Способ оценки термопластичности углей и коксующих добавок и способ получения кокса - RU2562491C2

Чертежи

Показать все 12 чертежа(ей)

Описание

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к способу оценки термопластичности углей и спекающих добавок во время коксования. Способ представляет собой один из подходов к оценке качества коксующихся углей и спекающих добавок. Настоящее изобретение также относится к способу получения кокса с использованием способа оценки.

Уровень техники

В способе с использованием доменной печи, который представляет собой наиболее распространенный способ получения чугуна, кокс играет несколько ролей, например, восстанавливающего агента для железной руды, источника тепла и сепаратора. Для стабильной и эффективной работы доменной печи, важно, чтобы в доменной печи поддерживалась проницаемость для газа. Таким образом, существует необходимость получения высокопрочного кокса. Кокс получают посредством коксования смеси углей, которая представляет собой смесь различных типов коксующихся углей, которые измельчают в коксовой батарее. Во время коксования коксующийся уголь размягчается и плавится при температурах в пределах примерно от 300°С до 550°С и, в это же время, летучие вещества высвобождаются с образованием газа, который вызывает набухание, при этом частицы слипаются вместе с получением массы низкотемпературного кокса. После этого низкотемпературный кокс уплотняется посредством сокращения в ходе повышения температуры примерно до 1000°С, с получением жесткого кокса (коксового пирога). Таким образом, адгезивность термопластичного угля сильно влияет на такие свойства, как прочность кокса и диаметр частиц после коксования.

Для улучшения адгезии коксующегося угля (смеси углей), как правило, принимают способ получения кокса, в котором смесь углей смешивают со спекающей добавкой, которая демонстрирует высокую текучесть при температуре, когда уголь начинает размягчаться и плавиться. В настоящем документе, примеры спекающих добавок включают каменноугольную смолу, нефтяной пек, угли селективной очистки и экстракционные угли. Подобно углю, адгезивность этих спекающих добавок в термопластичном состоянии сильно влияет на свойства кокса после коксования.

При получении кокса в коксовой батарее, карбонизированный кокс выгружается из коксовой батареи с помощью коксовыталкивателя. Если степень усадки полученного коксового пирога самого по себе является низкой, выгрузка из батареи становится сложной. Это может приводить к "застреванию (или к трудностям с выталкиванием)", а именно, к проблеме, при которой кокс не может выгружаться из батареи. Структура карбонизированного коксового пирога в основном зависит от изменений объема угля и низкотемпературного кокса во время процесса коксования. Известно, что усадка низкотемпературного кокса хорошо коррелирует с содержанием летучих продуктов в угле (см., например, непатентную литературу 1). Во многих случаях, содержание летучих продуктов смесей углей контролируют, чтобы оно было по существу постоянным, для работы на одной и той же установке. Таким образом, характеристики изменения объема пластичных углей сильно влияют на структуру карбонизированного коксового пирога.

Как рассмотрено выше, термопластичность угля является очень важной из-за ее сильного влияния на свойства кокса и структуры коксового пирога после коксования. Таким образом, способы измерения этих характеристик активно исследуют в течение продолжительного времени. В частности, прочность кокса, которая представляет собой важное качество кокса, зависит главным образом от свойств исходного материала угля, в особенности, от типа и термопластичности угля. Термопластичность проявляется, когда уголь начинает размягчаться и плавиться при нагреве, и обычно измеряется и оценивается по отношению к таким свойствам, как текучесть, вязкость, адгезивность и способность к набуханию термопластичного угля.

Среди свойств термопластичности угля, текучесть термопластичного угля обычно измеряют с помощью способа исследования текучести угля на основе способа с использованием пластометра Гизелера, описанного в JIS М 8801. В соответствии со способом с использованием пластометра Гизелера, уголь, который измельчают до размеров не более чем 425 мкм, помещают в предписанный плавильный тигель и нагревают при заданной скорости повышения температуры, в то время как скорость вращения стержня мешалки при заданном крутящем моменте регистрируют на круговой шкале и указывается в терминах ddpm (деления круговой шкалы в минуту).

В то время как способ с использованием пластометра Гизелера измеряет скорость вращения стержня мешалки при постоянном крутящем моменте, другие способы оценивают крутящий момент при постоянной скорости вращения. Например, патентная литература 1 описывает способ, в котором измеряют крутящий момент, вращая при этом ротор при постоянной скорости вращения.

Имеются способы измерения вязкости с помощью динамического вискоэластометра (смотри, например, патентную литературу 2), имеющие целью измерение вязкости, которая представляет собой физически значимое свойство термопластичности. Динамическая вискоэластометрия представляет собой измерение вязкоупругих свойств, наблюдаемых, когда вязкоупругая масса подвергается воздействию периодических сил. В способе, описанном в патентной литературе 2, вязкость термопластичного угля оценивают на основе комплексного коэффициента вязкости из параметров, полученных с помощью измерения. Этот способ отличается тем, что вязкость термопластичного угля измеряют при заданной скорости сдвига.

Кроме того, сообщается, что термопластичность угля оценивают посредством измерения адгезии термопластичного угля по отношению к активированному углю или стеклянным шарикам. В таком способе, малое количество образца угля, заключенного по вертикали между активированным углем или стеклянными шариками, нагревают до появления термопластичности, а затем охлаждают, и визуально наблюдают адгезию угля по отношению к активированному углю или к стеклянным шарикам.

Распространенный способ измерения способности к набуханию термопластичного угля представляет собой способ с использованием дилатометра, описанный в JIS М 8801. В способе с использованием дилатометра, уголь, который измельчают до размеров не более чем 250 мкм, компактируют с помощью описанного способа, помещают в предписанный плавильный тигель и нагревают при заданной скорости повышения температуры, при этом измеряют смещение угля со временем с использованием детектирующего стержня, расположенного поверх угля.

Для моделирования термопластичных свойств угля в коксовой батарее, известны способы исследования способности к набуханию угля, которые достигают улучшения моделирования свойств проницаемости для газа, генерируемого во время пластификации угля (см., например, патентную литературу 3). В соответствии с таким способом, проницаемый материал размещают между слоем угля и поршнем, или его размещают между слоем угля и поршнем, также и в нижней части слоя угля, с тем, чтобы увеличить количество путей, через которые могут проходить летучие материалы и жидкие вещества, генерируемые из угля, тем самым аппроксимируя окружающую среду измерения ближе к окружающей среде, в которой реально проявляются свойства набухания в коксовой батарее. Известен также сходный способ, в котором способность к набуханию угля измеряют посредством размещения материала, имеющего сквозные пути прохода, на слое угля и микроволнового нагрева угля, прикладывая при этом к нему нагрузку (см. патентную литературу 4).

Список цитирования

Патентная литература

[PTL 1] Публикация не прошедшей экспертизу заявки па патент Японии №6-347392

[PTL 2] Публикация не прошедшей экспертизу заявки на патент Японии №2000-304674

[PTL 3] Патент Японии №2855728

[PTL 4] Публикация не прошедшей экспертизу заявки на патент Японии №2009-204609

Непатентная литература

[NPL 1] С. Меуег и др.: "GluckaufForshungshefte", т. 42,1981, с.233-239

[NPL 2] Morotomi и др.: "Journal of Fuel Society of Japan", т. 53, 1974, с.779-790

[NPL 3] D. W. van Krevelen: "Coal", 1993, с.693-695

[NPL 4] Miyazu и др.: "Nippon Kokan Gihou (Nippon Kokan Technical Report)", т. 67, 1975,с.125-137

[NPL 5] Kamioka и др.: "Tetsu to Hagane (Iron and Steel)", т. 93, 2007, с.728-735

Техническая проблема, решаемая изобретением

Для оценки термопластичных свойств угля в коксовой батарее, необходимо, чтобы термопластичность угля измерялась при моделировании при этом окружающей среды, которая будет окружать термопластичный уголь в коксовой батарее. Уголь, пластифицированный в коксовой батарее, а также среда, окружающая уголь, будет подробно описываться ниже.

В коксовой батарее, термопластичный уголь заключен между соседними слоями. Поскольку теплопроводность угля является низкой, уголь в коксовой батарее не нагревается равномерно и представляет различные состояния. То есть, он образует слой кокса, термопластичный слой и слой угля с одной стороны стенки батареи, а именно, с нагреваемой лицевой стороны. Хотя сама коксовая батарея немного разбухает во время коксования, ее деформация по существу отсутствует. Таким образом, термопластичный уголь заключен между соседним слоем кокса и слоем угля.

Кроме того, термопластичный уголь окружен большим количеством дефектных структур, таких как пустоты между частицами угля в слое угля, пустоты между частицами в термопластичном угле, большие поры, сформированные из-за улетучивания термически разлагающегося газа, и трещины в соседнем слое кокса. В частности, трещины, которые возникают в слое кокса, как считается, имеют ширину примерно от несколько сотен микрометров до нескольких миллиметров, это больше чем пустоты между частицами угля или поры, у которых размеры составляют примерно от нескольких десятков до нескольких сотен микрометров. Таким образом, имеется возможности того, что не только термически разлагающиеся газы и жидкие вещества, которые являются побочными продуктами угля, но также и сам термопластичный уголь будет проникать в такие большие дефекты, образующиеся в слое кокса. Кроме того, скорость сдвига, действующая на термопластичный уголь во время проникновения, как ожидается, будет различаться от одной марки до другой.

