فحم الكوك المعدني

ما هو فحم الكوك المعدني؟

يعتبر فحم الكوك المعدني مادة خام لا غنى عنها في إنتاج الحديد والصلب وهو حيوي لعملية صناعة الحديد في الفرن العالي. في بيئة منخفضة الأكسجين، يتم تسخين الفحم إلى 900-1100 درجة مئوية ثم يتم تقطيره جافاً لتكوينه (بما في ذلك نسيم فحم الكوك). ويطلق الفحم المواد المتطايرة والرطوبة عند درجة الحرارة المرتفعة هذه، ويتحول الجزء الصلب المتبقي إلى مادة مسامية مادة الكربون يسمى فحم الكوك. فحم الكوك ليس أساس صناعة الحديد فحسب، بل هو أيضًا محرك حيوي لعملية صناعة الحديد بأكملها.

عملية تصنيع فحم الكوك المعدني

مبدأ إنتاج فحم الكوك

في الفرن العالي، يوفر فحم الكوك مصدرًا للكربون لتفاعل اختزال خام الحديد ويدعم بنية الموقد للحفاظ على استقراره. يتفاعل فحم الكوك مع الأكسجين الموجود في الهواء لإنتاج أول أكسيد الكربون، الذي يتفاعل مع أكسيد الحديد في خام الحديد لاختزاله إلى حديد فلزي وإطلاق ثاني أكسيد الكربون.

لا يعمل فحم الكوك كعامل اختزال فحسب، بل إن بنيته القوية تدعم أيضًا خام الحديد والحجر الجيري، مما يضمن أن كل شيء في الفرن يعمل عادةً. ويساعد الهيكل المسامي لفحم الكوك على اختراق تدفق الغاز ويزيد من كفاءة التفاعل. تعمل البنية الدقيقة الحبيبية لفحم الكوك (حوالي 1.5 ميكرون) على تحسين بيئة التفاعل داخل الفرن العالي، مما يجعل تفاعل الاختزال أكثر كفاءة.

خطوات الإنتاج

تقوم أفران فحم الكوك المتخصصة بشكل عام بإنتاج فحم الكوك. وتقوم فرق البناء عادةً ببناء أفران فحم الكوك على ارتفاع 6 أمتار وعمق 15 مترًا وعرض 0.5 متر، مع تكديس وحدات متعددة لتكوين نظام إنتاج واسع النطاق. يتم تسخين شحنة فحم الكوك إلى حوالي 1000 درجة مئوية داخل فرن الكوك عن طريق تسخين الجدران.

وخلال هذه العملية، يتم إطلاق المواد المتطايرة في الفحم، مثل الغازات والقطران، وإعادة تدويرها لتحويلها إلى فحم الكوك. يمكن لكل فرن فحم الكوك التعامل مع 15 إلى 30 طناً من الفحم، وتتشكل تدريجياً خلال عملية التفحيم التي تستغرق حوالي 18 ساعة.

يتم استرداد المواد المتطايرة كمنتجات ثانوية وغالباً ما تستخدم في إنتاج الأسمدة أو المواد الكيميائية، مما يسمح لإنتاج فحم الكوك بتجاوز تلبية احتياجات صناعة الحديد وتعزيز كفاءة استخدام الموارد.

معلمات العملية الرئيسية

تؤثر العديد من معايير العملية على جودة وإنتاجية فحم الكوك. أولاً، قوة فحم الكوك أمر بالغ الأهمية؛ يجب أن يكون قويًا بما يكفي لدعم حمل خام الحديد في الفرن العالي. وثانيًا، يجب التحكم في تفاعلية فحم الكوك لضمان قدرته على تقليل أكاسيد الحديد بكفاءةعلاوة على ذلك، فإن بنية مسام فحم الكوك أمر بالغ الأهمية بنفس القدر؛ يجب أن يكون له نفاذية جيدة لتدفق الهواء لضمان استمرار تفاعل الاختزال بسلاسة.

تُعد البنية الفسيفسائية الدقيقة الحبيبية لفحم الكوك مؤشرًا مهمًا للجودة، مما يحسن من تفاعلية فحم الكوك ويعزز معدل تفاعل الاختزال. ولذلك، يجب على المشغلين التحكم الصارم في المعلمات مثل نسبة فحم الكوك الفحم، ودرجة حرارة تسخين فرن فحم الكوك، ووقت الكربنة أثناء الإنتاج. تؤثر هذه العوامل بشكل مباشر على الجودة النهائية وكفاءة إنتاج فحم الكوك. تؤثر هذه العوامل بشكل مباشر على الجودة النهائية وكفاءة إنتاج فحم الكوك.

