کک متالورژی

کیفیت زغال سنگ، کیفیت کک متالورژی تولید شده را تعیین می کند. کک متالورژی با کیفیت بالا معمولا از کربوریزاسیون زغال سنگ کک­ شو با کیفیت تولید می شود. زغال‌های کک‌شو به آن دسته از زغال‌هایی گفته می‌شود که در هنگام کربوریزاسیون (در دمای بین 1000 الی 1200 درجه سانتی‌گراد) از طریق نرم شدن، تورم و انجماد مجدد به کک متالورژیکی تبدیل می­شوند. از زغال سنگ کک ­شو با کیفیت بالا، ککی بدست می­آید که دارای استحکام بالا پس از واکنش (CSR) و بالاترین پایداری است. یکی از ملاحظات مهم در انتخاب یک مخلوط زغال سنگ مناسب جهت تولید کک متالورژی این است که در حین فرآوری کک در کوره، نباید فشار بالایی به دیواره کوره وارد شود و زغال باید به اندازه کافی منقبض شود تا در پایان فرایند، کک به راحتی از کوره خارج شود. ویژگی‌های مهم زغال مورداستفاده عبارت است از: کیفیت زغال‌سنگ، ویژگی‌های پتروگرافی، شیمیایی و رئولوژیک زغال‌سنگ، اندازه کلوخه ­ها و ذرات، میزان رطوبت، چگالی ظاهری، هوازدگی زغال‌سنگ، دمای کک‌سازی و نرخ کک‌سازی، زمان خیساندن، فرایند کوئنچینگ (خاموش کردن) و قابلیت جابجایی کک تولیده شده.

فرایند تبدیل زغال­سنگ کک ­شو به کک متالورژی

گرما از دیوارهای آجری کوره به زغال سنگ شارژ شده منتقل می شود. در دمای بین 375 الی 475 درجه سانتیگراد، زغال سنگ تجزیه می شود و لایه های با قابلیت پلاستیسیته بالا در نزدیکی دیواره­ های کوره تشکیل می ­شود. در دمای حدود 475 الی 600 درجه سانتیگراد، استحاله­ های فیزیکی در فازهای  تار و ترکیبات هیدروکربنی و به دنبال آن انجماد مجدد توده پلاستیکی به شبه کک انجام می­گیرد. در دمای 600 تا 1100 درجه سانتیگراد، مرحله تثبیت کک آغاز می شود. این مرحله با انقباض توده کک، توسعه ساختاری کک و استحاله­ی پایانی فازهای حاوی هیدروژن مشخص می شود. در مرحله شکل ­گیری فازهای با قابلیت پلاستیسیته بالا، لایه‌های پلاستیکی از سمت هر یک از دیواره ­های کوره به سمت مرکز کوره حرکت می‌کنند و گاز آزاد شده را به دام می‌اندازد و فشار بالایی از گاز ایجاد می­کنند و باعث گرم شدن دیواره­ ها می­شوند. هنگامی که لایه های پلاستیکی در مرکز کوره به هم رسیدند، کل جرم، کربوریزه شده است. سپس کل توده کک بدست آمده به صورت یکجا از کوره خارج می شود و توسط آب خیسانده می شود. محتوای آب باقی مانده در کک در پایان فرآیند کک سازی بایستی صفر باشد. اما از آنجایی که محصول خروجی از کوره با آب خاموش می شود و ساختار کک متخلخل است، مقداری آب در داخل ساختار کک جذب می­شود، که معمولاً 3 الی 6 درصد از جرم کل است. البته در برخی از کارخانه های کک­ سازی، کوئنچ خشک بر روی کک انجام می شود. کک متالورژی مورد نیاز جهت مصرف در کوره بلند سه نقش اصلی حرارتی، شیمیایی و فیزیکی در فرآیند تولید آهن دارد. نقش حرارتی؛ کک کوره بلند منبع سوختی است که گرمای مورد نیاز برای ذوب آهن و سرباره و واکنش های گرماگیر در داخل کوره بلند آهن سازی را فراهم می کند. نقش شیمیایی؛ کک کوره بلند نقش تولید و احیای گازهای احیاکننده مورد نیاز برای احیا اکسیدهای آهن را دارا بوده و همچنین آهن مذاب را کربوره می کند. نقش فیزیکی؛ کک کوره بلند پشتیبانی مکانیکی ستون شارژ و بستر نفوذ پذیر در زیر ناحیه چسبنده را به عهده دارد. کک متالورژی (که با نام کک متالورژی کوره بلند شناخته می­شود BF Coke ) دارای مورفولوژی متخلخل و باز است و در برخی موارد ممکن است شیشه ای به نظر برسد. کک BF حاوی مقدار زیادی مواد فرار است. چگالی ظاهری کک متالورژیکی حدود 0/78 گرم بر سانتیمتر مکعب است.

