Wie metallurgischer Koks hergestellt wird

Einführung

Stahl benötigt starke Hitze und starken Kohlenstoffbrennstoff. Metallurgischer Koks macht dies in der modernen Eisenherstellung möglich. Viele Branchen verlassen sich täglich auf metallurgischen Koks. Dennoch verstehen nur wenige Menschen, wie er hergestellt wird. In diesem Artikel untersuchen wir, wie aus Kokskohle metallurgischer Koks entsteht. Sie lernen den Produktionsprozess, Qualitätsfaktoren und warum es für die Stahlproduktion wichtig ist.

 

Was ist metallurgischer Koks und warum ist er bei der Stahlproduktion wichtig?

Was ist metallurgischer Koks und wie unterscheidet er sich von anderen Kokssorten?

Metallurgischer Koks ist ein kohlenstoffreicher Brennstoff, der durch Erhitzen ausgewählter Kokskohle in einem Koksofen bei sehr hohen Temperaturen hergestellt wird. Der Prozess entfernt flüchtige Verbindungen und hinterlässt eine starke, poröse Kohlenstoffstruktur. Stahlwerke sind auf dieses Material angewiesen, da es heiß brennt und in Hochöfen chemisch reagiert. Seine Struktur ermöglicht auch den Durchgang von Gasen durch die Ofenbeschickung. Dieser Gasfluss hält die Eisenherstellungsreaktionen stabil und effizient.

Zu den wichtigsten Merkmalen, die metallurgischen Koks ausmachen, gehören:

● Hoher Gehalt an festem Kohlenstoff

Es enthält einen hohen Anteil an Kohlenstoff, der bei der Verbrennung starke Hitze erzeugt. Die hohe Kohlenstoffkonzentration trägt auch dazu bei, Reduktionsreaktionen im Ofen voranzutreiben.

● Geringe Verunreinigungen

Asche, Schwefel und Feuchtigkeit sollten niedrig bleiben. Überschüssige Verunreinigungen erhöhen das Schlackenvolumen und verringern die Effizienz des Ofens.

● Poröse Struktur und hohe Festigkeit

Seine innere Porenstruktur ermöglicht die Zirkulation von Gasen durch die Ofenbeschickung. Starke mechanische Eigenschaften tragen dazu bei, dass der Koks dem Zerkleinern unter hoher Ofenlast standhält.

Die folgende Tabelle zeigt, wie sich metallurgischer Koks von anderen in der Industrie verwendeten Kohlenstoffbrennstoffen unterscheidet.

Materialtyp	Hauptquelle	Typische Verwendung	Hauptmerkmale
Metallurgischer Koks	Kokskohle	Hochöfen aus Stahl	Hoher Kohlenstoffgehalt, starke Struktur, porös
Kraftwerkskohle	Kohlevorkommen	Stromerzeugung	Höherer Gehalt an flüchtigen Bestandteilen, geringere Festigkeit
Petrolkoks	Nebenprodukt der Ölraffinierung	Aluminium, Zement	Hoher Kohlenstoffgehalt, aber unterschiedliche physikalische Struktur

Die Rolle von metallurgischem Koks bei der Eisenherstellung im Hochofen

In einem Hochofen erfüllt metallurgischer Koks mehrere wichtige Aufgaben gleichzeitig. Es ist nicht nur ein Kraftstoff. Es fungiert auch als chemisches Mittel und physikalisches Trägermaterial. Diese Kombination macht es in der traditionellen Eisenherstellungstechnologie unersetzlich.

Erstens fungiert es als primäre Wärmequelle. Wenn heiße Luft in den Hochofen gelangt, reagiert der Koks schnell mit Sauerstoff. Bei dieser Reaktion entstehen extrem hohe Temperaturen, oft über 2000 °C. Diese Temperaturen schmelzen Eisenerz und erzeugen das geschmolzene Metall, das für die Stahlproduktion benötigt wird.

Zweitens fungiert metallurgischer Koks als Reduktionsmittel. Bei der Verbrennung von Koks entsteht Kohlenmonoxidgas. Dieses Gas reagiert mit Eisenoxid im Erz. Durch die Reaktion wird Sauerstoff entfernt und das Erz in metallisches Eisen umgewandelt. Ohne diesen chemischen Schritt kann Eisen nicht effizient gewonnen werden.

