Ministerul Educaiei din Republica MoldovaUniversitatea de Stat din MoldovaFacultatea de Chimie i Tehnologie ChimicDepartamentul de Chimie Industrial i Ecologic

ANALIZA I CONTROLUL TEHNIC LA PRODUCEREA COCSULUI METALURGIC

A elaborat:Guidea AlexandrinaAnul IIIL, grupa a II-aTehnologie Chimic

Chiinu 2015CUPRINS:INTRODUCERE

I. CONSIDERAII GENERALE I.1 MATERII PRIME1.2 CARACTERISTICA PROCESULUII.3 CARACTERISTICA PRODUSULUI - COCS I.4 INFLUENA CALITII COCSULUI METALURGIC ASUPRA PROCESELOR DE ELABORARE A FONTEI

II. ORGANIGRAMA

III. ANALIZE CHIMICE SPECIFICE III.1 REACTIVITATEA COCSULUIIII.2 PUTEREA CALORICIII.3 DENSITATEA REAL, APARENT I N VRACIII.4 GRADUL DE GRAFITARE III.5 REZISTENA MECANIC

CONCLUZII

BIBLIOGRAFIE

INTRODUCERE Procesele tehnologice ale metalurgiei feroase, n general, sunt dependente de sursele de energie termic, care creeaz condiiile de desfurare a reaciilor sau proceselor fizico-chimice ale fabricrii i prelucrrii metalelor.Dintre combustibilii solizi, cocsul metalurgic este cel mai utilizat la producerea fontei n furnal. Alturi de minereurile de fier, minereurile de mangan i fondani, constituie baza de materii prime i materiale pentru elaborarea fontei de prim fuziune.n procesele care au loc n furnal, rolul cocsului metalurgic este de o complexitate deosebit. Astfel, cocsul dezvolt peste 60 % din cantitatea de cldur consumat n furnal necesar obinerii unei temperaturi de 20000C care asigur nclzirea corespunztoare a creuzetului i furnizeaz carbonul necesar proceselor de reducere direct i de carburare.Cocsul influeneaz mrimea zonelor de ardere-gazeificare din faa gurilor de vnt, cu efecte asupra ncrcturii i circulaiei gazelor. El asigur stabilitatea coloanei de ncrctur din furnal i permeabilitatea acesteia la trecerea gazelor, aceste procese fiind mai dificile n zona inferioar (pntece - etalaj - creuzet) unde minereurile sunt topite.Pentru a corespunde cerinelor proceselor din furnal i a favoriza obinerea unor indicatori ridicai de productivitate i funcionare precum i consumuri specifice ct mai reduse, cocsul trebuie s ndeplineasc o serie de condiii de calitate care vor fi prezentate detaliat n capitolele urmtoare .Dei combustibilii naturali - petrolul i n mod deosebit gazele naturale - au caliti superioare, utilizarea lor n metalurgia extractiv este limitat, datorit rezervelor mai sczute dect cele de crbuni.

I. CONSIDERAII GENERALEI.1 MATERII PRIME Cocsul metalurgic este un combustibil artificial cu coninut ridicat de carbon, obinut n urma procesului de pirogenare a crbunilor cocsificabili. n calitate de materie prim la obinerea cocsului se utilizeaz [11]: Crbunii bruni huiloi se caracterizeaz prin aceea c structura vegetal a acestora este vizibil numai la microscop. Ei sint mai compaci decit ligniii. Coninutul de carbon variaz intre 60-80%, puterea caloric este 12 552-29 288 kJ/kg. Conin multe substane volatile (cca 45%). Se folosesc ca surse energetice, in industria cocsului etc. Huilele sint crbunii fosili cei mai intrebuinai. Sint crbuni compaci, de culoare neagr-cenuie, cu luciu sticlos, gras, strlucitor. Ei nu conin acizi humici. Coninutul de carbon este mai mare de 80%, puterea caloric de 29 288-37 656 kJ/kg . Se folosesc pentru fabricarea cocsului i producerea materiei prime pentru sinteza organic, combustibil etc.

