,,METODE DE DETERMINARE A PROPRIETĂŢILOR FIZICO-CHIMICE ALE COCSULUI METALURGIC ŞI INFLUENŢA CALITĂŢII COCSULUI ASUPRA PROCESELOR DE ELABORARE A FONTEI”

PLANUL LUCRĂRII

I. CONSIDERAŢII GENERALEI.1. Cocsul metalurgic - principalul combustibil utilizat la elaborarea

fonteiI.2. Obţinerea cocsului metalurgic

II. METODE DE DETERMINARE A PROPRIETĂŢILOR FIZICO- CHIMICE ALE COCSULUI METALURGIC

II.1. Calitatea cocsului metalurgicII.2. Studiul caracteristicilor ce determină calitatea cocsului metalurgic

II.3. Metode de determinare a caracteristicilor de calitate ale cocsului metalurgic

II. 3.1. Analiza tehnică II. 3.2. Proprietăţi fizico-chimice II. 3.3. Proprietăţi fizice - mecanice

II. 4. Lucrări de laborator pentru determinarea reactivităţii şi rezistenţei mecanice

II.4.1. Determinarea reactivităţii cocsurilor utilizate la furnale II.4.2. Determinarea rezistenţei mecanice a cocsurilor

III. STADIUL ACTUAL AL CERCETĂRILOR ASUPRA PROPRIETĂŢILOR FIZICO-CHIMICE ALE COCSULUI METALURGIC

III. 1. Aspecte ale cercetării proprietăţilor fizico-chimice III. 2. Studii asupra proprietăţilor termochimice III. 3. Analize structurale ale cocsului metalurgic III. 4. Tendinţe actuale în caracterizarea comportării cocsului în furnal

IV. INFLUENŢA CALITĂŢII COCSULUI METALURGIC ASUPRA PROCESELOR DE ELABORARE A FONTEI IV. 1. Condiţii de calitate impuse cocsului metalurgic IV. 2. Cercetări experimentale româneşti privind influenţa calităţii

cocsului asupra principalilor indicatori la elaborarea fontei

V. ANALIZA POSIBILITĂŢILOR DE UTILIZARE A COCSULUI BRICHETE LA FURNALE V. 1. Generalităţi despre cocsul brichete V. 2. Procedee de obţinere a cocsului brichete V. 3. Cercetări experimentale asupra caracteristicilor cocsului brichete în

comparaţie cu cocsurile clasice V. 4. Concluzii rezultate în urma utilizării cocsului brichete pe plan

mondial

I. CONSIDERAŢII GENERALE

I.1. Cocsul metalurgic - principalul combustibil utilizat la elaborarea fontei

Procesele tehnologice ale metalurgiei feroase, în general, sunt dependente de

sursele de energie termică, care creează condiţiile de desfăşurare a reacţiilor sau

proceselor fizico-chimice ale fabricării şi prelucrării metalelor.

Dintre combustibilii solizi, cocsul metalurgic este cel mai utilizat la

producerea fontei în furnal.Alături de minereurile de fier, minereurile de mangan şi

fondanţi, constituie baza de materii prime şi materiale pentru elaborarea fontei de

primă fuziune.

În procesele care au loc în furnal, rolul cocsului metalurgic este de o

complexitate deosebită. Astfel, cocsul dezvoltă peste 60 % din cantitatea de

căldură consumată în furnal necesară obţinerii unei temperaturi de 20000C care

asigură încălzirea corespunzătoare a creuzetului şi furnizează carbonul necesar

proceselor de reducere directă şi de carburare.

Cocsul influenţează mărimea zonelor de ardere-gazeificare din faţa gurilor

de vânt, cu efecte asupra încărcăturii şi circulaţiei gazelor. El asigură stabilitatea

coloanei de încărcătură din furnal şi permeabilitatea acesteia la trecerea gazelor,

aceste procese fiind mai dificile în zona inferioară ( pântece - etalaj - creuzet ) unde

minereurile sunt topite

În general, la elaborarea fontei în furnal, cocsul trebuie să îndeplinească

următoarele funcţii :

- combustibil : arderea acestuia trebuie să asigure căldura necesară desfăşurării

proceselor din furnal ( reducerea minereurilor, disocierea carbonaţilor, sulfurilor,

apei, formarea fontei şi zgurei, acoperirea pierderilor de căldură, etc. )

- agent reducător : cocsul participă direct ( prin conţinutul său de carbon ) şi

indirect ( prin CO obţinut din arderea C din cocs, în zona gurilor de vânt ) la

reducerea oxizilor de Fe, Mn, Si, P, etc. din minereuri.

- agent de carburare : furnizează carbonul necesar alierii fierului şi transformării

acestuia în fontă;

- agent de afânare : asigură permeabilitatea încărcăturii la trecerea gazelor

( ocupă peste 50 % din volumul furnalului );

- susţinere a coloanei de materiale din furnal fiind singurul material în stare

solidă, în dreptul gurilor de vânt ( cocsul nu se topeşte ci arde şi se gazifică ).

Pentru a corespunde cerinţelor proceselor din furnal şi a favoriza obţinerea

unor indicatori ridicaţi de productivitate şi funcţionare precum şi consumuri

specifice cât mai reduse, cocsul trebuie să îndeplinească o serie de condiţii de

calitate care vor fi prezentate detaliat în capitolele următoare .

Pentru reducerea consumului de cocs de furnal, se mai utilizează şi alţi

combustibili, cum sunt : mangalul ( la cuptoarele mici ), gazul metan, păcura, etc.

Deşi combustibilii naturali - petrolul şi în mod deosebit gazele naturale - au

calităţi superioare, utilizarea lor în metalurgia extractivă este limitată, datorită

rezervelor mai scăzute decât cele de cărbuni.

I.2. Obţinerea cocsului metalurgic

Cocsul metalurgic este un combustibil artificial cu conţinut ridicat de

carbon, obţinut în urma procesului de pirogenare a huilelor cocsificabile ( huile

grase ). Aceste huile reprezintă o proporţie mică din resursele mondiale de cărbune

şi au caracteristici corespunzătoare unui anumit stadiu de îmbătrânire şi

carbonizare a zăcământului.

Huila cocsificabilă, măcinată la granulaţia optimă, este încărcată în

cuptoarele de cocsificare din zidărie refractară ( reunite în baterii de cuptoare ),

încălzită la temperaturi de 1000 ... 11000C în camerele de cocsificare propriu-zise

şi de 1350 ... 13800C în camerele de încălzire. Sub influenţa temperaturii şi în

absenţa aerului are loc uscarea, degajarea produselor volatile şi a unor produse mai

grele.

Gazele degajate în această stare plastică conferă viitorului cocs porozitatea

şi, în parte, însuşirile mecanice.

Masa încălzită în continuare se întăreşte datorită regrupărilor ce au loc în

structura macromoleculelor cărbunelui, ca urmare a proceselor de cracare termică,

astfel încât, după degajarea unor produşi de piroliză, în special metan şi hidrogen,

în cuptor rămâne un reziduu solid, negru-argintiu, cu un conţinut ridicat de carbon

şi o rezistenţă mecanică bună : cocsul metalurgic.

Cocsul descărcat din cuptor este răcit cu apă, după care, în urma separării

cocsului mărunt, este livrat consumatorului principal: furnalul. Granulaţia acestuia

este de peste 25 mm sau în clase restrânse de 30 ... 40 mm şi 40 ...70 mm.

Dintr-o tonă de cărbune se pot obţine aproximativ 0,6 ... 0,8 tone de cocs.

Mai complicat este procesul tehnologic de fabricare a cocsului metalurgic

atunci când nu există o bază de materii prime adecvată. În aceste condiţii se caută

soluţii pentru încărcarea unor şarje formate dintr-un component de bază, bine

cocsificabil, împreună cu huile mai tinere şi alţi componenţi degresanţi, prin

pregătirea specială a acestor componente.

II. METODE DE DETERMINARE A PROPRIETĂŢILOR FIZICO-CHIMICE ALE COCSULUI METALURGIC

II.1. Calitatea cocsului metalurgic

În viaţa cocsului se pot distinge mai multe etape.

De la formarea sa în bateria de cocsificare până la încărcarea în furnal,

cocsul este supus la o succesiune de eforturi impuse de cădere şi frecare a

bucăţilor între ele sau cu suprafeţele de contact. Astfel, scoaterea din cuptor,

încărcarea, transportul şi descărcarea din vagoane, încărcarea în bene şi deversarea

în furnal modifică starea granulametrică a cocsului. Pentru a rezista la astfel de

acţiuni, el trebuie să prezinte o serie de proprietăţi care să-i confere stabilitate după

cocsificare.

Aşadar, noţiunea de calitate cuprinde un ansamblu de caracteristici

( însuşiri ) care se referă exclusiv la o anumită utilizare a cocsului.

Un cocs de calitate superioară pentru furnal nu este corespunzător pentru

turnătorie, la fel cum un cocs pentru turnătorie nu poate fi utilizat la fabricarea

anozilor necesari obţinerii aluminiului..

De la aprecierea organoleptică - culoare, mărimea şi aspectul granulelor şi

uneori mirosul cocsului - până la modul în care astăzi este definită calitatea, se

constată diferenţieri semnificative. În prezent noţiunea de calitate a cocsului

cuprinde următoarele grupe de caracteristici : chimice, fizico-chimice, fizice şi

fizico-mecanice. Fiecare grupă include o serie de determinări care se completează

în ansamblu şi dau o imagine reală asupra calităţii cocsului metalurgic, legată de

funcţiile pe care le are în furnal sau în alte locuri de utilizare.

Caracteristicile chimice cuprind :

compoziţia elementară ( C, H, N, O, S );

analiza tehnică : conţinutul de carbon nelegat - Cfix; conţinutul de materii

volatile - Va; conţinutul de cenuşă - Aa; conţinutul de sulf - Sat ; conţinutul

de umiditate - W.

În categoria proprietăţilor fizico-chimice sunt cuprinse :

reactivitatea;

puterea calorică;

densitatea reală şi aparentă;

porozitatea;

conductibilitatea electrică;

gradul de grafitizare;

macro şi microstructura.

Proprietăţile fizico-chimice cuprind :

rezistenţa mecanică la cald şi la rece;

granulaţia şi forma bucăţilor;

greutatea volumetrică;

permeabilitate în strat;

Metodele de apreciere a calităţii cocsului pot fi împărţite în două mari

categorii : convenţionale şi analitice.

Metodele convenţionale dau posibilitatea determinării unor caracteristici

tehnologice - de obicei relative - iar pentru asigurarea reproductibilităţii rezultatelor

trebuie respectate cu stricteţe condiţiile de determinare.

Necunoaşterea structurii chimice a cocsului a determinat utilizarea unui

număr mare de caracteristici pentru aprecierea calităţii acestuia :

- conţinutul de cenuşă;

- conţinutul de materii volatile;

- densitatea reală, aparentă;

- porozitatea;

- conţinutul de carbon nelegat;

- reactivitatea;

- rezistenţa mecanică;

- gradul de grafitizare;

- granulaţia şi forma bucăţilor;

- greutatea volumetrică.

Există numeroase metode convenţionale de determinare a caracteristicilor

cocsului, generate de condiţiile specifice fiecărei ţări sau loc de utilizare a cocsului.

Metodele analitice se bazează pe experienţa acumulată de chimia analitică şi

cantitativă, cu ajutorul cărora se determină valori absolute pentru :

- compoziţia elementară;

- analiza cenuşei;

- puterea calorică.

Analizele chimice ale cocsului, la fel ca şi cele ale cărbunelui, cu toate

certitudinile privind determinările respective - valori absolute - sunt şi ele

determinate de convenţiile producătorilor sau consumatorilor de cocs. Astfel,

valorile absolute determinate sunt raportate la :

- proba de analiză;

- proba uscată la aer;

- proba anhidră;

- masa combustibilă, etc.

Datele de analiză neînsoţite de o specificare clară a materialului la care se

referă nu pot avea din această cauză nici o valoare.

În practica furnalelor se utilizează următoarele noţiuni de cocs :

- cocs tehnic - Kt - este cocsul cu granulaţia corespunzătoare încărcării în

furnal, fără umiditate. La acesta se raportează analiza tehnică şi se efectuează

calculele de încărcătură, gaz de furnal şi bilanţ tehnic;

- cocs tehnologic - Kthl - este cocsul tehnic la care se adaugă umiditatea. Se

încarcă efectiv în furnal şi cu acesta se calculează unitatea de încărcare, se

dimensionează instalaţia de transport la gura furnalului şi aparatul de încărcare;

- cocs de aprovizionare - Ka - este cocsul tehnologic la care se adaugă

măruntul rezultat de la ciuruirea finală ( de la groapa skipurilor ), mărunt care

reprezintă 15 ... 25 % ( Ka = 1,15 ... 1,25 Kthl )

II.2. Studiul caracteristicilor ce determină calitatea cocsului

Umiditatea cocsului Wit , determinată prin analiză tehnică, este consecinţa

operaţiei de stingere ( răcire ) şi reprezintă o parte din balastul introdus odată cu

cocsul în furnal. Evaporarea apei conţinută de cocs consumă circa 600 kcal/kg,

căldură ce se obţine prin arderea a 0,08 ... 0,10 kg cocs/kg.

Umiditatea cocsului depinde de tehnica de stingere precum şi de tehnologia

de fabricaţie. Cocsul udat excesiv la stingere sau căruia nu i s-a dat posibilitatea să

se zvânte suficient după stingere, va avea întotdeauna o umiditate ridicată.

Cocsul incomplet degazat, cu o porozitate mare şi granulaţie mică a avut

întotdeauna umiditatea mai ridicată decât cocsul metalurgic bine degazat.

În tabelul de mai jos sunt redate câteva valori ale conţinutului de umiditate,

în funcţie de granulaţie, determinate experimental :

Detalii Proba >60 mm 60 ... 40mm 40...25mm 25...10mm < 10mm Observaţii

1 - 8,4 6,8 14,8 20,2

Umiditate 2 - 9,0 7,1 12,0 19,0 stinsumed

Wit [ % ] 3 1,4 1,4 1,0 2,4 3,0

4 0,2 0,6 0 1,0 1,0 stins

5 - 0 0 0,6 0,4 uscat

Cantitatea determinată de apă se raportează la cantitatea de cocs din proba

iniţială sau la cea din proba de analiză.

Relaţia de trecere de la Kt la Kthl şi invers, pentru un conţinut de umiditate în

cocs de 5 % ( raportat la Kthl ) este : Kt = Kthl . 0,95; Kthl = Kt : 0,95 .

Conţinutul de cenusă Aanh - este determinat tot prin analiză tehnică şi

reprezintă materialul anorganic provenit din cărbune şi rămas în cocs.

Cenuşa reprezintă doar în mod convenţional componenţii minerali ai

cocsului deoarece aceştia au suferit o serie de transformări pe timpul calcinării şi

cocsificării.

În timpul calcinării, substanţele minerale ( carbonaţi, sulfuri, minerale

cristalizate cu apă ) se descompun.

La cocsificare, materialele minerale din cărbuni sunt reduse la materialele

respective, care, prin calcinare, se transformă în oxizi.

Cenuşa cocsului este aproximativ egală cu cenuşa cărbunilor, dar , raportată

la masa mai mică a cocsului, va fi mai mare procentual. Este forte acidă şi se

înglobează în zgură la nivelul gurilor de vânt.

Un exemplu de determinare a conţinutului de cenuşă în funcţie de

temperatură este redat în tabelul de mai jos :

Detalii Proba 7000C 7250C 7500C 7750C 8000C 8250C 8500C 8750C1 9,47 9,14 9,18 9,16 9,12 8,98 9,10 9,05

Cenuşă 2 9,94 9,81 9,92 9,75 9,87 9,76 9,78 9,76Aa% 3 10,69 10,16 10,24 10,16 10,10 10,05 10,08 10,08

4 12,60 12,02 12,12 12,06 12,24 12,02 12,17 12,045 13,08 13,06 13,10 13,12 13,09 12,98 13,02 12,90

Materiile volatile - Vanh reprezintă procentual cantitatea de produse care se

degajă din masa cocsului prin încălzire la 850 - 9000C, în absenţa aerului.

Determinarea conţinutului de materii volatile este convenţională şi depinde

de :

- viteza de încălzire a probei;

- durata de încălzire;

- modul în care se efectuează încălzirea;

- temperatura de răcire.

Conţinutul de materii volatile este o expresie a gradului de degazare, a

timpului şi temperaturii de cocsificare.

Cocsul descărcat prea repede are un conţinut ridicat de materii volatile care

determină scăderea rezistenţei acestuia.

Materiile volatile sunt repartizate neuniform în masa de cocs, fiind mai bine

reprezentate în centrul pilotului decât lângă peretele încălzit.

Conţinutul de materii volatile este cuprins între 0,7 ... 1,5 %. Un conţinut

ridicat de materii volatile, în cazul în care celelalte condiţii au rămas neschimbate,

indică cu siguranţă un cocs având rezistenţă mecanică scăzută. Corelaţia dintre

procentul de materii volatile şi rezistenţa cocsului este redată în graficul de mai

jos :

Materii volatile , %

2,5

2,0

1,5

270 280 290 300 Rezistenţa cocsului

Materiile volatile micşorează conţinutul de carbon fix şi valoarea termică a

cocsului metalurgic.

Conţinutul de sulf, Sanht. Aproximativ 90% din cantitatea totală de sulf

introdusă în furnal provine din cenuşa cocsului şi se regăseşte integral în fontă şi

zgură.

În analiza tehnică, sulful este raportat la cocsul tehnic, deci :

Sk = Kt % Sat / 100

Carbonul nelegat, Cfix - este carbonul liber din cocs care arde în faţa

gurilor de vânt, determinând puterea termică.

Carbonul fix reprezintă o formă simplificată a unui prim indice complex de

apreciere a calităţii cocsului din punct de vedere al compoziţiei. El se determină

din analiza tehnică, cu relaţia :

Cafix = 100 - (Wa + Aanh + Va )

şi conţine, într-o singură valoare, umiditatea, cenuşa şi materiile volatile ale

cocsului.