خواص فحم الكوك المعدنية

الخصائص الفيزيائية

يجب أن يقاوم فحم الكوك المعدني التكسير والتآكل ليعمل بثبات في الفرن العالي. كما تؤثر بنيته المسامية أيضًا بشكل كبير على تدفق الغاز، مما يضمن استمرار التفاعل بسلاسة. كما أن الموصلية الحرارية لفحم الكوك وكثافته والمواد المتطايرة والرطوبة تؤثر أيضًا على أدائه.

الخواص الكيميائية

والتركيب الرئيسي لفحم الكوك المعدني هو الكربون والهيدروجين والأكسجين والنيتروجين والكبريت، وتحدد نسبة هذه العناصر مباشرةً أداءه. وتتمثل طرق الاحتراق القياسية لقياس محتوى الكربون والهيدروجين في ارتفاع درجة الحرارة، وتحويل الكربون إلى ثاني أكسيد الكربون، والهيدروجين إلى بخار الماء، والغاز من خلال الامتصاص الماص. ثم يقومون بحساب زيادة الوزن للحصول على النسبة. وعادةً ما يحللون محتوى النيتروجين عن طريق تحويله إلى أمونيا، بينما يقيسون الكبريت عن طريق الاحتراق بدرجة حرارة عالية. وتقوم طريقة الفرق البسيطة، التي تطرح 100% من محتويات العناصر الأخرى، باستقراء محتوى الأكسجين.

متطلبات الاستخدام والأداء لفحم الكوك المعدني

استخدامات فحم الكوك المعدني في صناعة الحديد والصلب

يعد فحم الكوك المعدني ضروريًا لصناعة الحديد في الفرن العالي، حيث يوفر مصدرًا للكربون لخام الحديد. ومع زيادة الطلب على الحديد والصلب، تزداد الحاجة إلى فحم الكوك المعدني. فهو يوفر مصدرًا للكربون كعامل اختزال ويساعد على تدفق الغاز من خلال بنيته المسامية، مما يضمن استمرار تفاعل الفرن العالي بكفاءة.

غير أن إنتاج فحم الكوك المعدني ينطوي أيضاً على مشاكل بيئية. فمقابل كل 1000 طن من فحم الكوك المنتج، تولد العملية 1000 متر مكعب من مياه الصرف الصحي شديدة الخطورة. وينتج عن ذلك استهلاك كميات كبيرة من الموارد المائية، وهو تحدٍ يجب أن تواجهه صناعة الصلب الآن.

متطلبات الأداء

القوة الميكانيكية لفحم الكوك

سيتطلب إنتاج فحم الكوك المعدني خواص كيميائية وفيزيائية محددة. وتشمل هذه الخواص قوة فحم الكوك الميكانيكية وبنية المسام والكثافة والتوصيل الحراري. وفيما يتعلق بالقوة الميكانيكية، سيكون التركيز على قوة ضغط فحم الكوك ومقاومة التكسير ومقاومة التآكل. هذه الخصائص ضرورية لأن قدرة فحم الكوك على تحمل الأحمال والاحتكاك تمنعه من التكسير عند الضغوط العالية.

بنية المسام والنفاذية

يتمتع فحم الكوك ببنية مسامية جيدة، مثل المسامية والتوزيع المناسب لأقطار المسام، والتي لها تأثير أساسي على نفاذية تدفق الغاز وتحسين كفاءة تفاعل الفرن العالي. وعلاوة على ذلك، يرتبط أحد العوامل الأساسية التي تؤثر على بنية المسام بكثافة فحم الكوك.

الكثافة وتأثيرها على القوة

وترتبط العوامل الحاسمة التي تؤثر على بنية المسام بكثافة فحم الكوك لأن الكثافة ستعكس ضيق بنية مسام فحم الكوك. وسيجد الفهم المتعمق للكثافة أنها تؤثر أيضًا على القوة الميكانيكية لفحم الكوك، فكلما زادت كثافة فحم الكوك المعدني زادت قوته الميكانيكية.

التوصيل الحراري

وأخيرًا، تؤثر الموصلية الحرارية في الخواص الفيزيائية أيضًا على التوزيع المنتظم لدرجة حرارة الفرن العالي، وتؤثر الموصلية الحرارية لفحم الكوك على الموصلية الحرارية للفرن العالي.

الخواص الكيميائية والتفاعلية

وتركز متطلبات الخاصية الكيميائية بشكل أساسي على محتوى فحم الكوك من الكربون والهيدروجين والأكسجين والنيتروجين والكبريت. على سبيل المثال، تقلل العملية بشكل كبير من المحتوى العالي من الكربون في فحم الكوك مما يؤثر على قدرته على التفاعل الاختزالي في عملية صناعة الحديد. كما يتم التحكم في محتوى الكبريت بشكل صارم لأن المحتوى العالي من الكبريت سيؤثر على عملية صناعة الحديد ويقلل من تفاعلية فحم الكوك. ويجب أن يتأكد الفنيون من أن المحتوى العالي من هذه العناصر الكيميائية لا يؤثر على عملية صناعة الحديد، ويجب عليهم الانتباه إلى العناصر الضارة في فحم الكوك مثل الفوسفور والفاناديوم. ومن خلال التحكم في مستوياتها، يمكن للفنيين منع انخفاض تفاعلية فحم الكوك.

