обеспечены качественными коксующимися углями, которых в настоящее время недостаточно для потребностей коксохимии, поэтому для получения кокса необходимого качества используют различные способы и приемы, позволяющие улучшить те или иные параметры его качества. Сюда можно отнести: разработку дифферен-
цированных составов шихт для коксования на основании имеющейся угольной сырьевой базы, устанавливающие условия производства кокса и его использование [7—10]; использование различных способов подготовки угольной шихты для коксования [11—16]; использование внепечной обработки доменного кокса [17—19].
В данной работе приведены результаты изучения влияния внепечной обработки доменного кокса водными растворами неорганических веществ на его качества по показателям CRI и CSR.
В задачи исследований входило:
— поиск доступных и дешевых неорганических веществ, способных создавать на поверхности кокса прочный "защитный слой", который может проявлять ингибирующее влияние на процесс взаимодействия окислительных газов (О2, СО2 и др.) с коксом при высоких температурах (>1100°С), при этом не ухудшать качество чугуна и стали;
— определение и сравнение показателей качества CRI и CSR исходных и подвергнутых внепеч-ной обработке образцов доменного кокса, выбор наиболее приемлемых неорганических веществ;
— оптимизация условий обработки доменного кокса выбранными неорганическими веществами.
Внепечную обработку доменного кокса проводили водным раствором неорганических соединений заданной концентрации с последующим его нанесением на горячую (60—80°С) пробу кокса путем его разбрызгивания через форсунку.
В качестве исследуемых неорганических веществ использовали: хлорид натрия (NaCl), хлорид калия (KCl), хлорид кальция (CaCl2), хлорид
Изменения показателей CRI и CSR доменного кокса (проба №1) при обработке его водными растворами неорганических веществ
Используемое для обработки кокса неорганическое вещество
Концентрация раствора, %
Количество раствора, л/т кокса
— — - - 41.8 38.9
NaCl 10 35 3.5 40.1 41.3
KCl 10 35 3.5 40.1 42.7
CaCl2 10 35 3.5 40.7 40.8
Ca(OH)2 - 35 - 47.3 32.1
MgCl2 10 35 3.5 45.0 37.4
K2SO4 10 35 3.5 45.1 42.0
Al(OH)3 - - 3.5 38.8 43.9
H3BO3 10 35 3.5 37.5 44.1
Na2B4O7 10 35 3.5 36.3 46.2
Al2(SO4)3 10 35 3.5 38.9 43.0
Fe2(SO4)3 10 35 3.5 40.5 41.0
Na2B4O7 + NaCl 10 35 1.5 + 2.0 40.3 42.4
K2B4O7 10 35 3.5 37.0 45.5
Расход неорганического вещества кг, кг/т кокса
Показатели качества кокса, %
CRI
CSR
магния (MgCl2), сульфат калия (K2SO4), сульфат железа Fe2(SO4)3, сульфат алюминия Al2(SO4)3, гидроксид алюминия (А1(ОН)3), гидроксид кальция (Ca(OH)2), борную кислоту (Н3ВО4), тетрабо-рат натрия (Na2B4O7 • 5H2O), тетраборат калия (K2B4O7 • 5H2O).
Для обработки использовали две пробы доменного кокса, отобранные на КХЗ ЗАО "Маке-евкокс", с показателями качества. Проба № 1: CRI = 41.8%, CSR = 38.9%; проба № 2: CRI = = 38.3%, CSR = 42.3%. В соответствии с международным стандартом ISO 18894:2006 для обработки использовали фракции кокса крупностью 19.0— 22.4 мм.
В таблице приведены результаты влияния вне-печной обработки кокса исследуемыми неорганическими веществами на изменения индекса реактивности (CRI) и горячей прочности (CSR) образцов доменного кокса. Для обработки кокса использовали 10%-ные водные растворы неорганических веществ из расчета 35 мл раствора на 1 кг кокса. Исследуемые неорганические вещества, использованные для обработки кокса, по-разному влияют на изменение показателей CSR и CRI. Обработка кокса растворами Ca(OH)2, MgC12, K2SO4 снижает показатель CSR и повышает его реактивность CRI. Некоторые неорганические вещества, такие как CaC12, практически не влияют на изменение этих показателей. При обработке доменного кокса растворами KCl, NaCl, A12(SO4)3, Al(OH)3 наблюдается незначительное улучшение показателей CRI и CSR. Из таблицы
видно, что наиболее эффективна внепечная обработка образцов доменного кокса водными растворами соединений бора. Так, при обработке пробы № 1 кокса раствором тетрабората натрия показатель CRI снижается на 13.2 отн. %, а показатель CSR повышается на 18.8 отн. %. Борная кислота оказывает меньшее влияние на показатели CSR и CRI кокса, чем тетрабораты. Отрицательно и то, что борная кислота легко улетучивается с парами воды даже при нормальной температуре.