Drittens bietet es eine mechanische Unterstützung für die Ofenbeschickung. Im Ofen stapeln sich Schichten aus Eisenerz, Flussmittel und Koks. Die Kokspartikel halten den Abstand zwischen diesen Materialien aufrecht. Durch diesen Abstand können sich Gase und geschmolzene Flüssigkeiten ungehindert durch den Ofen bewegen.

 

Rohstoffe zur Herstellung von metallurgischem Koks

Hüttenkohle (Kokskohle) verstehen

Metallurgischer Koks beginnt mit einer speziellen Art von Kohle, der sogenannten Hüttenkohle, oft auch Kokskohle genannt. Es entsteht im Laufe von Millionen von Jahren aus altem Pflanzenmaterial, das tief unter der Erde vergraben ist. Hitze und Druck verwandeln dieses organische Material nach und nach in kohlenstoffreiche Kohleschichten. Wenn diese Kohle in Koksöfen ohne Sauerstoff erhitzt wird, verlassen flüchtige Verbindungen die Struktur und es bleibt ein starkes Kohlenstoffgerüst zurück. Dieses feste Produkt wird zu metallurgischem Koks, dem Brennstoff, der bei der Eisenherstellung im Hochofen verwendet wird.

Im Produktionsprozess werden verschiedene Arten von Kokskohle verwendet. Sie unterscheiden sich im Kohlenstoffgehalt, im plastischen Verhalten beim Erhitzen und im Gehalt an flüchtigen Bestandteilen. Stahlproduzenten kombinieren häufig verschiedene Kohlesorten, da jede eine andere Eigenschaft zur endgültigen Koksstruktur beiträgt.

● Hartkokskohle

Es hat starke Backeigenschaften. Während des Erhitzens wird es weich, quillt auf und verfestigt sich dann zu einer starken Koksstruktur. Dieser Typ bildet das Rückgrat der metallurgischen Koksproduktion und sorgt für mechanische Festigkeit in Hochöfen.

● Halbharte Kokskohle

Es entsteht Koks mittlerer Stärke. Hersteller mischen es oft mit stärkeren Kohlen, um Kosten und Leistung in Einklang zu bringen. Es trägt dazu bei, die Ofenstabilität aufrechtzuerhalten und gleichzeitig die Rohstoffkosten zu kontrollieren.

● Halbweiche Kokskohle

Es enthält höhere flüchtige Bestandteile und schwächere Verkokungseigenschaften. Bei richtiger Mischung kann es jedoch die Gasdurchlässigkeit verbessern und dabei helfen, die Kokstextur zu regulieren.

Eine entscheidende Eigenschaft metallurgischer Kohle ist die Plastizität während der Karbonisierung. Wenn sich die Kohle auf etwa 350 °C bis 500 °C erhitzt, wird sie weich und plastisch. Einzelne Kohlepartikel verschmelzen miteinander und bilden eine zusammenhängende Masse. Steigt die Temperatur weiter, entweichen Gase und die Struktur verfestigt sich zu porösem Koks. Ohne diese plastische Stufe kann sich kein starker metallurgischer Koks bilden.

Art der Kokskohle	Typische Merkmale	Rolle bei der metallurgischen Koksproduktion
Harte Kokskohle	Hoher Kohlenstoffgehalt, starkes Zusammenbackvermögen	Bietet Koksstärke und Struktur
Halbharte Kokskohle	Mäßiger Kohlenstoff und Festigkeit	Gleicht Kosten und Koksstabilität aus
Halbweiche Kokskohle	Höherer Gehalt an flüchtigen Bestandteilen	Passt Textur und Gasdurchlässigkeit an

Kohleaufbereitung und -mischung für die metallurgische Koksproduktion

Bevor die Kohle in den Koksofen gelangt, muss sie eine sorgfältige Aufbereitung durchlaufen. Rohkohle aus Bergwerken hat selten die richtige Größe, den richtigen Feuchtigkeitsgehalt oder die richtige Zusammensetzung für die direkte Karbonisierung. Daher verarbeiten und mischen die Produzenten die Kohle, um eine stabile Leistung während der Verkokung zu gewährleisten.