Un conţinut mare de Cfix corespunde, într-o oarecare măsură, unei puteri

calorice înalte.

Cenuşa, volatilele şi sulful total se exprimă raportate la cocsul anhidru ( fără

apă ), adică Kt; umiditatea este raportată la cocsul tehnologic, Kthl, deci :

Kt = Kthl - Kthl . W

100 = Kthl (

100

100

W )

Analiza elementară a cocsului se efectuează în scopul cercetărilor ştiinţifice

sau pentru caracterizarea unor loturi mari de cocs.

Se lucrează după metode clasice de analiză a substanţelor organice astfel că,

aceste determinări sunt singurele care oferă valori absolute ale caracteristicilor

cocsului.

Modul de lucru greoi şi durata mare de analiză au împiedicat aplicarea

metodei în industrie.

Folosind proncipiul metodelor clasice, au fost elaborate metode rapide de

determinare a conţinutului de sulf, element important în special acolo unde furnalul

utilizează mai multe tipuri de cocs.

Puterea calorică - exprimă aportul termic pe care unitatea de greutate a

cocsului îl aduce în condiţiile arderii sale complete în furnal.

Relaţia de calcul a puterii calorimetrice este :

Qa = 81C+246H-26 (O-S) - 6W ( kcal/kg x 4187kg/kg ) ,

în care C, H, O, S, W sunt cantităţile, în kg la 100 kg cocs.

Cerinţele diferiţilor consumatori de cocs, din punct de vedere al

caracteristicilor studiate în prezent, sunt redate în tabelul de mai jos :

Statul Wit % Aanh % Vanh % Sanh % Cfix Qi Kcal/kg

ROMÂNIA max 9 max 14 max 1,7 max 2 - min 6150Germania 5 ... 6 max 9,5 1,5 ... 2,0 1,1 ... 1,4 min 84 -Rusia 3 ... 5 10,5... 11,5 max 1,5 0,5 - -S.U.A. 1 ... 5 7 ... 11 0,7 ... 2,0 0,6 ...1,0 min 85 -Anglia max 5 9 ... 10 0,8 1,0 ... 1,2 min 85 -India 2 ... 3 20 ... 22 1,0 0,6 min 75 -

Reactivitatea cocsului - face parte din caracteristicile fizico-chimice şi

exprimă, printr-un indice convenţional afinitatea acestuia pentru reacţiile cu

oxigenul, bioxidul de carbon sau vaporii de apă.

Determinările sunt convenţionale, rezultatele depinzând de porozitate,

granulaţie, viteza curentului de gaz, temperatura determinării şi tipul cărbunelui din

care a fost făcut cocsul.

Corespunzător agentului de oxidare se determină carboxireactivitatea

cocsului

( C +CO2 < , > 2 CO ) şi mai rar hidroreactivitatea (C + H2O < , > CO + H2 ) sau

oxireactivitatea ( C + O2 >, < CO2 ).

Reactivitatea cocsului determină într-o măsură mai importantă consumul de

cocs din furnal.

Din punct de vedere al reactivităţii, cocsurile se clasifică astfel :

- cocsuri uşor reactive ( R = 100 ... 200 % )

- cocsuri mediu reactive ( R = 50 ... 100 % )

- cocsuri greu reactive ( R < 50 % )

Gradul de grafitare . În procesul de cocsificare are loc o regrupare a

elementelor structurale ale cărbunelui, o strângere şi o oarecare ordonare a reţelei

de carbon care apropie imaginea structurală a cocsului de cea a grafitului.

De la cocs la grafit, diferenţele structurale sunt mari, însă aprecierea este

sesizabilă prin compararea rezistivităţii electrice a diferitelor calităţi de cocs.

Metodele de determinare a rezistivităţii sunt convenţionale, ele depinzând de

: aparat, eşantionul de cocs, tensiunea aplicată între electrozi şi bucata sau proba de

cocs.

Legătura existentă între rezistivitatea electrică şi reactivitate face necesară

considerarea acestei caracteristici în completarea caracterizării calitative a

cocsului.

Clasificarea cocsurilor în funcţie de gradul de grafitare şi în corelaţie cu

reactivitatea lor, este :

- cocs puternic grafitat ( slab reactiv )

600 ... 1000 . 10-6 mm2/m

- cocs mediu grafitat ( mediu reactiv )

1000 ... 2000 . 10-6 mm2/m

- cocs slab grafitat ( foarte reactiv )

peste 2000 . 10-6 mm2/m

- semicocs ( excesiv reactiv )

peste 1.000.000 . 10-6 mm2/m

Pentru cocsurile de furnal, valorile optime ale rezistivităţii sunt de circa

1200 . 10-6 mm2/m, corespunzătoare reactivităţii medii.

Densitatea reală şi aparentă - sunt caracteristici fizice ale cocsului. Cu

ajutorul lor se determină porozitatea cocsului.

Densitatea reală reprezintă, cât mai aproape de realitate, greutatea unităţii de

volum a cocsului considerat compact, respectiv densitatea masei cocsului fără pori.

Densitatea aparentă este mai mică întotdeauna decât densitatea reală întrucât

include în greutatea unităţii de volum şi volumul porilor.

Porozitatea cocsului . Cocsul bine fondat şi bine pregătit este un material

poros. Porii se formează în bucăţile de cocs, acolo unde grăunţii de huilă se

sudează mai mult sau mai puţin perfect, în timp ce gazele tind să treacă prin masa

păstoasă. În cursul solidificării, aceste canale de trecere a gazelor se închid,

formând pori deschişi ( cele care comunică cu exteriorul ) şi pori închişi ( cele

care nu comunică cu exteriorul ).

Porii sunt dealtfel foarte adânci. Pentru a ne convinge este suficient să se

injecteze gips sau colorant sintetic într-o bucată de cocs.

Aşadar la cocs se poate distinge o porozitate deschisă, una închisă şi una

totală care le cuprinde pe amândouă.

Porozitatea este o caracteristică importantă pentru că determină mărimea

suprafeţelor active ale cocsului, deci puterea de reacţie. Are valori cuprinse între

45 ... 55 % ( suprafaţa totală a unui kg de cocs este 40 m2 ).

Porozitatea aparentă - suma porilor deschişi - se determină prin introducerea

de cocs în apă şi degazarea în vid la o anumită presiune.

Porozitatea reală - suma tuturor porilor - exprimă volumul golurilor din

bucata de cocs şi se stabileşte prin calcul folosind densitatea reală şi densitatea

aparentă.

Greutatea volumetrică - reprezintă greutatea unei unităţi de volum de cocs,

inclusiv volumul porilor şi a găurilor dintre bucăţile de cocs.

Determinarea acesteia constituie una din posibilităţile cele mai

reprezentative de măsurare a gradului de de afânare a cocsului la încărcarea în

vrac. Acest grad de afânare determină volumul cocsului în şarja de la furnal,

influenţând permeabilitatea încărcăturii la trecerea gazelor prin coloana de material

şi, în final, productivitatea furnalului.

Granulaţia cocsului - este o caracteristică fizico-mecanică care determină

permeabilitatea coloanei de material în furnal şi circulaţia gazelor prin încărcătură.

Cocsul este un amestec dispers de bucăţi cu dimensiuni ce variază în limite

largi şi de aceea nu poate fi caracterizat din acest punct de vedere decât prin indici

statistici ce reprezintă, de obicei în procente, variaţia între anumite limite a

conţinutului :

- D50 - dimensiunea medie ( dimensiunea ochiurilor ciurului, corespunzător

la 50 % trecere şi 50 % refuz );

- D75, D25 - dimensiuni sferturi ( corespunzător la 75 % trecere respectiv 25

% refuz )

- D75 / D25 - indice de omogenizare

- K = ( ... )

( ) ( ... )

40 80

80 25 40

mm

mm mm - coeficient de uniformitate

Pentru reprezentarea grafică a granulaţiei, se folosesc diagrame cu scări

simple, semilogaritmice sau dublu logaritmice, urmărindu-se astfel valorificarea la

maximum a indicatorilor pe care îi oferă această analiză.

Rezistenţa mecanică este considerată cea mai importantă caracteristică de

exprimare a calităţii cocsului.

Rezistenţa cocsului se determină pe baza unor probe în care cocsul este

supus la eforturi prin lovire şi frecare prin rostogolire într-un tambur şi reprezintă

suma rezistenţelor la :

- compresiune;

- cădere;

- sfărâmare şi roadere;

- solicitări combinate;

- roadere - cădere.

Pentru stabilirea rezistenţei se folosesc doi indicatori care reprezintă

cantităţile, exprimate în procente din fracţiile sub 10 mm şi peste 40 mm :

- M40 - reprezintă fracţia mai mare de 40 mm, % şi exprimă gradul de

fisurare

- M10 - reprezintă fracţia sub 10 mm, % şi exprimă rezistenţa la frecare

( indicele de friabilitate sau de roadere ).

Rezistenţa la compresiune este determinată pe eşantioane prelucrate dar nu

s-a impus niciodată în practică, deoarece solicitarea este mult mai ridicată decât

cea din furnal şi de altă natură, astfel că, un cocs clasificat bun la verificare poate fi

considerat slab în furnal.

În S.U.A., Elveţia şi Anglia au fost adoptate metode de determinare a

rezistenţei cocsului la cădere. De altfel este tot o încercare la compresiune, forţa de

compresie fiind de această dată inerţia bucăţilor de cocs.

Valorile obţinute sunt utile îndeosebi când cocsul urmează să fie supus

manipulării multiple.

Rezistenţa la tobă face parte din metodele care au găsit aplicare mai largă în

practică şi constă în supunerea la solicitări combinate ( sfărâmări prin rostogolire,

roadere şi cădere ) în tobe rotative prevăzute cu bare sau şicane.

Aceste metode sunt convenţionale şi nerespectarea strictă a condiţiilor de

determinare face imposibilă compararea şi reproducerea rezultatelor.

Rezistenţa la cădere - roadere se determină prin supunerea cocsului la cădere

dintr-un aparat, sub influenţa unei anumite greutăţi.

Toate metodele de determinare a rezistenţei folosesc drept criterii de

apreciere granulaţia sau variaţia granulaţiei cocsului în timpul încercării.

Determinarea se referă în special la două fracţiuni : ,,mare” şi ,,praf”.

Granulaţia mare ( peste 40 mm ) constituie rezistenţa cocsului iar granulaţia sub 10

mm ( praful ) corespunde roaderii cocsului.

Un cocs cu un conţinut ridicat de praf, după proba de rezistenţă este

nerezistent la roadere şi în general slab.

Structura eterogenă, tensiunile interne, schimbările survenite datorită

roaderii şi a consumării / subţierii porilor prin ardere, carboxireactivitatea, fac ca la

nivelul gurilor de vânt, deci în condiţii de solicitare maximă cocsul să aibă alte

însuşiri decât la rece.

A afirma astăzi că un cocs este bun pentru că are o rezistenţă mecanică

ridicată sau pentru că are compoziţii corespunzătoare este o greşeală care poate

produce deranjamente în mersul furnalului, la pierderi de producţii şi la constatarea

ulterioară că unui indice de calitate sau altuia nu i s-a acordat atenţia cuvenită.

Pentru evitarea ecestor situaţii s-a încercat stabilirea unor indici complecşi de apreciere a calităţii

cocsului care să cumuleze mai multe caracteristici calitative ale acestuia. În tabelul de mai jos sunt redaţi câţiva

dintre aceşti indici precum şi modalitatea determinării acestora:

Nr.crt.

Denumirea Simbol Expresia decalcul

Explicaţii simbol

1. Rezistenţa la tobă M40 T = a + b a = ponderea fracţiunii +60 mm după încercarea la tobă %

2. Roaderea la tobă M10 L b = ponderea fracţiunii 40...60mm după încercarea la tobă

3. Coeziune MICUM C C= M40+M20-M10 d=greutatea volumetrică kg/m3g = ponderea fracţiunii 60...80

4. Indicatori Siskovadaptaţi la MICUM

a) coeficient derezistenţă a gazelorcare trec prin cocs

b) rezistenţă cocs lafărâmiţarec) rezistenţă cocs laroadere

d) rezistenţă cocs lasfărâmaree) suprafaţa fisurilor noi create în cocs la a doua încercare în tobă.

HM

PM

Pi

Pd

St

HM = 100 (2+S )

PM = 10 000.

S So

Pi = 10.000 S200 - S100

Pd = 10.000 PI - PM

St = 10.000 Pd

mm înainte de încercarea la tobă %c = ponderea fracţiunii +60 mm înainte de utilizarea la tobăD = ponderea fracţiunii -60 mm înainte de utilizare la tobă %E = ponderea fracţiunii 10...20 mm după încercarea la tobă %L = ponderea fracţiunii -10mm după încercarea la tobă %S = ponderea fracţiunii 20...40 mm după încercarea la tobăS0= indicatorul durabilităţii cocsului

5. Indicatorul Byrtus BB =

T S

E L

2

10S0 = 6,7 n + 8,6 g +12 DS100 = suprafaţa bucăţii după 100 rotaţii ale tobei

6. Indicatorul Thibaut Th Th = 2T + S - L S100=15T+25S+50E+150L

7. Indicatorul Yrside I I = T0 + a . 100 S200 = suprafaţa bucăţii după 200 rotaţii ale tobei (în formula

8. Noul indicator Yrside Iu Iu = a . C D100

S100 se substituie datele pentru 200 rotaţii )

9. Indicatorul Graaf GG =

a D

L

.

100

T = ponderea fracţiunii +40mm după încercarea la tobă

10. Noul indicator Graaf Gu Gu =aD

L S100 0 75( , )

V = volumul bucăţilor după încercarea la tobăV= 10,3T+7S+6,5E+6,2L

11. Indicatorul durabilităţiicocsului

Sk Sk = T - 1,5 L =

V

V

V

V

1000 1000

12. Indicatorul de uniformi-zare a bucăţilor

KK =

g b

n S

=

300

1000V .

1

V

Permeabilitatea la gaze a coloanei din furnal. Furnalul reprezintă în

principiu, un reactor tubular în care au loc procese de transfer de căldură şi procese

de transfer de masă.

Încărcătura furnalului trebuie să fie astfel pregătită încât să fie create

condiţiile optime desfăşurării celor două procese.

Schimbul de energie şi masă este favorizat de suprafaţa reactanţilor şi

conduce la necesitatea pregătirii încărcăturii la suprafeţe cât mai mari ( granulaţie

măruntă ).

De aici preocupările pentru pregătirea granulometrică a încărcăturii, prin

concasare şi sortare.

Circulaţia gazului prin furnal este influenţată de secţiunea şi lungimea

canalelor libere din încărcătură. Secţiunea canalelor scade şi lungimea creşte odată

cu micşorarea diametrului mediu al bucăţilor de material, ducând la creşterea

pierderii de presiune în coloană.

Pe măsura coborârii coloanei în furnal, particulele de dimensiuni diferite se

amestecă, astfel încât, pentru realizarea unei pierderi de presiune minime, între

diametrul particulelor mici şi mari trebuie să existe un raport optim care să ducă la

afânarea stratului de granule mari prin întrepătrunderea cu granulele mici.

În partea superioară a furnalului se încarcă minereu ( aglomerat ) şi cosc. La

coborârea coloanei, minereul se transformă, în urma proceselor metalurgice, în

fontă şi zgură, care se scurg, în contracurent cu aerul insuflat în furnal, prin stratul

de cocs.

Rezultă de aici că toate considerentele valabile în partea superioară a

furnalului pentru sistemul minereu-cocs rămân valabile şi în partea inferioară, în

sensul necesităţii scurgerii fazei lichide printre granulele mari şi mici, în condiţiile

circulaţiei unui volum dat de gaze.

II.3. Metode de determinare a caracteristicilor de calitate ale cocsului

Colectarea şi pregătirea corespunzătoare a probelor constituie o condiţie

esenţială pentru analiza reprezentativă a unui lot de cocs.

Efectuarea corectă a acestei operaţii de către personal cu înaltă calificare,

scuteşte producătorul şi consumatorul de cocs de multe surprize neplăcute, de

multe ori cu consecinţe economice destul de mari.

De aceea respectarea cu stricteţe a indicaţiilor standardizate (STAS 5573-77)

va trebui să stea la baza colectării şi pregătirii pentru analiză a probelor de cocs.

II.3.1. Analiza tehnică

Determinarea umidităţii conform STAS

Prin utilizarea STAS 5631-77 se pot determina :

- umiditatea totală ( Wit ) reprezentând conţinutul total de apă al cocsului la starea

iniţială;

- umiditatea probei pentru analiză ( Waa ) care reprezintă conţinutul de apă din

proba de cocs pentru analiză.

Principiul metodei presupune determinarea pierderii de masă a unei probe de

cocs, prin uscarea, la o temperatură dată, până la masă constantă.

O determinare exactă a umidităţii presupune colectarea şi pregătirea corectă

a probei, conform STAS 5573-77, cap.3, ştiut fiind că bucăţile de granulaţii mici

au de obicei umiditatea mai mare.

Pentru determinarea umidităţii totale, din proba pregătită conform alineatului

precedent, într-o tavă uscată şi cântărită în prealabil, se cântăresc minimum 250g

cocs, cu o precizie de 0,2g.

Materialul din tavă se nivelează în strat uniform, astfel încât grosimea

acestuia să corespundă unei încărcături de 0,8 ... 1g/cm2.

Tava cu material se aşează în etuva încălzită în prealabil până la temperatura

de lucru.

Timpul de menţinere în etuvă variază, în funcţie de temperatura folosită,

conform tabelului de mai jos :

Temperatura de lucru, în 0C Timpul de menţinere a probei latemperatura de regim, în minute

105 180150 100200 45

După uscare, tava cu material se scoate din etuvă, se răceşte în aer şi se

cântăreşte. Se introduce din nou în etuvă timp de 10 minute, se răceşte şi se

cântăreşte din nou. Operaţia se repetă până când între două cântăriri succesive se

obţine o diferenţă de maximum 0,5g.

Dacă se constată o creştere de masă, se ia în calcul masa cea mai mică.