Основываясь на полученных результатах исследований и литературных данных [18, 19], можно заключить, что самые подходящие соединения, которые можно использовать для внепечной обработки доменного кокса — это тетрабораты. Наиболее эффективное и доступное соединение — десятиводный или пятиводный тетраборат натрия (Na2B4O7 • 10Н20, Na2B4O7 • 5H2O).
В [19] показано, что обработка доменного кокса раствором Na2B407 значительно улучшает и так называемую "холодную" прочность кокса. Так, индекс прочности (П) кокса увеличивается на 11.1 отн. %, сопротивление дроблению (Р) — на 6.7%, а прочность по Грязнову — 8.9%. Существенно снижается истираемость (И) кокса — 10 отн. %.
Как видно из таблицы, обработка доменного кокса раствором Na2B4O7 наиболее существенно снижает индекс реактивности (CRI) и повышает горячую прочность (CSR) кокса. С другой стороны, известно [20, 21], что даже небольшая (1—3)10—3%
ОБРАБОТКА ДОМЕННОГО КОКСА ВОДНЫМ РАСТВОРОМ ТЕТРАБОРАТА НАТРИЯ
17
CSR, % CRT, %
Концентрация раствора, %
Рис. 1. Зависимость изменения показателей CRI (1) и
CSR (2) кокса от концентрации раствора Na2B407.
добавка бора к стали значительно повышает ее механические свойства и коррозионную устойчивость. Это обусловлено тем, что присутствие бора в стали придает ей мелкозернистую структуру. При температуре > 1400°С, которая создается в горне доменной печи, бор может образовывать с углеродом кокса карбид В4С, который сочетает в себе великолепные физико-механические свойства и устойчив к химическому воздействию при высоких температурах.
Тетраборат натрия Na2B4O7 • 10Н20 — белое кристаллическое вещество, при нагревании до 60°С переходит в Na2B407 • 5Н20, при 90°С в ангидрид, при 130°С — в моногидрат. При 350°С обезвоживается, плавится при 742°С, кипит при 1575°С. При охлаждении расплав легко образует аморфные стекла с плотностью 2.36 г/см3 [21].
На рис. 1 приведена зависимость изменения показателей CRI и CSR доменного кокса от концентрации раствора тетрабората натрия, используемого для его внепечной обработки, которую проводили из расчета 25 л/т кокса. Наблюдается экстремальная зависимость изменения горячей прочности CSR и реактивности кокса CRI от концентрации раствора: максимальная величина показателя CSR (54%) наблюдается при обработке кокса 7.5%-ным раствором Na2B407. При этом отмечено минимальное значение (30.3%) показателя CRI кокса.
Данные рис. 1 показывают, что при обработке доменного кокса водным раствором тетрабората натрия из расчета 25 л раствора на 1 т кокса, опти-
CSR, % CRT, %
Количество раствора буры, л/т
Рис. 2. Зависимость изменения показателей CRI (1) и
CSR (2) кокса от количества раствора Na2B4O7.
мальна 7.5%-ная концентрация раствора, т.е. расход сухого Na2B4O7 (в пересчете на безводное состояние) на 1 т кокса составляет 1.925 кг.
Качественные показатели CSR и CRI кокса также зависят от степени покрытия его поверхности раствором Na2B4O7. На рис. 2 приведена зависимость изменения показателей CRI и CSR исследуемого кокса от количества раствора Na2B4O7, применяемого для его внепечной обработки. Применяя раствор оптимальной (7.5%) концентрации, для обработки кокса использовали различное его количество. Из рис. 2 видно, что оптимальный расход раствора Na2B4O7 для смачивания поверхности кокса должен составлять 40—50 л на 1 т кокса. В таком количестве раствора содержится 3.0—3.75 кг тетрабората натрия. При этом горячая прочность исследуем
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.