Как рассмотрено выше, условия ограничения и проникновения должны оптимизироваться для измерения термопластичности угля при моделировании окружающей среды, которая будет окружать термопластичный уголь в коксовой батарее. Однако существующие способы имеют следующие проблемы.

В способе с использованием пластометра Гизелера, измерение осуществляют по отношению к углю, помещенному в емкость. Таким образом, этот способ имеет проблему, заключающуюся в том, что не учитываются условия ограниченности или условия проницаемости. Кроме того, этот способ является непригодным для измерения угля, который демонстрирует высокую текучесть. Причина заключается в том, что, когда измеряют очень текучий уголь, возникает явление, при котором вблизи внутренней стенки емкости образуется пустота (эффект Вайссенберга) и стержень мешалки вращается вхолостую и не может точно оценивать текучесть (см., например, непатентную литературу 2).

Подобным же образом, способы на основе измерения крутящего момента при постоянной скорости вращения имеют те проблемы, заключающиеся в том, что не учитываются условия ограничения и проникновения. Кроме того, поскольку измерение осуществляют при постоянной скорости сдвига, такие способы не могут сравнивать и точно оценивать термопластичность углей по причине, описанной выше.

Динамический вискоэластометр представляет собой устройство, предназначенное для измерения вязкости как термопластичности и способное к измерению вязкости при любой скорости сдвига. Таким образом, вязкость термопластичного угля в коксовой батарее может измеряться с помощью установления скорости сдвига при измерении при такой величине сдвига, которая будет действовать на уголь в коксовой батарее. Однако обычно сложно измерить заблаговременно или установить величину скорости сдвига в коксовой батарее для каждой марки.

Воспроизведение условий проницаемости с точки зрения присутствия слоя угля пытаются осуществить в способах, которые оценивают термопластичпость угля посредством измерения адгезии по отношению к активированному углю или стеклянным шарикам. Однако такие способы имеют ту проблему, что они не моделируют присутствия слоя кокса и больших дефектов, а также ту, что измерение не является ограниченным.

Способ исследования способности к набуханию угля из патентной литературы 3, который включает использование проницаемого материала, рассматривает движение газов и жидких веществ, генерируемых из угля. Однако этот способ является проблематичным в том, что не учитывается движение самого термопластичного угля. Причина для такого пренебрежения движением угля заключается в том, что проницаемость проницаемого материала, используемого в патентной литературе 3, не является достаточно высокой для того, чтобы термопластичный уголь проник в материал. Авторы настоящего изобретения реально осуществили исследования в соответствии с описанием, приведенным в патентной литературе 3, чтобы подтвердить, что термопластичный уголь не проникает в проницаемый материал. Соответственно, необходимо, чтобы были сконструированы новые условия, чтобы позволить термопластичному углю проникать в проницаемый материал.

Патентная литература 4 описывает сходный способ измерения способности к набуханию угля посредством размещения материала, имеющего сквозные пути для прохождения, на слое угля, с учетом движения газов и жидких веществ, генерируемых из угля. Однако этот способ имеет проблемы, заключающиеся в том, что способ нагрева ограничен и что литература не описывает условий для оценки явления проницаемости в коксовой батарее. Кроме того, патентная литература 4 не описывает четко соотношения между явлением проницаемости и термопластичными свойствами расплава угля и не указывает на соотношение между явлением проницаемости расплава угля и качеством получаемого кокса. Таким образом, эта литература не описывает получения высококачественного кокса. Как описано выше, существующие технологии неспособны к измерению свойств термопластичности углей и спекающих добавок, таких как текучесть, вязкость, адгезивность, свойства проницаемости, коэффициент набухания во время проникновения и давление во время проникновения, моделируя при этом, в достаточной степени, окружающую среду, которая будет окружать термопластичные угли и спекающие добавки в коксовой батарее.

Для решения указанных выше проблем в данной области и для осуществления измерения термопластичности углей и спекающих добавок, при условии моделирования при этом в достаточной степени, окружающей среды, которая будет окружать термопластичные угли и спекающие добавки, в коксовой батарее, целью настоящего изобретения является создание простого и более точного способа оценки термопластичности углей и спекающих добавок.

Кроме того, более высокая точность при оценке термопластичности делает возможным более точное понимание влияния углей и спекающих добавок на прочность кокса. При использовании этих данных, другой целью настоящего изобретения является создание способа получения высокопрочного кокса посредством установления нового критерия для смешивания углей.

Пути решения проблемы

Характеристики настоящего изобретения, имеющего целью решение указанных выше проблем, в целом, представляют собой следующее.

(1) Способ оценки термопластичности углей и спекающих добавок, включающий:

набивку угля или спекающей добавки в емкость с получением образца, размещение материала, имеющего сквозные отверстия от верхней поверхности до нижней поверхности, на образце,

нагрев образца, с поддержанием при этом образца и материала со сквозными отверстиями при постоянном объеме,

измерение расстояния проникновения, на которое расплавленный образец проникает в сквозные отверстия, и

оценку термопластичности образца с использованием измеренного значения.

(2) Способ оценки термопластичности углей и спекающих добавок, включающий:

набивку угля или спекающей добавки в емкость с получением образца, размещение материала со сквозными отверстиями, имеющего сквозные отверстия от верхней поверхности до нижней поверхности, на образце,

нагрев образца, с поддержанием при этом образца и материала со сквозными отверстиями при постоянном объеме,

измерение давления образца, которое передается через материал со сквозными отверстиями, и

оценку термопластичности образца с использованием измеренного значения.

(3) Способ оценки термопластичности углей и спекающих добавок, включающий:

набивку угля или спекающей добавки в емкость с получением образца, размещение материала со сквозными отверстиями, имеющего сквозные отверстия от верхней поверхности до нижней поверхности, на образце,

нагрев образца, с приложением при этом постоянной нагрузки на материал со сквозными отверстиями,

измерение расстояния проникновения, на которое расплавленный образец проникает в сквозные отверстия, и

оценку термопластичности образца с использованием измеренного значения.

(4) Способ оценки термопластичности углей и спекающих добавок, включающий:

набивку угля или спекающей добавки в емкость с получением образца, размещение материала со сквозными отверстиями, имеющего сквозные отверстия от верхней поверхности до нижней поверхности, на образце,

нагрев образца, с приложением при этом постоянной нагрузки на материал со сквозными отверстиями,

измерение коэффициента набухания образца и оценку термопластичности образца с использованием измеренного значения.

(5) Способ оценки термопластичности углей и спекающих добавок, описанный в любом из (1)-(4), где приготовление образца включает измельчение угля или спекающей добавки таким образом, что частицы диаметром частиц не более чем 3 мм составляют не меньше чем 70% масс, и набивку измельченного угля или спекающей добавки в емкость при плотности набивки от 0,7 до 0,9 г/см³ и при толщине слоя от 5 до 20 мм.

(6) Способ оценки термопластичности углей и спекающих добавок, описанный в (5), где уголь или спекающую добавку измельчают таким образом, что частицы с диаметром частицы не более чем 2 мм составляют 100% масс.

(7) Способ оценки термопластичности углей и спекающих добавок, описанный в любом из (1)-(4), где материал со сквозными отверстиями представляет собой слой набивки из сферических частиц или слой набивки из несферических частиц.

(8) Способ оценки термопластичности углей и спекающих добавок, описанный в (7), где материал со сквозными отверстиями представляет собой слой набивки из сферических частиц.

(9) Способ оценки термопластичности углей и спекающих добавок, описанный в (8), где слой набивки из сферических частиц содержит стеклянные шарики.

(10) Способ оценки термопластичности углей и спекающих добавок, описанный в любом из (1)-(4),

где образец нагревают от комнатной температуры до 550°С при скорости нагрева от 2 до 10°С/мин в атмосфере инертного газа.

(11) Способ оценки термопластичности углей и спекающих добавок, описанный в (10), где скорость нагрева составляет 2-4°С/мин.

(12) Способ оценки термопластичности углей и спекающих добавок, описанный в (3) или (4), где приложение постоянной нагрузки включает приложение такой нагрузки, что давление на верхней поверхности материала со сквозными отверстиями становится равным от 5 до 80 кПа.

(13) Способ оценки термопластичности углей и спекающих добавок, описанный в (12), где приложение нагрузки включает приложение такой нагрузки, что давление на верхней поверхности материала со сквозными отверстиями становится равным от 15 до 55 кПа.

(14) Способ оценки термопластичности углей и спекающих добавок, описанный в (1) или (2), где

размещение материала со сквозными отверстиями включает размещение стеклянных шариков, имеющих диаметр от 0,2 до 3,5 мм, на образце с тем, чтобы получить слой толщиной от 20 до 100 мм, и

нагрев образца включает нагрев образца от комнатной температуры до 550°С при скорости нагрева от 2 до 10°С/мин в атмосфере инертного газа, с поддержанием при этом образца и слоя стеклянных шариков при постоянном объеме.

(15) Способ оценки термопластичности углей и спекающих добавок, описанный в (3) или (4), где

размещение материала со сквозными отверстиями включает размещение стеклянных шариков, имеющих диаметр от 0,2 до 3,5 мм, на образце с тем, чтобы получить слой толщиной от 20 до 100 мм, и

нагрев образца включает нагрев образца от комнатной температуры до 550°С при скорости нагрева от 2 до 10°С/мин в атмосфере инертного газа, с приложением при этом нагрузки к стеклянным шарикам сверху от 5 до 80 кПа.

