Metallurgischer Koks

Stahlindustrie
Metkoks spielt in der Stahlindustrie eine unverzichtbare Rolle, da er im Hochofenprozess zur Herstellung von Eisen und Stahl verwendet wird. Während dieses Prozesses dient Metkoks sowohl als Reduktionsmittel als auch als Energiequelle. Bei der Reaktion mit Eisenerz reduziert er die Eisenoxide, wodurch geschmolzenes Eisen freigesetzt und Kohlendioxidgas erzeugt wird. Dieser Reduktionsprozess ist entscheidend für die Gewinnung von Roheisen, das später weiter raffiniert wird, um Stahl herzustellen. Die Qualität und Eigenschaften von Metkoks beeinflussen die Effizienz, Produktivität und Gesamtkosten der Stahlproduktion erheblich.

Mehr als Stahl - Nichteisenmetalle und Schmelzprozesse
Metkoks findet über die Stahlindustrie hinaus Anwendung bei der Herstellung von Nichteisenmetallen wie Aluminium, Titan und Silizium. In Schmelzprozessen wie der Aluminiumschmelze dient Metkoks als Reduktionsmittel, um Metalloxide in ihre elementaren Formen umzuwandeln. Dies gewährleistet die Gewinnung reiner Metalle aus ihren Erzen und erleichtert die Herstellung verschiedener Nichteisenmetallprodukte. Aufgrund seiner außergewöhnlichen Reduktionsfähigkeiten und Stabilität in Hochtemperaturumgebungen ist Metkoks eine bevorzugte Wahl bei diesen kritischen Prozessen.

Gießereiindustrie und Gussverfahren
In der Gießereiindustrie wird Metkoks häufig in Gussprozessen verwendet. Seine gleichmäßige Wärmeverteilung sorgt für ein gleichmäßiges Schmelzen der Metalle und fördert die Herstellung hochwertiger Gussteile. Darüber hinaus verbessert die Fähigkeit von Metkoks, Verunreinigungen im geschmolzenen Metall zu reduzieren, die Gusspräzision und verringert die Wahrscheinlichkeit von Defekten. Gießereien verlassen sich auf Metkoks wegen seiner Zuverlässigkeit und der hervorragenden Oberflächenbeschaffenheit, die er den Endprodukten verleiht.

Chemische Industrie
Ein vielseitiges Reduktionsmittel: Metkoks spielt in der chemischen Industrie als wirksames Reduktionsmittel eine entscheidende Rolle. Es wird in verschiedenen chemischen Reaktionen eingesetzt, insbesondere bei der Synthese von Chemikalien wie Calciumcarbid und Calciumcyanamid. Seine Fähigkeit, bei chemischen Umwandlungen Elektronen abzugeben, ist bei diesen Reaktionen von entscheidender Bedeutung und führt zur Herstellung wichtiger organischer Verbindungen.

Metallurgischer Koks ist ein poröser, rissiger, silberschwarzer Feststoff und ein wichtiger Bestandteil des Eisenherstellungsprozesses, da er den Kohlenstoff (C) und die Wärme liefert, die für die chemische Reduzierung der Eisenbeladung im Hochofen (BF) zur Erzeugung von Roheisen (HM) erforderlich sind. Es handelt sich um ein poröses, hochfestes Kohlenstoffmaterial, das durch Verkohlung von Kohlen bestimmter Qualität oder von Kohlemischungen bei Temperaturen um 1.100 °C in Koksöfen hergestellt wird. Er besteht aus organischen und anorganischen Stoffen. C ist der Hauptbestandteil des organischen Teils. Geringe Mengen Schwefel (S), Stickstoff (N2), Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) sind ebenfalls im organischen Teil enthalten. Die anorganischen Stoffe im Koks werden Koksasche (mineralische Stoffe) genannt und machen typischerweise etwa 12 % des Trockengewichts aus. Sowohl die organischen als auch die anorganischen Bestandteile beeinflussen die Reaktivität des Kokses. Die Charakterisierung des Kokses ist also ein wichtiger Aspekt zur Bestimmung der Qualität des gebildeten Kokses.

Das grundlegende Verständnis der Koksqualität ist eine wichtige Aufgabe, da sie das Hochtemperatur- und Vergasungsverhalten von Koks im Hochofen bestimmt. Wenn sich der Koks in die unteren Zonen des Hochofens bewegt, zersetzt er sich und erzeugt Feinstaub, was die Bettdurchlässigkeit und die Prozesseffizienz beeinträchtigt. Daher ist eine hervorragende Koksqualität für einen stabilen und effizienten Hochofenbetrieb von entscheidender Bedeutung.

Die Koksqualität wird von zahlreichen Faktoren beeinflusst, beispielsweise von der Koksart, der Mazerationszusammensetzung (die zu isotropen oder anisotropen Koksstrukturen führt), der Aschezusammensetzung und der Fluidität der Ausgangskohlen, den Verkokungsbedingungen einschließlich Spitzentemperatur, Heizrate, Partikelgröße, Druck und Schüttdichte sowie den Wärmebehandlungsbedingungen.