کک متالورژی با استفاده از فرایند تقطیر مخرب ترکیبی از زغال سنگ های قیری انتخاب شده (به نام زغال سنگ کک ­شو یا زغال سنگ متالورژیک) در کوره های مخصوص با دمای بالا در غیاب اکسیژن (تا زمانی که قسمت بیشتری از مواد فرار خارج شود)، ساخته می شود. محصول حاصل، عمدتا از کربن با اندازه های مختلف از اندازه­­ی توپ بسکتبال (کک ریخته گری) تا پودر ریز (کک میکرونی) تشکیل شده است. کک متالورژی هم به عنوان منبع حرارت و هم به عنوان یک عامل احیاکننده شیمیایی اکسید آهن در فرآیند ذوب سنگ آهن و سایر روش­های ذوب­گیری در کوره های بلند استفاده می­شود. کک متالورژی کم خاکستر (Met Coke) برای صنایع متالورژی و شیمیایی نیز مورد نیاز است و به عنوان سوخت اولیه در جاییکه دمای بالا و گرمایش یکنواخت مورد نیاز است استفاده می شود. مصرف کنندگان صنعتی شامل کارخانه های فولادسازی، صنایع ریخته گری تولید کننده فروآلیاژ، مواد شیمیایی و واحدهای ذوب فلزات غیرآهنی می­باشد.

مشخصات کک متالورژی

شاخص واکنش پذیری کک (CRI: Coke Reactivity Index): با آزمایش درصد اتلاف کک از طریق واکنش در اتمسفر کاهنده اندازه گیری می شود، زیرا کک به سمت پایین کوره بلند می رود. کک تا دمای 950 درجه سانتیگراد در یک اتمسفر خنثی گرم می شود و در آن دما در اتمسفر CO2 نگهداری می شود. کک در اتمسفر خنثی خنک می شود و درصد کاهش وزن محاسبه شده و نهایتا به عنوان CRI کک گزارش می شود. پارامتر CRI توانایی کک را برای مقاومت در برابر شکست در دمای اتاق نشان می دهد و رفتار کک را در خارج از کوره بلند و در قسمت بالایی کوره بلند منعکس می کند.
استحکام کک پس از واکنش (CSR: Coke Strength after Reaction): این پارامتر نشان دهنده استحکام کک پس از قرار گرفتن در معرض اتمسفر کاهنده کوره بلند است. کک، پس از قرار گرفتن در معرض دمای بالا و اتمسفر CO2، کک تحت آزمایش شکست شیشه ای برای تعیین CSR قرار می گیرد. CSR پتانسیل کک برای شکستن به اندازه های کوچکتر را در محیط CO/CO2 با دمای بالا که در دو سوم پایینی کوره بلند رخ می دهد اندازه گیری می کند.
از مهمترین خواص شیمیایی کک متالورژی عبارت از درصد رطوبت، کربن ثابت، خاکستر، گوگرد، فسفر و عناصر ناخالصی قلیایی است. کربن ثابت بخش قابل احتراق کک است. هر قدر درصد کربن ثابت زیاد باشد، ارزش حرارتی کک بالاتر می باشد. اجزای دیگر مانند رطوبت، خاکستر، گوگرد، فسفر و عناصر قلیایی جزو پارامترهای نامطلوب هستند، زیرا اثرات نامطلوبی بر انرژی مورد نیاز، عملکرد کوره بلند، کیفیت آهن مذاب و یا پوشش نسوز دارند.
کک متالورژی (مت کک) علاوه بر استفاده در کوره بلند، کارخانه زینتر، کوره های فولادسازی و تولید آلیاژهای آهنی، کاربردهای متعدد دیگری نیز دارد. کاربردهای مت کک عبارتند از: مواد با مشخصات سایشی خاص، کفپوش های رسانا، پوشش‌های ریخته‌گری، مواد مقاوم به خوردگی، افزایش‌دهنده کربن ریخته‌گری، عوامل احیا کننده، کاربردهای حفاری، بسته‌بندی های سرامیکی، عملیات حرارتی، حذف اکسیژن، فرآیندهای الکترولیتی و به عنوان کک پرکننده برای محصولات کربنی پلی گرانول.