(16) Способ оценки термопластичности углей и спекающих добавок, описанный в (1) или (2), где

приготовление образца включает измельчение угля или спекающей добавки таким образом, что частицы с диаметром частиц не более чем 3 мм составляют не меньше чем 70% масс, и набивку измельченного угля или спекающей добавки в емкость при плотности набивки от 0,7 до 0,9 г/см³ и при толщине слоя от 5 до 20 мм,

размещение материала со сквозными отверстиями включает размещение стеклянных шариков, имеющих диаметр от 0,2 до 3,5 мм, на образце с тем, чтобы получить слой толщиной от 20 до 100 мм, и

нагрев образца включает нагрев образца от комнатной температуры до 550°С при скорости нагрева от 2 до 10°С/мин в атмосфере инертного газа, с поддержанием при этом образца и слоя стеклянных шариков при постоянном объеме.

(17) Способ оценки термопластичности углей и спекающих добавок, описанный в (3) или (4), где

приготовление образца включает измельчение угля или спекающей добавки таким образом, что частицы с диаметром частиц не более чем 3 мм составляют не меньше чем 70% масс, и набивку измельченного угля или спекающей добавки в емкость при плотности набивки от 0,7 до 0,9 г/см³ и при толщине слоя от 5 до 20 мм,

размещение материала со сквозными отверстиями включает размещение стеклянных шариков, имеющих диаметр от 0,2 до 3,5 мм, на образце с тем, чтобы получить слой толщиной от 20 до 100 мм, и

нагрев образца включает нагрев образца от комнатной температуры до 550°С при скорости нагрева от 2 до 10°С/мин в атмосфере инертного газа, с приложением при этом нагрузки к стеклянным шарикам сверху от 5 до 80 кПа.

(18) Способ оценки термопластичности углей и спекающих добавок, описанный в (1) или (2), где

приготовление образца включает измельчение угля или спекающей добавки таким образом, что частицы с диаметром частиц не более чем 2 мм составляют 100% масс, и набивку измельченного угля или спекающей добавки в емкость при плотности набивки 0,8 г/см³ и при толщине слоя 10 мм,

размещение материала со сквозными отверстиями включает размещение стеклянных шариков, имеющих диаметр 2 мм, на образце с тем, чтобы получить слой толщиной 80 мм, и

нагрев образца включает нагрев образца от комнатной температуры до 550°С при скорости нагрева 3°С/мин в атмосфере инертного газа, с поддержанием при этом образца и слоя стеклянных шариков при постоянном объеме.

(19) Способ оценки термопластичности углей и спекающих добавок, описанный в (3) или (4), где

приготовление образца включает измельчение угля или спекающей добавки таким образом, что частицы с диаметром частиц не более чем 2 мм составляют 100% масс, и набивку измельченного угля или спекающей добавки в емкость при плотности набивки 0,8 г/см³ и при толщине слоя 10 мм,

размещение материала со сквозными отверстиями включает размещение стеклянных шариков, имеющих диаметр 2 мм, на образце с тем, чтобы получить слой толщиной 80 мм, и

нагрев образца включает нагрев образца от комнатной температуры до 550°С при скорости нагрева 3°С/мин в атмосфере инертного газа, с приложением при этом нагрузки к стеклянным шарикам сверху 50 кПа.

(20) Способ получения кокса, включающий:

измерение расстояния проникновения, которое представляет термопластичность угля, по отношению к углю или углям, которые должны добавляться к смеси коксующихся углей, которые имеют логарифмическое значение максимальной текучести по Гизелеру, logMF, не меньше чем 3,0.

на основе средневзвешенного значения измеренного расстояния (расстояний), определение отношения смешивания угля (углей), имеющих логарифмическое значение максимальной текучести по Гизелеру, logMF не меньше чем 3,0 и

коксование углей, которые смешаны в соответствии с определенным отношением смешивания.

(21) Способ получения кокса, описанный в (20), где

расстояние проникновения измеряют с помощью (1)-(4), ниже,

и

отношение смешивания определяют посредством определения пропорции (пропорций) угля (углей), имеющего логарифмическое значение максимальной текучести по Гизелеру, logMF, не меньше чем 3,0 таким образом, что средневзвешенное значение измеренного расстояния (расстояний) проникновения становится равным не более чем 15 мм,

(1) уголь или спекающую добавку измельчают таким образом, что частицы с диаметром частиц не более чем 2 мм составляют 100% масс, и измельченный уголь или спекающую добавку набивают в емкость при плотности набивки 0,8 г/см³ и при толщине слоя 10 мм, с получением тем самым образца,

(2) стеклянные шарики, имеющие диаметр 2 мм, размещают на образце с тем, чтобы получить слой толщиной 80 мм,

(3) образец нагревают от комнатной температуры до 550°С при скорости нагрева 3°С/мин в атмосфере инертного газа, с поддержанием при этом образца и слоя стеклянных шариков при постоянном объеме,

(4) измеряют расстояние проникновения расплавленного образца, который проникает в слой стеклянных шариков.

(22) Способ получения кокса, описанный в (20), где

расстояние проникновения измеряют с помощью (1)-(4), ниже,

и

отношение смешивания определяют посредством определения пропорции (пропорций) угля (углей), имеющего логарифмическое значение максимальной текучести по Гизелеру, logMF, не меньше чем 3,0 таким образом, что средневзвешенное значение измеренного расстояния (расстояний) проникновения становится равным не более чем 17 мм,

(1) уголь или спекающую добавку измельчают таким образом, что частицы с диаметром частиц не более чем 2 мм составляют 100% масс, и измельченный уголь или спекающую добавку набивают в емкость при плотности набивки 0,8 г/см и при толщине слоя 10 мм, с получением тем самым образца,

(2) стеклянные шарики, имеющие диаметр 2 мм, размещают на образце с тем, чтобы получить слой толщиной 80 мм,

(3) образец нагревают от комнатной температуры до 550°С при скорости нагрева 3°С/мин в атмосфере инертного газа, с приложением при этом нагрузки к стеклянным шарикам сверху 50 кПа,

(4) измеряют расстояние проникновения расплавленного образца, который проникает в слой стеклянных шариков.

(23) Способ получения кокса, включающий:

предварительное определение марок углей или спекающих добавок, которые должны добавляться к смеси коксующихся углей, а также общего отношения смешивания угля или угли со значением logMF меньше чем 3,0 по отношению к смеси углей,

измерение расстояния проникновения по отношению к углю или углям, имеющим логарифмическое значение максимальной текучести по Гизелеру, logMF, не меньше чем 3,0, среди углей, которые должны добавляться к смеси коксующихся углей,

определение соотношения между средневзвешенным расстоянием проникновения углей или спекающих добавок со значением logMF не меньше чем 3,0, которые должны добавляться к смесям углей, и прочностью кокса, получаемого с помощью смеси углей, с изменением при этом пропорций индивидуальных марок углей, соотношение получают, изменяя пропорции индивидуальных марок углей или спекающих добавок при общем отношении смешивания угля или углей со значением logMF меньше чем 3,0, которое поддерживают постоянным по отношению к смеси углей, и

установление средневзвешенного расстояния проникновения посредством контроля марки и пропорции угля (углей) со значением logMF не меньше чем 3,0 с тем, чтобы получить прочность кокса, которая не меньше чем желаемое значение.

(24) Способ получения кокса, описанный в (23), где расстояние проникновения измеряют при условиях, выбранных из диапазона, описанного ниже:

уголь или спекающую добавку измельчают таким образом, что частицы с диаметром частиц не более чем 3 мм составляют не меньше чем 70% масс; измельченный материал набивают в емкость при плотности набивки от 0,7 до 0,9 г/см³ и при толщине слоя от 5 до 20 мм, с получением тем самым образца; стеклянные шарики, имеющие диаметр от 0,2 до 3,5 мм, размещают на образце с тем, чтобы получить слой толщиной от 20 до 100 мм; и образец нагревают от комнатной температуры до 550°С при скорости повышения температуры от 2 до 10°С/мин в атмосфере инертного газа, с поддержанием при этом образца и слоя стеклянных шариков при постоянном объеме.

(25) Способ получения кокса, описанный в (23), где расстояние проникновения измеряют при условиях, выбранных из диапазона, описанного ниже:

уголь или спекающую добавку измельчают таким образом, что частицы с диаметром частиц не более чем 3 мм составляют не меньше чем 70% масс; измельченный материал набивают в емкость при плотности набивки от 0,7 до 0,9 г/см³ и при толщине слоя от 5 до 20 мм, с получением тем самым образца; стеклянные шарики, имеющие диаметр от 0,2 до 3,5 мм, размещают на образце с тем, чтобы получить слой толщиной от 20 до 100 мм; и образец нагревают от комнатной температуры до 550°С при скорости повышения температуры от 2 до 10°С/мин в атмосфере инертного газа с приложением при этом нагрузки к стеклянным шарикам сверху таким образом, что получают давление от 5 до 80 кПа.