I.2 PROCESUL DE PRODUCEREHuila cocsificabil, mcinat la granulaia optim, este ncrcat n cuptoarele de cocsificare din zidrie refractar ( reunite n baterii de cuptoare ), nclzit la temperaturi de 1000 ... 11000C n camerele de cocsificare propriu-zise i de 1350 ... 13800C n camerele de nclzire. Sub influena temperaturii i n absena aerului are loc uscarea, degajarea produselor volatile i a unor produse mai grele [1]. Gazele degajate n aceast stare plastic confer viitorului cocs porozitatea i, n parte, nsuirile mecanice.Masa nclzit n continuare se ntrete datorit regruprilor ce au loc n structura macromoleculelor crbunelui, ca urmare a proceselor de cracare termic, astfel nct, dup degajarea unor produi de piroliz, n special metan i hidrogen, n cuptor rmne un reziduu solid, negru-argintiu, cu un coninut ridicat de carbon i o rezisten mecanic bun : cocsul metalurgic [2].Cocsul descrcat din cuptor este rcit cu ap, dup care, n urma separrii cocsului mrunt, este livrat consumatorului principal: furnalul. Granulaia acestuia este de peste 25 mm sau n clase restrnse de 30 ... 40 mm i 40 ...70 mm.Dintr-o ton de crbune se pot obine aproximativ 0,6 ... 0,8 tone de cocs.Mai complicat este procesul tehnologic de fabricare a cocsului metalurgic atunci cnd nu exist o baz de materii prime adecvat. n aceste condiii se caut soluii pentru ncrcarea unor arje formate dintr-un component de baz, bine cocsificabil, mpreun cu huile mai tinere i ali componeni degresani, prin pregtirea special a acestor componente [1,2]. Procesul de baz se realizeaz n bateriile de cocsificare, care sunt formate din 6070 de camere unite pe un suport comun care se nclzete continuu n ntregime, iar discontinuu pentru fiecare dintre ele. Fiecare camer are lungimea de aproximativ 15 m, nlimea 5-6 m i limea circa 40-60 cm .

1-camere de cocsificare ;2-camere de nclzire ;3-regeneratoare ;4- canale de legtur ;5, 6 - conducta pentru gaz propriu .Fig.1 Ansamblu de camere de cocsificare Camera de nclzire, la baza creia se gsesc arztoarele, are canale verticale de ardere, din care jumatate lucreaz n curent ascendent sau pe ardere, adic sunt strbtute de jos n sus de gazele arse de la arztorul respectiv, iar jumtate sunt n curent descendent, fr ardere, fiind strbtute de sus n jos de gaze ars [2]. nclzirea verticalelor se realizeaz prin arderea gazului de cocserie (gaz propriu sau gaz bogat), pentru mbuntirea economiei de cldur i mrirea temperaturilor, combustia avnd loc cu aer prenclzit. Fiecare camer este nconjurat de un ir de evi n care are loc arderea gazului de cocs i eliminarea produselor arderii. n evi temperatura atinge circa 1400oC. Pentru a asigura uniformitatea nclzirii crbunelui, peste fiecare 20-40 minute are loc schimbul de flux al gazelor de ardere i de evacuare. n aa mod crbunii se nclzesc ncepnd de la pereii camerii, ca rezultat are loc nmuierea i formarea masei lipicioase (gudron). Cu creterea temperaturii se elimin gaze care formeaz canale prin acest gudron. La finisarea procesului n camer rmne o mas solid, poroas care se elimin prin uile mobile i se rstoarn n vagonul pentru cocs stins. n fiecare camer procesul dureaz 14-24 h, iar cocsul format se rcete prin procedeu umed prin stropire cu ap [1].

