石炭：鉄鋼生産における重要な燃料および還元剤
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定義と基本概念
石炭は主に炭素で構成され、揮発性化合物、水分、硫黄、窒素、鉱物質を含む可燃性の堆積岩です。製鋼の文脈において、石炭は重要な原材料として機能し、主に還元および精製プロセス中の炭素源およびエネルギーキャリアとして使用されます。
製鋼チェーン内での石炭の基本的な目的は、合金化のための炭素を供給し、溶鉱、精製、その他の主要な処理ステップに必要な高温熱を生成することです。石炭は化学反応物およびエネルギー源の両方として機能し、生の鉄鉱石を鋼に変換することを可能にします。
石炭は、特に高炉操作のためのコークス生産や電気アーク炉（EAF）製鋼の燃料として、全体的な鋼生産フローの初期段階で主に位置しています。特定の冶金的要件を満たすために、さまざまな形態に加工されます—特にコークスとして。
技術設計と運用
コア技術
製鋼における石炭の利用に関するコアエンジニアリング原則は、石炭をコークスに変換することに中心を置いています。コークスは、強度と反応性が高い多孔質の炭素豊富な固体燃料です。コークス生産は、コークス炉内での石炭の制御された炭化を含み、揮発性化合物が放出され、耐久性のある高炭素材料が残ります。
主要な技術コンポーネントには、複数の炉室が直列に配置されたコークス炉バッテリーや、充填車、急冷システム、ガス回収ユニットなどの補助システムが含まれます。コークス炉は、酸素不足の環境下で高温（約1000〜1100°C）で運転され、石炭の熱分解を促進します。
主な運転メカニズムは、密閉された炉室内で石炭を加熱し、揮発性物質が蒸発して逃げる一方で、残留炭素構造がコークスに凝縮することです。プロセスフローには、石炭の充填、炭化、コークスの押し出し、急冷、取り扱いが含まれます。
プロセスパラメータ
重要なプロセス変数には以下が含まれます：
- 炉温：通常、揮発物の除去とコークスの品質を最適化するために1000〜1100°Cの範囲で維持されます。
- 炭化時間：通常、石炭の種類と炉の設計に応じて、炉サイクルごとに16〜24時間です。
- 石炭の水分含量：効率的な炭化を確保するために理想的には10％未満です。
- ガス流量：揮発物の回収を最大化し、排出を最小化するために制御されます。
これらのパラメータは、コークスの強度、孔隙率、反応性、および不純物レベルに影響を与えます。正確な制御は、一貫したコークスの品質を確保し、高炉の効率と鋼の品質に直接影響します。
制御システムは、高度なセンサー、温度コントローラー、ガス分析器を使用して、リアルタイムでパラメータを監視および調整します。これらのシステムからのデータは、オペレーターがプロセス条件を継続的に最適化するのを可能にします。
設備構成
典型的なコークス炉バッテリーは、各約6〜8メートルの高さと1.2〜2メートルの幅を持つ一連の垂直炉室で構成され、容量に応じて長さは50メートルから150メートルの範囲です。炉は、高温と熱サイクルに耐えることができる耐火レンガで構築されています。
設計のバリエーションには、蜂の巣型、ボックス型、上充填型の炉が含まれ、現代の施設は上充填型、連続運転、および自動化を好みます。時間が経つにつれて、革新によりエネルギー効率、排出制御、コークスの品質が向上しました。
補助システムには、石炭クラッシャー、コンベヤーベルト、充填車、急冷塔、ガス清浄ユニットが含まれます。これらのシステムは、材料の取り扱い、温度調整、および環境遵守を促進します。
プロセス化学と冶金
化学反応
コークス生産における主要な化学プロセスは熱分解であり、石炭の揮発成分が熱分解を通じて放出されます。主な反応は、複雑な有機分子がガス（メタン、一酸化炭素、水素、タール蒸気）および残留炭素に分解されることを含みます。
熱力学的には、このプロセスは高温および低酸素条件を好み、揮発物の放出と炭化を促進します。反応速度は石炭の種類、粒子サイズ、温度に依存し、加熱速度が速いほど揮発物の発生が増加します。
反応生成物にはコークス（固体炭素）、揮発性ガス、タール、および凝縮物が含まれます。ガスはしばしば回収され、燃料または化学原料として利用され、タールや凝縮物はさらに処理されることがあります。
冶金的変化
コークス形成中に、微細構造の変化が発生し、多孔質のグラファイト炭素マトリックスが形成されます。これらの変化は、コークスの強度と反応性を高め、高炉内の負荷を支えるために重要です。
相変化は、無定形炭素が高温下でより秩序あるグラファイト構造に変換されることを含みます。微細構造は、機械的特性、熱伝導率、および化学反応性に影響を与えます。
コークスの冶金的特性—強度、反応性、孔隙率など—は、その微細構造に直接関連しており、鉄の還元および高炉内の不純物制御の効率に影響を与えます。
材料相互作用
コークス、スラグ、耐火ライニング、および大気中のガスとの相互作用は重要です。コークスは燃焼中に酸素や他のガスと反応し、高炉内の温度やガス組成に影響を与えます。
スラグと金属の反応は、コークス中の硫黄や灰などの不純物が溶融金属に移行する場合、汚染を引き起こす可能性があります。ガスやスラグによる化学的攻撃により、耐火材の劣化が発生することがあります。
これらの相互作用を制御するには、低不純物の