Die Kohleaufbereitung umfasst normalerweise mehrere Schritte:

● Zerkleinern und Formatieren

Rohkohle kommt in großen Brocken an. Durch das Zerkleinern wird es in kleinere Partikel zerkleinert, die typischerweise eine Größe von weniger als mehreren Millimetern haben. Gleichmäßige Partikel erhitzen sich in Koksöfen gleichmäßiger. Ungleichmäßige Größen können zu Schwachstellen in der endgültigen metallurgischen Koksstruktur führen.

● Feuchtigkeitseinstellung

Der Feuchtigkeitsgehalt hat großen Einfluss auf die Schüttdichte und die Wärmeübertragung. Zu viel Wasser verringert die Effizienz des Ofens und verzögert die Karbonisierung. Zu wenig Feuchtigkeit kann zu einer ungleichmäßigen Kohlepackung und einer instabilen Koksbildung führen.

● Kohlemischung

Verschiedene Kohlesorten werden nach sorgfältig entwickelten Rezepturen gemischt. Beim Mischen werden Kohlenstoffgehalt, flüchtige Stoffe, plastisches Verhalten und Mineralzusammensetzung ausgeglichen. Das Ziel ist eine Kohleladung, die in jedem Zyklus starken und stabilen metallurgischen Koks produziert.

In modernen Kokereien laufen Aufbereitungsanlagen oft automatisch. Sie kombinieren Brechanlagen, Förderbänder, Lagersilos und Mischsteuerungen. Integrierte Produktionslinien verbessern die Konsistenz und verringern die betriebliche Variabilität.

Vorbereitungsphase	Zweck	Auswirkungen auf die Koksqualität
Zerkleinern und Sieben	Produzieren Sie gleichmäßige Kohlepartikel	Verbessert die Wärmeverteilung in Öfen
Feuchtigkeitskontrolle	Passen Sie den Wassergehalt an, um eine optimale Dichte zu erzielen	Verbessert die Karbonisierungseffizienz
Kohlemischung	Kombinieren Sie verschiedene Kohlesorten	Stabilisiert die Stärke und Struktur des Kokses

Faktoren, die die Rohstoffqualität bei der metallurgischen Koksherstellung beeinflussen

Schon vor Beginn der Karbonisierung bestimmt die Qualität der Rohkohle, wie sich metallurgischer Koks in einem Hochofen verhält. Mehrere physikalische und chemische Faktoren beeinflussen die endgültige Struktur des Kokses und seine mechanische Festigkeit.

Einer der wichtigsten Parameter ist der Kohlenstoffgehalt und die flüchtigen Bestandteile. Ein hoher Kohlenstoffgehalt sorgt für einen höheren Brennstoffwert und stabile Ofenreaktionen. Beim Erhitzen entweichen flüchtige Bestandteile wie Methan und Wasserstoffverbindungen. Wenn der Gehalt an flüchtigen Bestandteilen zu hoch ist, kann der Koks brüchig und porös werden und über akzeptable Grenzen hinausgehen.

Ein weiterer wichtiger Faktor sind Asche und mineralische Verunreinigungen. Asche entsteht aus mineralischem Material in Kohle, wie zum Beispiel Siliziumoxid oder Aluminiumoxid. Wenn Koks mit hohem Aschegehalt in einen Hochofen gelangt, erhöht sich die Schlackenbildung. Diese zusätzliche Schlacke verbraucht Energie und verringert die Produktivität des Ofens.

Wichtige Rohstoffeigenschaften sind:

● Kohlenstoffkonzentration

Ein höherer gebundener Kohlenstoff verbessert die Brennstoffeffizienz und die Reduktionsreaktionen bei der Eisenherstellung.

● Asche- und Schwefelgehalt

Ein geringerer Verunreinigungsgrad führt zu einer saubereren Eisenschmelze und reduziert die Schlackenbildung.

● Partikelgrößenverteilung

Gleichmäßige Kohlepartikel sorgen für eine gleichmäßige Kokstextur und -festigkeit.

● Feuchtigkeitsgehalt

Eine kontrollierte Feuchtigkeit sorgt für eine stabile Packungsdichte der Kohle in Koksöfen.

