Просмотр кода страницы Каменноугольный кокс

{{другие значения|Кокс}}
'''Кокс каменноу́гольный''' (от {{lang-de|Koks}} и {{lang-en|coke}}) — твёрдый пористый продукт серого цвета, получаемый путём [[Коксование|коксования]] [[Ископаемый уголь#Каменный уголь|каменного угля]] при температурах 950—1100 °С без доступа [[кислород]]а в течение 14—18 часов.

Каменноугольный кокс является наиболее распространённым твёрдым топливом, использующимся в [[Доменная печь|доменных печах]] для выплавки [[чугун]]а и других шахтных печах{{Sfn|Коротич|2000|c=112}}.

== История ==
Начиная с [[Железный век|железного века]], основным видом твёрдого топлива, использовавшимся для производства металла в [[Сыродутная печь|сыродутных горнах]], а затем в домницах и [[Доменная печь|доменных печах]] был [[древесный уголь]]. В XVI—XVIII веках в Европе обострилась проблема истощения лесов, в связи с чем начали проводиться опытные доменные плавки с использованием [[Каменный уголь|каменного угля]]. Все они были безуспешными. В результате экспериментов [[Дарби, Абрахам I|Абрахама Дарби I]] по созданию искусственного топлива в XVIII веке был открыт каменноугольный кокс. Первая доменная плавка на каменноугольном коксе была осуществлена в Великобритании его сыном [[Дарби, Абрахам II|Абрахамом Дарби II]] в 1735 году{{Sfn|Вегман и др.|2004|с=63—64}}<ref name="ГЭ">{{Книга:Горная энциклопедия|Коксующиеся угли|том=3|страницы=49|автор=Еремин И. В.}}</ref>.

К середине XX века каменноугольный кокс стал единственным видом топлива для выплавки чугуна в больших доменных печах{{Sfn|Бабарыкин|2009|с=19}}.

== Состав и физические свойства ==
Состав:
{| class="wikitable"
|-
! Элемент !! Содержание, %
|-
| [[Углерод|С]] || 96—98
|-
| [[Водород|Н]], [[Сера|S]], [[Азот|N]], [[Кислород|O]] || Остальное
|-
|}

Физические свойства:
{| class="wikitable"
|-
! Параметр
! Значение
! Единица измерения
|-
| [[Пористость]]
| 49—53
| [[Процент|%]]
|-
| [[Плотность вещества#Виды плотности и единицы измерения|Истинная плотность]]
| 1,80—1,95
| [[Грамм|г]]/[[Сантиметр|см]]³
|-
| [[Плотность вещества#Виды плотности и единицы измерения|Кажущаяся плотность]]
| ≈1
| [[Грамм|г]]/[[Сантиметр|см]]³
|-
| Насыпная [[масса]]
| 400—500
| [[Килограмм|кг]]/[[Метр|м]]³
|-
| [[Зольность]]
| 9—12
| [[Процент|%]]
|-
| Выход летучих веществ
| 1
| [[Процент|%]]
|-
| [[Влажность]] при тушении [[Вода|водой]]
| 2—4
| [[Процент|%]]
|-
| [[Влажность]] при тушении [[Инертный газ|инертным газом]]
| Не более 0,5
| [[Процент|%]]
|-
| [[Предел прочности]] при сжатии
| 15—25
| [[Паскаль (единица измерения)|МПа]]
|-
| [[Предел прочности]] при срезе (характеризует устойчивость к истиранию)
| 6—12
| [[Паскаль (единица измерения)|МПа]]
|-
| [[Теплота сгорания]]
| 29—30
| [[Джоуль (единица измерения)|МДж]]/[[Килограмм|кг]]
|-
|}

== Процесс коксования ==
Различают следующие последовательные стадии коксования каменного угля:
* Сушка угля при температуре до 100—120 °С.
* Нагрев угля до 300—350 °С.
* Размягчение и плавление угля при температуре 350—500 °С.
* Затвердевание расплава и образование полукокса при температуре 500—600 °С
* Прокаливание кокса при температуре 600—1100 °С в течение нескольких часов. На этом этапе из шихты удаляются все летучие вещества, аморфный углерод превращается в кристаллический графит. В ходе этой перекристаллизации и спекания вещества кокса его прочность и твёрдость увеличиваются в 30—40 раз{{Sfn|Вегман и др.|2004|с=65}}.

