Dintre combustibilii solizi, 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;
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