Преимущества изобретения

В соответствии с настоящим изобретением, можно оценивать термопластичность углей и спекающих добавок, а именно, расстояние проникновения термопластичного угля в дефектные структуры, коэффициент набухания во время проникновения и давление во время проникновения, моделируя при этом воздействие дефектных структур, которые будут присутствовать вокруг термопластичного слоя углей и спекающих добавок в коксовой батарее, в частности, воздействие трещин, присутствующих в слое кокса, соседнем с термопластичным слоем, а также соответствующим образом воспроизводить условия ограничения, которые будут окружать термопластичный слой в коксовой батарее. Подробно, настоящее изобретение делает возможным измерение расстояния проникновения термопластичного угля в дефектные структуры, коэффициент набухания во время проникновения и давление во время проникновения, моделируя при этом скорость сдвига, при которой угли и спекающие добавки, которые пластифицируются в коксовой батарее, будут перемещаться и изменять форму. С помощью измеренных значений, свойства кокса и структуры коксового пирога могут оцениваться с более высокой точностью, чем достигается с помощью обычных способов.

Таким образом, термопластичные свойства угля в коксовой батарее могут оцениваться точно, и полученные данные можно использовать при получении высокопрочного кокса.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 представляет собой схематический вид, иллюстрирующий пример устройства для использования в настоящем изобретении, предназначенного для измерения термопластичности, с поддержанием при этом образца и материала со сквозными отверстиями, имеющий сквозные отверстия от верхней поверхности до нижней поверхности, при постоянном объеме.

Фиг.2 представляет собой схематический вид, иллюстрирующий пример устройства для использования в настоящем изобретении, предназначенного для измерения термопластичности, с приложением при этом постоянной нагрузки на образец и материал со сквозными отверстиями.

Фиг.3 представляет собой схематический вид, иллюстрирующий материал со сквозными отверстиями, с круговыми сквозными отверстиями, в качестве примера материалов со сквозными отверстиями для использования в настоящем изобретении.

Фиг.4 представляет собой схематический вид, иллюстрирующий слой набивки из сферических частиц в качестве примера материала со сквозными отверстиями для использования в настоящем изобретении.

Фиг.5 представляет собой схематический вид, иллюстрирующий слой плотноупакованных цилиндров в качестве примера материала со сквозными отверстиями для использования в настоящем изобретении.

Фиг.6 представляет собой график, показывающий результаты измерения расстояния проникновения термопластичных углей в примере 1.

Фиг.7 представляет собой график, показывающий результаты измерения расстояния проникновения термопластичных углей в примере 2.

Фиг.8 представляет собой график, показывающий соотношение между измеренным расстоянием проникновения и средневзвешенным расстоянием проникновения смесей термопластичных углей в примере 3.

Фиг.9 представляет собой график, показывающий соотношение между средневзвешенным расстоянием проникновения (измеренным с помощью нагрева при постоянной нагрузке) для угля с логарифмическим значением максимальной текучести по Гизелеру logMF≥3,0, который добавляют к смеси углей, и барабанной прочностью, измеренной в примере 4.

Фиг.10 представляет собой график, показывающий соотношение между средневзвешенным расстоянием проникновения (измеренным с помощью нагрева при постоянном объеме) для угля с логарифмическим значением максимальной текучести по Гизелеру logMF≥3,0, который добавляют к смеси углей, и барабанной прочностью, измеренной в примере 4.

Фиг.11 представляет собой изображение, показывающее структуру кокса, полученную посредством коксования смеси углей А, которая содержит уголь А, имеющий соответствующее расстояние проникновения.

Фиг.12 представляет собой изображение, показывающее структуру кокса, полученную посредством коксования смеси углей F, которая содержит уголь F, имеющий слишком большое расстояние проникновения.

Описание вариантов осуществления

Иллюстративные устройства, используемые в настоящем изобретении для измерения термопластичности, иллюстрируются на фиг.1 и 2. Устройство, иллюстрируемое на фиг.1, предназначено для нагрева образца угля или спекающей добавки, с поддержанием при этом образца и материала, имеющего сквозные отверстия от верхней поверхности до нижней поверхности, при постоянном объеме. Устройство, иллюстрируемое на фиг.2, предназначено для нагрева образца угля или спекающей добавки, с приложением при этом постоянной нагрузки на образец и материал со сквозными отверстиями. Уголь или спекающую добавку набивают в нижнюю часть емкости 3 с получением образца 1. Материал 2 со сквозными отверстиями размещают поверх образца 1. Образец 1 нагревают до диапазона температур, при которых образец начинает размягчаться и плавиться, или до температур выше его, с тем, чтобы вызвать проникновение образца в материал 2 со сквозными отверстиями. Это расстояние проникновения измеряют. Указанный выше нагрев осуществляют в атмосфере инертного газа. В настоящем документе, термин "инертный газ" относится к газу, который не взаимодействует с углем в диапазоне температур измерения. Типичные газы включают газообразный аргон, газообразный гелий и газообразный азот.

В случае, когда образец 1 нагревают, поддерживая при этом образец 1 и материал 2 со сквозными отверстиями при постоянном объеме, давление во время проникновения образца может измеряться с помощью материала 2 со сквозными отверстиями. Как иллюстрируется на фиг.1, стержень 4 для детектирования давления располагают на верхней поверхности материала 2 со сквозными отверстиями и датчик 6 нагрузки располагают в контакте с верхним краем стержня 4 для детектирования давления, с целью измерения давления. Для поддержания постоянного объема, датчик 6 нагрузки фиксируется с тем, чтобы он не двигался в вертикальном направлении. Перед началом нагрева, материал 2 со сквозными отверстиями, стержень 4 для детектирования давления и датчик б нагрузки приводятся в плотный контакт по отношению к образцу, набитому в емкость 3, таким образом, чтобы быть уверенным в отсутствии каких-либо зазоров между любыми из этих элементов. В случае, когда материал 2 со сквозными отверстиями представляет собой слой набивки из частиц, стержень 4 для детектирования давления может погружаться в слой набивки из частиц. Таким образом, желательно, чтобы была вставлена пластинка между материалом 2 со сквозными отверстиями и стержнем 4 для детектирования давления.

Когда образец 1 нагревают, с приложением при этом постоянной нагрузки на образец 1 и на материал 2 со сквозными отверстиями, образец 1 получает возможность для набухания или сокращения с тем, чтобы материал 2 со сквозными отверстиями перемещался в вертикальном направлении. Таким образом, коэффициент набухания во время проникновения образца может измеряться с помощью материала 2 со сквозными отверстиями. Для этой цели, как иллюстрируется на фиг.2, стержень 13 для детектирования коэффициента набухания может быть расположен на верхней поверхности материала 2 со сквозными отверстиями, масса 14 нагрузки может помещаться на верхнем краю стержня 13 для детектирования коэффициента набухания и измеритель 15 смещения может располагаться над узлом для измерения коэффициента набухания. Измеритель 15 смещения может представлять собой прибор, способный измерять коэффициент набухания в диапазоне, в котором может набухать образец (-100%-300%). Поскольку внутреннее пространство системы нагрева должно поддерживаться в атмосфере инертного газа, пригодным для использования является измеритель смещения бесконтактного типа, и желательно использовать оптический измеритель смещения. Атмосфера инертного газа предпочтительно представляет собой атмосферу азота. В случае, когда материал 2 со сквозными отверстиями представляет собой слой набивки из частиц, стержень 13 для детектирования коэффициента набухания может погружаться в слой набивки из частиц. Таким образом, желательно, чтобы была вставлена пластинка между материалом 2 со сквозными отверстиями и стержнем 13 для детектирования коэффициента набухания. Нагрузку предпочтительно прикладывают равномерно на верхнюю поверхность материала со сквозными отверстиями, размещенного на верхней поверхности образца. Желательно, чтобы на область верхней поверхности материала со сквозными отверстиями прикладывалось давление от 5 до 80 кПа, предпочтительно, от 15 до 55 кПа, а наиболее предпочтительно, от 25 до 50 кПа. Это давление предпочтительно устанавливают, основываясь на давлении набухания термопластичного слоя в коксовой батарее. Авторы настоящего изобретения изучили воспроизводимость результатов измерений и статистическую мощность детектирования различий между марками по отношению к различным видам углей. В результате, авторы настоящего изобретения обнаружили, что давление, которое чуть превышает давление набухания в батарее, подробнее, давление примерно 25 до 50 кПа является наиболее предпочтительным в качестве условий измерения.

Желательно, чтобы средства нагрева принадлежали к типу, способному нагревать образец при заранее заданной скорости повышения температуры, с измерением при этом температуры образца. Конкретные примеры включают электрическую печь, внешнюю систему нагрева, такую как сочетание проводящей емкости и высокочастотной индукции, и систему внутреннего нагрева, такую как микроволны. В случае, когда принимается система внутреннего нагрева, должна быть разработана конструкция, которая делает возможным равномерное распределение температуры внутри образца. Например, предпочтительно разработать средство, которое увеличивает термоизоляционные свойства емкости.

Для моделирования термопластичных свойств углей и спекающих добавок в коксовой батарее, скорость нагрева должна соответствовать скорости нагрева угля в коксовой батарее. Скорость нагрева угля вблизи температур размягчения и плавления в коксовой батарее, как правило, составляет от 2 до 10°С/мин, хотя она и изменяется в зависимости от положения внутри батареи и от условий работы, и желательно, чтобы она составляла от 2 до 4°С/мин, а желательней всего, примерно 3°С/мин, в терминах средней скорости нагрева. В случае углей с низкой текучестью, таких как некоксующиеся угли и плохо коксующиеся угли, однако, нагрев при 3°С/мин дает малое расстояние проникновения и малое набухание, которое может быть сложным для детектирования. Как правило, известно, что текучесть угля улучшается согласно способу с использованием пластометра Гизелера при быстром нагреве (см., например, непатентную литературу 3). Таким образом, в случае угля с расстоянием проникновения, например, 1 мм или меньше, измерение можно осуществлять при повышенной скорости нагрева от 10 до 1000°С/мин для улучшения чувствительности детектирования.