I.3 CARACTERISTICA PRODUSULUI COCS Produsul fabricat n cuptoarele clasice de cocs conine o matrice de carbon practic pur, asociat cu cenuile care rezult din alterarea termic a mineralelor. La scara de 1 mm, cocsul prezint o structur poroas caracteristic, n care se pstreaz amprenta degajrii materiilor volatile, degajare care nsoete faza plastic a procesului de pirogenare [4].Pereii porilor sunt realizai dintr-o faz crbunoas ce include i cenui. Structura fazei crbunoase poate fi caracterizat la scar microscopic prin gradul de organizare, care dovedete grafitabilitatea materialului. Reactivitatea cocsului fa de gazul carbonic ofer msura indirect a gradului de organizare. Observarea la microscopul optic pune n eviden existena unei anizotropii caracteristice, a crei amplitudine se estompeaz odat cu reducerea rangului de crbuni. Astfel se poate stabili o relaie ntre gradul de organizare a carbonului i natura crbunilor.Structura cocsului trebuie s fie omogen, cu pori de dimensiuni mici, lipsit de zone buretoase i de gruni neintegrai n masa omogen de baz. n general, la elaborarea fontei n furnal, cocsul trebuie s ndeplineasc urmtoarele funcii [5]:- combustibil : arderea acestuia trebuie s asigure cldura necesar desfurrii proceselor din furnal (reducerea minereurilor, disocierea carbonailor, sulfurilor, apei, formarea fontei i zgurei, acoperirea pierderilor de cldur etc.)- agent reductor : cocsul particip direct (prin coninutul su de carbon) i indirect (prin CO obinut din arderea C din cocs, n zona gurilor de vnt) la reducerea oxizilor de Fe, Mn, Si, P, etc. din minereuri.- agent de carburare : furnizeaz carbonul necesar alierii fierului i transformrii acestuia n font;- agent de afnare : asigur permeabilitatea ncrcturii la trecerea gazelor (ocup peste 50 % din volumul furnalului);- susinere a coloanei de materiale din furnal fiind singurul material n stare solid, n dreptul gurilor de vnt (cocsul nu se topete ci arde i se gazific). Cocsul trebuie s prezinte o serie de proprieti care s-i confere stabilitate dup cocsificare.

I.4 INFLUENA CALITII COCSULUI METALURGIC ASUPRA PROCESELOR DE ELABORARE A FONTEI [10]

Influena calitii cocsului metalurgic asupra proceselor de elaborare a fontei este determinat de caracteristicile sale fizico-chimice.1. Carbonul fix care particip la procesele de reducere direct, carburare i oxidare din zona de ardere - gazificare reprezint circa 82-90% din masa anhidr. Se consider a fi de calitate acele cocsuri care au coninuturi mari i constante de carbon fix.2. Coninutul de cenu se limiteaz la maximum 16% i este cuprins n mod obinuit ntre 10-13% din masa anhidr. Cnd cenua cocsului scade cu 1%, consumul specific de cocs scade cu 1,5-2,5%, ca urmare a reducerii cu circa 1,5 % a cantitii de fondant iar productivitatea furnalului crete cu 2,0-2,5%.3. Coninutul de sulf se limiteaz n mod normal ntre 1-2,1%. Creterea cu 1% a sulfului n cocs conduce la creterea cu 1-1,5% a consumului specific de cocs deoarece crete cu circa 1,2% consumul de carbon, fapt care va conduce la o micorare a productivitii furnalului.Cenua i sulful cocsului trebuie reduse pn la valorile justificate n condiiile economice date. Variaia acestor componente trebuie s se ncadreze n limite minimale (+ 0,3 % pentru cenu i + 0,5 % pentru sulf ).4. Cocsul stins uscat conine 1% ap iar cocsul stins umed cuprinde 4-6% ap.Dac umiditatea este constant i nu prea mare, aceasta nu influeneaz procesele din furnal deoarece evaporarea apei are loc la partea superioar a cuvei i poate conduce la rcirea gazului, eventual la condensarea apei pe conducte.Umiditatea cocsului trebuie s se limiteze la 2% cu o variaie de maximum + 0,5%.Variaia necontrolat a umiditii conduce la erori de dozare i de aici apare imposibilitatea de a controla furnalul (unitatea de ncrcare se calculeaz cu cocsul tehnologic a crui dozare se face prin cntrire i dac de exemplu umiditatea este mare, se va introduce n furnal ap n loc de carbon, fapt ce va duce la rcirea furnalului).Cocsul care este supus la ncercri trebuie s fie uscat n aer sau s aib umiditate constant.5. Cocsul de furnal trebuie s aib un interval de granulaie ct mai strns acesta ocupnd circa 50-55% din volumul furnalului.Se consider c, din punct de vedere gazodimanic, raportul optim ntre diametrele fraciilor extreme trebuie s fie :