 

Schritt-für-Schritt-Prozess zur Herstellung von metallurgischem Koks

Beschickung von Koksöfen mit Kohle

Die Produktion von metallurgischem Koks beginnt, wenn die vorbereitete Kokskohle in die Koksofenkammer gelangt. Bei diesen Öfen handelt es sich um lange, versiegelte Kammern, in denen Kohle in einer sauerstoffarmen Umgebung erhitzt wird. Ohne Sauerstoff brennt die Kohle nicht. Stattdessen wandelt es sich langsam in ein starkes Kohlenstoffmaterial um, das bei der Eisenherstellung im Hochofen verwendet wird.

In modernen metallurgischen Kokereien werden üblicherweise zwei Beladungstechniken verwendet:

● Top-Aufladung

Kohle gelangt durch die oberen Öffnungen in den Ofen. Es breitet sich über den Kammerboden aus und bildet eine gleichmäßige Kohleschicht. Bediener richten die Kohle aus, damit sich die Wärme während der Karbonisierung gleichmäßig durch das Material bewegen kann.

● Stempelaufladung

Kohle verdichtet sich zu dichten Blöcken, bevor sie in den Ofen gelangt. Durch mechanisches Prägen wird die Schüttdichte erhöht. Dichtere Kohleladungen erzeugen normalerweise stärkeren metallurgischen Koks und verbessern die Ofeneffizienz.

Karbonisierungs- und Hochtemperatur-Verkokungsprozess

Nachdem die Kohle in den Koksofen gelangt ist, beginnt die Verkohlungsphase. Die Hitze der Ofenwände erhöht allmählich die Temperatur der Kohlemasse. Wenn die Temperaturen 1000–1100 °C erreichen, unterliegt die Kohle einer chemischen Umwandlung.

Während dieser Phase finden im Ofen mehrere Reaktionen statt:

● Kohleenthärtung und plastische Phase

Bei mittleren Temperaturen wird die Kohle weich und plastisch. Teilchen verschmelzen miteinander und bilden eine zusammenhängende Masse. In dieser Phase kann die Koksstruktur Festigkeit entwickeln.

● Freisetzung flüchtiger Gase

Aus der Kohle entweichen Verbindungen wie Methan, Wasserstoff und Teerdämpfe. Wenn diese Gase austreten, bilden sie Poren innerhalb der Struktur.

● Bildung eines festen Kohlenstoffgerüsts

Fortgesetztes Erhitzen stärkt das Kohlenstoffnetzwerk. Das Ergebnis ist eine poröse und dennoch feste Struktur, die als metallurgischer Koks bekannt ist.

Der Karbonisierungszyklus dauert typischerweise 18–22 Stunden. Sobald die Reaktion abgeschlossen ist, wird der Koks noch extrem heiß aus dem Ofen geschoben.

Methoden zum Abschrecken und Kühlen von Koks

Frischer metallurgischer Koks verlässt den Ofen mit Temperaturen über 1000 °C und muss daher vor Transport und Lagerung abgekühlt werden. Dieser Abkühlungsprozess wird als Abschrecken bezeichnet.

In Kokereien kommen hauptsächlich zwei Kühlmethoden zum Einsatz:

● Nassabschreckung

Wasser sprüht direkt auf den heißen Koks. Es kommt zu einer schnellen Abkühlung und es bilden sich große Mengen Dampf. Diese Methode ist einfach und weit verbreitet, allerdings geht dabei etwas Wärmeenergie verloren.

● Trockenabschreckung

Heißer Koks gelangt in eine versiegelte Kühlkammer, die mit zirkulierendem Inertgas gefüllt ist. Das Gas nimmt Wärme auf und gibt sie an Energierückgewinnungssysteme weiter. Trockenabschreckung verbessert die Energieeffizienz und trägt zur Erhaltung der Koksfestigkeit bei.

Die Abkühlgeschwindigkeit beeinflusst die Koksqualität. Eine allmähliche Abkühlung schützt oft die innere Struktur und reduziert die Rissbildung in metallurgischen Kokspartikeln.

Zerkleinerung, Siebung und Größenklassifizierung von metallurgischem Koks

Nach dem Abkühlen durchläuft der metallurgische Koks eine Zerkleinerungs- und Siebanlage. Dieser Schritt trennt den Koks in standardisierte Größenfraktionen, die für Stahlwerke erforderlich sind.