Umiditatea totală se determină cu ajutorul relaţiei :

% Wit =

m m

m

1 2100

, unde :

m1 = masa tăvii cu proba înainte de uscare , g m2 = masa tăvii cu proba după uscare, g m = masa probei luată pentru determinare, g

Se consideră ca rezultat media aritmetică a două determinări paralele dacă

între acestea există diferenţe de maximum 0,3 % în acelaşi laborator sau 0,5 % în

laboratoare diferite. Rezultatele se calculează cu două zecimale şi se rotunjesc la

prima zecimală.

Pentru determinarea umidităţii probei pentru analiză, aceasta se amestecă în

prealabil pentru omogenizare, cu ajutorul unei spatule.

Din proba pentru analiză, pregătită conform STAS 5573-77, omogenizată, se

cântăresc într-o fiolă cu capac, adusă la masa constantă, 2g de cocs, cu precizia de

0,0002g.

Materialul din fiolă se aşează în strat uniform având grijă ca grosimea

stratului să corespundă unei încărcări de 0,15 g/cm2.

Se aşează fiola cu cocs neacoperită, împreună cu capacul, în etuva încălzită

în prealabil la 105 ... 110 0C şi se menţine la această temperatură timp de 60

minute.

Se scoate fiola din etuvă, se acoperă cu capacul şi se introduce în exsicator.

După răcire se cântăreşte. Se repetă uscarea în etuvă, timp de 30 minute, se răceşte

şi se cântăreşte din nou.

Operaţia de uscare în etuvă se repetă până când între două cântăriri

succesive nu apare o diferenţă mai mare de 0,001g.

În cazul când masa fiolei cu materialul uscat începe să crească se ia în calcul

masa cea mai mică.

Calculul umidităţii probei pentru analiză se efectuează ca şi în cazul

umidităţii totale :

Waa =

m m

m

1 2100

, unde :

m1 = masa fiolei cu capac şi probă înainte de uscare , g m2 = masa fiolei cu capac şi probă după uscare, g

m = masa probei luate pentru determinare, g

Ca rezultat se ia media aritmetică a două determinări paralele, între care se

admit diferenţe de maximum 0,2 % în acelaşi laborator sau 0,3 % în laboratoare

diferite. Rezultatul se calculează cu două zecimale şi se rotunjeşte la prima

zecimală.

Alte metode de determinare a umidităţii

Deoarece metoda standardizată este greoaie şi durează câteva ore ( de la

colectare până la calculul rezultatelor ), se folosesc cu rezultate bune analizoare

automate de tip G.Muller, S 10/V ( 220V, 0,25Kw ). Cu aceste aparate se procedează

astfel : proba pregătită se cântăreşte într-o cutie specială care se introduce în

aparat. În maximum 30 minute acesta indică, cu o precizie suficientă conţinutul de

apă al probei şi permite, în situaţia consumării cocsului la furnal, efectuarea

corecţiilor de umiditate în timp operativ.

Pentru scopuri ştiinţifice ( determinări exacte ) se mai foloseşte metoda

antrenării umidităţii cu xilen : într-un vas de sticlă, de construcţie specială se fierbe

cu un refrigerent ascendent proba de cocs în xilen. Vaporii de apă antrenaţi sunt

condensaţi în refrigerentul ascendent, determinarea cantitativă efectuându-se

volumetric.

Determinarea conţinutului de cenuşă conform STAS

Determinarea conţinutului de cenuşă se efectuează prin calcinarea unei

cantităţi de cocs la o anumită temperatură, până la masă constantă, conform STAS

5629-73.

Pentru determinarea cenuşei se foloseşte fie proba uscată la aer, fie proba

anhidră. În cazul folosirii probei uscate la aer, se va determina în prealabil

umiditatea probei pentru analiză (Waa ), conform STAS 5631-73.

Proba pentru analiză, pregătită conform STAS 5573-77 se amestecă pentru

omogenizare, cu ajutorul unei spatule.

Se cântăreşte 1g din proba pentru analiză, în nacelă ( creuzet ) calcinată în

prealabil până la masă constantă. Grosimea stratului se uniformizează astfel încât

să corespundă unei încărcări de 0,1g/cm2 .

Se cântăreşte nacela ( creuzetul ) încărcată cu materialul de analizat şi se introduce

fie în cuptorul rece, fie în cuptorul încălzit la 820 + 15 0C.

Nacela se deplasează treptat în zona de calcinare, cu câte 1 cm/minut.

Calcinarea se face la temperatura de 820 + 15 0C, timp de 2 ore. Se scoate

nacela sau creuzetul cu cenuşă din cuptor, se aşează pe o placă de azbest, se

răceşte la aer circa 5 minute după care se introduce în exsicator. După răcire se

cântăreşte.

Se repetă calcinarea nacelei cu cenuşă timp de 30 minute, la aceeaşi

temperatură, apoi se răceşte ca mai sus şi se cântăreşte din nou. Dacă nu s-a ajuns

la masă constantă se repetă operaţia de calcinare menţinându-se în cuptor, la

aceeaşi temperatură 820 + 15 0C, timp de 15 minute.

Proba se consideră ajunsă la masă constantă dacă între două cântăriri

succesive apare o diferenţă mai mică de 0,001g.

În cazul când masa nacelei cu cenuşă începe să crească, se ia în calcul masa

cea mai mică.

Cenuşa din proba pentru analiză se determină cu relaţia :

% Aa = m m

m m

3 1

2 1100

, unde :

m1 = masa nacelei goale , g

m2 = masa nacelei cu proba de analizat, g m3 = masa nacelei cu cenuşă, g

Cenuşa din proba anhidră ( Aanh ) se calculează cu aceeaşi relaţie în care m2

reprezintă masa nacelei cu proba anhidră.

Pentru raportarea rezultatului la alte stări, se folosesc factorii din STAS 398-69.

Ca rezultat, se consideră media aritmetică a două determinări paralele între

care se admit diferenţe, în valoare absolută, de maximum 0,2 % în acelaşi laborator

sau 0,3 % în laboratoare diferite.

Rezultatul se calculează cu două zecimale şi se rotunjeşte la prima zecimală.

Pentru a avea o imagine de ansamblu, în tabelul de mai jos sunt redate

câteva norme şi caracteristici de determinare a conţinutului de cenuşă în cocs în

diferite state :

STATUL NORMA Cântărire g Tcalcinare 0C

Belgia ABS 56.12 1 800 ...850Germania DIN 51719 1 750 + 25Franţa M03 - 003 2 825Anglia BSS 1016-42 1 ... 2 775 + 25Italia - 2 ... 3 750 + 20Olanda NO 1011IID 662 1 ... 4 775 + 25Austria O NORM C 1011 5 750 + 25Polonia PN/D - 506 1 800 ... 850Suedia - 1 ... 2 750 ... 800S.U.A. ASTM D271-48 1 ... 2 700 ... 750România STAS 5629-73 1 820 + 15

Determinarea conţinutului de materii volatile, cocs şi carbon fix conform

STAS

Metoda constă în încălzirea, în absenţa aerului, într-un timp şi la o

temperatură determinată a unei cantităţi cunoscute de cărbune din proba pentru

analiză, conform STAS 5268-90.

Din proba pentru analiză se cântăreşte în creuzete cu capac, câte 1,0g, cu

precizie de 0,0002g. Creuzetele goale, neacoperite, împreună cu capacele lor se

şterg în prealabil cu o cârpă uscată, se numerotează, se cântăresc, se aşează în

suport şi se calcinează în cuptor la temperatura de 820 + 20 0C până la masă

constantă.

Creuzetele cu probă se acoperă cu capac, se fixează pe suport şi se introduc

rapid în zona cu temperatură stabilă a unui cuptor încălzit la 820 + 20 0C . După 7

minute, se scoate din cuptor suportul cu creuzetele şi se răceşte la aer, timp de 5

minute, pe o placă metalică sau de azbest. Apoi creuzetele se trec în exsicator, fără

a li se scoate capacele, unde se răcesc la temperatura camerei şi apoi se cântăresc

cu o precizie de 0,0002g.

Determinarea se repetă când temperatura cuptorului, în ultimele 4 minute

ale determinării este diferită de 820 + 20 0C sau dacă pe suprafaţa exterioară a

creuzetului sau pe capac se constată urme de cenuşă.

Pierderea de masă a probei de cărbune reprezintă suma umidităţii şi a

materialelor volatile. Diferenţa între pierderea totală de masă şi cea datorată

umidităţii reprezintă conţinutul de materii volatile.

Conţinutul de materii volatile din proba de analiză se determină cu formula :

% Va = m m

m m

2 3

2 1

. 100 - Waa, unde :

m1 = masa creuzetului gol , g m2 = masa creuzetului cu proba , înainte de calcinare, g m3 = masa creuzetului cu reziduu, după calcinare, g

Waa = umiditatea probei pentru analiză, determinată conform STAS 5631-73.

Conţinutul de cocs se calculează cu formula :

cocs ( Ka ) = m m

m m

2 3

2 1

. 100 sau cocs ( Ka ) = 100 - ( Va + Waa )

Ca rezultat final se consideră media aritmetică a două determinări paralele

între care se admit următoarele diferenţe :

Conţinut de : Diferenţele admise,% în

valoare absolută

în acelaşi laborator în laboratoare diferite

Materii volatile ( Va ) până la 10 inclusiv, % 0,3 0,5

Materii volatile ( Va ) peste 10 până la 45 inclusiv, %

0,4 1,0

Materii volatile ( Va ) peste 45, % 1,0 1,5

Cocs ( Ka ), % 0,1 0,2

Conţinutul de carbon fix se calculează cu relaţia :

% (Cafix ) = Ka - Aa , unde :

Ka = conţinutul de cocs, raportat la proba în analiză, [ % ] ;Aa = conţinutul de cenuşă ,raportat la proba pentru analiză, [ % ] ;

Metode de determinare a sulfului din cocs

Datorită calcinării tehnologice, sulful din cocs se găseşte legat în compuşi

anorganici şi organici termostabili, astfel încât determinarea acestuia este mult

simplificată.

Conţinutul de sulf se determină conform STAS 8332-87, metoda cu amestec

ESCHKA ce constă în arderea probei în curent de oxigen, absorbţia selectivă a

produselor de ardere şi determinarea lor cantitativă.

La I.C.E.M. şi I.V.C. au fost adoptate metode rapide de determinare a

conţinutului de sulf din cocs.

În principiu, se arde proba cântărită, apoi se determină SO2 absorbit,

volumetric.

Rezultatele oferă o precizie satisfăcătoare faţă de analizele efectuate prin

metoda standardizată şi au făcut posibilă determinarea, în mod curent a

conţinutului de sulf din cocs.

II.3.2. Proprietăţi fizico-chimice

Reactivitatea

Determinarea cantitativă a acestei proprietăţi este mult controversată.

Astfel, dacă principiul determinării carboxireactivităţii este în general acelaşi

- arderea incompletă într-un curent de CO2 a unei probe de cocs, urmată de

determinarea variaţiei unuia din factorii reacţiei ( temperatură, gaz sau cocs ) -

condiţiile determinării, modul de pregătire a probei şi exprimarea rezultatelor

diferă mult de la o metodă la alta.

În principiu, reactivitatea se poate determina în una din următoarele

condiţii :

- la o temperatură şi un debit de gaz date ;

- la o temperatură dată şi diferite debite de gaz ;

- la un debit de gaz dat şi diferite temperaturi .

Exprimarea rezultatelor se face prin :

- măsurarea pierderii de greutate a probei de cocs după reacţia cu CO2 ;

- măsurarea schimbării presiunii sau volumului, ca urmare a gradului de

transformare a CO2 în CO ;

- determinarea prin analiză a CO din gazul rezultat prin reacţie.

Cea mai cunoscută modalitate de determinare a reactivităţii este metoda

Koppers.

Pentru efectuarea determinărilor se lucrează cu aparatură compusă din tub de

cuarţ cu diametrul de 20 mm, cuptor electric a cărui temperatură poate fi reglată şi

menţinută constantă, butelii de CO2, reducător de presiune şi ventil cu ac pentru

reglarea fină a debitului de gaz, armături pentru legarea etanşă a tubului de cuarţ cu

traseul de gaz şi analizator de gaze.

Prin tubul de cuarţ încărcat cu 34 cm3 cocs, de granulaţie 0,5 ... 1 mm se

trece, timp de 15 minute un curent de CO2, după care se introduce în cuptor.

Tubul este legat prin intermediul armăturilor metalice în circuitul agentului

gazos, al cărui debit se menţine constant la 10,8 l/oră, timp de 60 minute.

După 10 minute de la introducerea tubului în cuptor se colectează prima

probă de gaz rezultat din reacţia urmărită şi se analizează cu un aparat Orsat.

Operaţia se repetă în aceleaşi condiţii de 5 ori, colectând şi analizând de

fiecare dată gazul rezultat.

Relaţia de calcul a reactivităţii este :

R = CO

CO CO2 1 2100

/, [ % ]

Reactivitatea este definită printr-un coeficient al vitezei de reacţie între CO2

şi cocs :

Km = V

m

o

( 2 ln2

1

1 0

1 0

C C

C C

/

/

1

1

1 0

1 0

C C

C C

/

/ ), unde :

C1 = concentaţia de CO2 în gazul de reacţie [ % ]C0 = concentraţia de CO2 în gazul iniţial ( practic 100 % ) V0 = debitul de CO [ cm3/s ]m = masa cocsului [ g ]

Cocsul de calitate pentru furnal trebuie să aibă o reactivitate relativă scăzută

( aproximativ 50 % ).

Reactivitatea cocsului este influenţată de efectul catalitic al cenuşei

conţinute.

Deficienţa acestor metode constă în aceea că determinarea se face pentru

probe de laborator, de cocs mărunţit,cu granulaţia 0,5 ... 1 mm sau 1 ... 3 mm iar

bucăţile de cocs introduse în furnal sunt de 40...60 mm. Astfel apar diferenţe de

comportare datorită numărului porilor bucăţilor şi suprafeţei specifice. Întrucât

reactivitatea cocsului este o însuşire a suprafeţei sale, reacţia dintre C şi CO2 având

loc pe suprafaţa granulei şi în porii deschişi, ar trebui ca aceasta să fie raportată la

suprafaţa probei. În această situaţie, rezultatele din laborator faţă de condiţiile

industriale ar fi foarte apropiate.

Pentru a înlătura acest impediment, la ICEM a fost elaborată o metodă de

determinare a reactivităţii cocsului ,,în bucăţi”. Determinările se efectuează pe

bucăţi de cocs de mărime 25 ... 30 mm, cu folosirea principiului de lucru şi al

instalaţiei Koppers. Adaptarea la noile condiţii de lucru se realizează cu ajutorul

unui tub de reacţie având diametrul de 40mm şi un debit de 67,5 l/oră care asigură

aceeaşi viteză de reacţie în acelaşi timp de contact ,,gaz - solid”. Pentru a menţine

proba în aceeaşi zonă de temperatură a cuptorului, se lucrează cu o probă de cocs

de 50 grame care se aşează în tubul de reacţie pe o înălţime echivalentă cu cea

ocupată de cei 34 cm3 ai probei Koppers.

Valorile determinărilor efectuate prin această metodă păstrează aceeaşi

semnificaţie pentru diferite probe de cocs, cu valorile obţinute prin metodele

clasice.

Determinarea reactivităţii cocsului prin metoda elaborată în cadrul U.P.B.,

este prezentată în subcapitolul ,,lucrări de laborator”.

Puterea calorică

Determinarea puterii calorice se realizează cu ajutorul bombei calorimetrice

sau prin calcul, folosind datele analizei elementare.

Evitarea acestei determinări poate fi făcută prin luarea în consideraţie a

conţinutului de carbon fix şi a diferenţei între conţinutul de carbon, carbon fix şi

materii volatile care se obţin la degazarea totală a cocsului.

Densitatea reală şi aparentă

Modul de derminare a densităţii reale este prevăzut în STAS 5628-57 care

urmăreşte stabilirea greutăţii unităţii de volum a cocsului compact, lipsit de pori.

Pentru această determinare se colectează proba de cocs din fracţiunile medii,

rămase în urma determinării rezistenţei la toba MICUM.

Proba propriu-zisă se usucă înaintea determinării timp de o oră, la 1050C.

Determinarea se efectuează cu un picnometru curat, cântărit în prealabil gol

şi umplut cu apă distilată, la 200C.

Se trasează nivelul necesar al apei şi se asigură evitarea oricăror bule de aer

în interiorul picnometrului.

Se cântăreşte cantitatea de 5 + 1g de cocs cu o precizie de 0,0002 g şi se

introduce în picnometru, apoi se acoperă cu circa 20 ml apă distilată fiartă.

Se aşează picnometrul deschis într-o baie cu apă fierbinte.

Se completează apa până la nivelul trasat şi, după ce picnometrul şi apa au

fost aduse la temperatura de 200C se cântăreşte din nou.

Calculul densităţii se face cu relaţia :

r = 0 9982

1 2

,

m M M , g/cm3 , unde :

r = densitatea reală a cocsului g/cm3 m = masa cocsului g M1 = masa picnometrului cu apă la 200C g M2 = masa pinometrului cu apă la 200C, plus cocsul g 0,9982 = densitatea apei la 200C g/cm3

Se consideră ca rezultat al determinării media aritmetică a două determinări

care nu diferă între ele cu mai mult de 0,02 g/cm3.

Densitatea aparentă se determină însă după o metodă care nu se foloseşte în

practică. În principiu se foloseşte următorul mod de lucru : proba de cocs,

cântărită, se aşează pe un ciur care se scufundă într-un vas cu apă, unde se lasă un

timp pentru umplerea porilor. Prin cântărire în aer şi apă a materialului cu porii

plini de apă densitatea aparentă se determină astfel :

a = ( )

( ) ( )

M m

M m M m

1 3

3 3 2 2

g/cm3 , unde :

a = densitatea aparentă a produsului g/cm3 M1 = masa ciurului cu produs, cântărit în aer g M2 = masa ciurului cu produs, cântărit în apă g M3 = masa ciurului cu cocs saturat cu apă, cântărit în aer gm1 = masa ciurului cântărit în aer g m2 = masa ciurului cântărit în apă g m3 = masa ciurului ud, cântărit în aer g = densitatea apei g/cm3

În laboratoarele ICEM şi IVC s-a elaborat o altă metodă care constă în

următoarele : câteva bucăţi de cocs, sunt scufundate după uscare şi cântărire în

parafină topită. În acest fel se evită pătrunderea apei în interiorul porilor, care, prin

volumul lor, trebuie să participe la determinare.

