يستخدم الفحم المعدني ، المعروف أيضًا باسم فحم الكوك ، لإنتاج فحم الكوك ، وهو المصدر الأساسي للكربون تستخدم في صناعة الصلب. الفحم عبارة عن صخور رسوبية تتشكل بشكل طبيعي على مدى ملايين السنين حيث يتم دفن النباتات والمواد العضوية الأخرى وتعريضها لقوى جيولوجية. تسبب الحرارة والضغط تغيرات فيزيائية وكيميائية ينتج عنها فحم غني بالكربون.
الفحم المعدني
يختلف الفحم المعدني عن الفحم الحراري المستخدم في الطاقة والتدفئة من حيث محتواه من الكربون وقدرته على التكتل. يشير التكتل إلى قدرة الفحم على التحول إلى فحم الكوك ، وهو شكل نقي من الكربون يمكن استخدامه في أفران الأكسجين الأساسية. يعتبر الفحم القاري - المصنف عمومًا على أنه درجة معدنية - أكثر صلابة وسوادًا. يحتوي على المزيد من الكربون وأقل رطوبة ورمادًا من الفحم منخفض الجودة.
يتم تحديد درجة الفحم وقدرته على التكتل من خلال رتبة الفحم - وهو مقياس للمادة المتطايرة ودرجتها من التحول - بالإضافة إلى الشوائب المعدنية وقدرة الفحم على الذوبان والانتفاخ وإعادة التماسك عند ساخنة. الفئات الرئيسية الثلاث للفحم المعدني هي:
- فحم الكوك الصلب (HCC)
- فحم الكوك شبه الناعم (SSCC)
- الفحم الحجري المسحوق (PCI)
فحم الكوك الصلب مثل أنثراسايت له خصائص تفحم أفضل من الفحم شبه اللين ، مما يسمح له بالحصول على سعر أعلى. تعتبر HCC الأسترالية معيار الصناعة.
بينما لا يتم تصنيف الفحم PCI في كثير من الأحيان على أنه فحم الكوك ، فإنه لا يزال يستخدم كمصدر للطاقة في عملية صناعة الصلب ويمكن أن يحل جزئيًا محل فحم الكوك في بعض أفران الصهر.
صنع فحم الكوك
صنع فحم الكوك هو كربنة الفحم بشكل فعال في درجات حرارة عالية. يتم الإنتاج عادة في بطارية فحم الكوك تقع بالقرب من مصنع صلب متكامل. في البطارية ، أفران الكوك مكدسة في صفوف. يتم تحميل الفحم في الأفران وتسخينه في غياب الأكسجين حتى تصل درجات الحرارة إلى حوالي 1100 درجة مئوية (2000 درجة فهرنهايت).
بدون أكسجين ، لا يحترق الفحم. بدلا من ذلك ، يبدأ في الذوبان. تؤدي درجات الحرارة المرتفعة إلى تطاير الشوائب غير المرغوب فيها ، مثل الهيدروجين والأكسجين والنيتروجين والكبريت. يمكن جمع هذه الغازات المنبعثة واستعادتها كمنتجات ثانوية أو حرقها كمصدر للحرارة.
بعد التبريد ، يتجمد الكوك على شكل كتل من الكربون المسامي البلوري كبيرة بما يكفي لاستخدامها بواسطة أفران الصهر. يمكن أن تستغرق العملية بأكملها ما بين 12 و 36 ساعة.
تؤثر الخصائص الملازمة لمدخل الفحم الأولي بشكل كبير على الجودة النهائية لفحم الكوك المنتج. يعني الافتقار إلى إمدادات موثوقة من درجات الفحم الفردية أن صانعي فحم الكوك اليوم غالبًا ما يستخدمون مزيجًا من ما يصل إلى 20 نوعًا مختلفًا من الفحم لتزويد صانعي الصلب بمنتج ثابت.
يلزم ما يقرب من 1.5 طن متري من الفحم المعدني لإنتاج طن متري واحد (1000 كجم) من فحم الكوك.
فحم الكوك في صناعة الصلب
تتطلب أفران الأكسجين الأساسية (BOF) ، والتي تمثل 70٪ من إنتاج الصلب في جميع أنحاء العالم خام الحديد، وفحم الكوك ، والمواد المتدفقة كمواد تغذية في إنتاج الصلب.
بعد تغذية الفرن العالي بهذه المواد ، يتم نفخ الهواء الساخن في الخليط. يتسبب الهواء في حرق فحم الكوك ، مما يؤدي إلى ارتفاع درجات الحرارة إلى 1700 درجة مئوية ، مما يؤدي إلى أكسدة الشوائب. تقلل هذه العملية من محتوى الكربون بنسبة 90٪ وينتج عنها حديد منصهر يعرف بالمعدن الساخن.
ثم يتم تصريف المعدن الساخن من فرن الصهر وإرساله إلى أفران الأفران ، حيث تتم إضافة خردة الصلب والحجر الجيري لصنع الفولاذ الجديد. يمكن إضافة عناصر أخرى ، مثل الموليبدينوم أو الكروم أو الفاناديوم ، لإنتاج درجات مختلفة من الفولاذ.
في المتوسط ، يلزم حوالي 630 كيلوجرامًا من فحم الكوك لإنتاج طن متري واحد من الفولاذ.
تعتمد كفاءة الإنتاج في عملية الفرن العالي بشكل كبير على جودة المواد الخام المستخدمة. سيتطلب الفرن العالي الذي يتم تغذيته بفحم الكوك عالي الجودة كمية أقل من فحم الكوك والتدفق. إن استخدام منتج عالي الجودة يقلل في الواقع من تكاليف الإنتاج وينتج عنه معدن ساخن أفضل.
في عام 2013 ، تم استخدام ما يقدر بـ 1.2 مليار طن متري من الفحم في صناعة الصلب. الصين هي أكبر منتج ومستهلك لفحم الكوك في العالم ، حيث بلغ إنتاجها حوالي 527 مليون طن متري في عام 2013. تتبع أستراليا والولايات المتحدة ، منتجا 158 مليون و 78 مليون طن متري على التوالي.
ليس من المستغرب أن السوق الدولية لفحم الكوك تعتمد بشكل كبير على صناعة الصلب.
من بين المنتجين الرئيسيين BHP Billiton و Teck و Xstrata و Anglo American و Rio Tinto.
أكثر من 90٪ من إجمالي تجارة الفحم المعدني المنقولة بحراً يتم احتسابها من خلال الشحنات القادمة من أستراليا وكندا والولايات المتحدة.
المصادر
فاليا ، هاردارشان س. إنتاج فحم الكوك لصناعة الحديد في أفران السفع. أعمال الصلب.
URL: www.steel.org
معهد الفحم العالمي. الفحم والصلب (2007).
URL: www.worldcoal.org