Коксование угля производят в [[коксовая печь|коксовых печах]], представляющих собой камеру высотой 4—6 м, длиной 12—15 м и шириной не более 0,5 м. Для сокращения потерь тепла печи, как правило, объединяют по 40—70 в [[Коксовая батарея|коксовые батареи]]{{Sfn|Коротич|2000|c=112}}.

== Физико-химические свойства ==
Выше 900 °C легко восстанавливает '''СО<sub>2</sub>''' ('''С + СО<sub>2</sub> = 2СО'''); при 1000 °C скорость процесса (стандартная реакционная способность кокса) в расчете на 1 г кокса 0,1—0,2 мл '''СО<sub>2</sub>''' за 1 с, [[энергия активации]] 140—200 кДж/моль. Скорость взаимодействия с '''О<sub>2</sub>''' ('''С +О<sub>2</sub> = СО<sub>2</sub>'''), или горючесть кокса, значительно выше, чем с '''СО<sub>2</sub>''', и составляет при 500 °C около 0,1 мл '''О<sub>2</sub>''' за 1 с, энергия активации 100—140 кДж/моль.

Физико-химические свойства кокса каменноугольного определяются его структурой, приближающейся к гексагональной слоистой структуре графита. Структура кокса характеризуется неполной упорядоченностью: отдельные фрагменты (слои), связанные [[Силы Ван-дер-Ваальса|Ван-дер-Ваальсовыми силами]], статистически занимают несколько возможных положений (например, накладываются один на другой). Наряду с атомами [[углерод]]а в пространственной решетке кокса, особенно в её периферийной части, могут располагаться [[гетероатом]]ы (S, N, O).

Строение и свойства кокса каменноугольного зависят от состава угольной [[шихта|шихты]], конечной температуры и скорости нагрева коксуемой массы. С увеличением содержания в [[шихта|шихте]] газовых и др. углей, характеризующихся малой степенью [[метаморфизм]]а, понижением конечной температуры коксования и уменьшением выдержки при этой температуре, реакционная способность и горючесть получаемого кокса возрастает. При увеличении содержания газовых углей в шихте прочность и средняя крупность кусков кокса уменьшаются, а [[пористость]] его возрастает. Повышение конечной температуры коксования способствует увеличению прочности кокса каменноугольного, особенно к истиранию. При удлинении периода коксования и снижении скорости нагрева коксуемой массы средняя крупность кусков кокса увеличивается.

== Применение ==
Каменноугольный кокс применяют для выплавки [[чугун]]а ([[доменный процесс|доменный]] кокс) как высококачественное бездымное [[топливо]], восстановитель железной [[руда|руды]], разрыхлитель шихтовых материалов. Кокс используют также как ваграночное топливо в [[Литьё|литейном производстве]] (литейный кокс), для бытовых целей (бытовой кокс), в [[Химическая промышленность|химической]] и [[ферросплав]]ной отраслях промышленности (специальные виды кокса).

Доменный кокс должен иметь размеры кусков не менее 25—40 мм при ограниченном содержании кусков менее 25 мм (не более 3 %) и более 80 мм. В нижней части доменной печи кокс является единственным шихтовым материалом, находящимся в твёрдом состоянии, выполняя роль пористой ''коксовой насадки''. Каменноугольный кокс является наиболее распространённым твёрдым топливом, использующимся в [[Доменная печь|доменных печах]] для выплавки [[чугун]]а и других шахтных печах{{Sfn|Коротич|2000|c=112}}{{Sfn|Бабарыкин|2009|с=28}}.

Литейный кокс по размерам кусков крупнее доменного; наиболее пригоден продукт, в котором присутствуют куски менее 60—80 мм. Главное отличие литейного кокса от доменного — малое содержание серы, которое не должно превышать 1 % (в доменном коксе до 2 %). В промышленности ферросплавов используют мелкий кокс (например, фракцию 10—25 мм), при этом в отличие от доменного и литейного производств предпочитают применять продукт с большой реакционной способностью. Требования по прочности к бытовому коксу менее жесткие, чем к доменному и литейному. Во всех производствах лучшее сырье — наиболее прочный малозольный и малосернистый кокс, содержащий небольшое количество мелких фракций. Современное мировое производство кокса каменноугольного составляет около 550—650 млн т/год. От 60 до 70 % мирового производства осуществляется в [[КНР]].