Proba este scoasă din parafină şi răcită cu apă, pentru a se realiza o peliculă

cât mai subţire de parafină.

Prin scufundarea probei în apă se determină volumul cocsului, densitatea

aparentă calculându-se astfel :

a = g

V unde :

g = greutatea probei de cocs g V = volumul cocsului cm3

Aceasta este o metodă mult mai simplă şi rapidă care se pretează

determinărilor industriale.

Porozitatea reprezintă o caracteristică importantă din punct de vedere al

utilizării cocsului în furnal, având influenţe majore asupra greutăţii volumetrice,

permeabilităţii şarjei în firnal, suprafeţei active, carbo-, oxi- şi hidroreactivităţii

cocsului precum şi a cineticii acestor procese.

Porozitatea cocsului nu se determină experimental ci se calculează cu

ajutorul densităţii reale şi densităţii aparente. Relaţia de calcul este :

P =

r a

r

100 %

Densitatea în vrac

Densitatea în vrac sau densitatea volumetrică a cocsului reprezintă raportul

dintre masa şi volumul total ( inclusiv volumul golurilor dintre bucăţi ). Ea este

influenţată de densitatea reală, densitatea aparentă, porozitate, granulaţia şi forma

bucăţilor de cocs precum şi de golurile dintre acestea.

Determinarea se efectuează conform STAS folosindu-se cel puţin 10

vagoane de cale ferată.

Pentru calculul volumului lăzii vagonului, fiecare dintre cele trei dimensiuni

se măsoară în trei locuri, cu o precizie de + 1 cm. Se umple apoi vagonul cu cocs,

se nivelează şi se cântăreşte pe acelaşi cântar pe care s-a determinat tara vagonului,

cu o precizie de + 50 kg.

Calculul densităţii în vrac se face astfel :

vol = X M M

V

/ 1

, unde :

M = masa totală a celor 10 vagoane de cocs t M1 = masa vagoanelor goale t V = volumul total al vagoanelor m3

Valoarea densităţii în vrac se recalculează la anhidru, după determinarea

umidităţii cocsului.

În practică, această determinare standardizată este ocolită, preferându-se

determinări efectuate cu ajutorul unor vase cu volum determinat ( 0,5 sau 1 cm3 ).

II. 3.3. Proprietăţi fizico-mecanice

Granulaţia

Metoda standardizată de determinare a compoziţiei granulometrice ( STAS

9136-80 ) constă în trecerea unei cantităţi stabilite de cocs printr-o serie de ciururi

sau site normate, cântărindu-se de fiecare dată materialul rămas pe fiecare dintre

ele, respectiv trecerea prin ultimul ciur sau sită.

Rezultatele se exprimă în procente, de masă, de rest pe ciur sau sită

respectiv de trecere prin ultimul ciur sau sită.

În funcţie de dimensiunile bucăţilor de cocs, se recomandă ca masa minimă

a probei, stabilită conform 5573-77, să corespundă tabelului de mai jos :

Dimesiunea maximă a Cocs cu granulaţie mare Cocs mărunt

bucăţilor de cocs, mm 80 63 40 20 10 5...10 5

Masa minimă a probei, kg 100 80 30 10 5 1,5 0,5

În funcţie de masa minimă, probele se cântăresc la basculă sau la balanţa

tehnică.

Umiditatea totală ( Wtt ) a cocsului supus analizei nu trebuie să fie mai mare

de 5 %, în caz contrar acesta se usucă până la obţinerea pragului menţionat.

Analiza cocsului cu granulaţia mai mare de 10 mm se face pein ciuruire,

manual sau cu ajutorul instalaţiei mecanice.

Ciuruirea mecanică se face numai în cazul în care dimensiunea medie a

bucăţilor din probă nu prezintă diferenţe mai mari de 3 % faţă de valoarea rezultată

prin ciuruirea manuală, considerată ca valoare de referinţă.

La ciuruirea manuală se procedează astfel : din proba de cocs se iau porţiuni

mici care se ciuruiesc pe fiecare ciur în parte. Cantitatea de probă nu trebuie să

depăşească 75 % din suprafaţa utilă a ciurului ( sitei ). Dispunerea ciururilor se

face în ordine descrescătoare dimensiunii ochiurilor. Ciuruirea se face prin

scuturarea ciurului cu ajutorul mâinilor, cu o mişcare oscilatorie orizontală, de

amplitudine 75 ... 100 mm. Cocsul rămas pe ciur sau sită, după 50 oscilaţii, timp

de 30 secunde se consideră rest pe ciurul respectiv.

Pierderea de masă, respectiv diferenţa dintre masa iniţială a probei luată în

lucru şi suma resturilor pe fiecare ciur sau sită, inclusiv a trecerii prin ultimul ciur

sau sită, când nu depăşeşte 1 % din masa iniţială, se adaugă la fracţiunea cu

dimensiunea cea mai mică.

Dacă pierderea de masă este mai mare de 1 %, determinarea se repetă.

Ciuruirea cu instalaţia mecanică se efectuează ca şi ciuruirea manuală cu

precizarea că sitele sau ciururile sunt scuturate mecanic.

La cocsul mărunt ( cu granulaţia sub 10 mm ), ciuruirea probei se realizează

cu ajutorul instalaţiei mecanice iar porţiunile de probă, răspândite uniform trebuie

să acopere maxim 85 % din suprafaţa acestuia.

Restul sau trecerea prin fiecare ciur ( sită ) se exprimă în procente şi se

calculează cu ajutorul relaţiei :

Rest (trecere) = m

m

1

100 ( % ), unde :

m1 = masa restului (trecerii) prin ciur sau sită kg m = masa probei iniţiale luate în lucru kg

Dimensiunea medie (Dm) a bucăţilor de cocs se calculează astfel :

Dm = B a c C a b G f h g( ) ( )... ( ) 100

200 , unde :

a, b, c...f, g, h = dimensiunea ochiurilor sitelor (ciururilor), mm A, B, C...F, G, H = resturi cumulate, %

La efectuarea calculelor se consideră A = 0 % şi H = 100 % (pentru h=0

mm)

În Europa, analizele se fac pe ciururi din tablă cu ochiuri rotunde perforate,

cercul fiind forma geometrică care caracterizează cel mai bine forma unei bucăţi de

cocs.

Seriile de ciururi sunt de asemenea normate, după diametrul ochiurilor.

În cazul comparării datelor de diferite provenienţe, este necesar să se

efectueze calcule de echivalenţă, cu ajutorul relaţiei :

D = L x 25,4 x 1,1135 = 28,8 L, unde :

L = dimensiunea, în inch a laturii pătratuluiD = diametrul, în mm, al ochiurilor ciurului1,1135 = coeficient de trecere, stabilit experimental

Încercările industriale curente folosesc în general site de 80, 40, 20 şi 10

mm.

Cu ajutorul a 11 ciururi (site), de la 10 la 200 mm, s-au trasat curbe

granulometrice pentru eşantioane până la 100t, observându-se că partea cuprinsă

între 10 şi 80 % refuz este liniară.

Asimilând-o cu o dreaptă şi neglijând cele 10 % de refuz superior şi cele

20 % de refuz inferior, granulometria de 70 % a lotului de cocs poate fi definită

într-o manieră mai largă decât o suită de numere sau o curbă.

O expresie simplă a granulometriei lotului de cocs poate fi folosită pentru cei

trei indici prezenţi în cap. II.2.

D50 = D D25 75

2

Numărul unic ce caracterizează în primă aproximaţie mărimea cocsului

este : T = ( D25 + D75 ) - 2 (D25 - D75 ) sau

T = 3 D75 - D25

Rezistenţa mecanică

Rezistenţa mecanică constituie însuşirea cea mai reprezentativă pentru

aprecierea valorii de utilizare a cocsului. Folosirea unui cocs cu rezistenţă sub cea

prescrisă înseamnă compromiterea din punct de vedere cantitativ şi calitativ a

întregii producţii de fontă şi poate duce uneori chiar la avarierea agregatelor.

În principiu, rezistenţa cocsului se poate exprima prin rezistenţa la

compresiune, rezistenţa la cădere şi rezistenţa la roadere, în timpul unor solicitări

complexe.

Determinarea rezistenţei la compresiune se efectuează pe eşantioane cubice

cu media de 10...50 mm, supuse la comprimare până la sfărâmare, când se citeşte

pe dinamometru efortul exercitat.

Raportarea la secţiunea probei dă valoarea rezistenţei la compresiune

exprimată în kg/cm2.

Rezultatele depind de porozitatea, fisurile, structura, direcţia de comprimare

şi locul din bucata de cocs de unde a fost scos eşantionul.

Valorile determinate oscilează între 100...200 kg/cm2, fiind mai mari decât

solicitările care acţionează asupra cocsului în furnal.

Rezistenţa mecanică, ,,tăria” cocsului la cădere, este o expresie a gradului de

fisurare şi arată modul şi măsura în care acesta se va mărunţi, în special în urma

manipulărilor cu ocazia transportului sau al încărcării în furnal.

Pentru determinarea rezistenţei la cădere, în S.U.A. şi Anglia se foloseşte o

metodă care constă în efectuarea a patru căderi de pe o placă de fontă, de la

înălţimea de 1,83 m, a unei probe de cocs de 23 kg în bucăţi mai mari de 51 mm.

Rezistenţa se exprimă în funcţie de granulaţia cocsului după sfărâmare ( % de cocs

peste 51 mm şi % cocs peste 38 ). În ţările vest europene se foloseşte metoda

IRSID, în S.U.A. şi JAPONIA metoda ASTM.

Ciuruirea şi exprimarea în procente a cantităţii de cocs de o anumită

granulaţie care a rezistat unui anumit număr de căderi reprezintă tăria cocsului.

Cea mai complexă dintre încercări este determinarea rezistenţei cocsului la

tobă. Această determinare urmăreşte reproducerea- modelarea cu mare fidelitate a

proceselor din furnal, cocsul fiind supus unor solicitări multiple.

În principiu încercările pot fi totuşi separate în două categorii :

- de laborator

- industriale

Metoda cea mai utilizată la noi în ţară pentru determinarea rezistenţei

cocsului este cea standardizată, folosind toba MICUM industrială (STAS 5632-57).

Pentru efectuarea determinărilor proba de cocs se încarcă într-o tobă cu

diametrul interior de 1000 mm şi lungimea de 1000 mm care are în interior 4

corniere ( 100 x 100 x 10 ), dispuse la distanţe egale pe toată lungimea tobei.

Cu ajutorul unei furci, cu distanţa dintre coarne de 50 mm se ia din grămada

de 160 kg ( constituită din 24 probe elementare, fiecare a 7 kg ), cocsul de

granulaţie mare, alcătuindu-se 3 probe a 50 kg pentru două determinări paralele şi

una de rezervă.

Proba se încarcă apoi în tobă cu mâna. După încărcare, toba se închide şi se

roteşte cu 25 rot/minut, timp de 4 minute.

Urmează ciuruirea mecanică a cocsului, pe ciururi cu ochiuri rotunde de 40,

20 şi 10 mm, aşezate în cascadă.

O altă metodă de determinare a rezistenţei mecanice folosind toba

Nedelman, utilizată în cadrul UPB este prezentată în subcapitolul ,,Lucrări de

laborator”.

Cocsul încercat este caracterizat din punct de vedere calitativ de indicii M40

şi M10.

Indicele M40 reprezintă exprimarea în procente a fracţiunii mai mare de 40

mm rămasă în tobă.

Indicele M10 reprezintă, în procente, fracţiunea sub 10 mm rezultată în urma

încercării.

În tabelul de mai jos sunt prezentate câteva caracteristici ale tobelor de

laborator, utilizate la determinarea rezistenţei mecanice :

Toba Diametrul mm

Lungimea mm

Granulaţiecocs mm

Nr. rotaţii rot/min

Greutate probă g

Nedelman 250 750 15...25 930/1 100Sinuk 300 1000 40...50 40/50 1000

MICUM 500 2000 25...40 50/10 1000

Rezistenţa mecanică la cald

Cercetările efectuate au arătat importanţa pe care o are determinarea

rezistenţei la cald pentru caracterizarea calităţii cocsului, în condiţiile de lucru în

furnal.

Pentru această determinare s-au elaborat diferite metode, bazate pe :

- încălzirea cocsului în toba în care urmează să fie făcută determinarea;

- încălzirea cocsului într-un cuptor alăturat şi transvazarea lui în toba de

încercare.

În ţara noastră au fost elaborate două metode aparţinând grupei a doua de

determinări : o metodă de laborator a ICEM şi o metodă industrială, brevetată de

cercetătorii de la fostul CSH.

La ICEM s-a realizat o instalaţie de laborator alcătuită dintr-un cuptor

electric cu o retortă cilindrică etanşă, a cărei uşiţă inferioară poate fi deschisă de la

distanţă, completată cu o tobă MICUM de laborator cu diametrul de 500 mm,

lungimea de 2000 mm, prevăzută cu 3 corniere pe generatoare de 35 x 35 x 4 mm,

care se roteşte cu 50 rot/min.

Pentru stabilirea unui nivel al rezistenţei apropiat de valorile obişnuite la toba

MICUM industrială, s-au făcut experimentări care au indicat drept optimă

solicitarea de 500 rotaţii.

Proba de cocs necesară determinării se obţine din sfărâmarea şi ciuruirea

prin ochiuri rotunde de 40 mm şi 25 mm a probei de cocs industriale, uscată în aer.

O cantitate de 1 kg din proba industrială se introduce în tobă şi se supune celor

500 rotaţii, pentru stabilirea rezistenţei la rece.

Proba de 1 kg destinată determinării rezistenţei la cald se încarcă în cuptor şi

se încălzeşte 3 ... 4 ore cu ajutorul unor rezistenţe electrice, până la atingerea

temperaturii de 10000C, la care se menţine timp de 1 oră.

Închiderea etanşă a probei în retortă împiedică pierderile prin ardere sau

gazificare parţială.

Proba caldă se trece prin tobă, durata acestei operaţiuni fiind de 2 minute iar

pierderea de temperatură de 50 ... 600C.

Imediat se închide capacul tobei şi se începe rotirea cu 50 de ture/minut,

timp de 10 minute.

Rezistenţa se exprimă în procente, după ciuruirea probei prin ochiuri de 25 şi

10 mm.

În tabelul de mai jos sunt prezentate rezistenţele unor cocsuri la rece şi la

cald, la proba MICUM de laborator, după metoda ICEM :

Detalii Cocs clasicRomânia

Cocs clasicRusia

Cocs clasicCehia

Cocs brichete

ICEMRezistenţa + 25 mm 87,32 89,06 87,04 76,88

la 25...10 mm 6,42 4,01 4,99 12,87rece, % - 10 mm 6,26 6,93 7,97 10,30

Rezistenţa + 25 mm 80,10 89,78 86,15 81,15la 25...10 mm 13,11 2,59 8,24 8,50

cald, % - 10 mm 6,79 7,63 5,61 10,35Modificare + 25 mm - 8,28 0,83 - 1,02 5,63

% - 10 mm 8,5 10,1 29,20 0,48Pierdere în greutate

%4,35 4,67 4,57 6,75

Metoda industrială, pusă la punct la Hunedoara constă în încălzirea într-un

cuptor cu silitră a probei de 50 kg de cocs care apoi este trecută printr-un jgheab,

într-o tobă MICUM normală, unde i se determină rezistenţa în mod obişnuit.

În cazul în care arderile sau pierderile de praf degajat la transvazare nu sunt

prea mari, se obţin valori comparabile cu cele ale rezistenţei MICUM, determinată

la rece, care exprimă calitatea cocsului metalurgic în condiţiile de temperatură din

furnal.

Metode complexe de apreciere a rezistenţei cocsului

Întrucât determinarea rezistenţei cocsului la cald necesită aparatură specială

şi complicată, se pot obţine rezultate orientative prin metoda solicitărilor repetate

în toba MICUM, la un număr mai mare de turaţii. În acest sens se poate utiliza

metoda IRSID : se supune o probă de cocs mai mare de 20 mm la rotire în toba

MICUM industrială, timp de 20 minute ( 500 rotaţii ).

Rezultatele se exprimă în procente de material rămas pe ciurul cu ochiuri de

20 mm şi trecut prin ciurul de 10 mm.

Pentru compararea diferitelor calităţi de cocs, ICEM a propus şi folosit în

lucrările sale un indice complex de apreciere :

Vk = 2a1 - b1 - d

10 -

R

10 +

10

p +

Cfix

2, unde

Vk = valoarea cocsuluia1 = I20: b1 = I10

d = greutatea volumetrică

R = reactivitatea cocsului , R = CO

CO CO2 0 5100

,

p = pierderea de presiune în coloana de aer cu L = 2000 mm, = 234 mm, la un debit de 200 m3 aer/h

II.4. Lucrări de laborator pentru determinarea reactivităţii şi rezistenţei mecanice

În vederea cercetării influenţei calităţii cocsurilor utilizate la Galaţi am efectuat

următoarele lucrări de laborator :

II.4.1. Determinarea reactivităţii cocsurilor utilizate la furnale

Obiectul şi scopul cercetării de laborator

Reactivitatea cocsului este capacitatea de reacţie cu gaze oxidante, în

condiţiile din furnal, fiind de maximă importanţă oxireactivitatea ( reacţia cocsului

cu oxigenul sau cu aerul sulfat ), carboxireactivitatea ( reacţia cu CO2 ),

hidroreactivitatea ( reacţia cocsului cu H2O ).

Reacţiile dintre carbonul cocsului care ajunge în faţa gurilor de vânt şi O2,

CO2, H2O au loc în zona oxidantă din creuzet.

Determinarea reactivităţii se face prin trecerea unui curent de CO2 printr-o

masă de granule de cocs de 10 ... 25 mm, la temperatura de circa 9000C.

Reactivitatea se exprimă prin cantitatea de CO2 care a trecut în CO după reacţia cu

carbonul cocsului.

