Кокс в Талдыкоргане

• Каменноугольный кокс: что это такое и как его получают
• Классификация и виды кокса по назначению
• Физико-химические свойства кокса: состав, прочность и реакционная способность
• Применение в металлургии: доменный и литейный кокс
• Побочные продукты коксования: коксовый газ и каменноугольная смола
• Нормативная база: ГОСТ и технические условия на кокс
• Хранение, транспортировка и безопасность при работе с коксом
• Часто задаваемые вопросы о коксе

Каменноугольный кокс представляет собой твердый, пористый материал серого цвета, который образуется в результате нагревания каменного угля до температуры около 1000-1100°C в специальных печах при полном отсутствии доступа воздуха. Данный производственный процесс называется коксованием или пиролизом, в ходе которого из угля удаляются летучие вещества, вода и примеси, а углеродная основа перестраивается в прочную кристаллическую структуру. Внешне кокс напоминает спекшийся пористый продукт, состоящий из кусков различной формы и величины, которые могут достигать размеров от нескольких миллиметров до 120 миллиметров и более. Технология производства кокса была разработана в начале XVIII века в Англии, когда промышленник Абрахам Дарби впервые использовал этот материал для выплавки чугуна, заменив им дорогой и дефицитный древесный уголь. С тех пор кокс стал незаменимым компонентом мировой металлургии, а его производство распространилось по всем промышленно развитым странам, превратившись в одну из ключевых отраслей тяжелой промышленности. Само слово «кокс» имеет английское происхождение и первоначально использовалось для обозначения твердого остатка после сухой перегонки каменного угля. В России и странах постсоветского пространства под этим термином чаще всего понимают именно каменноугольный кокс, хотя существуют также нефтяной, пековый, торфяной и другие разновидности, получаемые из различного органического сырья. Процесс производства кокса начинается с подготовки угольной шихты — тщательно подобранной смеси углей различных марок, которые измельчаются до крупности менее 3 миллиметров и перемешиваются до достижения однородного состава. После этого подготовленная шихта загружается в коксовые печи — узкие вертикальные камеры высотой с пятиэтажный дом, выложенные огнеупорным кирпичом и способные выдерживать экстремально высокие температуры. Коксование длится от 14 до 48 часов в зависимости от конструкции печи и состава исходного сырья, после чего раскаленный кокс массой до 20-25 тонн выгружается из камеры и тушится водой или инертным газом. Современные коксовые батареи объединяют десятки и даже сотни отдельных печей, что позволяет выпускать миллионы тонн кокса ежегодно, обеспечивая потребности металлургических комбинатов по всему миру. Качество получаемого кокса напрямую зависит от свойств исходных углей, их спекаемости и способности образовывать прочную пористую структуру при высокотемпературной обработке, поэтому состав угольной шихты является предметом постоянного контроля и оптимизации. Понимание этого технологического цикла позволяет оценить масштабы и сложность производства кокса, без которого немыслима современная черная металлургия и многие другие отрасли промышленности.

В зависимости от размера кусков, химического состава и области применения кокс подразделяется на несколько основных видов, каждый из которых имеет свои технические требования и нормативные документы. Наиболее важным и распространенным видом является доменный кокс, который используется в доменных печах для выплавки чугуна из железной руды. Доменный кокс должен иметь размер кусков от 25 до 80 мм (оптимальный диапазон 40-60 мм), поскольку более мелкие фракции могут выноситься из печи восходящим потоком газов, а слишком крупные куски создают неравномерную газопроницаемость слоя шихты. Для литейного производства, в частности для вагранок (специализированных печей для плавки чугуна), используется литейный кокс, который отличается более крупным размером кусков (обычно от 60 до 120 мм), высоким содержанием углерода и минимальным количеством примесей, особенно серы. В процессе сортировки металлургического кокса образуются более мелкие фракции, среди которых выделяют коксовый орешек (размер кусков 10-25 мм или 8-25 мм) и коксовую мелочь (размер частиц менее 10 мм). Коксовый орешек применяется в цветной металлургии, ферросплавном производстве, для агломерации руд и в качестве топлива в различных промышленных установках. Коксовая мелочь используется как топливо и восстановитель при агломерации железных руд, а также в энергетических целях для сжигания в топках котлов. Существуют также более специализированные виды: газогенераторный кокс для газификации, электродный кокс для производства электродов, пековый кокс для анодной массы. Каждый вид кокса должен соответствовать определенным показателям зольности, содержания серы, механической прочности и гранулометрического состава, установленным в соответствующих государственных стандартах или технических условиях. Выбор правильного вида кокса для конкретного технологического процесса позволяет оптимизировать расход топлива, повысить качество конечного продукта и снизить нагрузку на окружающую среду.