Поскольку измерение имеет целью оценку термопластичности углей и спекающих добавок, нагрев может осуществляться до такой степени, чтобы температура повышалась до температур размягчения и плавления углей и спекающих добавок. С точки зрения температур размягчения и плавления углей и спекающих добавок для получения кокса, нагрев может осуществляться, при заранее заданной скорости нагрева, от 0°С (комнатная температура) до 550°С, а предпочтительно, от 300 до 550°С, что является диапазоном температур, при которых уголь начинает размягчаться и плавиться.

Желательно, чтобы материал со сквозными отверстиями представлял собой материал, коэффициент проницаемости которого может быть измерен или вычислен заблаговременно. Иллюстративные конфигурации материалов включают цельные материалы, имеющие сквозные отверстия, и слои набивки из частиц. Примеры целостных материалов, имеющих сквозные отверстия, включают материалы, имеющие круговые сквозные отверстия 16, как иллюстрируется на фиг.3, материалы, имеющие прямоугольные сквозные отверстия, и материалы, имеющие нерегулярные сквозные отверстия. Слои набивки из частиц в основном классифицируются на слои набивки из сферических частиц и слои набивки из несферических частиц. Примеры слоев набивки из сферических частиц включают слои набивки, сформированные из частиц 17, таких как шарики, как иллюстрируется на фиг.4. Примеры слоев набивки из несферических частиц включают слои из нерегулярных частиц и слои, сформированные из плотно упакованных цилиндров 18, как иллюстрируется на фиг.5. Для обеспечения воспроизводимости измерения, желательно, чтобы коэффициент проницаемости был настолько однородным, насколько это возможно, по всему материалу. Для простоты измерения, желательно, чтобы материал давал возможность для простого вычисления его коэффициента проницаемости. Таким образом, слой набивки из сферических частиц является особенно желательным для использования в качестве материала со сквозными отверстиями в настоящем изобретении. Вещество, которое образует материал со сквозными отверстиями, не является как-либо определенным постольку, поскольку оно по существу не деформируется при температуре размягчения и плавления угля или при температуре выше нее, подробнее, до 600°С, и не взаимодействует с углем. Высота материала не ограничивается как-либо постольку, поскольку слой материала является достаточно высоким, чтобы принять проникновение расплава угля. В случае, когда нагревают слой угля с толщиной от 5 до 20 мм, высота материала со сквозными отверстиями, соответственно, составляет примерно от 20 до 100 мм.

Необходимо, чтобы коэффициент проницаемости материала со сквозными отверстиями устанавливался из предположения о коэффициенте проницаемости больших дефектов, присутствующих в слое кокса. Авторы настоящего изобретения исследовали особенно предпочтительный коэффициент проницаемости для настоящего изобретения, рассматривая при этом составляющие факторы таких больших дефектов и делая предположение об их размерах. В результате, авторы настоящего изобретения обнаружили, что коэффициент проницаемости от 1×10⁸ до 2×10⁹ м^-2 является наиболее пригодным для использования. Этот коэффициент проницаемости получают на основе закона Дарси, представленного уравнением (1), ниже:

где ДР представляет собой потери давления [Па] внутри материала со сквозными отверстиями, L представляет собой высоту [м] материала со сквозными отверстиями, К представляет собой коэффициент проницаемости [м^-2], (а представляет собой вязкость [Па·с] текучей среды и u представляет собой скорость [м/сек] текучей среды. Например, в случае, когда в качестве материала со сквозными отверстиями используют слой стеклянных шариков с однородным диаметром частиц, желательно выбрать стеклянные шарики с диаметром примерно от 0,2 мм до 3,5 мм, желательней всего, с диаметром 2 мм, для достижения рассмотренного выше пригодного для использования коэффициента проницаемости.

Угли и спекающие добавки для образцов, предназначенные для измерений, предварительно измельчают и набивают при заранее заданной плотности набивки и при заранее заданной толщине слоя. Размер измельченных частиц может быть сходным с размером частиц угля, загружаемого в коксовую батарею (частицы с диаметром частиц не более чем 3 мм составляют примерно 70-80% масс по отношению к общей массе). Альтернативно, образец материала предпочтительно измельчают таким образом, что частицы с диаметром частиц не более чем 3 мм составляют не меньше чем 70% масс.С учетом того факта, что измерение осуществляют с помощью малого устройства, особенно предпочтительно, чтобы весь измельченный материал имел диаметр частиц не более чем 2 мм. Измельченный материал может набиваться при плотности от 0,7 до 0,9 г/см³ в соответствии с возможной плотностью набивки в коксовой батарее. Основываясь на результатах исследований воспроизводимости статистической мощности детектирования, авторы настоящего изобретения обнаружили, что плотность набивки 0,8 г/см³ является предпочтительной. Основываясь на толщине термопластичного слоя в коксовой батарее, толщина слоя набивки может составлять 5-20 мм. Исследования воспроизводимости и статистической мощности детектирования, осуществленные авторами настоящего изобретения, показали, что толщина слоя 10 мм является предпочтительной.

В основном желательно, чтобы во время нагрева расстояние проникновения термопластичного угля или термопластичной спекающей добавки было бы доступным для измерения постоянно и непрерывно. Однако постоянное измерение является сложным, например, из-за влияния пека, генерируемого из образца. Набухание и проникновение угля под действием нагрева являются необратимыми явлениями. Таким образом, после того как уголь набухает или проникает, его форма по существу сохраняется, даже если уголь охлаждают. На основе этого факта, измерение можно осуществлять таким образом, что после того как проникновение расплава угля завершается, емкость с содержимым охлаждается и степень, до которой происходит проникновение во время нагрева, определяется посредством измерения расстояния проникновения после охлаждения. Например, материал со сквозными отверстиями может удаляться из охлажденной емкости, и расстояние может непосредственно измеряться с помощью штангенциркуля с нониусом или линейки. В случае, когда материал со сквозными отверстиями представляет собой частицы, термопластичный уголь, который проникает в пустоты между частицами, связывает слой частиц на всем расстоянии проникновения. Таким образом, при условии, что соотношение между массой и высотой слоя набивки из частиц измерено заблаговременно, расстояние проникновения может быть вычислено посредством измерения массы частиц, которые не связаны вместе, после завершения проникновения и вычитания измеренной массы из начальной массы с получением массы связанных частиц.

Уравнение (1), приведенное выше, включает параметр вязкости (µ). Таким образом, параметр вязкости термопластичного угля, который проникает в материал со сквозными отверстиями, может быть получен из параметров, измеренных в соответствии с настоящим изобретением. Например, в случае, когда образец нагревают, в то время как образец и материал со сквозными отверстиями поддерживают при постоянном объеме, ΔР соответствует давлению во время проникновения, L - расстоянию проникновения и u - скорости проникновения, при этом параметр вязкости может быть получен посредством подстановки указанных выше параметров в уравнение (1). Альтернативно, в случае, когда образец нагревают, в то время как к образцу и к материалу со сквозными отверстиями прикладывают постоянную нагрузку, ΔР соответствует давлению прикладываемой нагрузки, L - расстоянию проникновения и u - скорости проникновения, при этом вязкость может быть подобным же образом получена посредством подстановки указанных выше параметров в уравнение (1).

Как продемонстрировано выше, термопластичность углей и спекающих добавок оценивают посредством измерения расстояния проникновения, давления или коэффициента набухания термопластичных углей и термопластичных спекающих добавок. В настоящем документе, фраза "оценивают термопластичность образца (угля или спекающей добавки)" по настоящему изобретению означает, что измеряют, по меньшей мере, расстояние проникновения, давление и коэффициент набухания, и на основе измеренных значений получают показатели для количественной оценки свойств расплава угля, а также связанных с ними явлений (например, свойств полученного кокса, сопротивления толканию кокса). Измеренные значения расстояния проникновения, давления и коэффициента набухания можно использовать в сочетании со значениями других свойств (например, MF). Альтернативно, можно использовать один или несколько параметров, выбранных из расстояния проникновения, давления и коэффициента набухания самих по себе. В последнем случае, оценка термопластичности считается осуществленной, когда получают измеренные значения расстояния проникновения, давления и коэффициента набухания. То есть, измерение расстояния проникновения, давления и коэффициента набухания имеет по существу такое же значение, как и оценка термопластичности. Кроме того, расстояние проникновения, давление и коэффициент набухания можно использовать в качестве параметров при оценке прочности кокса, при этом становится возможным получение кокса, имеющего желаемую прочность, посредством смешивания углей нескольких марок. Наиболее распространенный показатель прочности кокса представляет собой прочность под нагрузкой при нормальной температуре. В дополнение к барабанной прочности, на основе указанных выше параметров можно оценивать другие свойства кокса, такие как CSR (прочность кокса после реакции) (прочность после реакции с СО₂), прочность на разрыв и микропрочность, при этом становится возможным получение кокса, имеющего желаемую прочность, посредством смешивания углей нескольких марок.

В обычной теории смешивания углей для оценки прочности кокса, прочность кокса, как считается, определяется в основном, средним максимальным (на воздухе) показателем отражения витринита (Ro) и логарифмическим значением максимальной текучести по Гизелеру (MF) (logMF) угля (см., например, непатентную литературу 4).