Eine gleichmäßige Partikelgröße trägt zur Aufrechterhaltung eines guten Gasflusses in Hochöfen bei. Wenn zu viele feine Partikel vorhanden sind, wird der Luftstrom eingeschränkt und die Ofeneffizienz sinkt. Aus diesem Grund kontrollieren Kokereien den Siebprozess sorgfältig.

Cola-Typ	Typischer Größenbereich	Allgemeiner Gebrauch
Hochofenkoks	25–80 mm	Hauptbrennstoff für die Eisenherstellung im Hochofen
Nuss-Cola	10–25 mm	Der Ofenbeschickung beigemischt, um die Reaktionen zu verbessern
Cola-Brise	<10 mm	Wird in Sinteranlagen oder Industriebrennstoffen verwendet

 

Qualitätskontrolle und Leistungsindikatoren von metallurgischem Koks

Chemische Eigenschaften, die die Qualität von metallurgischem Koks definieren

Die chemische Zusammensetzung von metallurgischem Koks hat großen Einfluss auf die Leistung des Hochofens. Stahlproduzenten achten zunächst auf die Kohlenstoffkonzentration und den Grad der Verunreinigung. Ein hoher gebundener Kohlenstoff bedeutet einen höheren Brennstoffwert und stabile Reduktionsreaktionen. Wenn Koks im Ofen verbrennt, reagiert Kohlenstoff mit Sauerstoff und bildet Kohlenmonoxid. Dieses Gas entzieht dem Eisenerz Sauerstoff und erzeugt geschmolzenes Eisen.

Mehrere chemische Indikatoren helfen bei der Bewertung der Qualität von metallurgischem Koks:

● Fester Kohlenstoffgehalt

Es stellt den Hauptbrennstoffanteil des Kokses dar. Höherer gebundener Kohlenstoff verbessert die thermische Effizienz und unterstützt starke Reduktionsreaktionen. Ein niedriger Kohlenstoffgehalt verringert den Heizwert und kann den Brennstoffverbrauch im Ofen erhöhen.

● Aschegehalt

Asche entsteht aus mineralischen Stoffen der ursprünglichen Kohle. Ein hoher Aschegehalt erhöht die Schlackenbildung bei der Eisenherstellung. Mehr Schlacke bedeutet höheren Energiebedarf und geringere Ofenproduktivität.

● Schwefel und Feuchtigkeit

Schwefel kann in geschmolzenes Eisen übergehen und die Stahlqualität beeinträchtigen. Feuchtigkeit verringert die Effizienz der Kokserwärmung und erhöht den Energieverbrauch während des Hochofenbetriebs.

Die folgende Tabelle zeigt typische chemische Indikatoren, die zur Bewertung der Qualität von metallurgischem Koks verwendet werden.

Chemischer Indikator	Was es misst	Auswirkungen auf die Stahlproduktion
Fester Kohlenstoff	Kohlenstoffanteil in Koks	Bestimmt die Brennstoffstärke und den Heizwert
Aschegehalt	Mineralische Rückstände nach der Verbrennung	Beeinflusst das Schlackenvolumen und die Ofeneffizienz
Schwefel	Schwefelverunreinigungen im Koks	Beeinflusst die Reinheit des Stahls und metallurgische Reaktionen
Feuchtigkeit	Wassergehalt in Koks	Reduziert die Heizeffizienz und die Energieabgabe

Mechanische Festigkeit und strukturelle Integrität von Koks

Die chemische Zusammensetzung allein bestimmt nicht die Leistung von metallurgischem Koks. Auch die körperliche Stärke spielt eine entscheidende Rolle. In einem Hochofen muss Koks schwere Schichten aus Eisenerz und Flussmitteln tragen. Gleichzeitig müssen Gase durch die Möller nach oben strömen und geschmolzenes Metall nach unten fließen. Schwache Kokspartikel können in Feinpartikel zerfallen und diese Wege blockieren.

Mehrere physikalische Eigenschaften bestimmen die Haltbarkeit von Koks:

● Mechanische Festigkeit

Starker Koks widersteht dem Zerkleinern unter hohem Ofendruck. Starke Partikel erhalten das Strukturgerüst der Ofenbeschickung. Diese Stabilität sorgt für einen reibungslosen Gasfluss und unterstützt effiziente Reaktionen.