Variaţia reactivităţii cocsului influenţează în limitele restrânse mărimea

zonei de ardere din creuzet.

În general, compoziţiile cocsurilor utilizate ( analiza tehnică ) sunt

cunoscute, fiind urmărite sistematic. În mod similar se procedează şi cu granulaţia

cocsurilor.

Aparatura utilizată

Se utilizează instalaţia prezentată schematic mai jos :

Este de remarcat faptul că această metodă se foloseşte cu rezultate bune în

ultimii ani în Italia la Italsider şi în Franţa de către Chercher Morien.

Desfăşurarea experimentului

Se utilizează probe de cocs cu greutatea de 400 grame şi cu granulaţia de

10 ... 25 mm.

Proba e încărcată în nacela (3) din plasă de oţel inoxidabil, cu diametrul

interior de 120 mm şi înălţimea de 300 mm. Nacela cu proba de cocs se introduce

în tubul de oţel inoxidabil (1) cu diametrul de 140 mm şi lungimea de 1000 mm,

aşezată în poziţie verticală în interiorul cuptorului (4) încălzit cu bara de silită.

Determinările se efectuează la o temperatură constantă de 9000C măsurată de

termocuplul (12), de tip Pt1, Pt, Rh introdus în probă.

După circa 5 minute de purjare cu azot din butelia (13) se suflă din butelia

(5) CO2 cu debitul de 12 l/min, timp de 30 minute. Înainte de a ajunge la proba de

cocs incandescentă gazul trece prin rotametrul (9), contorul de gaz (10) şi prin

vasele de purificare umplute cu vată (6), acid sulfuric (7) şi clorură de calciu (8).

Variaţia greutăţii probei în timpul suflării CO2 este arătată de balanţa (14).

După 30 minute se purjează din nou proba cu azot după care se lasă să se

răcească lent circa 24 ore în cuptorul cu atmosferă neutră de azot. Urmează

extragerea probei, cântărirea acesteia şi ciuruirea pentru determinarea refuzului la

sita cu ochiuri de 10 mm.

Rezultatele experimentale şi interpretarea acestora

Se stabileşte prin cântărire cantitatea de C din cocs care a intrat în reacţie cu

CO2 ca diferenţa dintre (M1) masa iniţială a probei şi (M2) masa finală după reacţia

cu CO2.

Reactivitatea se determină cu relaţia :

R = M M

M

1 2

1

100

( % )

Se stabileşte în continuare după cântărirea refuzului la sita cu ochiurile de 10

mm, ce cantitate de cocs mai păstrează dimensiunile iniţiale şi se raportează

procentual faţă de masa iniţială.

II.4.2. Determinarea experimentală a rezistenţei mecanice a cocsurilor

Obiectul şi scopul cercetării de laboratorRezistenţa mecanică a cocsurilor este principala caracteristică mecanică a

cocsului.

Cocsul introdus în furnal pe la gura de încărcare suportă căderi şi frecări.

Acestea pot conduce la sfărâmarea bucăţilor ceea ce va produce o înrăutăţire a

circulaţiei gazelor prin încărcătură, agăţări, arderi de guri de vânt, etc.

Rezistenţa cocsului reprezintă suma rezistenţelor la compresiune, forfecare,

frecare, presare, şoc dinamic şi se determină pe baza unor probe în care cocsul este

supus la eforturi prin lovire şi frecare la rostogolirea într-un tambur.

În condiţii de laborator se utilizează o tobă de dimensiuni mai mici,

prezentată sub numele de toba Nedelmann.

Experimentările se desfăşoară cu probe de cocs aduse de la S.C. ISPAT

SIDEX GALAŢI.

În această lucrare se urmăreşte îndeosebi corelaţia dintre analiza tehnică a

cocsului, în special conţinuturile de cenuşă (A) şi de volatile (V) şi rezistenţa

mecanică.

Aparatura utilizată

Se utilizează toba Nedelmann care are un tambur de 180 mm diametru,

70 mm lăţime şi trei ciocane pe ax. Tamburul este antrenat în mişcare de rotaţie

prin intermediul unui grup motor reductor. Axul cu ciocănele are o mişcare de

rotaţie în sens invers tamburului.

Viteza de rotaţie este de 18 rot/minut.

Desfăşurarea experimentuluiProba de analizat în greutate de 100 grame şi cu o granulaţie de 10 ... 25 mm

este introdusă în tambur. Acesta se pune în mişcare de rotaţie timp de 2 minute

( 36 rotaţii ). După rotire cocsul se trece peste site cu ochiuri pătrate de 10 mm şi 1

mm, după care se determină prin cântărire greutatea refuzului la sita cu ochiuri de

10 mm şi a trecerii la sita cu ochiuri de 1 mm.

Rezultatele experimentale şi interpretarea acestoraSe calculează, utilizând masele (m1) a probei iniţiale de cocs ( 100 grame ),

( m2 ) a refuzului la sita de 10 mm şi ( m3 ) a trecerii la sita cu ochiuri de 1 mm.

Toba Nedelmann are diametrul tamburului 180 mm, lungimea 70 mm,

turaţia 18 rot/min. Pe axă are 3 ciocane ce se rotesc în sens invers.

Rezultatele determinării de rezistenţă la tobă se exprimă prin indicatorii :

N1 = m

m

3

1100 %

N10 = m

m

2

1100 %, unde :

N1 = indicele de roadere N10 = indicele de rezistenţă

Efectuarea acestor determinări de rezistenţă înaintea testării reactivităţii

furnizează informaţii interesante asupra comportării cocsului în furnal, în condiţiile

unei temperaturi ridicate şi reacţiei cu CO2. Determinarea rezistenţei la tobă pentru

cocsul care a intrat în reacţie cu CO2 se face după ce tubul de reacţie cu proba de

cocs a fost lăsat să se răcească în atmosferă de azot, de la T = 900 0C până la

temperatura ambiantă.

III STADIUL ACTUAL AL CERCETĂRILOR ASUPRA PROPRIETĂŢILOR FIZICO-CHIMICE ALE COCSULUI METALURGIC

III. 1. Aspecte ale cercetării proprietăţilor fizico-chimice

Cercetările întreprinse în ultimii ani de către specialiştii în domeniu au vizat,

în special, obţinerea unor condiţii de calitate pentru cocsul metalurgic care să

permită asigurarea unor consumuri specifice cât mai reduse, la un nivel superior de

productivitate.

Faţă de rezultatele experimentărilor expuse anterior a fost necesară

introducerea unor testări suplimentare care să prevină apariţia unor deranjamente în

funcţionarea furnalului.

S-a insistat asupra problemei reactivităţii cocsului datorită metodologiei de

determinare greoaie şi neconcludente precum şi necorelării acesteia cu

determinările de rezistenţă.

În ultimul timp se acordă o importanţă tot mai mare

problemei ,,standardizării cocsului” , operaţie care constă în sfărâmarea bucăţilor

de cocs care depăşesc 60 sau 80 mm - prin manipulări în depozite şi pe fluxurile de

transport sau prin concasare menajată - astfel încât să se încarce în furnal cocs cu

limite de granulaţie cât mai apropiate.

Desigur că un cocs stabilizat va avea şi caracteristici de rezistenţă mai

favorabile.

Teoriile mai vechi privind comportarea cenuşii cocsului considerau că

aceasta este o zgură acidă care nu reacţionează în procesele din furnal, necesitând

doar o anumită cantitate de fondant pentru neutralizare şi căldură pentru topire.

În realitate, cercetările recente au demonstrat că la temperaturi cuprinse între

1400 şi 16000C, 50 până la 80 % din oxigenul componenţilor cenuşii ( 45 ... 60 %

SiO2, 25 ... 30 % Al2O3 , 1,5...7 % CaO; 4...15 % Fe2O3, 1...3,5 % K2O, 0,3...1,3 %

Na2O, 0,6 ... 2 % MgO, 1 ... 1,5 % TiO2, 0,5 ... 1 % P2O5 ) reacţionează cu

carbonul din cocs, formând carburi şi degajând CO şi CO2. Aceste reacţii sunt mai

evidente în cazul unui cocs mai reactiv. Ca urmare, cocsul pierde între 3 şi 15 %

din greutate, îşi modifică structura şi se fragilizează înainte de a ajunge în zona

gurilor de vânt.

Produsul fabricat în cuptoarele clasice de cocs conţine o matrice de carbon

practic pură, asociată cu cenuşile care rezultă din alterarea termică a mineralelor.

La scara de 1 mm, cocsul prezintă o structură poroasă caracteristică, în care se

păstrează amprenta degajării materiilor volatile, degajare care însoţeşte faza

plastică a procesului de pirogenare.

Pereţii porilor sunt realizaţi dintr-o fază cărbunoasă ce include şi cenuşi.

Structura fazei cărbunoase poate fi caracterizată la scară microscopică prin gradul

de organizare, care dovedeşte grafitabilitatea materialului. Reactivitatea cocsului

faţă de gazul carbonic oferă măsura indirectă a gradului de organizare. Observarea

la microscopul optic pune în evidenţă existenţa unei anizotropii caracteristice, a

cărei amplitudine se estompează odată cu reducerea rangului de cărbuni. Astfel se

poate stabili o relaţie între gradul de organizare a carbonului şi natura cărbunilor.

Structura cocsului trebuie să fie omogenă, cu pori de dimensiuni mici, lipsită

de zone buretoase şi de grăunţi neintegraţi în masa omogenă de bază.

Densitatea reală, densitatea aparentă precum şi porozitatea sunt caracteristici

greu de determinat şi, în plus, nu permit o corelare cu modul de comportare al

cocsului în furnal.

Rezistenţa cocsului se determină, în general pe baza unor testări efectuate la

tobă, folosind probe MICUM, IRSID sau ASTM. Se folosesc şi tobe mai mici

pentru testarea cocsurilor supuse procesului de gazificare.

În ţara noastră se folosesc variante ale probei MICUM pentru care se

urmăreşte folosirea unor probe de cocs cât mai apropiată de cea din furnal.

În această situaţie, proba de cocs pentru determinare care se trece peste un

ciur cu ochiurile de 60 mm prezintă un interes limitat deoarece indicele M40 obţinut

depinde în mare măsură de fisurabilitatea cocsului.

Dacă proba de cocs se formează la cocserie, trebuie avut în vedere că

bucăţile de cocs care intră în probă au mici şanse de a ajunge în furnal, ca urmare a

sfărâmării ce apare în timpul manipulărilor intermediare. În mod evident, rezistenţa

M40 a cocsului ajuns la furnal va fi mai mare decât cea determinată, datorită

procesului de stabilizare naturală a cocsului.

Dacă proba de cocs se formează la furnal, apar dificultăţi legate de cantitatea

mică de bucăţi de cocs mai mari de 60 mm, ceea ce face ca proba să nu fie

reprezentativă.

În numeroase uzine se formează probe de cocs din bucăţi mai mari de 25

mm, caz în care indicatorii de rezistenţă sunt refuzul pe sita de 25 mm şi trecerea

prin sita de 10 mm.

Se acordă o importanţă tot mai mare indicelui M10, acesta depinzând mai

ales de structura şi coeziunea bucăţilor de cocs. Încărcarea în furnal a unor cantităţi

de cocs cu slabă rezistenţă la abraziune determină dificultăţi în procesul de

exploatare.

În numeroase lucrări de cercetare se apreciază calitatea cocsului în funcţie

de compoziţia granulometrică, în paralel cu indicii de rezistenţă la tobă.

Se apreciază că modul de comportare a cocsului în furnal este dependent, în

egală măsură de compoziţia granulometrică la încărcare şi de indicii de rezistenţă

la tobă, în special indicele de abraziune.

În legătură cu rezistenţa mecanică un grup de cercetători condus de J.D.

Lister au efectuat o serie de experimente în privinţa degradării cocsului prin

roaderea suprafeţei, într-o tobă rotativă modificată. Pentru aceste experimente, au

fost folosiţi indicii empirici I20 - indice de rezistenţă şi I10 - indice de roadere.

Aceşti indici nu pot fi legaţi direct de proprietăţile fundamentale ale cocsului.

S-a propus o abordare care să considere procesul de degradare a cocsului în

tobe rotative ca fiind un proces rapid. Prin stabilizarea cocsului şi îndepărtarea

materialului cu granulaţia sub 1 mm la intervale regulate, degradarea cocsului prin

rupere la suprafaţă a putut fi descrisă cu ajutorul ecuaţiei :

dm

dNK ma

11 , unde:

m1 = masa bulgărilor de cocs care rămânN = numărul de rotaţiiKa = constanta vitezei de rupere la suprafaţă

Prin integrare, relaţia de mai sus devine :

ln m

mK Na

1

0 unde mo = masa iniţială a cocsului

În cadrul experimentelor s-a studiat efectul parametrilor tobei şi a

dimensiunilor cocsului asupra constantei vitezei de rupere la suprafaţă, în vederea

stabilirii modului de producere a măruntului.

Experimentele au fost realizate la o tobă având dimensiunile tobei MICUM

( = 1 m, L = 0,5 m ), prevăzută cu un ciur de 1 mm care a permis înlăturarea

continuă a măruntului, pe trei probe de cocs, două prelevate din aceeaşi baterie în

timpul unor perioade de funcţionare diferite iar una prelevată din altă baterie de

cocsificare.

Condiţiile standard prevăd utilizarea unei probe de 10 kg, viteza de rotire a

tobei 25 rot/min şi plasarea în interiorul tobei a două corniere cu o înălţime de

100 mm. Proba este supusă, în total, la 1400 rotaţii.

S-au studiat efectele numărului de corniere, ale înălţimii cornierului, ale

vitezei tobei, ale dimensiunii particulelor şi a masei probei asupra constantei

vitezei de rupere la suprafaţă.

În funcţie de viteza de rotaţie a tobei s-a observat o valoare maximă a

constantei de rupere la suprafaţă pentru o viteză de 25 rot/min, după care aceasta

scade foarte rapid.

În raport cu masa probei, experienţele efectuate au arătat că viteza de rupere

la suprafaţă este constantă pe intervalul 5 ... 25 kg.

Pentru determinarea influenţei numărului de corniere şi a înălţimii acestora

s-au folosit probe fără corniere, cu 2 şi cu 4 corniere. Înălţimea cornierelor a variat

între 5 ... 100 mm.

Experienţele efectuate au arătat că singurul caz în care se înregistrează o

modificare semnificativă a constantei vitezei de rupere la suprafaţă este acela în

care lipsesc cornierele. În acest caz valoarea constantei vitezei de rupere la

suprafaţă scade până la 5 % din valoarea pe care o are în cazul prezenţei

cornierelor.

Referitor la efectul dimensiunii particulelor asupra constantei vitezei de

rupere la suprafaţă, în toate cele 3 cazuri s-a constatat o creştere a constantei

vitezei de rupere la suprafaţă odată cu creşterea dimensiunilor bucăţilor de cocs.

Gradientul graficului pentru toate cele 3 cazuri se află în domeniul 0,32 ... 0,34,

ceea ce a permis formularea unei relaţii empirice :

ki = ( d

d

i

x )o,33 kx

di = dimensiunea geometrică medie pentru fracţia ,,i”dx = dimensiunea de referinţăki = constanta vitezei de rupere la suprafaţă pentru fracţia ,,i”kx = constanta vitezei de rupere la suprafaţă pentru fracţia de referinţă

Se poate spune că viteza de rupere la suprafaţă depinde în mod nemijlocit de

dimensiunile bucăţilor de cocs.

În figura de mai jos este reprezentată schematic mişcarea particulelor în toba

rotativă.

Pe măsură ce se roteşte cornierul, acesta prinde o porţiune din cocs. O parte

alunecă de pe cornier înainte de a atinge planul orizontal. Cocsul care nu este a

cooptat alunecă şi se rostogoleşte pe fundul tobei. Cocsul care se ridică în planul

orizontal cade la un unghi foarte strâns, pe măsură ce cornierul se apropie de planul

vertical. Al doilea cornier preia cocsul care rămâne pe fundul tobei şi o parte din

cocsul care a căzut din primul cornier.

Asupra mecanismului de rupere la suprafaţa cocsului au fost emise 3 ipoteze

:

1. Abraziunea particulă - particulă, pe măsură ce ele se rostogolesc şi se

freacă unele de altele.

2. Abraziunea particulelor atunci când alunecă sau se rostogolesc pe

suprafaţa tobei.

3. Ruperea produsă prin lovire atunci când bucăţile de cocs cad de pe

cornier şi se lovesc de toba care se rostogoleşte.

Ca urmare a lipsei cornierelor se observă că constanta vitezei de rupere la

suprafaţă scade mult. Astfel se poate considera că mecanismul principal al ruperii

este cel prezentat la punctul 3.

Deci, măruntul nu se produce printr-un proces de abraziune, ci printr-o

combinaţie de forţe de măcinare şi de forfecare ce apar la căderea bucăţii de cocs

de pe cornier pe toba rotativă.

Concluziile acestui studiu pot fi formulate astfel :

a) constanta vitezei de rupere la suprafaţă are valoarea maximă la o

viteză de 25 rotaţii/minut, după care scade foarte rapid;

b) masa probei şi înălţimea dispozitivului de ridicare au avut un efect

neglijabil asupra constantei vitezei de rupere la suptafaţă, pentru întregul

interval;

c) constanta vitezei de rupere la suprafaţă creşte odată cu creşterea

dimensiunilor particulelor de cocs iar această relaţie poate fi reprezentată

prin intermediul unei ecuaţii empirice;

d) mecanismul de producere a măruntului într-o tobă rotativă nu este

abraziunea ci ruperea produsă prin lovire atunci când bucăţile de cocs cad

de pe cornier şi se lovesc de toba care se roteşte;

e) constanta vitezei de rupere la suprafaţă poate fi normalizată, astfel

încât să permită comparaţia între diferite tipuri de cocs cu diferite

distribuţii ale dimensiunilor acestora.

III. 2. Studii asupra proprietăţilor termochimice

Efectele variaţiilor de reactivitate ale cocsului asupra proporţiei reducerilor

indirecte şi directe sunt foarte dificil de pus în evidenţă deoarece se lucrează cu

amestecuri de cocsuri şi, în plus, se suprapun cu alţi factori care influenţează

reducerile ( reductibilitatea, durata de trecere prin furnal, compoziţia, presiunea şi

viteza gazului reducător ).