Текучесть по Гизелеру является показателем текучести, демонстрируемой, когда уголь является термопластичным, и представляется в терминах скорости вращения стержня мешалки с использованием пластометра Гизелера, а именно, количеством вращений за 1 минуту в ddpm (делений круговой шкалы в минуту) для узла. Используемое свойство угля представляет собой максимальную текучесть (MF). Альтернативно, иногда используют десятичный логарифм ddpm. Поскольку расстояние проникновения в соответствии с настоящим изобретением, как считается, представляет собой параметр, который показывает текучесть при условиях, моделирующих термопластичные свойства в коксовой батарее, этот параметр будет превосходить логарифмическое значение максимальной текучести по Гизелеру logMF при оценке свойств кокса или структур коксового пирога.

Это превосходство расстояния проникновения, в принципе, является ожидаемым, основываясь на том факте, что способ измерений моделирует окружающую среду в коксовой батарее и подтверждается результатами исследований, которые исследуют влияние расстояние проникновения на прочность кокса. Фактически, с помощью способа оценки по настоящему изобретению обнаружено, что угли со сходными значениями logMF имеют различные расстояния проникновения в зависимости от марок. Кроме того, подтверждается, что влияние на прочность кокса различается, когда угли, имеющие различные расстояния проникновения, смешиваются и перерабатываются в виде кокса. Подробнее, как будет позже продемонстрировано в разделе Примеры, соотношение является таким, что прочность кокса уменьшается после того, как значение расстояния проникновения превышает определенный порог. Причины для этого считаются следующими.

Когда угли, имеющие большое расстояние проникновения, смешивают, пропорция углей, которые демонстрируют достаточные свойства плавления во время коксования, считается высокой. Предполагается, однако, что угли, имеющие слишком большое расстояние проникновения, проникают между окружающими их частицами угля до такой заметной степени, что области, где эти частицы угля присутствуют, остаются в виде больших полостей, приводя к возникновению дефектов. Хотя обычная концепция на основе максимальной текучести по Гизелеру ожидает возможности уменьшения прочности кокса в случае смеси углей, демонстрирующих слишком высокую текучесть (смотри, например, непатентную литературу 4), при этом невозможно объяснить поведение индивидуальных марок, имеющих высокую текучесть. Одна из причин для этого, вероятно, заключается в том, что обычное измерение текучести по Гизелеру неспособно давать точное измерение свойств при высокой текучести из-за рассмотренного выше эффекта Вайссенберга. Способ измерения по настоящему изобретению делает возможной более точную оценку свойств расплавов, особенно, при высокой текучести. Таким образом, настоящее изобретение обеспечивает значительный прогресс, делая возможным выяснения различий в свойствах между термопластичными углями, которые сложно выявить с помощью обычных способов, а также делая возможной лучшую оценку соотношения между термопластичными свойствами и структурами кокса.

Авторы настоящего изобретения установили пригодные для использования условия измерения в способе по настоящему измерению и завершили способ получения высокопрочного кокса, используя результаты измерений.

Примеры

Пример 1

Будут описаны примеры измерений для нагрева при постоянном объеме, для образцов углей и спекающих добавок в сочетании с материалом, имеющим сквозные отверстия от верхней поверхности до нижней поверхности. Расстояние проникновения и давление во время проникновения измеряют с использованием 17 типов углей и 4 типов спекающих добавок (угли А - Q, спекающие добавки R - U) в качестве образцов. Таблица 1 описывает свойства (средний максимальный показатель отражения: Ro, логарифмическое значение максимальной текучести по Гизелеру: logMF, содержание летучих веществ: VM, содержание золы: Ash) используемых углей и спекающих добавок. Измерение текучести спекающих добавок, используемых в настоящем документе, с помощью способа с использованием пластометра Гизелера дает значения десятичных логарифмов всех максимальных текучестей по Гизелеру (logMF), составляющее 4,8, которое представляет собой предел детектирования.

При использовании устройства, сходного с тем, которое иллюстрируется на фиг.1, измеряют расстояние проникновения и давление во время проникновения. Система нагрева представляет собой высокочастотную индукционную систему нагрева. То есть, нагревательный элемент 8 и емкость 3 на фиг.1 представляют собой индукционную нагревательную катушку и диэлектрическую емкость из графита. Емкость 3 имеет диаметр 18 мм и высоту 37 мм. Стеклянные шарики, имеющие диаметр 2 мм, используют в качестве материала 2 со сквозными отверстиями. В емкость загружают 2,04 г образца, который измельчают до диаметра частиц не более чем 2 мм, и сушат в вакууме при комнатной температуре. Массу, весящую 200 г, насыпают поверх образца пять раз при расстоянии падения 20 мм, тем самым уплотняя образец. (В это время, толщина слоя образца составляет 10 мм). Затем, стеклянные шарики диаметром 2 мм размещают на слое набитого образца 1 с тем, чтобы получить толщину 25 мм, тем самым получая слой набивки из стеклянных шариков в качестве материала 2 со сквозными отверстиями. На слое набивки из стеклянных шариков, помещают силлиманитовый диск диаметром 17 мм и толщиной 5 мм, а затем на нем располагают кварцевый стержень в качестве стержня 4 для детектирования давления. При использовании газообразного азота в качестве инертного газа, образец нагревают от комнатной температуры до 550°С при скорости нагрева 3°С/мин. Во время нагрева, давление, передаваемое через стержень 4 для детектирования давления, измеряют с помощью датчика 6 нагрузки. После завершения нагрева, осуществляют охлаждение в атмосфере азота. Шарики, которые не прилипают к термопластичному углю, собирают из охлажденной емкости 3 и измеряют их массу.

Расстояние проникновения определяют на основе высоты слоя набивки из шариков, которые слиплись вместе. Заблаговременно получают соотношение между высотой набивки и массой слоя набивки из стеклянных шариков, при этом становится возможным получить из массы шариков, слипшихся вместе с термопластичным углем, высоту слоя набивки из таких стеклянных шариков, как показывает уравнение (2), ниже. Расстояние проникновения получают из уравнения (2).

где L представляет собой расстояние проникновения [мм], G - массу [г] набитых стеклянных шариков, М - массу [г] шариков, которые не слиплись вместе с термопластичным углем, и Н - высоту слоя набивки на 1 г стеклянных шариков набитых в это экспериментальное устройство [мм/г].

Для спекающих добавок, расстояние проникновения измеряют с использованием емкости для образца с таким же диаметром, как описано выше, но с высотой 100 мм и посредством размещения на образце слоя набивки из стеклянных шариков с толщиной 80 мм. Эту конфигурацию принимают, потому, что расстояние проникновения спекающих добавок является большим.

Отдельно, осуществляют исследования, в которых уголь набивают при постоянной толщине слоя образца, в то же время, изменяя высоту емкости и толщину слоя набивки из стеклянных шариков. Измеренные значения расстояния проникновения являются одинаковыми до тех пор, пока толщина слоя набивки из стеклянных шариков больше, чем расстояние проникновения.

Таблица 2 описывает результаты измерения расстояния проникновения и максимальное давление во время проникновения. Фиг.6 показывает соотношение между результатами измерения расстояния проникновения и логарифмическими значениями максимальной текучести по Гизелеру (logMF). (Из графика исключены значения для спекающих добавок, у которых значение MF не измеряется точно).

Согласно фиг.6, расстояние проникновения показывает определенную степень корреляции со значением logMF, хотя ряд марок отклоняется от этой корреляции. Кроме того, результаты измерения для спекающих добавок в таблице 2 показывают, что успешно наблюдают различия в свойствах спекающих добавок. Такое выявление различий невозможно при использовании обычных способов. При измерении, при котором образец и материал со сквозньми отверстиями нагревают при постоянном объеме, факторы, которые будут влиять на расстояние проникновения, как показано в уравнении (1), представляют собой вязкость µ образца и давление набухания ΔР образца, которые изменяются от образца к образцу. Таким образом, расстояния проникновения и измеренные давления во время нагрева образцов углей и спекающих добавок в сочетании с материалом со сквозными отверстиями при постоянном объеме, как считается, отражают состояние расплава в коксовой батарее. Поскольку условия плавления и давления термопластичных углей и термопластичных спекающих добавок, как считается, влияют на структуру кокса после коксования, можно сказать, что такие параметры являются особенно эффективными при оценке прочности кокса.

Кроме того, поскольку давление, прикладываемое во время проникновения образца, представляет собой результат измерения давления, осуществляемого в окружающей среде измерения, моделирующей свойства набухания в коксовой батарее, можно сказать, что этот параметр эффективно используют для оценки давления, прикладываемого к стенке коксовой батареи во время коксования угля в коксовой батарее.