مقارنة مع فحم الكوك الأخرى

فحم الكوك المسبك وفحم الكوك المعدني

ينتمي فحم الكوك المعدني وفحم الكوك المسبك إلى فئة فحم الكوك، وهو وقود صلب. غير أن 90% من فحم الكوك المعدني يستخدم في المقام الأول في أفران الصهر لصنع الحديد، وهو ما يسمى فحم الكوك في أفران الصهر. أما فحم الكوك المسبوك، المستخدم صراحةً في أفران صهر الحديد، فهو الوقود الأساسي لهذه العملية.

الفرق في فحم الكوك المسبك وفحم الكوك المعدني

ويعكس معدل تفاعل فحم الكوك ومساميته وقوته الميكانيكية وخصائصه الأخرى الاختلافات بينهما. على سبيل المثال، يتميز فحم الكوك المعدني المستخدم في الفرن العالي بمعدل تفاعل أعلى لدعم عملية الاختزال في الفرن العالي. ومع ذلك، يتطلب فحم الكوك المسبك حرارة، لذلك يكون معدل تفاعل فحم الكوك أقل. يحتوي فحم الكوك المعدني على مسامية كبيرة (35%-50%).

ويحتاج فحم الكوك المسبك إلى توفير كفاءة أفضل في نقل الحرارة ويتطلب مسامية أكثر طفيفة لجعل فحم الكوك أكثر إحكامًا. وبالإضافة إلى ذلك، يحتاج فحم الكوك المعدني إلى درجة أعلى من القوة الميكانيكية. يحتاج فحم الكوك المسبك إلى كثافة زائفة أعلى لزيادة القيمة الحرارية ومقاومة درجات الحرارة العالية.

الخصائص المشتركة لفحم الكوك المسبك وفحم الكوك المعدني

يختلف فحم الكوك المعدني وفحم الكوك المصبوب اختلافًا كبيرًا في متطلبات الإنتاج والأداء. ومع ذلك، لديهما نفس المعيار فيما يتعلق بالتحكم في محتوى الرماد والكبريت.

فحم الكوك المعدني مقابل فحم الكوك النفطي

إدخال فحم الكوك النفطي

فحم الكوك البترولي هو منتج صلب قابل للاحتراق يختلف عن فحم الكوك المعدني في التركيب والخصائص الفيزيائية ومجالات الاستخدام.

الاختلافات في التركيب بين فحم الكوك المعدني وفحم الكوك النفطي

أولًا، المكون الرئيسي لفحم الكوك المعدني هو الكربون، الذي يحتوي على كمية معينة من المادة المتطايرة والرماد (10%) والكبريت. الكربون هو المكون الرئيسي لفحم الكوك البترولي الذي يحتوي على نسبة منخفضة من الرماد (5%)، الناتج عن إزالة العديد من المجلات من المواد الخام بعد التكويك.

الخصائص الفيزيائية الفرق بين فحم الكوك المعدني وفحم الكوك البترولي

ومن الناحية الفيزيائية، يتميز فحم الكوك المعدني بقوة ميكانيكية عالية ومسامية كبيرة (35%-50%). ويتميز فحم الكوك البترولي ببنية جسيمات كثيفة وقرص عسل ومسامية كبيرة وشكل بيضاوي.

تطبيق واستخدامات فحم الكوك المعدني مقابل فحم الكوك النفطي

يستخدم فحم الكوك المعدني بشكل رئيسي في الفرن العالي وعمليات التحويل للتطبيقات الميدانية. وهو أيضاً مادة خام أساسية لصناعة الحديد والصلب، ويتمثل دوره الأساسي في المشاركة في التفاعلات المعدنية لإنتاج الحديد المنصهر.

الاستخدام الأساسي لفحم الكوك البترولي هو تصنيع أقطاب الجرافيت، كما أنه يستخدم على نطاق واسع في صناعة الحديد في أفران القوس الكهربائي، مما ينتج عنه مواد جرافيت عالية التوصيل.

سعر فحم الكوك المعدني

سعر السوق

وكان السعر الإجمالي للسوق مستقرًا في الآونة الأخيرة.

تذبذب الأسعار

لا تزال أسعار فحم الكوك المعدني وفحم الكوك تتعرض لضغوط هبوطية على المدى القصير، بشكل كبير حيث أن المعروض من فحم الكوك المعدني وفحم الكوك يتجاوز الطلب، ومن المتوقع أن يستمر في إظهار اتجاه هبوطي ثابت.