Механическая прочность кокса является одним из наиболее важных эксплуатационных свойств, поскольку от неё зависит сохранность кусков при транспортировке, загрузке в печь и под давлением столба шихтовых материалов. При разрушении кокса образуется мелочь, которая забивает поры между крупными кусками и ухудшает газопроницаемость доменной печи, что приводит к нарушению хода плавки и снижению производительности. Для количественной оценки прочности используются стандартизованные показатели М40 (или М25) и М10, которые определяются по остатку кокса после испытаний во вращающемся барабане и последующего рассева на ситах. Показатель М40 или М25 характеризует дробимость кокса и выражается в процентах массы кусков размером более 40 мм (или 25 мм) после испытания. Высокое значение М40 (обычно не менее 70-72%) свидетельствует о хорошей прочности и сопротивляемости ударам, тогда как для показателя истираемости М10 (не более 8-8,5%) чем ниже значение, тем лучше. Показатели М40 и М10 служат основой для оценки пригодности кокса для металлургических целей, и их нормативные значения закреплены в соответствующих ГОСТах на доменный и литейный кокс. Помимо «холодной» прочности, для современной металлургии большое значение имеет реакционная способность кокса и его прочность после реакции . Эти показатели определяются по ГОСТ Р 54250-2010 (действующему с 2012 года) и характеризуют поведение кокса в условиях высоких температур при взаимодействии с углекислым газом. Индекс CRI отражает скорость, с которой кокс вступает в реакцию газификации C + CO₂ = 2CO, а CSR — это прочность кусков кокса после такой реакции. Идеальный для доменной плавки кокс должен обладать низкой реакционной способностью (CRI не более 25-30%) и высокой послереакционной прочностью (CSR не менее 60-65%). Это позволяет коксу сохранять свою структуру в зоне высоких температур, обеспечивая газопроницаемость и стабильность работы печи. Теплота сгорания кокса (низшая) рассчитывается по формуле Д.И. Менделеева, которая имеет следующий вид: Qн = 81 · C + 246 · H – 26 · (O - S) – 6 · W, где C, H, O, S, W — содержание соответствующих элементов и влаги в процентах. На основе элементарного анализа кокса, зная его состав, можно достаточно точно предсказать теплотворную способность конкретной партии топлива. Сера, фосфор и другие вредные примеси, содержащиеся в коксе, переходят в выплавляемый металл и ухудшают его качество, поэтому особенно ценится кокс, произведенный из малосернистых углей с содержанием серы не более 0,5-1,0%.

В металлургии кокс выполняет целый ряд незаменимых функций, без которых невозможно получение чугуна и стали в современном масштабе. Около 80% всего производимого в мире каменноугольного кокса используется именно в доменном производстве, где он служит не только топливом для создания высоких температур, но и химическим восстановителем, отнимающим кислород от оксидов железа. По существу, в доменной печи одновременно протекают два фундаментальных процесса: горение углерода кокса в кислороде воздушного дутья, дающее огромное количество тепла, и реакция восстановления железа по схеме: Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂ или Fe₂O₃ + 3C → 2Fe + 3CO. Газообразный оксид углерода, образующийся при неполном сгорании кокса, является основным восстановителем, который отнимает кислород от руды и превращает ее в чистое железо. Дополнительно крупные куски кокса выполняют важную механическую функцию: они разрыхляют столб шихтовых материалов в печи, создавая множество каналов для движения горячих газов снизу вверх и обеспечивая равномерность плавки. Если бы не пористый кокс, плотные слои руды и флюса быстро спеклись бы в монолитную массу, и процесс плавки прекратился бы из-за невозможности прохода газов. Расход кокса на выплавку одной тонны чугуна на современных доменных печах составляет от 0,35 до 0,5 тонны, хотя еще несколько десятилетий назад этот показатель превышал 0,8-1,0 тонны. Снижение удельного расхода кокса — одна из главных задач металлургов, решаемая за счет улучшения качества сырья (агломерации и окомкования руд), повышения температуры дутья и вдувания в печь дополнительного топлива (природного газа, мазута, пылеугольного топлива). Литейный кокс, используемый в вагранках для получения чугунных отливок, должен быть более крупным и чистым по примесям, чем доменный. Высокая теплотворная способность и малая зольность обеспечивают эффективный и стабильный нагрев вагранок, что критически важно при производстве ответственных отливок для машиностроения, автомобилестроения и станкостроения. Кроме того, все более широкое применение находит кокс в цветной металлургии при плавке никеля, меди, цинка и других металлов, где он выполняет те же функции восстановителя и топлива. Сохранение высоких требований к качеству кокса диктует необходимость строгого контроля на всех этапах его производства, от выбора углей до подготовки шихты и режимов коксования. Таким образом, металлургия была и остается главным потребителем кокса, а уровень развития коксохимической промышленности является одним из показателей экономической мощи любого промышленно развитого государства.