Пример 2

Будут описаны примеры измерений, в которых угли и спекающие добавки в качестве образцов нагревают, с приложением при этом постоянной нагрузки на образец и на материал, имеющий сквозные отверстия от верхней поверхности до нижней поверхности. Расстояние проникновения и коэффициент набухания во время проникновения измеряют по отношению к таким же углям и спекающим добавкам, как в примере 1, а именно, к 17 типам углей и 4 типам спекающих добавок (угли А - Q, спекающие добавки R - U), которые показаны в таблице 1. Расстояние проникновения и коэффициент набухания во время проникновения измеряют с использованием устройства, сходного с тем, которое иллюстрируют на фиг.2. Система нагрева представляет собой высокочастотную систему индукционного нагрева. То есть, нагревательный элемент 8 и емкость 3 на фиг.2 представляют собой индукционную нагревательную катушку и диэлектрическую емкость из графита. Емкость 3 имеет диаметр 18 мм и высоту 37 мм. Стеклянные шарики, имеющие диаметр 2 мм, используют в качестве материала со сквозными отверстиями. В емкость 3 загружают 2,04 г образца, который измельчают до диаметра частиц не более чем 2 мм и сушат в вакууме при комнатной температуре. Массу весом 200 г насыпают поверх образца пять раз при расстоянии падения 20 мм, тем самым набивая образец 1. Затем, стеклянные шарики диаметром 2 мм размещают на слое набивки из образца 1 с тем, чтобы получить слой толщиной 25 мм, тем самым получая слой набивки из стеклянных шариков в качестве материала 2 со сквозными отверстиями. На слое набивки из стеклянных шариков располагают силлиманитный диск диаметром 17 мм и толщиной 5 мм и дополнительно располагают на нем кварцевый стержень в качестве стержня 13 для детектирования коэффициента набухания. Кроме того, массу 14, весящую 1,3 кг, помещают поверх кварцевого стержня. В результате, давление, прикладываемое к силлиманитному диску, составляет 50 кПа. При использовании газообразного азота в качестве инертного газа, образец нагревают до 550°С при скорости нагрева 3°С/мин. Во время нагрева, измеряют смещение с помощью лазерного измерителя смещения, и коэффициент набухания вычисляют по высоте, на которую набивают образец. После завершения нагрева, осуществляют охлаждение в атмосфере азота. Шарики, которые не прилипли к термопластичпому углю, собирают из охлажденной емкости, и измеряют их массу. Расстояние проникновения получают из уравнения (2).

При измерении расстояния проникновения спекающих добавок, также и в этом примере, исследования осуществляют с использованием большей емкости и увеличивая толщину слоя набивки из стеклянных шариков, подобно примеру 1. Подтверждают, что толщина слоя набивки из стеклянных шариков не влияет на измеренные значения расстояния проникновения при условиях примера 2.

Таблица 3 описывает результаты измерений расстояния проникновения и конечного коэффициента набухания. Фиг.7 показывает соотношение между результатами измерения расстояния проникновения и логарифмическими значениями максимальной текучести по Гизелеру (logMF). (Из графика исключены значения для спекающих добавок, у которых значение MF не измеряется точно).

Согласно фиг.7, расстояние проникновения, измеренное в этом примере, как показано, имеет определенную степень корреляции со значением logMF. Однако обнаружено также, что некоторые марки демонстрируют различные расстояния проникновения, даже если их значения logMF являются сходными. В частности, эта тенденция видна в области более высоких значений logMF. С учетом того факта, что ошибка измерения расстояния проникновения с помощью этого устройства, как обнаружено, составляет 0,6, в терминах стандартной ошибки, посредством повторения исследования трижды при одинаковых условиях, показано значимое различие расстояния проникновения по отношению к углю Н и углю К, имеющим по существу одинаковые значения logMF. Основываясь только на соотношении, представленном уравнением (1), можно предположить, что марки с одинаковыми значениями logMF будут иметь сходную вязкость [а в расплавленном состоянии, и таким образом, расстояния проникновения будут идентичными. Причины для такого предположения заключаются в том, что ΔР и К являются постоянными при этом измерении, независимо от образцов, которые должны анализироваться, а также, поскольку значения logMF угля по существу коррелируют с температурами, при которых уголь демонстрирует свойства плавления (в настоящем документе, такие температуры соответствуют времени плавления), и по этой причине параметр и может считаться по существу постоянным. Однако во время коксования угля, одновременно с плавлением угля наблюдаются генерирование газа и явление набухания из-за высвобождения летучих веществ. Таким образом, значения расстояния проникновения, получаемые в этом измерении, как считается, отражают объединенное влияние проникновения расплава в слой набивки из шариков и генерирования газа из расплава в слое шариков. Поскольку эти значения как считается, представляют собой факторы, которые определяют структуру кокса после коксования, можно сказать, что такие параметры являются особенно эффективными при оценке прочности кокса.

Кроме того, конечные коэффициенты набухания, описанные в таблице 3, представляют собой значения коэффициентов набухания при 550°С. Поскольку результаты в таблице 3 получены от измерения коэффициента набухания в окружающей среде измерения, моделирующей свойства набухания в коксовой батарее, можно сказать, что эти данные являются эффективными для оценки прочности кокса, а также для оценки зазора между стенкой коксовой батареи и массой кокса.

Пример 3

Наличие аддитивности для расстояния проникновения исследуют в соответствии с таким же способом измерения, как в примере 2.

Выбирают две марки из 4 типов углей (угли V - Y), и смешивают их при различных отношениях смешивания с получением смесей углей в качестве образцов. Образцы подвергают воздействию измерения расстояния проникновения. Таблица 4 описывает используемые угли и свойства (Ro, logMF, VM, Ash) смесей углей. В настоящем документе, свойства смесей углей представляют собой средневзвешенные значения свойств индивидуальных углей, усредненные в соответствии с пропорциями смешивания. Результаты измерения расстояния проникновения описаны также в таблице 4. Фиг.8 показывает соотношение между средневзвешенными расстояниями проникновения и измеренными расстояниями проникновения смесей углей.

Согласно фиг.8, показано, что имеется очень хорошая аддитивность для расстояний проникновения, измеренных в этом примере. Соответственно, значение расстояния проникновения для смеси углей, сформированной из двух или более типов углей, может определяться посредством реального измерения расстояния проникновения образца смеси углей или посредством предварительного измерения расстояний проникновения индивидуальных углей, которые должны смешиваться, и оценки расстояния проникновения посредством вычисления средневзвешенного значения.

По отношению к углям, используемых для смесей углей, угли различного качества и сортов обычно измеряют заблаговременно по отношению к каждой марке, и полученные данные используют при смешивании углей. Соответственно, является практически предпочтительным, чтобы расстояние проникновения измерялось заблаговременно по отношению к каждой партии каждой марки, делая тем самым возможным простое вычисление расстояния проникновения смеси углей.

Пример 4

Значения термопластичности углей, полученные по настоящему изобретению, применяют для оценки прочности кокса, и оценивают его эффективность.

Как описано выше, расстояние проникновения в соответствии с настоящим изобретением, как считается, представляет собой параметр, превосходящий логарифмическое значение максимальной текучести по Гизелеру logMF при оценке свойств кокса и структур коксового пирога. Таким образом, исследование коксования и исследование прочности кокса после коксования осуществляют, как изложено ниже, для исследования того, каким может быть влияние на прочность кокса, когда получают кокс с использованием углей, имеющих по существу одинаковые значения logMF и различные расстояния проникновения.

Если обращаться к таблице 1, используемой в примерах 1 и 2, уголь А, уголь F и уголь G (каждый со значением logMF не меньше чем 3,5) выбирают как "угли со сходными значениями MF". Каждый из этих углей смешивают при 20% масс вместе с различными углями в качестве остальной части смеси таким образом, что средневзвешенные значения Ro и средневзвешенные значения logMF смесей углей в целом, были бы одинаковыми, получая тем самым смеси углей (смеси углей А, F и G). Уголь А, уголь F и уголь G представляют собой такие типы углей, которые имеют высокие значения MF, среди углей, используемых для получения кокса, и часто используются для улучшения адгезивности частиц угля при получении кокса. Кроме того, в то же самое время приготавливают смеси углей, содержащие ряд марок со значением logMF≥3,0 (смесь углей AF, смесь углей FG и смесь углей FGK) для исследования свойств смесей углей, содержащих такие угли с высокими значениями MF. Эти смеси углей приготавливают таким образом, чтобы среднее качество и сорт соответствовали бы Ro=0,99-1,05 и logMF=2,0-2,3. Таблица 5 описывает марки и пропорции углей, используемых в соответствующих смесях углей, средневзвешенные расстояния проникновения при постоянном объеме (вычисленные по значениям в таблице 2) и средневзвешенные расстояния проникновения при постоянном давлении (вычисленные по значениям в таблице 3) для углей со значением logMF≥3,0 в смесях углей и прочность получаемого кокса.

Каждый из углей в таблице 5 используют после такого измельчения, чтобы частицы с диаметром частиц не более чем 3 мм составляли 100% масс. Кроме того, содержание воды устанавливают таким, чтобы содержание воды в смеси углей в целом, составляло 8% масс. Смесь углей весом 16 кг набивают в коксовальную камеру таким образом, чтобы объемная плотность составляла 750 кг/м³, и помещают на нее массу 10 кг. Затем смесь углей коксуют в электрической печи при температуре стенок печи 1050°С в течение 6 часов, удаляют из печи и охлаждают в атмосфере азота с получением кокса. Прочность кокса для полученного кокса определяют на основании способа исследования барабанной прочности в соответствии с JIS К 2151, в котором барабан вращают при 15 об/мин, и вычисляют массовую долю частиц кокса, имеющих диаметр частиц не меньше чем 15 мм, после 150 оборотов. Отношение этой массовой доли к массовой доли перед вращением вычисляют с получением показателя барабанной прочности DI 150/15. Кроме того, описаны также результаты измерений CRI (химическая активность по отношению к СO₂), CSR (прочность после реакции с СO₂, все измеряют в соответствии со способом ISO 18894) и микропрочности (MSI+65).