Oxidarea cocsului la temperatură ridicată a fost studiată de un grup de

cercetători, conduşi de Y.Iwanaga.

Acest studiu a fost efectuat pentru o descriere a procesului de gazificare

luând în considerare modificările structurale ale particulelor de cocs.

Ca probe au fost utilizate trei tipuri de cocs ale căror proprietăţi sunt

prezentate în tabelul de mai jos :

Tipulcocsului

Cenuşă( % )

Densitate Kg/m3

Porozitate ( % )

Micro-rezistenţ

a ( % )

DI3015 CRI

( % )CSR( %)

A 7 1382 29,2 54,5 92 17,8 70,4B 10,5 1081 41 53,8 93,5 32,4 57,1C 10,8 1153 40,9 56,7 86,3 46 37

În principiu cocsul, de formă sferică, suspendat cu sârmă de platină este

încălzit şi adus în contact cu gazul de reacţie după care i se măsoară pierderea în

greutate, cu ajutorul unei termobalanţe.

Se presupune că această pierdere în greutate se datorează descompunerii

carbonaţilor, sulfaţilor şi altor compuşi ai cenuşii.

Din punct de vedere teoretic se pot formula două modele privind modul cum

se desfăşoară reacţiile :

- modelul cu miez nereacţionat;

- modelul de difuziune.

Modelul cu miez nereacţionat

Studiile efectuate asupra arderii agenţilor de carburare cu oxigenul au arătat

că reacţia are loc numai la suprafaţa cocsului, la temperaturi mai mari de 9000C.

Se poate considera că viteza de reacţie este controlată de difuziunea

oxigenului din jetul de gaz spre suprafaţa cocsului.

Deoarece rezistenţa la difuziune în filmul de gaz este mult mai mare decât

rezistenţa la reacţia chimică, la o temperatură atât de ridicată, viteza de gazificare

este controlată numai de transferul de masă din filmul de gaz.

Modelul de difuziune

În ceea ce priveşte reacţiile cocsului cu CO2 şi H2O au fost elaborate mai

multe studii care se bazează pe viteza reacţiei chimice, luând în considerare

absorbţia pe suprafaţa porilor, transferul de masă şi de căldură din interiorul

particulelor.

Aceste studii pot fi aplicate numai în etapele iniţiale ale reacţiei unde viteza

de reacţie poate să fie considerată constantă iar modificarea structurală din

particulele de cocs poate fi neglijată.

Cocsul cu un conţinut scăzut de cenuşă îşi micşorează dimensiunile prin

dispariţia carbonului în urma reacţiei. Chiar dacă este utilizat un cocs cu conţinut

mai mare de cenuşă, contracţia are loc în momentul în care stratul de cenuşă nu s-a

format încă.

Rezultatele cercetărilor au permis formularea următoarelor concluzii :

-oxidarea cocsului cu O2 se desfăşoară rapid iar etapa limită de reacţie este

difuzia prin filmul de gaz;

-reacţia cocsului cu CO2 şi H2O este controlată de difuzia gazului în

interiorul bucăţii de cocs;

-în zonele din furnal care au o temperatură mai scăzută de 15000C, viteza de

reacţie a cocsului cu H2O pare să o depăşească pe aceea a reacţiei cu CO2 iar la

peste 15000C se pare că vitezele reacţiilor menţionate sunt aproape egale.

Procesul de gazificare a cocsului în furnal a fost studiat în detaliu de către o

echipă de cercetători condusă de C. Offray. Aceştia au analizat reacţiile la care

participă cocsul, atât pe baza schemei de funcţionare a furnalului propusă de

Michard cât şi pe baza mecanismelor de reducere a oxizilor de fier în cuva studiată

de Rist.

În zona de pregătire, cocsul inert din punct de vedere chimic este supus mai

întâi unei încălziri rapide prin care pierde umiditatea şi o mare parte din volatile.

După zona de pregătire, urmează o zonă practic izotermă ( cu o temperatură

de circa 9500C ) numită zona de rezervă termică. Existenţa acestei zone este legată

de prima reacţie de gazificare la care este supus cocsul :

CO2 + Ccocs 2 CO sau H2O + Ccocs H2 + CO

Aceste reacţii fixează temperatura zonei de rezervă termică. Reacţiile au loc

în partea superioară a zonei de elaborare şi, prin regenerarea capacităţii reducătoare

a gazului, are loc reducerea rapidă a wustitei în fier, înainte de topire. Prin aceste

reacţii se consumă între 25 şi 30 % din cocsul introdus în furnal.

În partea inferioară a zonei de elaborare cocsul se încălzeşte până în zona de

topire sub care rămâne singurul material solid. În această fază are loc reducerea

oxizilor neferoşi ( SiO2, MnO, P2O5 ) precum şi procesul de carburare a fontei.

Pentru aceste procese se consumă circa 15 % cocs. Tot în această zonă se dezvoltă

şi ciclul potasiului în funcţie de evoluţia căruia se pot produce modificări

importante ale proprietăţilor cocsului.

Cvasitotalitatea cocsului rămas este consumată în zona gurilor de vânt sub

acţiunea gazelor oxidante. O mică parte din cocsul rămas serveşte la carburarea

fontei în creuzet.

S-a urmărit examinarea reacţiei de gazificare ce are loc în partea superioară

a zonei de elaborare. De fapt se produc simultan două reacţii cunoscute sub

denumirea comună de ,,reducere directă” :

Ccocs + (CO2, H2O ) CO + (H2, CO )FeO + ( CO, H2 ) Fe + ( CO2, H2O )

Fiecare din cele două reacţii modifică cinetica celuilalt material prin

intermediul fazei gazoase. Se ştie că în furnal materialele solide şi gazele circulă în

contracurent iar forma locală a profilului termic rezultă direct din avansarea acestor

reacţii.

S-a constatat că temperatura zonei de rezervă termică este legată de natura

cocsului, o temperatură mai mică corespunzând unui cocs mai reactiv. Această

temperatură poate fi considerată ca temperatură de început a gazificării.

În zona izotermă se dezvoltă reacţiile de reducere cu oxid de carbon şi

hidrogen a oxizilor superiori de fier la wustită.

Deci, o caracteristică importantă a cocsului este temperatura de început a

gazificării : dacă aceasta este prea mică, reducerea la wustită nu va avea loc

complet ceea ce va determina un necesar suplimentar de căldură în zona inferioară;

dacă este prea mare deplasarea echilibrului reacţiei de transformare a wustitei în

fier este nefavorabilă :

Poziţia Viteza de gazificareredusă

Viteza de gazificareridicată

Partea inferioarăa cuvei

-reducere directă slabăîn stare solidă-încălzire rapidă a încăr-căturii-înmuierea precoce aîncărcăturii

-reducere indirectă intensăîn stare solidă-încălzire lentă a încărcăturii-înmuiere târzie a încărcăturii

Zona de fuziune-fuziune la temperaturamică a încărcăturii-zona de fuziune extinsă-reducere directă intensă

-fuziune la temperaturăridicată-zonă de fuziune restrânsă-reducere directă slabă

Zona de supraîncălzirea fazelor lichide

-reducere finală a zgurii-reducerea silicei şidesulfurarea târzie

-zgura este redusă-reducerea silicei şi desulfurareprecoce

Pe baza rezultatelor obţinute au fost stabilite următoarele concluzii :

- temperatura de început a gazificării trebuie să fie cuprinsă între 9000C şi 10000C;

- viteza de gazificare trebuie să fie mare, pentru o temperatură superioară pragului

de gazificare, astfel încât să se obţină o zonă de rezervă termică destul de înaltă şi

o zonă de fuziune relativ scurtă ( ceea ce permite o bună desulfurare a fontei ).

Încercările de determinare a reactivităţii cocsului pot fi grupate după

metodele folosite pentru analiza acestei caracteristici :

1. Se foloseşte praf de cocs fin măcinat, aflat într-o incintă izotermă

peste care se trece un gaz ( în general CO2 pur ). Desfăşurarea reacţiei se urmăreşte

prin termogravimetrie. Rezultatele sunt dificil de extins asupra analizei proceselor

fizico-chimice din furnal ca urmare a diferenţelor mari de granulaţie.

2. Condiţiile sunt foarte apropiate de cele prezentate anterior, diferenţa

constând în aceea că sunt folosite bucăţi de cocs separate. Rezultatele care se obţin

sunt foarte dispersate ceea ce obligă la efectuarea unui număr mare de încercări.

3. În această categorie se încadrează cea mai mare parte a metodelor folosite

în laboratoarele industriale. Sunt încercări în strat fix folosind o cantitate de cocs

până la 1 kg, de granulaţie apropiată celei folosite la furnal.

Dificultăţile legate de aceste metode se referă la problemele puse de

încălzirea probei, cantitatea mare de gaz necesară precum şi de faptul că

temperatura şi compoziţia gazului variază pe înălţimea stratului de material. Totuşi

aceste metode se folosesc la scară industrială pentru controlul calităţii cocsului şi

în vederea determinării ulterioare a rezistenţei mecanice, după gazificare.

4. Această metodă a fost pusă la punct de IRSID şi constă în a reactiva

cocsul şi gazul reactiv în cocurent, într-un profil de ridicare a temperaturii.

Utilizarea cocurentului suplineşte absenţa oxizilor de fier. Variaţia compoziţiei

gazului depinde doar de reactivitate, fiind absentă reacţia de reducere.

Toate aceste metode acordă importanţă doar reactivităţii cocsului, neputând

exprima cantitativ intensitatea transferurilor de carbon şi oxigen dintre solide şi

gaz, în partea superioară a zonei de elaborare.

Pentru a obţine rezultate semnificative este necesară folosirea unor

amestecuri de cocs şi oxizi de fier.

5. Se utilizează cuptorul pus la punct de Rist care permite realizarea în

laborator a contracurentului gaz-solide şi studiul reducerii oxizilor de fier. În acest

aparat curentul materialelor solide este simulat printr-o deplasare în sens invers a

unui cuptor cu profil termic impus.

Tubul este încărcat cu straturi alternante de cocs şi aglomerat iar gazul suflat

este un amestec de CO, H2, N2, având o compoziţie apropiată de cea a gazului

obţinut în furnal, în zona gurilor de vânt.

Clasificarea încercărilor de măsurare a reactivităţii cocsului

Nr. Produsulstudiat

Granulo-metria

Condiţionare Masă Măsurătoriefectuate

Domeniulde utilizare

Inconvenienţe şi limite

1. Cocs praf strat fin 1 g termogravimetrie determinareaparametrilorcinetici

granulometrieprea fină

2. Cocs bucată bucatăizolată

1 g termogravimetrie determinareaparametrilorcinetici

dispersare preamare a rezultatelor

3. Cocs bucăţi strat fix 100g ... 1 kg termogravimetrie;analiza gazului

controlulfabricaţiei

parametri operatorislab definiţi

4. Cocs bucăţi cocurentgaz-solide

5 kg analize alegazului

simularea cuvei furnalului

absenţa aglomeratului

5. Cocsaglomerat

bucăţi cocurentgaz-solide

2 kg analize alegazului

simularea cuveifurnalului

încercare costisitoare

Schema instalaţiei experimentale este următoarea :

1 9 7

2 2 8 3

4

5 6 10

în care : 1 - gaz reducător; 2 - cuptor; 3 - tub de reacţie; 4 - sondă; 5 - evacuare; 6 - gaz prelevat; 7 - calculator; 8 - spectometru de masă; 9 - voltmetru; 10 - recipient cu gaze etalon

III. 3. Analize structurale ale cocsului metalurgic

În lucrările de cercetare se întâlnesc metode de analiză aprofundată a

structurii cocsului.

Structura cocsului poate fi studiată prin :

- observare macroscopică, ce permite o evaluare a gradului de fisurare,

mărunţire la apăsare şi prăfuire la frecare;

- determinare microscopică a compoziţiei petrografice cantitative a

probelor, inclusiv a porozităţii; pe şlifuri s-au observat tipul structurii şi repartiţia

substanţei de cocs în masa bucăţii, porozitatea totală, forma şi mărimea porilor,

sistemul interpori.

Studiile efectuate asupra structurii cocsurilor supuse probelor de rezistenţă şi

reactivitate au relevat următoarele :

- topirile relative slabe în faza plastică determină o coeziune slabă între

granule care se manifestă prin fisurare macroscopică accentuată, mărunţire la

presare şi prăfuire la frecare;

- compoziţia calitativă a substanţei de cocs diferă, în funcţie de ponderea

substanţei reactive ( vitrinit ), parţial reactive (inertinit ) sau nereactive;

- reactivitatea vitrinitului este diferită, corespunzător proporţiei de cocs

izotrop, respectiv anizotrop;

- reactivitatea este influenţată şi de posibilităţile de acces ale gazului spre

granulele de carbon;

- substanţa de cocs, anizotropă se află sub forma unui mozaic foarte fin,

punctiform şi slab reflectant, provenit din huile grase de cocs;

- prezenţa structurilor izotropice foarte poroase precum şi a celor

anizotropice de diferite forme şi mărimi arată că s-a cocsificat o şarjă foarte

complexă, care a conţinut şi cărbuni inferiori ( huile de gaz ).

Analiza texturii cocsului a permis explicarea proprietăţilor acestuia. Astfel,

cocsul este format din structuri policromatice cu orientări diferite. Fiecare din

aceste structuri se comportă ca un cristal anizotrop, atunci când mărimea lor

depăşeşte 0,7 m. Aceste structuri pot fi studiate cu microscopul optic permiţând

descrierea gradelor de organizare a scheletului de carbon al cocsului.

Au fost mult folosite la cercetarea structurii cocsului spectrele de difracţie

ale radiaţiilor RÖENTGEN . Ele permit o apreciere mai exactă a gradului de

grafitare a cocsului şi dau indicaţii în legătură cu natura acestuia.

Profesorul Reley a desfăşurat o cercetare sistematică a structurii cocsului cu

ajutorul difracţiei razelor ,,X”.

S-au putut determina cu aproximaţie de 10 % dimensiunile medii ale

cristalelor substanţelor organice considerate anterior ca amorfe. Aceste cristale pot

fi considerate având forma unor cilindri plaţi cu diametrul ,,a” şi grosimea ,,c”.

Reley a supus la temperatură crescută progresiv, în atmosferă de azot corpuri

organice pure ( celuloză ) precum şi eşantioane fără cenuşă şi uscate ale diferitelor

feluri de cărbuni.

În aceste condiţii, dimensiunea ,,a” variază cu creşterea temperaturii

degajarea materiilor volatile şi creşterea conţinutului de carbon iar

dimensiunea ,,c” poate fi considerată proporţională cu lărgimea stratului cristalin.

Această concepţie îl conduce pe profesorul Reley la reprezentarea limitei ca

o îngrămădire de lamele plate care nu conţin decât atomi de carbon separaţi, de

grosimi variabile, de lamele de ,,bitum”. Lamelele au la cald o mobilitate cu atât

mai mare cu cât sunt mai numeroase.

Mobilitatea determină plasticitatea huilelor în cazul fuziunii permiţând astfel

lamelelor de carbon să se reorganizeze.

Astfel, dimensiunile carbonului variază uşor în cursul fuziunii pentru că

lamelele diverg iar în timpul solidificării se micşorează deoarece lamelele se

strâng.

III. 4. Tendinţe actuale în caracterizarea comportării cocsului în furnal

Observaţiile asupra degradării cocsului în furnal au fost efectuate prin mai

multe metode, astfel :

- secţionarea furnalelor răcite care a permis obţinerea unei imagini

tridimensionale a stării interne a agregatului;

- prelevarea cocsului prin unele guri de vânt modificate în acest scop;

- folosirea unei instalaţii de prelevare a probelor de cocs care permite

accesul până în centrul furnalului;

Rezultatele sondajelor efectuate, folosind ultimul precedeu pot fi sintetizate

astfel :

1. Se observă o reducere globală a granulaţiei de la o valoare medie de

65 mm ( la gura de încărcare ) la 40 mm ( în zona gurilor de vânt ).

De asemenea are loc o modificare a granulaţiei pe raza furnalului, în sensul

că în zona ,,omului mort” granulaţia rămâne relativ mare iar în apropierea gurilor

de vânt, cocsul cu fracţia mai mare de 40 mm dispare aproape complet, crescând

mult fracţia de mărunt.

2. În centrul furnalului, rezistenţa mecanică a cocsului se apropie de

valoarea pe care o are la încărcare. Rezistenţa scade pe măsura apropierii de gurile

de vânt.

3. În anumite zone din furnal conţinutul de cenuşă brută din cocs poate

depăşi valoarea de 25 %. Această creştere a conţinutului de cenuşă se datorează

pătrunderii zgurei şi fontei în cocs.

Compoziţia chimică a cenuşilor se modifică mult, pe măsura coborârii

cocsului. Modificările cele mai mari apar în conţinutul de alcaline.

4. Porozitatea înregistrează mici modificări datorate probabil naturii

cocsului.

5. Din centrul furnalului spre gurile de vânt se constată o tendinţă de

reducere a ponderii texturilor reactive şi de creştere relativă a anizotropiei.

Prin microscopia electronică de transmisie pot fi studiate structurile

poliaromatice mai mici de 1 m. Astfel pot fi vizualizate domenii anizotrope aflate

în cadrul unor materiale care, la microscopul optic păreau a fi izotrope. Aceste

structuri se numesc orientări moleculare locale.

Folosirea microscopiei electronice a permis stabilirea unei corelaţii între

mărimea medie a orientărilor moleculare şi viteza de gazificare. Creşterea mărimii

medii a orientărilor moleculare determină scăderea procentului de carbon de la

limită, acesta fiind reactiv.

IV. INFLUENŢA CALITĂŢII COCSULUI METALURGIC ASUPRA PROCESELOR DE ELABORARE A FONTEI

IV.1. Condiţii de calitate impuse cocsului metalurgic

Influenţa calităţii cocsului metalurgic asupra proceselor de elaborare a fontei

este determinată de caracteristicile sale fizico-chimice.