== Коксующийся уголь ==
[[Файл:Foundry Coke02.jpg|мини|Каменноугольный кокс после извлечения из печи]]
В отличие от других типов каменных углей, коксующиеся угли при нагревании без доступа воздуха становятся пластичными и подвергаются спеканию<ref name="ГЭ" />.

Коксующиеся угли имеют зольность менее 10 % и относительно низкое содержание [[Сера|серы]] (менее 3,5 %), выход летучих веществ (V<sup>daf</sup>) составляет 15—37 %. По способности к коксообразованию коксующиеся угли подразделяются на 5 категорий — коксовые, жирные, отощённые коксовые, газовые и слабоспекающиеся. В стандартах [[СССР]] к коксующимся углям относили угли марок Г, ГЖ, Ж, КЖ, К, К2, OC и CC<ref name="ГЭ" />.

Коксующиеся угли добываются в [[Содружество Независимых Государств|СНГ]] (Донецкий, Печорский, Кизеловский, Кузнецкий, Карагандинский, Южно-Якутский, Тунгусский и другие бассейны), [[Соединённые Штаты Америки|США]] (Аппалачский, Западный, Юинта, Грин-Ривер и др.), Великобритании (Нортамберлендский, Южно-Уэльский, Ланкаширский и Йоркширский бассейны), Германии (Нижнерейнско-Вестфальский, или Рурский, Нижневестфальский), Польше (Верхне- и Нижнесилезский, [[Люблинский угольный бассейн|Люблинский]]), Бельгии (Льежский), Индии (Бокаро, Ранигандж, Джхария), Канаде (Альберта), Австралии (Боуэн, Новый Южный Уэльс), Китае (Шаньси, Датун), Монголии ([[Таван-Толгой]]), Чехии (Остравско-Карвинский и Трутновский)<ref name="ГЭ" />.

Около 10 % каменного угля подвергается коксованию.

Основное отличие коксового угля от энергетического — наличие в коксующемся угле [[витрен]]а (от {{lang-la|vitrum}} — стекло). Особенностью витрена является то, что при высокой температуре он способен плавиться и обретает свойство спекания (склеивания) микрочастиц угля в плотную массу — кокс. Чем больше в угле витрена, тем выше его качество коксования.

== См. также ==
* [[Торфяной кокс]]
* [[Коксовая батарея]]

== Примечания ==
{{примечания|40em}}

== Литература ==
* ''Луазон Р., Фош П., Буайе А.'' Кокс. Перевод с франц. — М.: 1975.
* ''Скляр М. Г.'' Интенсификация коксования и качество кокса. — М.: Металлургия, 1976. — 256 с.
* {{Металлургия чугуна}}
* {{Книга|автор={{s|[[Коротич, Владимир Иванович|Коротич В. И.]]}}, {{s|[[Набойченко, Станислав Степанович|Набойченко С. С.]]}}, {{s|[[Сотников, Анатолий Иванович|Сотников А. И.]]}}, {{s|Грачев С. В.}}, {{s|Фурман Е. Л.}}, {{s|Ляшков В. Б.}} |ответственный= под ред. {{s|В. И. Коротича}} |заглавие=Начала металлургии: Учебник для вузов |место=Екатеринбург |издательство=УГТУ |год=2000 |страниц=392 |isbn=5-230-06611-3 |ref=Коротич}}
* {{Публикация|Книга|автор={{s|Бабарыкин {{comment|Н. Н|Николай Николаевич, доктор технических наук, профессор Магнитогорского технического университета}}}}|заглавие=Теория и технология доменного процесса|вид=Учебное пособие|место=Магнитогорск|издательство=Издательский центр ГОУ ВПО «[[Магнитогорский государственный технический университет|МГТУ]]»|год=2009|страниц=257|тираж=200|ref=Бабарыкин}}

{{Органическое топливо}}

[[Категория:Ископаемый уголь]]
[[Категория:Топливо]]
[[Категория:Коксование]]
[[Категория:Железорудное сырьё]]