Фиг.9 показывает соотношение между средневзвешенным значением расстояния проникновения при постоянном давлении для угля в каждой смеси углей с логарифмическим значением максимальной текучести по Гизелеру logMF≥3,0 (расстояние проникновения, измеренное в примере 2 посредством нагрева образца угля, при приложении постоянной нагрузки на образец угля и материал со сквозными отверстиями) и прочностью под нагрузкой карбонизированного кокса из каждой смеси углей. Из сравнения значений прочности смеси углей А, смеси углей F и смеси углей G, которые содержат уголь А, уголь F и уголь G, соответственно, при 20% масс как уголь со сходным значением MF, прочность под нагрузкой, как показано, выше, когда расстояние проникновения для угля со сходным значением MF короче. Кроме того, результаты по барабанной прочности для смеси углей А, смеси углей F и смеси углей AF показывают, что имеется аддитивность между расстоянием проникновения и барабанной прочностью для углей со сходными значениями MF. Эти результаты, в сочетании с результатами для смеси углей FG и смеси углей FGK, показывают, что прочность кокса уменьшается, когда средневзвешенное значение расстояния проникновения при постоянном давлении угля в смеси углей с логарифмическим значением максимальной текучести по Гизелеру logMF≥3,0 превышает 17 мм. Таким образом, получение высокопрочного кокса можно осуществлять посредством регулировки средневзвешенного значения расстояния проникновения при постоянном давлении для угля в смеси углей с логарифмическим значением максимальной текучести по Гизелеру logMF≥3,0, которое не должно быть не более чем 17 мм.

Затем, фиг.10 показывает соотношение между средневзвешенным значением расстояния проникновения при постоянном объеме для угля в каждой смеси углей с логарифмическим значением максимальной текучести по Гизелеру logMF≥3,0 (расстояние проникновения, измеренное в примере 1 посредством нагрева образца угля в сочетании с материалом со сквозными отверстиями при постоянном объеме) и барабанной прочностью карбонизированного кокса из каждой смеси углей.

Сходная тенденция, хотя и чуть слабее, чем на фиг.9, подтверждается также на фиг.10. Таким образом, показано, что значения расстояния проникновения, полученные при этом измерении, влияют на прочность кокса в обоих случаях, в которых такие значения определяют с помощью измерений с нагревом при постоянном объеме и с помощью измерений с нагревом при постоянной нагрузке. Определено, что когда в качестве показателя принимают расстояние проникновения при постоянном объеме, средневзвешенное значение расстояния проникновения при постоянном объеме для угля в смеси углей с логарифмическим значением максимальной текучести по Гизелеру logMF≥3,0 предпочтительно устанавливают, чтобы оно не превышало 15 мм. Поскольку измерение расстояния проникновения по отношению к идентичному углю дает различные результаты в зависимости от используемых условий измерения, необходимо, чтобы каждый из углей оценивали при идентичных по существу условиях. В настоящем документе, термин "по существу идентичный" означает, что различия произведения толщины слоя образца и плотности набивки находятся в пределах±20%, типы материалов со сквозными отверстиями (например, слои набивки из сферических частиц или слои плотноупакованных цилиндров) являются одинаковыми, но различия диаметров сфер или цилиндров находятся в пределах ± 20% и различия скоростей нагрева находятся в пределах ± 20%. Условия измерения можно использовать практически без каких-либо проблем, постольку, поскольку различия находятся в указанных выше диапазонах. Посредством предварительного получения, основываясь на значениях, измеренных при таких условиях, как определено выше, корреляций, как иллюстрируется на фиг.9 и 10, между расстоянием проникновения угля с высоким значением MF в смеси углей и прочностью кокса, полученного посредством коксования смеси углей, становится возможным определение степени, до которой должно устанавливаться расстояние проникновения угля с высоким значением MF с целью получения желаемой прочности кокса. Кроме того, измеряют CSR по отношению к коксу, полученному из смеси углей FG и смеси углей FGK. В результате, наблюдают сходную тенденцию относительно барабанной прочности согласно JIS, при этом CSR кокса из смеси углей FG составляет 55,4 (химическая активность CRI=29,7) и CSR кокса из смеси углей FGK составляет 59,5 (химическая активность CRI=29,5). Как правило, известно, что когда значения химической активности CRI кокса являются сходными, CSR показывает хорошую корреляцию с барабанной прочностью согласно JIS. Эта тенденция подтверждается также с помощью образцов в разделе Примеры. Тенденции, сходные с барабанной прочностью согласно JIS, наблюдают также для микропрочности и опосредованной прочности на разрыв.

Как демонстрируется выше, показано, что расстояние проникновения угля с высоким значением MF сильно влияет на прочность кокса. В частности, причина того, что расстояние проникновения угля с высоким значением MF оказывает заметное влияние, вероятно, заключается в том, что различия в расстояниях проникновения становятся больше для углей, которые имеют более высокие значения MF, как показано на фиг.6 и фиг.7. Угли с низкими значениями MF имеют ограниченные различия в расстояниях проникновения между марками, и таким образом, является вероятным, что их расстояния проникновения не оказывают значительного влияния. Кроме того, является вероятным, что оценка термопластичности углей с высокими значениями MF с помощью способа с использованием пластометра Гизелера является недостаточной из-за рассмотренного выше эффекта Вайссенберга и присутствия измеряемого верхнего предела. Способ по настоящему изобретению устраняет недостатки обычных способов и делает возможным получение новых данных относительно влияния термопластичности на прочность кокса.

Затем, причины влияния расстояния проникновения на прочность кокса исследуют посредством наблюдения с помощью оптического микроскопа структуры кокса, получаемой посредством коксования смеси углей А, которая содержит 20% масс угля А, у которого расстояние проникновения считается пригодным для использования, а также структуры кокса, полученного посредством коксования смеси углей F, которая содержит 20% масс угля F, у которого расстояние проникновения считается слишком большим, Фиг.11 и фиг.12 показывают изображения смеси углей А и смеси углей F, соответственно, полученные при увеличении 100х.

Из сравнения изображений, показанных на фиг.11 и фиг.12, видно, что кокс от коксования смеси углей F, которая содержит уголь F со слишком большим расстоянием проникновения, имеет более тонкие стенки 20 пор и нарушенные большие поры 21 в результате слияния пор вместе, по сравнению с коксом от коксования смеси углей А, которая содержит уголь С с пригодным для использования расстоянием проникновения. Сообщается, что прочность кокса становится выше, когда стенки пор становятся толще, и поры имеют более высокую округлость (смотри, например, непатентную литературу 5). Соответственно, подтверждается, что расстояние проникновения угля влияет на формирование структуры кокса во время коксования и, как следствие, влияет на прочность кокса.

Результаты примеров показывают, что расстояние проникновения, которое измеряют посредством нагрева образца угля, с приложением при этом постоянной нагрузки на образец угля и материал со сквозными отверстиями, или посредством нагрева образца угля, с поддержанием при этом образца и материала со сквозными отверстиями при постоянном объеме, представляет собой фактор, который влияет на прочность кокса, полученного из этого угля, и который не может быть принят во внимание с помощью обычных факторов, а также показывают, что использование расстояния проникновения в сочетании с другими обычными параметрами при оценке прочности кокса позволяет очень точную оценку прочности. Кроме того, сейчас ясно, что является возможным получение высокопрочного кокса посредством смешивания углей на основе расстояний проникновения, измеренных при предпочтительных условиях.

Список ссылочных обозначений

1 образец

2 материал со сквозными отверстиями, имеющий сквозные отверстия от верхней поверхности до нижней поверхности

3 емкость

4 стержень для детектирования давления

5 рукав

6 датчик нагрузки

7 термометр

8 нагревательный элемент

9 детектор температуры

10 контроллер температуры

11 вход для газа

12 выход для газа

13 стержень для детектирования коэффициента набухания

14 масса

15 измеритель смещения

16 круговое сквозное отверстие

17 частица из набивки

18 плотноупакованный цилиндр

20 стенка поры

21 пора

Реферат

Изобретения могут быть использованы в коксохимической промышленности. Способ оценки термопластичности углей или спекающих добавок включает набивку угля или спекающей добавки в емкость с получением образца, размещение слоя набивки из частиц на образце, нагрев образца с поддержанием при этом образца и слоя набивки при постоянном объеме или с приложением постоянной нагрузки на слой набивки, измерение расстояния проникновения, представляющее собой термопластичность угля, на которое расплавленный образец проникает в полости слоя набивки, и оценку термопластичности образца с использованием измеренного значения. Способ получения кокса включает измерение расстояния проникновения, которое представляет собой термопластичность угля, по отношению к углю или углям, которые должны быть добавлены к смеси коксующихся углей и которые имеют логарифмическое значение максимальной текучести по Гизелеру, logMF, не меньше чем 3,0. Определяют отношение смешивания посредством определения пропорций углей, имеющих логарифмическое значение максимальной текучести по Гизелеру, logMF, не меньше чем 3,0, таким образом, чтобы средневзвешенное значение измеренного расстояния или расстояний проникновения было не больше 17 мм. Изобретения позволяют более точно оценить термопластичность угля и спекающей добавки и получить высокопрочный металлургический кокс. 5 н. и 17 з.п. ф-лы, 12 ил., 5 табл., 4 пр.

Формула