1. Carbonul fix care participă la procesele de reducere directă, carburare

şi oxidare din zona de ardere - gazificare reprezintă circa 82 ... 90 % din masa

anhidră. Se consideră a fi de calitate acele cocsuri care au conţinuturi mari şi

constante de carbon fix.

2. Conţinutul de cenuşă se limitează la maximum 16 % şi este cuprins în

mod obişnuit între 10 ... 13 % din masa anhidră. Când cenuşa cocsului scade cu 1

%, consumul specific de cocs scade cu 1,5 ... 2,5 %, ca urmare a reducerii cu circa

1,5 % a cantităţii de fondant iar productivitatea furnalului creşte cu 2,0 ... 2,5 %.

3. Conţinutul de sulf se limitează în mod normal între 1 ... 2,1 %.

Creşterea cu 1 % a sulfului în cocs conduce la creşterea cu 1 ... 1,5 % a

consumului specific de cocs deoarece creşte cu circa 1,2 % consumul de carbon,

fapt care va conduce la o micşorare a productivităţii furnalului.

Cenuşa şi sulful cocsului trebuie reduse până la valorile justificate în

condiţiile economice date.

Variaţia acestor componente trebuie să se încadreze în limite minimale (+ 0,3

% pentru cenuşă şi + 0,5 % pentru sulf ).

4. Cocsul stins uscat conţine 1 % apă iar cocsul stins umed cuprinde 4 ...

6 % apă.

Dacă umiditatea este constantă şi nu prea mare, aceasta nu influenţează

procesele din furnal deoarece evaporarea apei are loc la partea superioară a cuvei şi

poate conduce la răcirea gazului, eventual la condensarea apei pe conducte.

Umiditatea cocsului trebuie să se limiteze la 2 % cu o variaţie de maximum

+ 0,5 %.

Variaţia necontrolată a umidităţii conduce la erori de dozare şi de aici apare

imposibilitatea de a controla furnalul ( unitatea de încărcare se calculează cu cocsul

tehnologic a cărui dozare se face prin cântărire şi dacă de exemplu umiditatea este

mare, se va introduce în furnal apă în loc de carbon, fapt ce va duce la răcirea

furnalului ).

Cocsul care este supus la încercări trebuie să fie uscat în aer sau să aibă

umiditate constantă.

5. Cocsul de furnal trebuie să aibă un interval de granulaţie cât mai

strâns acesta ocupând circa 50 ... 55 % din volumul furnalului.

Se consideră că, din punct de vedere gazodimanic, raportul optim între

diametrele fracţiilor extreme trebuie să fie :

Diametrul

Diametrul

min.

max., ... ,0 2 0 3 ,

valorile diametrului minim depinzând, în parte superioară a furnalului, de viteza de

circulaţie a gazului la fluidizarea încărcăturii iar în partea inferioară de valorile

unor indici care exprimă momentul în care are loc ,,agăţarea” încărcăturii datorită

imposibilităţii scurgerii zgurei şi a fontei.

Granulaţia optimă este încă controversată, dimensiunea medie recomandată

fiind de 45 ... 60 mm ( de trei ori mai mare decât dimensiunea medie a

minereurilor ).

În prezent, la majoritatea uzinelor, înainte de încărcarea în furnal, cocsul este

trecut prin ciur pentru înlăturarea măruntului.

La furnalele până la 1000 m3 Vu, ciurul are ochiurile de 25 mm iar la cele

mai mari, dimensiunile ochiurilor sunt de 30 ... 40 mm.

În principiu, la furnalele care lucrează cu minereuri sau aglomerate bine

clasate, cocsul trebuie să aibă dimensiunile cuprinse între 25 ... 75 mm.

În cazul încărcăturilor de minereuri insuficient clasate, în special dacă

acestea cuprind mărunt sub 8 ... 10 mm şi bucăţi peste 60 ... 70 mm, dimensiunea

cocsului trebuie să fie mai mare (40... 120 mm).

Trebuie evitată o pondere semnificativă a clasei granulometrice peste 80 mm

astfel încât masa de bază a cocsului să fie reprezentată de o granulaţie cuprinsă

între 30 ... 60 mm.

La utilizarea cocsurilor cu rezistenţă înaltă ( roadere după indicele M10 mai

mică de 6 ... 6,5 % ) şi separarea lui în clase, limita superioară a granulaţiei trebuie

să fie maximum 60 mm iar cea inferioară minim 20 mm.

Rezultatele de funcţionare a furnalelor care lucrează cu încărcătură de

minereuri clasate şi practică sfărâmarea cocsului cu granulaţie peste 60 ... 70 mm,

concomitent cu înlăturarea măruntului sub 25 ... 30 mm au dovedit avantajele

acestei operaţii.

Cocsul supus unor solicitări mecanice menajate, urmate de o clasare, îşi

îmbunătăţeşte atât coeziunea ( rezistenţa mecanică ) cât şi omogenitatea însă

dimensiunea medie devine mai mică.

6. Privind rezistenţa, indicele de calitate M40 şi reziduul la toba mare cu

grătar trebuie să fie de cel puţin 85 % din proba iniţială.

Scoaterea clasei mai mici de 10 mm nu trebuie să depăşească 6 % la

încercările în toba mică şi 30 kg la încercările în toba mare.

Variaţiile admisibile la M40 nu trebuie să depăşească + 1 % iar aprecierea cu

reziduu la toba mare cu grătar trebuie să fie de maximum + 2 kg.

Variaţia indicelui M10 nu trebuie să depăşească + 0,5 % iar aprecierea după

scoaterea clasei mai mici de 10 mm în produsul de sub toba mare trebuie să fie de

maximum + 1,0 kg.

Sfărâmarea cocsului în furnal conduce la înrăutăţirea circulaţiei gazelor şi la

acumulări de cocs mărunt în unele zone producând deranjamente la coborârea

încărcăturii ( agăţări ), arderi de guri de vânt şi creşterea consumului specific de

cocs.

7. Valoarea reactivităţii cocsului pentru furnale este cuprinsă între

50 ... 120 % .

Cocsul trebuie să posede o reactivitate redusă ( în raport cu CO2 ) şi să-şi

păstreze rezistenţa structurală până la arderea completă. O reactivitate scăzută

determină creşterea dimensiunilor zonei de ardere, cu efecte asupra coborârii

încărcăturii.

8. Valorile uzuale pentru masa anhidră sunt de 450 ... 550 kg/m peste

această valoare apărând deranjamente în circulaţia gazelor şi coborârea

încărcăturii.

IV. 2. Cercetări experimentale româneşti privind influenţa calităţii cocsului asupra principalilor indicatori la elaborarea fontei

În anii trecuţi s-au efectuat numeroase cercetări privind calitatea cocsului

folosit la elaborarea fontei la furnalul nr.3 de la S.C. ISPAT - SIDEX Galaţi.

Existau două feluri de calităţi determinate de tehnologiile diferite de fabricaţie şi de

componenţa diferită a şarjelor din care au fost obţinute.

Diferenţa de calitate dintre cocsul produs prin încărcare ştampată şi cel

produs prin încărcare în vrac este dată de :

- componenţa diferită a şarjelor;

- gradul diferit de compactizare, care duce, în cazul încărcării ştampate la obţinerea

unui cocs mai fisurat, cu rezistenţa mai mică decât în cazul cocsificării şarjelor

încărcate în vrac;

- mărunţirea mai accentuată, pe fluxul de transport a cocsului produs prin încărcare

ştampată care ajunge la furnal cu o structură granulometrică complet diferită de cea

a cocsului produs prin încărcare în vrac.

Nivelul ridicat atins al indicatorilor tehnico-economici, ca urmare a măririi

capacităţii şi intensificării proceselor în furnal au impus exigenţe crescânde în

privinţa calităţii materiilor prime încărcate în furnal ( aglomerat, minereu, cocs ).

Pe de altă parte, industria siderurgică era confruntată cu penuria de cocs metalurgic

care a impus, printre alte măsuri, lărgirea bazei de materii prime prin introducerea

cărbunilor energetici în şarjele de cocsificare.

Pentru efectuarea cercetărilor s-a utilizat un cocs a cărui rezistenţă de

granulaţie a corespuns în totalitate cerinţelor furnalului din acea perioadă.

Cocsul a fost produs din şarje conţinând 35,41 procente cărbune românesc.

Rezistenţa medie a cocsului, determinată la furnal, la o probă colectată pe ciur de

40 mm, a fost 77,10 %, cu variaţie între 80,7 şi 73,5 %. Roaderea cocsului a fost în

medie de 5,3 % cu variaţie între 3,9 şi 6,4 %.

Cu acel cocs, furnalul a avut o funcţionare normală, fără a se evidenţia

influenţe sesizabile asupra nivelului sau variaţiilor caracteristicilor cocsului.

În paralel s-a urmărit şi variaţia rezistenţei cocsului după parcurgerea

fluxului de transport între cocserie şi furnal şi a rezultat că în cazul colectării

probei pe sita de 40 mm are loc creşterea rezistenţei cocsului cu 4...5 % şi scăderea

roaderii cu 2 ... 3 %.

Comportarea furnalului la utilizarea cocsului având rezistenţa menţionată

mai sus a fost considerată ca nivel de pornire pentru experimentarea unor cocsuri

cu rezistenţă mai scăzută, produse cu participare mai largă a cărbunilor indigeni.

S-a trecut după aceea la studiul comportării cocsurilor având rezistenţa

cuprinsă între 74 ... 77 % şi a cocsurilor cu rezistenţă de 72 ... 75 %, situaţii în care

furnalul a funcţionat satisfăcător.

Reuşita acestor experimentări a fost determinată şi de o bună corelare a

graficului de livrări de cocs, între cocserie şi furnal, astfel încât cercetările să

decurgă fără perioade de întrerupere.

Politica din acea vreme, de reducere a importurilor de cărbune prin creşterea

participaţiei cărbunilor indigeni în şarjele pentru fabricarea cocsului metalurgic a

impus experimentarea, la bateriile de încărcare ştampată a unor noi tipuri de reţete

care să conţină cărbune foarte slab cocsificabil ( tip Vulcan ) sau energetic ( tip

PAL), fără participarea cărbunilor LUB ( în ideea consumării acestora în şarja

bateriilor de încărcare în vrac ). Reţete de acest tip nu mai fuseseră experimentate,

considerându-se că din şarje cu participaţii mari de cărbune necocsificabul nu se

poate produce cocs pentru furnale.

A rezultat că înlocuirea a 13 % cărbune LUB cu cărbune PAL într-o reţetă

conţinând 40 % cărbune românesc nu a dus la modificarea principalei însuşiri

tehnologice a şarjei - conţinutul de materii volatile - şi a determinat o scădere

treptată a însuşirilor de cocsificare.

Ca rezultat al interacţiunii celor două caracteristici tehnologice, iniţial s-a

înregistrat o creştere a rezistenţei cocsului, corespunzătoare şarjelor cu însuşiri de

aglutinare-cocsificare excesive faţă de conţinutul dat de materii volatile.

Pe măsura creşterii participaţiei de cărbune PAL, însuşirile de cocsificare au

devenit deficitare astfel încât rezitenţa cocsului a scăzut.

Cercetări s-au mai efectuat în direcţia studierii comportării cocsului

experimental ( produs după tehnologia ICEM, cu 15 % Vulcan şi 25 % PLD la

furnalul de 1000m3 de la Hunedoara, cu determinarea influenţei caracteristicilor

asupra indicatorilor furnalului. Pe durata a trei luni de experimentări s-a urmărit

modul de funcţionare a furnalului, variaţiile caracteristicilor cocsului şi a

încărcăturii metalice.

La începutul cercetării experimentale, indicii de rezistenţă au avut valori

care s-au dovedit necorespunzătoare, conducând la funcţionarea furnalului, pe o

perioadă destul de îndelungată cu mers greoi şi agăţări. Ulterior acest cocs

experimental a permis redresarea funcţionării furnalului chiar în condiţii de

exploatare intensă.

Prin compararea valorilor înregistrate în cele două perioade s-a constatat

importanţa mai mare pe care o prezintă pentru asemenea cocsuri indicatorul M10

faţă de M40 :

Perioada M40 M10

I 77,11 ( 74,9 ... 76,66 ) 9,23 ( 8,46 ... 11,80 )II 77,28 ( 73,6 ... 80,20 ) 7,43 ( 5,30 ... 9,80 )

S-a considerat atunci că reţeta de cocsificare după care a fost produs cocsul

experimental poate fi luată în calcul pentru fabricaţia, în viitor, a cocsului UCC -

CSH, cu condiţia asigurării la furnal a unor indicatori medii de rezistenţă : M10 <

7,0 % şi M40 > 79 %.

V. ANALIZA POSIBILITĂŢILOR DE UTILIZARE A COCSULUI BRICHETE LA FURNALE

V.1. Generalităţi despre cocsul brichete

Tendinţele mondiale de creştere a productivităţii furnalelor prin mărirea

volumului util au în vedere scăderea consumului de combustibil şi aprovizionarea

pe termen lung cu cărbune cocsificabil.

În condiţiile deficitului şi scumpirii cărbunilor cocsificabili, ca urmare a

creşterii, în general a necesarului de cărbune pentru siderurgie, rezolvarea

problemelor de aprovizionare a depins atât de volumul şi ritmul dezvoltării

extracţiei de cărbune cocsificabil cât şi de înlocuirea lui cu alte tipuri de

combustibil ieftin şi uşor de procurat.

În ultimii ani, majoritatea ţărilor cu industrie de cocs dezvoltată au făcut

eforturi pentru aplicarea la scară industrială a tehnologiei de fabricaţie a brichetelor

de cocs, pe bază de cărbuni puţin metamorfozaţi, slab aglutinanţi sau neaglutinanţi,

prin care se urmăreşte :

- lărgirea bazei de materii prime pentru fabricarea cocsului, prin înlocuirea în

şarjele de cocsificare a cărbunilor cocsificabili cu cărbuni, în majoritate

necocsificabili;

- mărirea vitezei procesului de cocsificare, automatizarea acestuia şi

micşorarea costurilor de investiţie prin adoptarea cocsificării continue;

- reducerea poluării atmosferei la încărcarea şi descărcarea cuptoarelor;

- producerea unui cocs cu granulaţie constantă.

V. 2. Procedee de obţinere a cocsului brichete

Cele mai cunoscute procedee de fabricaţie a cocsului brichete, pe plan

mondial, sunt următoarele :

a) Procedee de brichetare la cald a amestecului:

procedeul BFL ( Germania )

procedeul ANCIT (Germania )

procedeul CONSOL.BNR (SUA)

b) Procedee de brichetare la rece a amestecului:

procedeul HBNPC ( Franţa )

procedeul FMC ( SUA )

procedeul DKS (Japonia )

procedeul AUSCOKE (Australia )

procedeul ICEM ( România )

1.Procedeul BFLMateria primă are două componente care conţin 25 % cărbune cocsificabil şi

75 % cărbune necocsificabil. Sunt folosite toate tipurile de cărbune, de la antracit

( cu 8 % volatile ) până la huile ( cu 53 % volatile ). Ca liant se foloseşte un adaos

de 6 ... 9 % gudron pentru semicocsificare şi smoală pentru brichetare.

Componentele încărcăturii se usucă în uscătoare pneumatice, până la

umiditatea de 1 %.

Amestecarea cărbunelui cocsificabil preuscat şi a semicocsului fierbinte se

face la 450 ... 5000C, în prese cu doi cilindri.

Cocsificarea brichetelor obţinute se realizează într-un reactor-tunel, la

temperatura de 8500C.

Durata procesului este de 1 ... 1,5 ore.

2. Procedeul ANCIT

Materia primă are două componente care conţin 70 ... 75 % cărbune

neaglutinant, cu conţinut scăzut de volatile ( 9 ... 15 % ) şi 30 ... 25 % cărbune bun

cocsificabil, cu conţinut mediu sau ridicat de volatile.

Componentele încărcăturii se încălzesc separat în reactoare orizontale.

Cărbunele neaglutinant se încălzeşte până la 6000C iar cel aglutinant până la

3000C.

Agentul termic uzat din reactorul pentru preîncălzirea cărbunelui

neaglutinant este folosit la preîncălzirea cărbunelui neaglutinant ca agent termic

iniţial.

Amestecarea componentelor fierbinţi şi brichetarea se fac la 460 ... 5200C în

prese cu doi cilindri.

Pentru întărire, brichetele se menţin la temperatura de brichetare timp de 3

ore.

3.Procedeul CONSOL.BNR

Încărcătura este constituită din una sau două componente. În ambele situaţii,

componenta de bază este cărbunele neaglutinant, cu conţinut ridicat de substanţe

volatile.

Componenta auxiliară a încărcăturii este cărbunele aglutinant sau liantul

lichid.

În principiu, acest procedeu presupune parcurgerea următoarelor etape :

- semicocsificarea cărbunelui iniţial sau componentei inerte a încărcăturii în

strat antrenant;

- peletizarea amestecului semicocs şi liant ( sau cărbune aglutinant, încălzit

în prealabil ) la 4500C, cu adaos mărunt de cocs recirculat în peletizorul cu tobă;

- menţinerea peletelor pentru întărire în cuptorul cu cuvă, la 9800C.

4.Procedeul HBNPC

Încărcătura conţine două componente: cărbune neaglutinant, în proporţie de

80 ... 90 % ( cu până la 10 % substanţe volatile ) şi cărbune aglutinant, în proporţie

de 10 ... 15 %.

Pentru aliere se foloseşte smoala care constituie 5 % din încărcătură.

Există şi posibilitatea folosirii cărbunelui cu volatile de până la 35 %, cu

creşterea ponderii în încărcătură a acestor cărbuni până la 25 ... 30 %.

Componentele se amestecă, după care se brichetează la rece, cocsificarea

brichetelor având loc într-un cuptor cu patru camere, la temperatura de aproximativ

10000C.

5.Procedeul FMC

Încărcătura are o singură componentă, care poate fi orice tip de cărbune

neaglutinant.

Ca liant pentru brichetare se foloseşte smoala din stadiul de semicocsificare,

în proporţie de 15 % din încărcătură. Asigurarea procedeului cu lianţi este posibil

numai prin utilizarea cărbunilor cu conţinut ridicat de substanţe volatile ( 35 % ).