● Porosität und Dichte

Metallurgischer Koks enthält ein Netzwerk von Poren, die während der Karbonisierung entstehen. Diese Poren ermöglichen die Zirkulation reduzierender Gase durch den Ofen. Ausgewogene Dichte und Porosität sorgen für Festigkeit und Durchlässigkeit.

● Partikelgrößenverteilung

Eine einheitliche Koksgröße verbessert den Luftstrom durch die Ofensäule. Große Schwankungen erzeugen unregelmäßige Hohlräume und stören die Strömungsmuster des Ofengases.

Zu den typischen Strukturmerkmalen von hochwertigem metallurgischem Koks gehören:

● Poröse innere Kohlenstoffstruktur

● Geringer Gehalt an flüchtigen Bestandteilen

● Hohe Abriebfestigkeit bei Handhabung und Transport

● Stabile Partikelgröße nach der Beschickung des Hochofens

Die Wahrung der strukturellen Integrität gewährleistet einen effizienten Hochofenbetrieb. Koksstücke müssen auf ihrem Weg durch den Ofen hohen Temperaturen, mechanischer Beanspruchung und chemischen Reaktionen standhalten.

Industrieprüfstandards für metallurgischen Koks

Um die Leistung von Koks unter realen Ofenbedingungen zu bewerten, verwenden Hersteller standardisierte Labortests. Diese Tests simulieren Hochtemperaturreaktionen und mechanische Belastungen. Ingenieure analysieren die Ergebnisse, um zu bestimmen, wie sich metallurgischer Koks bei der Eisenherstellung verhält.

Zwei weit verbreitete Indikatoren sind CRI und CSR:

● Koks-Reaktivitätsindex (CRI)

Dieser Test misst, wie leicht Koks bei hoher Temperatur mit Kohlendioxid reagiert. Koksproben werden in einer kontrollierten Umgebung auf etwa 950 °C erhitzt. Der Gewichtsverlust gibt an, wie reaktiv der Koks während des Ofenbetriebs wird.

● Koksstärke nach Reaktion (CSR)

Nach dem CRI-Test wird der verbleibende Koks einer mechanischen Umwälzung unterzogen. Der Prozentsatz an Koks, der in großen Stücken zurückbleibt, zeigt seine Stärke nach der chemischen Reaktion an. Hohe CSR-Werte bedeuten normalerweise stärkeren Koks unter Hochofenbedingungen.

Zusätzlich kommen noch mechanische Auswertungen zum Einsatz:

● Trommeltest

Koks rotiert in einer Testtrommel und trifft wiederholt auf die Wände. Ingenieure messen die Menge an Koks, die nach der Rotation in großen Stücken zurückbleibt.

● Abriebfestigkeitstests

Bei diesen Tests wird untersucht, wie leicht Koks während des Transports und der Ofenbeschickung zerbricht.

 

Abschluss

Metallurgischer Koks entsteht durch Kohlekarbonisierung und sorgfältige Qualitätskontrolle. Es unterstützt die Effizienz des Hochofens und eine stabile Stahlproduktion. Qinxin liefert zuverlässig Metallurgischer Koks vereint starke Rohstoffressourcen, gleichbleibende Qualität und zuverlässigen Industrieservice.

 

FAQ

F: Was ist metallurgischer Koks?

A: Metallurgischer Koks ist Kohlenstoffbrennstoff, der aus Kokskohle für die Eisenherstellung im Hochofen hergestellt wird.

F: Wie wird metallurgischer Koks hergestellt?

A: Metallurgischer Koks entsteht, wenn Kokskohle in sauerstofffreien Koksöfen auf über 1000 °C erhitzt wird.

F: Warum ist metallurgischer Koks für die Stahlherstellung wichtig?

A: Metallurgischer Koks liefert Wärme, reduziert Eisenerz und unterstützt die Ofenstruktur.

F: Was beeinflusst die Qualität von metallurgischem Koks?

A: Fester Kohlenstoff, Asche, Schwefel, Feuchtigkeit und Festigkeit bestimmen die Leistung von metallurgischem Koks.

F: Wie wird metallurgischer Koks getestet?

A: Hersteller testen metallurgischen Koks anhand von CRI-, CSR- und Trommelfestigkeitsbewertungen.