Процесс коксования каменного угля является безотходным производством в том смысле, что помимо основного целевого продукта — кокса, образуется целый ряд ценнейших химических веществ, нашедших широчайшее применение в промышленности. При нагревании угольной шихты до 1000-1100°C около 25-30% её массы переходит в летучие продукты, которые отсасываются из коксовых печей и направляются в цех улавливания для последующего разделения и очистки. Первым и самым объемным побочным продуктом является коксовый газ — горючая смесь газов, которая после очистки используется в качестве топлива для обогрева самих коксовых печей, а также направляется на металлургические заводы для нагрева прокатных станов и других агрегатов. Типичный состав коксового газа: водород (50-60%), метан (20-30%), небольшое количество оксида углерода, азота и других углеводородов. После извлечения ценных химических компонентов коксовый газ становится высококалорийным топливом с теплотой сгорания около 17-18 МДж/м³, что делает его пригодным для самых разных энергетических нужд. При охлаждении и конденсации коксового газа выделяется каменноугольная смола — вязкая жидкость черного цвета, представляющая собой сложную смесь из сотен органических соединений. Выход смолы составляет 3-4% от массы переработанного угля, и она является ценнейшим сырьем для органического синтеза, особенно для получения ароматических углеводородов (бензола, толуола, ксилола, нафталина), фенолов, креозола и других продуктов. Бензол и другие ароматические углеводороды из смолы раньше были основным источником этих веществ для промышленности, и хотя сегодня нефтехимия поставляет большую их часть, коксохимия по-прежнему играет значительную роль. При перегонке каменноугольной смолы также образуется каменноугольный пек, который используется для производства электродной массы, дорожных покрытий, гидроизоляционных материалов и кровельных покрытий. Аммиак, выделяющийся в процессе коксования, улавливается и перерабатывается в сульфат аммония — ценное азотное удобрение, широко применяемое в сельском хозяйстве. Надсмольная вода после выделения аммиака и фенолов сбрасывается в системы оборотного водоснабжения или подвергается биологической очистке. Таким образом, из, казалось бы, отходов коксования получается огромный спектр полезных продуктов, что делает коксохимические заводы не только поставщиками топлива для металлургии, но и важными предприятиями основной химии. В условиях современной рыночной экономики побочные продукты коксования дают до 10-20% выручки предприятия, повышая общую рентабельность производства чугуна и стали.