Într-o atmosferă slab oxidantă se face preîncălzirea şi încălzirea cărbunelui

până la 1600C.

Semicocsificarea în strat antrenant are loc la 450 ... 5000C iar pentru mărirea

densităţii semicocsului, acesta se arde la 8500C.

Amestecarea semicocsului cu liant se efectuează la 9500C, după care

componentele se brichetează la rece într-o presă cu doi cilindri.

Pentru întărire, brichetele se menţin la temperatura de 2000C, pe un grătar

mobil cu bare.

Cocsificarea ulterioară are loc într-un cuptor cu cuvă, la 8500C.

6.Procedeul DKS

Încărcătura este realizată din două componente care conţin 70 ... 90 %

cărbune neaglutinant, până la 20 % cărbune aglutinant şi 10 % liant.

Amestecarea componentelor cu liantul se efectuează la rece iar brichetarea

are loc în presa cu doi cilindri.

Cocsificarea brichetelor se desfăşoară la 10000C, în cuptoare verticale sau

cuptoare cu vatră înclinată, încălzite indirect.

Durata procesului de cocsificare este de 10 ore când se folosesc cuptoare

verticale şi 12 ... 13 ore când se folosesc cuptoare cu vatră înclinată.

7.Procedeul AUSCOKE

Încărcătura este constituită dintr-o singură componentă, formată din cărbuni

cu conţinuturi de substanţe volatile de 15 ... 30 %.

Ca liant se foloseşte gudronul de huilă.

Amestecarea cărbunelui cu liant se face la rece iar brichetarea are loc în

presa cu doi cilindri.

Cocsificarea brichetelor se realizează în două etape : în cuptor cu strat

fluidizat de nisip, la 5000C şi în cuptor cu cuvă, la 10000C.

8.Procedeul ICEM

Procedeul constă în brichetarea şarjei cu liant şi cocsificarea brichetelor în

cuptoare cu camere încălzite din exterior.

Cocsificarea în camere încălzite din exterior se bazează pe principiul

cuptoarelor clasice de cocsificare, în care agentul termic nu intră în contact direct

cu masa supusă cocsificării ci încălzeşte pereţii unei camere, căldura acumulată în

aceasta transmiţându-se treptat şarjei.

La acest tip de cocsificare nu se pot utiliza cuptoare orizontale clasice

deoarece la sfârşitul cocsificării se formează un ansamblu de brichete individuale şi

nu o masă continuă. De aceea, descărcarea pilotului nu poate fi efectuată prin

împingere laterală pentru că brichetele s-ar împăna în cuptor. Pentru a evita acest

neajuns se folosesc cuptoare cu camere verticale, în care brichetele se sprijină pe

uşile plasate în partea de jos iar descărcarea se realizează prin curgere, sau

cuptoare cu vatră înclinată.

Încărcătura este alcătuită din cărbune neaglutinant sau slab aglutinant ( 26 ...

30 % ), cu conţinut de materii volatile de peste 35 %, semicocs ( 35 % ) şi cocs de

petrol ( 25 % ) pentru micşorarea conţinutului de cenuşă şi sulf din cocs. Ca liant

se utilizează smoala sau gudronul de huilă, cu o proporţie în încărcătură de 10 ...

14 %.

Materiile prime se macină într-un concasor cu ciocane. Cărbunii şi

semicocsul se dozează apoi din silozuri şi trec, după o nouă măcinare cu scop de

omogenizare, în silozul de şarjă. Semicocsificarea a 1/3 din cărbunele iniţial se

face în strat fluidizat, la temperatura de 570 ... 6000C.

Liantul şi şarja se încălzesc şi se amestecă în malaxor. După amestecare,

pasta se brichetează la rece pe o presă care imprimă profilul brichetei.

În cuptorul de cocsificare de tip vertical încălzit indirect, temperatura poate

atinge 950 ... 10000C. Încărcarea se efectuează pe partea superioară, prin două guri

de încărcare iar descărcarea pe la partea inferioară prin uşi articulate.

Sistemul de încălzire a cuptorului este alcătuit din 11 canale orizontale,

prevăzute cu arzătoare dispuse alternativ, la unul din capete. Gazele care

traversează canalul colector din partea superioară a bateriei trec în recuperatorul de

căldură pe care-l străbat în sens descendent cedând căldura prin pereţii celulelor.

Aerul care circulă în contracurent prin interiorul tuburilor se preîncălzeşte şi ajunge

la arzătoare. Gazele arse trec prin recuperator şi de aici, prin canalul de fum, la coş.

Şase camere de cocsificare împreună cu şapte camere de încălzire formează

un cuptor iar patru cuptoare formează o baterie.

În altă variantă, cocsificarea brichetelor se face în cuptoare cu vatră

înclinată, la temperatura de 12000C.

Durata de cocsificare este de aproximativ 22 ore.

V. 3. Cercetări experimentale asupra caracteristicilor cocsului brichete în comparaţie cu cocsurile clasice

În trecut se cunoşteau, în general, puţine date asupra caracteristicilor

cocsului brichete produs în alte ţări. Existau însă unele informaţii privind realizarea

unor experimentări la furnale. În general, aceste experimentări, efectuate pe

perioade scurte de timp în unele ţări ca SUA, Germania, Rusia, etc., au reprezentat

tatonări care nu au putut duce la rezultate concludente.

Ulterior au fost publicate rezultatele unor experimentări efectuate în Japonia,

la un furnal de 1500 m3 de la uzina Sumitomo-Kotura, la care s-a utilizat cocs

brichete în proporţii diferite pe parcursul a cinci perioade distincte, însumând 53

zile, astfel :

7 % ............................. 12 zile

10 % ..............................12 zile 20 % ..............................13 zile 30 % ............................... 9 zile

40 ... 50 % ......................7 zileDin datele publicate, a rezultat că s-au obţinut rezultate bune. Deşi

perioadele de funcţionare au fost scurte, totuşi, faptul că un furnal de asemenea

dimensiuni şi-a menţinut indicatorii la valori normale, a fost considerat un adevărat

succes.

Cocsul brichete japonez a avut rezistenţa mai ridicată decât cocsul clasic,

granulaţia foarte uniformă ( 90 ... 97 % între 25 ... 50 mm ), greutate volumetrică

mare ( 690 kg/m3 ), porozitatea scăzută ( 33 % ) şi reactivitate comparabilă cu a

cocsului clasic. S-a remarcat de asemenea că probele de cocs extrase de la gurile

de vânt au indicat o fărâmiţare în furnal relativ scăzută ( 1/3 din cocsul de 25 ... 50

mm a trecut în clase de 15 ... 25 mm ).

În România s-au efectuat experimentări pe cocs brichete la Călan, într-un

furnal de 700 m3 la Reşiţa şi într-un furnal de 1000 m3 la Hunedoara.

Rezultatele obţinute au fost diferite, variind în funcţie de calitatea cocsului

brichete folosit.

Din motive legate de condiţiile de fabricaţie, calitatea cocsului brichete

utilizat la Călan a prezentat diferenţe importante, atât din punct de vedere al

rezistenţei şi granulaţiei cât şi al structurii. Totodată, în cursul unora dintre

experimentări, cocsurile brichete au prezentat variaţii de calitate mult mai mari

decât în cazul cocsurilor clasice folosite curent la furnalele din ţară.

S-au făcut experimentări pe cinci tipuri diferite de cocs : R1, R2, H3,

( brichete mari ), H1 ( brichete mici ) şi H2 ( brichete mici şi mari ).

Cocsul brichete R1 a avut cea mai bună rezistenţă şi o grupare favorabilă a

indicatorilor M40 şi M10. Acesta a fost utilizat la furnalul de 700 m3 fără nici un fel

de dificultăţi, în proporţie de 30 %.

Funcţionarea cu 40 % cocs brichete timp de 3 zile, deşi nu a cauzat

dificultăţi, a fost de durată prea scăzută pentru a se ajunge la o concluzie privind

proporţiile mai mari de 30 %.

Cocsul brichete R2 a avut o rezistenţă mai slabă decât R1 însă valorile

indicatorilor M40 şi M10 au fost mai grupate. Acest cocs a fost suportat de furnal la

proporţia de 33 % însă a produs deranjamente la proporţia de 50 %.

Cocsul brichete H3, care nu a fost suportat de furnalul de 1000 m3 nici la

proporţia de 12,5 % a prezentat o împrăştiere cu totul anormală a valorilor

indicatorilor M40 şi M10; nici o valoare M10 şi numai 19 % din valorile M40 s-au aflat

în domeniu acceptabil.

Cocsul brichete H1 nu a fost suportat de furnalul de 1000 m3 nici la proporţia

de 20 %, întrând în deranjamente la scurt timp după introducerea lui. Acesta a

prezentat valori grupate şi de un nivel acceptabil pentru indicatorul M40 însă

indicatorul M10 a fost nesatisfăcător, atât ca nivel cât şi datorită împrăştierii

valorilor.

Cocsul brichete de format mic utilizat la experimentarea H2 a avut

caracteristici inferioare cocsurilor de la experimentările R1 şi R2. Nici în acest caz

furnalul nu a suportat cocsul la proporţia de 20 %.

A rezultat ca o primă concluzie că stabilirea condiţiilor de rezistenţă pe care

trebuie să le îndeplinească cocsul brichete ( la skip ) trebuie să se facă pe baza

experimentărilor R1 şi R2.

S-au considerat drept condiţii minimale de existenţă pentru cocsul brichete ( la

skip ) : - indicatorul de rezistenţă M40 = minim 82 %

- indicatorul de friabilitate M10 = maxim 7 %

De asemenea, s-a admis că o atenţie deosebită trebuie acordată indicatorului

M10, întrucât , din observaţiile efectuate cu ocazia experimentărilor, a rezultat că

înrăutăţirea lui conduce la dereglarea procesului şi la deranjamente în funcţionarea

furnalului, în măsură mai mare decât M40.

S-a mai remarcat un grad de sfărâmare destul de ridicat, care determină

mărirea suprafeţei specifice a bucăţilor de cocs brichete. În comparaţie cu cocsurile

clasice, granulaţia cocsurilor brichete variază în limite mai restrânse iar

dimensiunea medie este, în general, mai mică.

Observaţiile efectuate au dus la concluzia că cocsurile brichete utilizate la

experimentările R1 şi R3 au reactivitatea comparabilă sau chiar mai bună decât a

cocsurilor clasice, în timp ce cocsurile brichete de la experimentările H1 şi H3 sunt

mai puţin reactive faţă de cocsurile clasice folosite la furnalul respectiv.

S-au efectuat determinări şi asupra unor bucăţi de cocs brichete care au

trecut prin furnal la experimetările H1 şi H2. Bucăţile utilizate au fost aruncate prin

orificiul de evacuare a fontei cu ocazia suflării vetrei. S-a constatat o creştere

puternică a reactivităţii, care a ajuns la valori de 74 ... 80 %, în timp ce la cocsurile

clasice se înregistrează valori mai mari, în medie cu 35 %.

Un rol important asupra desfăşurării proceselor în furnal l-au avut şi

mărimea bucăţilor, compoziţia granulometrică, porozitatea şi greutatea

volumetrică.

V. 4. Concluzii rezultate în urma utilizării cocsului brichete pe plan mondial

Experimentele efectuate asupra cocsurilor brichete, obţinute prin diferite

procedee, pe baza utilizării cărbunilor slab cocsificabili şi necocsificabili, cu unele

excepţii, au dat rezultate încurajatoare permiţând funcţionarea normală şi, uneori

îmbunătăţită a furnalului. Totodată, experimentările au permis obţinerea unor

recomandări de perfecţionare astfel încât cocsul brichete să aibă putere de

concurenţă faţă de cocsul clasic.

Majoritatea încercărilor s-au efectuat prin înlocuirea, în diferite proporţii, a

cocsului obişnuit cu cocs brichete.

Ignorând oscilaţiile determinate de conţinutul diferit de umiditate, s-a

constatat o funcţionare mai uniformă a furnalului la utilizarea cocsului brichete, în

special din punct de vedere al coborârii line a materialelor de încărcare.

O funcţionare satisfăcătoare a furnalelor s-a semnalat chiar şi în cazul utilizării

brichetelor crude BFL, prin înlocuirea totală a acestora cu cocs obişnuit, deşi

proprietăţile acestor brichete crude sunt net inferioare celor ale cocsului clasic.

Prin utilizarea cocsului brichete în mod obişnuit, productivitatea furnalelor a rămas

mulţumitoare iar în cazul unor încercări individuale, chiar s-a mărit. Într-o serie de

cazuri, motivul scăderii productivităţii a fost înrăutăţirea condiţiilor gazodinamice

în furnal şi posibilităţile limitate de mărire a consumului de aer insuflat.

Factorul de bază care determină scăderea permeabilităţii la gaze în

încărcătura de furnal este considerat masa de umplutură mai mare a cocsului

brichete, în comparaţie cu cocsul obişnuit. Un alt factor îl constituie modul de

repartizare, la încărcare a cocsului brichete, pe secţiunea furnalului. Datorită

unghiului taluzului natural, diferit de cel al cocsului obişnuit ( ex. 32 ... 330 pentru

cocs brichete HBNPC şi 37 ... 380 pentru cocsul obişnuit ), la încărcarea în furnal,

cocsul brichete manifestă tendinţa de rostogolire în direcţia axului furnalului,

modificând implicit caracterul de repartizare a cocsului şi minereului în

încărcătură. Pentru neutralizarea acestei influenţe, la utilizarea cocsului brichete

este necesară modificarea sistemului de încărcare a furnalului.

Rezistenţa ridicată a brichetelor de cocs este confirmată prin aceea că, pe

parcursul transportării, s-a constatat o sfărâmare fără importanţă a cocsului

brichete. De asemenea, probele de cocs scoase prin gurile de vânt au dovedit că, de

obicei, acesta îşi păstrează întocmai forma, până în zonele de jos ale furnalului. Cu

toate acestea, valorile reduse ale densităţii şi porozităţii cocsului brichete în unele

cazuri reprezintă cauza înrăutăţirii proceselor gazodinamice.

Deşi rezultatele experimentărilor asupra cocsului brichete au fost foarte

diferite, totuşi, în general ale sunt apreciate ca încurajatoare. S-a convenit ca

valoarea coeficientului admisibil de înlocuire a cocsului obişnuit cu cocs brichete,

în funcţie de tipul acestuia, să oscileze între limitele de 25 ... 30 %.

Necesitatea lărgirii bazei de materii prime pentru cocsificare în condiţiile

nevoilor mereu crescânde de cărbune cocsificabil, impune continuarea cercetărilor

pentru optimizarea proprietăţilor cocsului brichete, în scopul apropierii calităţilor

acestora de cele ale cocsului obişnuit.

B I B L I O G R A F I E

1. Geantă,V. , Constantin,N. , Butnariu,I. , Ştefănoiu,R. - Producerea materialelor metalice feroase, Editura PRINTECH, Bucureşti, 2000

2. Dobrovici,D. , Prisecaru,I. , Banciu,M. - Metalurgia fontei, Editura Tehnică, Bucureşti, 1966

3. Dobrovici,D. - Tehnologia fontei, Editura Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1976

4. Ripoşan,I. , Chişamera,M. - Tehnologia elaborării şi turnării fontei, Editura Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1981

5. Oprea,F. , Taloi,D. ş.a. - Teoria proceselor metalurgice, Editura Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1984

6. *** - Manualul inginerului metalurg, Editura Tehnică, Bucureşti, 1978

7. Moldovan,P. ş.a. - Tehnologii metalurgice, Editura Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1979

8. Mărginean,I. - Tehnici de analiză a materialelor în metalurgie, Editura UPB, Bucureşti, 1996

9. Dobrovici,D. , Hătărăscu,O. , Alexandrescu,A. , Banu,Ş. , Şoit,I. - Intensificarea proceselor din furnal, Editura Tehnică, Bucureşti, 1983

10. Dragomir,I. - Teoria proceselor siderurgice, Editura Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1985

11. *** - Matieres premieres en siderurgie, IRSID, 196212. Falk,E. , Barbu,I. , Hirsch,R. , Pavel,G. - Modificarea granulaţiei şi

rezistenţei cocsului metalurgic în diferite fluxuri de transport, Metalurgia nr. 23, 1971

13. Bredehoft,R. , Jeschar,R. - Pierderea de presiune şi granulaţia optimă în furnal, Stahl u. Eisen, 1973

14. Sabela,A. - Comportarea cocsului în zona de topire şi ardere în furnal, Neue Hutte - 1986

15. Bernard,A. , ş.a. - Studiul gazeificării cocsului, CIT nr. 12/198516. Hirsch,R. - Cercetări privind utilizarea maximă a cărbunilor LUB

în tehnologia încărcării în vrac, Studiu, 197717. Manolescu,A. - Cercetări privind utilizarea cărbunilor PLD la

fabricarea cocsului prin tehnologia ştampată, Studiu, 197718. Dobrovici,D. - Cercetarea influenţei calităţii cocsului produs la

UCC - CSG asupra funcţionării furnalului nr. 3, Studiu UPB, 197619. Gutman,S. , ş.a. - Cercetări privind influenţa degresării şarjelor

asupra calităţii cocsului, Studiu ICEM,. 1975

UNIVERSITATEA POLITEHNICĂ BUCUREŞTIFACULTATEA DE ŞTIINŢA ŞI INGINERIA MATERIALELOR

LUCRARE DE DIPLOMĂ

TEMA:,,METODE DE DETERMINARE A PROPRIETĂŢILOR FIZICO-CHIMICE ALE COCSULUI METALURGIC ŞI INFLUENŢA CALITĂŢII COCSULUI ASUPRA PROCESELOR DE ELABORARE A FONTEI”

Coordonator ştiinţificProf.dr.ing.

Absolvent

2002

Documents

,,METODE DE DETERMINARE A PROPRIETĂŢILOR FIZICO-CHIMICE ALE COCSULUI METALURGIC ŞI INFLUENŢA CALITĂŢII COCSULUI ASUPRA PROCESELOR DE ELABORARE A FONTEI”