,valorile diametrului minim depinznd, n parte superioar a furnalului, de viteza de circulaie a gazului la fluidizarea ncrcturii iar n partea inferioar de valorile unor indici care exprim momentul n care are loc ,,agarea ncrcturii datorit imposibilitii scurgerii zgurei i a fontei.Granulaia optim este nc controversat, dimensiunea medie recomandat fiind de 45 ... 60 mm ( de trei ori mai mare dect dimensiunea medie a minereurilor ).n prezent, la majoritatea uzinelor, nainte de ncrcarea n furnal, cocsul este trecut prin ciur pentru nlturarea mruntului.La furnalele pn la 1000 m3 Vu, ciurul are ochiurile de 25 mm iar la cele mai mari, dimensiunile ochiurilor sunt de 30 ... 40 mm.n principiu, la furnalele care lucreaz cu minereuri sau aglomerate bine clasate, cocsul trebuie s aib dimensiunile cuprinse ntre 25 ... 75 mm.n cazul ncrcturilor de minereuri insuficient clasate, n special dac acestea cuprind mrunt sub 8 ... 10 mm i buci peste 60 ... 70 mm, dimensiunea cocsului trebuie s fie mai mare (40... 120 mm).6. Privind rezistena, indicele de calitate M40 i reziduul la toba mare cu grtar trebuie s fie de cel puin 85% din proba iniial.Scoaterea clasei mai mici de 10 mm nu trebuie s depeasc 6% la ncercrile n toba mic i 30 kg la ncercrile n toba mare.Variaiile admisibile la M40 nu trebuie s depeasc + 1% iar aprecierea cu reziduu la toba mare cu grtar trebuie s fie de maximum + 2 kg.Variaia indicelui M10 nu trebuie s depeasc + 0,5 % iar aprecierea dup scoaterea clasei mai mici de 10 mm n produsul de sub toba mare trebuie s fie de maximum + 1,0 kg.Sfrmarea cocsului n furnal conduce la nrutirea circulaiei gazelor i la acumulri de cocs mrunt n unele zone producnd deranjamente la coborrea ncrcturii (agri), arderi de guri de vnt i creterea consumului specific de cocs.7. Valoarea reactivitii cocsului pentru furnale este cuprins ntre 50-120 % .Cocsul trebuie s posede o reactivitate redus (n raport cu CO2) i s-i pstreze rezistena structural pn la arderea complet. O reactivitate sczut determin creterea dimensiunilor zonei de ardere, cu efecte asupra coborrii ncrcturii.8. Valorile uzuale pentru masa anhidr sunt de 450-550 kg/m peste aceast valoare aprnd deranjamente n circulaia gazelor i coborrea ncrcturii.

II. ORGANIGRAMA

Activitatea de producieActivitatea de verificare a calitii

Obiectul verificatIndicatorii analizai

Recepia crbunilorControlul materiei prime Umiditatea; Granulometria; Coninutul de sulf; Coninutul de substane volatile; Coninutul de cenu; Indici de cocsificare.

CocsificareaControlul procesului de cocsificare Regimul termic; Randamentul n cocs; Regimul gazodinamic.

Produs finitVerificarea cocsului Coninutul de cenu; Coninutul de materii volatile; Densitatea real,Aparent i n vrac; Porozitatea; Coninutul de carbon nelegat; Reactivitatea; Rezistena mecanic; Gradul de grafitizare; Granulaia i forma bucilor; Greutatea volumetric; Permeabilitatea n strat.