Die wichtigen Eigenschaften von Koks, einschließlich mechanischer Festigkeit und Reaktivität, werden durch die Anordnung der C-Atome bestimmt. Die wichtigsten Merkmale der Atomanordnung sind die Ausrichtung und Größe der C-Kristallite. Die Größe der Strukturkomponenten gilt als Indikator für ihre chemische Reaktivität.

Mikroskopisch besteht Koks aus einer festen Matrix, organischen und anorganischen Einschlüssen in der Matrix, Poren und Mikrorissen. Die Prozesse der Entwicklung der porösen Struktur und der Mikrotextur von Koks finden im Wesentlichen im plastischen Bereich statt. Die durch die Gasblasen im Koks gebildete Struktur nimmt fast die Hälfte seines Volumens ein und beeinflusst zwei Eigenschaften des Kokses, die mechanische Festigkeit und die Schüttdichte. Das feste Material, das die Porenwände bildet, besteht aus optisch anisotropen Einheiten, die normalerweise mithilfe der Polarisationslichtmikroskopie (PLM) beobachtet werden. Die Mikrotextur des Kokses beeinflusst die Kokseigenschaften, die für seine Verwendung im Hochofen wesentlich sind.

Porenstrukturentwicklung
Die Porenstruktur von Koks wird weitgehend innerhalb des plastischen Temperaturbereichs des Karbonisierungsprozesses bestimmt. Während der Karbonisierung erscheinen zunächst Poren in großen Partikeln bei einer Temperatur nahe dem Erweichungspunkt, während die Partikel mittlerer Größe bei höheren Temperaturen porös werden. Bei Partikeln mit einer Größe von < 125 Mikrometern wird normalerweise bei keiner Temperatur Porenbildung festgestellt. Eine Temperaturerhöhung bewirkt eine Zunahme sowohl der Anzahl als auch der Größe der Poren, und es werden mehr Partikel mit Poren beobachtet, während die größeren Partikel mehrporig werden. Mit zunehmender Temperatur werden die Partikel runder und quellen in die Hohlräume zwischen den Partikeln. Die Porenstruktur von metallurgischem Koks kann über einen weiten Bereich stark variieren. Innerhalb eines bestimmten Kokses und zwischen den einzelnen Kokssorten können die einzelnen Poren sowohl in Größe als auch in Form variieren. 1967 wurde eine Klassifizierung von Poren auf Grundlage ihrer durchschnittlichen Breite vorgeschlagen und anschließend 1972 von der IUPAC übernommen. Dieser Klassifizierung zufolge gibt es drei Arten von Poren, nämlich (i) Mikroporen (weniger als 2 nm), (ii) Mesoporen (weniger als 2 nm bis weniger als 50 nm) und Makroporen (größer als 50 nm). Der Größenbereich der Mikroporen wurde weiter in sehr enge Ultramikroporen (weniger als 0,5 nm) und Supermikroporen (größer als 1 nm bis weniger als 2 nm) unterteilt. Die Koksstruktur wird jedoch von großen Poren (größer als 2 nm), nämlich Mesoporen, dominiert, und der Rest erscheint relativ dicht und kleiner als 0,5 nm bis 1 nm. Eine größere Mikroporenoberfläche von Koks ist häufig mit einem höheren anisotropen C-Gehalt verbunden.

Koks-Asche
Koks-Asche ist der im Koks vorhandene Mineralstoff. Metallurgischer Koks enthält typischerweise etwa 8 % bis 12 % Mineralphasen. Der Anteil der einzelnen im Koks vorhandenen Mineralien kann von Koks zu Koks variieren, abhängig von der Mineralogie der ursprünglichen Kohlen sowie den Prozessbedingungen, die für die Karbonisierung verwendet werden. Während der Karbonisierung zersetzen sich einige Mineralien und andere durchlaufen eine Reihe komplexer Reaktionen, die alle zur Bildung neuer kristalliner Mineralien sowie amorpher Phasen beitragen. Die im metallurgischen Koks vorhandenen Mineralphasen werden normalerweise mithilfe der Röntgenbeugungsanalyse identifiziert und quantifiziert. Für die Röntgenbeugungsanalyse wird eine Probe des Mineralstoffs aus dem Koks durch „Niedertemperatur-Radiofrequenz-Plasmaveraschung“ (LTA) hergestellt, da diese Technik nur eine minimale Veränderung des Mineralstoffs zur Folge hat. Der Großteil des im Koks vorhandenen Mineralstoffs liegt als amorphe Phase vor (mehr als 50 % in LTA-Proben). Teilweise zersetzte Tone und andere Materialien, die beim Erhitzen aufgrund der Entfernung von Grundwasser oder anderen flüchtigen Stoffen ihre Struktur verlieren, sind für die Bildung von amorphem Aluminiumsilikatmaterial verantwortlich. Mit Ausnahme einiger Artefakte oder hydratisierter Mineralien wie Bassanit, Coquimbit und Jarosit sind die wichtigsten Mineralstoffe in kristallinen Phasen, die im metallurgischen Koks identifiziert wurden, Quarz, Mullit, Fluorapatit und Pyrrhotin. Metallisches Eisen (Fe), Brookit, Anatas, Rutil, Cristobalit, Eisenoxide (Fe3O4, Fe2O3 und FeO), Akermanit und Oldhamit sind häufig in Koks vorkommende Mineralien.

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