Качество каменноугольного кокса, поставляемого для различных нужд промышленности, строго регламентируется системой государственных стандартов и технических условий, которые задают допустимые пределы для всех ключевых характеристик. Для доменного кокса, вырабатываемого из углей различных бассейнов, действуют ГОСТ 5.1261-72 (с изменениями) и другие отраслевые документы, устанавливающие требования к крупности кусков, механической прочности (показатели М25, М40, М10), зольности, содержанию серы и влажности. Важно отметить, что ГОСТ 5.1261-72, распространяющийся на доменный кокс марки КД с размером кусков более 40 мм, хотя и был ограничен по действию с 01.02.2024, продолжает использоваться для продукции, произведенной из углей Донецкого и Кузнецкого бассейнов, особенно на Череповецком металлургическом заводе. Более современные стандарты, разработанные Техническим комитетом по стандартизации ТК 395 «Кокс и продукты коксохимии», включают ГОСТ Р 72166-2025 «Кокс. Ситовый анализ класса крупности 20 мм и более», введенный в действие 01.08.2025, который гармонизирован с международным стандартом ИСО 728:2021. Этот документ устанавливает унифицированный метод определения гранулометрического состава кокса, пекового кокса и термоантрацита для классов крупности более 20 мм, обеспечивая сопоставимость результатов с зарубежными аналогами. Особо важное значение имеет стандартизация терминологии: ГОСТ Р 72167.1-2025 «Коксохимическое производство. Сырье и продукция. Часть 1. Термины и определения» (также введен 01.08.2025) обязателен для применения во всех видах документации, связанной с коксохимией. Для литейного кокса разработаны отдельные документы: ГОСТ 3340-71, устанавливающий требования к коксу для ваграночной плавки, где зольность всех марок не должна превышать 12%, содержание влаги не более 5%, выход летучих не более 1,2%, а пористость до 42%. Отдельно регламентируется коксовый орешек (фракция 10-25 мм или 8-25 мм), используемый в цветной металлургии и ферросплавном производстве (ГОСТ 8935-77). При выборе конкретной партии кокса покупатель должен требовать у поставщика паспорт качества, в котором указаны фактические значения всех контролируемых показателей, подтвержденные лабораторными испытаниями в аккредитованных центрах. Только наличие полной и достоверной документации гарантирует, что приобретаемый кокс соответствует заявленным характеристикам и пригоден для использования в конкретном технологическом процессе.

Каменноугольный кокс относится к горючим, но трудновоспламеняющимся и взрывобезопасным материалам, что, однако, не снимает необходимости соблюдения строгих правил при его хранении, транспортировке и использовании. Температура воспламенения кокса составляет 600-700°C, а температура самовоспламенения находится в пределах около 800°C, поэтому при нормальных условиях складирования материал не представляет пожарной опасности. Тем не менее, при длительном хранении в больших штабелях возможно самовозгорание из-за медленного окисления углерода кислородом воздуха с выделением тепла, которое может накопиться внутри массы. Для предотвращения этой опасности штабеля кокса должны быть не выше определенной высоты (обычно не более 3-4 метров), а также иметь вентиляционные каналы и регулярно перелопачиваться (перемещаться с места на место) для отвода тепла. При пожаре кокс тушат распыленной водой или воздушно-механической пеной, однако категорически запрещается использовать компактные струи воды, так как они могут разбрасывать горящие куски и расширять зону горения. По степени воздействия на организм человека коксовая пыль относится к 4 классу опасности (малоопасные вещества) с предельно допустимой концентрацией (ПДК) в воздухе рабочей зоны 6 мг/м³ (аэрозоль преимущественно фиброгенного действия по ГОСТ 12.1.005). Длительное вдыхание значительных количеств коксовой пыли может вызвать профессиональное заболевание — пневмокониоз (хроническое поражение легких), поэтому на коксохимических и металлургических предприятиях все работники, имеющие контакт с коксом, обязаны пользоваться респираторами. При попадании в глаза пыль кокса вызывает механическое раздражение, поэтому рекомендуется работать в защитных очках. Хранение кокса осуществляется на открытых, спланированных и уплотненных площадках с твердым покрытием (асфальт, бетон) или на специализированных складах в закрытых бункерах. При складировании следует исключить смешивание кокса с землей, песком и другими посторонними материалами, которые увеличат его зольность и ухудшат качество. Транспортировка кокса в пределах завода производится грейферными кранами, ленточными конвейерами, автомобилями-самосвалами, а для железнодорожных перевозок используются полувагоны. При загрузке и выгрузке кокса необходимо максимально снизить высоту падения кусков, чтобы не увеличивать количество образующейся мелочи за счет истирания. Подготовка кокса к доменной плавке включает грохочение (рассев) для отделения мелочи фракции 0-25 мм, которая либо возвращается в агломерационное производство, либо используется в качестве энергетического топлива. Соблюдение этих несложных, но обязательных правил позволяет обеспечить безопасность персонала, сохранить качество продукта и предотвратить производственные инциденты.