III. ANALIZE TEHNICE ASUPRA COCSULUI METALURGIC

III.1 REACTIVITATEA COCSULUI

Reactivitatea cocsului este capacitatea de reacie cu gazele oxidante, n condiiile din furnal. De maxim importan este oxireactivitatea (reacia cocsului cu oxigenul sau cu aerul sulfat), carboxireactivitatea (reacia cu CO2), hidroreactivitatea (reacia cocsului cu H2O) [6].Reaciile dintre carbonul cocsului care ajunge n faa gurilor de vnt i O2, CO2, H2O au loc n zona oxidant din creuzet.Principiul metodei: Determinarea reactivitii se face prin trecerea unui curent de CO2 printr-o mas de granule de cocs de 10-25 mm, la temperatura de circa 9000C. Reactivitatea se exprim prin cantitatea de CO2 care a trecut n CO dup reacia cu carbonul cocsului.Variaia reactivitii cocsului influeneaz n limitele restrnse mrimea zonei de ardere din creuzet.Chimismul procesului:Ccocs + CO2 2CO Ccocs + H2O CO + H2

III.2 PUTEREA CALORIC Puterea caloric- exprim aportul termic pe care unitatea de greutate a cocsului l aduce n condiiile arderii sale complete n furnal [8].Determinarea puterii calorice se realizeaz cu ajutorul bombei calorimetrice sau prin calcul, folosind datele analizei elementare.Evitarea acestei determinri poate fi fcut prin luarea n consideraie a coninutului de carbon fix i a diferenei ntre coninutul de carbon, carbon fix i materii volatile care se obin la degazarea total a cocsului.

III.3 DENSITATEA REAL, APARENT I N VRAC [9]Densitatea real reprezint, ct mai aproape de realitate, greutatea unitii de volum a cocsului considerat compact, respectiv densitatea masei cocsului fr pori. Densitatea aparent este mai mic ntotdeauna dect densitatea real ntruct include n greutatea unitii de volum i volumul porilorModul de derminare a densitii reale este prevzut n STAS 5628-57 care urmrete stabilirea greutii unitii de volum a cocsului compact, lipsit de pori.Principiul metodei: Proba propriu-zis se usuc naintea determinrii timp de o or, la 1050C.Determinarea se efectueaz cu un picnometru curat, cntrit n prealabil gol i umplut cu ap distilat, la 200C. Se cntrete o prob de 5 + 1g de cocs i se introduce n picnometru, apoi se acoper cu circa 20 ml ap distilat fiart. Se aeaz picnometrul deschis ntr-o baie cu ap fierbinte. Se completeaz apa pn la nivelul trasat i, dup ce picnometrul i apa au fost aduse la temperatura de 200C se cntrete din nou.

Densitatea n vrac sau densitatea volumetric a cocsului reprezint raportul dintre masa i volumul total (inclusiv volumul golurilor dintre buci). Ea este influenat de densitatea real, densitatea aparent, porozitate, granulaia i forma bucilor de cocs precum i de golurile dintre acestea.Determinarea se efectueaz conform STAS folosindu-se cel puin 10 vagoane de cale ferat.Principiul metodei: Pentru calculul volumului lzii vagonului, fiecare dintre cele trei dimensiuni se msoar n trei locuri, cu o precizie de +1 cm. Se umple apoi vagonul cu cocs, se niveleaz i se cntrete pe acelai cntar pe care s-a determinat tara vagonului, cu o precizie de + 50 kg.

III.4 GRADUL DE GRAFITARE

n procesul de cocsificare are loc o regrupare a elementelor structurale ale crbunelui, o strngere i o oarecare ordonare a reelei de carbon care apropie imaginea structural a cocsului de cea a grafitului [7] .De la cocs la grafit, diferenele structurale sunt mari, ns aprecierea este sesizabil prin compararea rezistivitii electrice a diferitelor caliti de cocs.Metodele de determinare a rezistivitii sunt convenionale, ele depinznd de : aparat, eantionul de cocs, tensiunea aplicat ntre electrozi i bucata sau proba de cocs.Legtura existent ntre rezistivitatea electric i reactivitate face necesar considerarea acestei caracteristici n completarea caracterizrii calitative a cocsului.

III.5 REZISTENA MECANIC [5]

Rezistena mecanic este considerat cea mai important caracteristic de exprimare a calitii cocsului.Rezistena cocsului se determin pe baza unor probe n care cocsul este supus la eforturi prin lovire i frecare prin rostogolire ntr-un tambur i reprezint suma rezistenelor la :- compresiune;- cdere;- sfrmare i roadere;- solicitri combinate;- roadere - cdere.

Rezistena la compresiune se determin pe eantioane cubice cu media de 10-50 mm, supuse la comprimare pn la sfrmare, cnd se citete pe dinamometru efortul exercitat.Rezistena la cdere este o expresie a gradului de fisurare i arat modul i msura n care acesta se va mruni, n special n urma manipulrilor cu ocazia transportului sau al ncrcrii n furnal.Rezistena la tob const n supunerea la solicitri combinate (sfrmri prin rostogolire, roadere i cdere) n tobe rotative prevzute cu bare sau icane.Rezistena la cdere-roadere se determin prin supunerea cocsului la cdere dintr-un aparat, sub influena unei anumite greuti.

Rezistena mecanic la cald caracterizarea calitii cocsului, n condiiile de lucru n furnal.Principiul metode: Proba de 1 kg destinat determinrii rezistenei la cald se ncarc n cuptor i se nclzete 3-4 ore cu ajutorul unor rezistene electrice, pn la atingerea temperaturii de 10000C, la care se menine timp de 1 or. Rezistena se exprim n procente, dup ciuruirea probei prin ochiuri de 25 i 10 mm.

CONCLUZII 1.Procesele tehnologice ale metalurgiei feroase, n general, sunt dependente de sursele de energie termic, care creeaz condiiile de desfurare a reaciilor sau proceselor fizico-chimice ale fabricrii i prelucrrii metalelor. 2.Dintre combustibilii solizi, cocsul metalurgic este cel mai utilizat la producerea fontei n furnal. 3.Procesul de cocsificare necesit materii prime care conin substane bituminoase, de aceea materia prim ideal sunt huilele. 5. Procesul de producere a cocsului se realizeaz la temperaturi de peste 1000oC n lips de aer, n aparate speciale numite baterii de cosificare.6. Cocsul reprezint reziduul solid obinut n urma pirogenrii crbunilor la temperaturi depeste 1000oC, avnd o structur poroas caracteristic, n care se pstreaz amprenta degajrii materiilor volatile. 7. Influena calitii cocsului are o aciune direct asupra producerii unei fonte de calitate superioar.8. Caracteristicele de msurat ale fiecrei etape de producere a cocsului metalurgic sunt prezentare n organigram.9. Controlul calitii materiei prime, ct i a produsului finit include determinri comune ca: umiditatea; coninutul de sulf, cenu i materii volatile; granulometria; ct i determinri diferite: densitatea; puterea caloric; rezistena mecanic; reactivitatea; gradul de grafitare etc.

BIBLIOGRAFIE1. Geant,V., Constantin N., Butnariu I., tefnoiu R. Producerea materialelor metalice feroase, Editura PRINTECH, Bucureti, 2000

2. Ripoan I., Chiamera M. Tehnologia elaborrii i turnrii fontei, Editura Didactic i Pedagogic, Bucureti, 1981

3. Oprea F., Taloi D..a. Teoria proceselor metalurgice, Editura Didactic i Pedagogic, Bucureti, 1984

4. Moldovan P. .a. Tehnologii metalurgice, Editura Didactic i Pedagogic, Bucureti, 1979

5. Mrginean I. Tehnici de analiz a materialelor n metalurgie, Editura UPB, Bucureti, 1996

6. Dragomir I. Teoria proceselor siderurgice, Editura Didactic i Pedagogic, Bucureti, 1985

7. Falk E., Barbu I., Hirsch R., Pavel G. Modificarea granulaiei i rezistenei cocsului metalurgic n diferite fluxuri de transport, Metalurgia nr. 23, 1971

8. Sabela A. - Comportarea cocsului n zona de topire i ardere n furnal, Neue Hutte 1986

9. Hirsch R. Cercetri privind utilizarea maxim a crbunilor LUB n tehnologia ncrcrii n vrac, Studiu, 1977

10. Dobrovici D. Cercetarea influenei calitii cocsului produs la UCC-CSG asupra funcionrii furnalului nr. 3, Studiu UPB.

16