Топливо доменной плавки

Основным топливом доменной плавки является каменноугольный кокс. На протяжении 100 лет применения кокса среди доменщиков остается в силе поговорка: «Самый лучший мастер печи – это хороший кокс». Мировые запасы коксующихся углей оцениваются сейчас примерно в 1,5 трлн. т и составляют менее 10 % общих ресурсов каменного угля. Разведанные запасы насчитывают около 400 млрд. т, большая их часть сосредоточена в США, Китае, России, Германии.

Работа доменной печи без кокса невозможна по физическим причинам, так как он выполняет следующие функции: восстановитель, источник технологического тепла и науглероживающее средство, обеспечивает газопроницаемость столба шихты в печи, служа ее опорным каркасом. Такое топливо лишь частично можно заменить другим (жидким, газообразным, пылевидным).

Многие сотни лет черные металлы получали, используя древесный уголь. На 1 т металла расходовалось до 40 м³ леса. В конце XVI века королева Елизавета Английская вынуждена была запретить использовать лес для производства угля. Через 30 лет выплавка железа была прекращена во всей Англии. В XVIII веке русская императрица Елизавета специальным указом запретила строить железоделательные заводы в радиусе 200 верст вокруг Москвы.

К твердому топливу предъявляют следующие основные требования:

1) высокая теплота сгорания;

2) достаточная прочность и термостойкость, чтобы не образовывалось много мелочи при нагреве и прохождении через печь;

3) неспекаемость в условиях доменного процесса;

4) достаточная чистота по содержанию вредных примесей – серы и фосфора.

Также желательно, чтобы в топливе было мало золы, особенно глинозема и кремнезема, требующих применения флюсов. С учетом этих требований приходится специально изготавливать топливо.

Производство доменного кокса осуществляется на металлургических заводах с полным циклом и на специализированных коксохимических заводах.

В XVIII и в первой половине XIX века кокс получали в кучах. Куча представляла собой сооружение высотой 3-4, диаметром 3-4 метра, вмещавшая 3-4 т угля. В центре из крупных кусков угля или камней выкладывали канал для отвода газов. Процесс длился 4 -5 дней, а выход кокса составлял 50-55 %.

Шихтой для производства кокса служат различные сорта каменного угля: коксовые, жирные, тощие, газовые (коксующиеся угли – наиболее дорогой сорт). Металлургические заводы России снабжаются коксующимися углями Кузбасса, Печоры, Якутии.

Перед коксованием уголь измельчают и обогащают, удаляя минеральную часть породы для снижения содержания золы в коксе. Шихту увлажняют и отправляют в коксовые печи. При нагреве без доступа воздуха мелкие угольные частички переходят в пластическое состояние и размягчаются, обволакивая твердые зерна некоксующегося угля. При температуре более 450^оС в массе начинается процесс разложения угля с выделением органических соединений (углеводороды, аммиак и др.). Выделяющиеся газообразные вещества вспучивают размягченную массу, образуя в ней многочисленные поры.

По мере протекания процесса сухой перегонки масса все более обогащается углеродом, теряет пластичность и при 600 – 650 ^оС переходит в состояние полукокса. При 1000 ^оС он отвердевает, и никакой повторный нагрев не может перевести эту массу в плавкое состояние снова. Этот твердый остаток и есть кокс. Длительность процесса составляет 14-16 часов.

Кокс получают в камерных печах, объединенных в коксовые батареи, производительностью до 1 млн. т кокса в год. Батарея может иметь до 80 камер коксования (рис. 19). Камера имеет форму спичечного коробка с размерами: ширина 0,5, высота 5, длина 15-17 м. Коксовые печи отапливаются доменным и коксовым газом, сжигаемым в простенках между камерами – вертикалах при температуре 1400^оС. При этом тепло идет на нагрев кирпичной кладки стен и угольной массы. Подаваемый воздух нагревается в регенераторах, находящихся под коксовыми печами, за счет тепла продуктов сжигания газа (регенератор – устройство для аккумулирования тепла отходящих газов).

Для выгрузки кокса камеру отключают от трубопровода, в который уходят газообразные продукты коксования. Расположенные с обеих сторон дверцы раскрываются. К передней дверце по рельсам подкатывает коксовыталкиватель, имеющий горизонтальную штангу с башмаком. Штанга вводится внутрь, выдавливая коксовый пирог, который многотонным огненным водопадом падает в вагон для тушения и сбора кокса.

Существует два способа тушения кокса: мокрый и сухой. При мокром - кокс интенсивно охлаждается струями воды в башне, а при сухом коксовый пирог охлаждают инертным газом (азотом). Сухое тушение позволяет возвратить до 50 % тепла, расходуемого на процесс коксования и использовать его, например, для получения пара и преобразования его в электрическую энергию.

Серебристый кусок кокса можно взять в руку (он не пачкает). Резкое охлаждение при мокром тушении ухудшало кокс, делая его влажным, а после сухого он менее влажен и более прочен. Кроме того, при сухом тушении нет пара, а следовательно, исключается коррозия оборудования.

Твердый, пористый кокс проходит испытания на разрушение и истирание, кусковатость (для определения крупности кусков кокс просеивают через решетки-сита с отверстиями, размеры которых предусмотрены соответственными стандартами), влажность, содержание золы, серы и летучих газов.

Кроме кокса, при коксовании получают коксовый газ и ценные химические продукты. Из 1 т сухой угольной шихты получают 750 - 800 кг кокса, 320 м³ газа, 38 кг каменноугольной смолы, 11 кг бензола. Кокс является дорогим и дефицитным сырьем. Для использования менее дефицитных, плохо коксующихся углей пытаются заменить обычный кокс формованным, который получают высокотемпературным прессованием угольной шихты из некоксующихся углей.

Проблема экономии кокса в доменном производстве является важнейшей. Этого можно достигнуть, во-первых, за счет использования в доменной плавке наряду с коксом в качестве топлива природный газ, каменноугольную пыль, мазут; во-вторых, за счет обогащения дутья кислородом и применения офлюсованного агломерата и окатышей.

Наибольший экономический эффект достигается при использовании комбинированного дутья, когда на 1 м³ кислорода вдувается 1,1 - 1,2 м³ природного газа, 0,8 - 1,0 кг мазута или угольной пыли. Обычно расход природного газа составляет 100 - 120 м³/т. Предварительное восстановление железной руды является также одним из эффективных способов снижения расхода кокса. Так использование 40 % окатышей с металлизацией 40 % снижает расход кокса на 13-15 %, с металлизацией 80 % - на 25-30 %.

Ужесточение природоохранного законодательства с целью уменьшения выбросов в окружающую среду, высокая капиталоемкость коксохимических производств, повышение требований к качеству производимой продукции заставляют совершенствовать коксохимическое производство.

ФЛЮСЫ

Флюсы – это вспомогательные материалы, вводимые в шихту для снижения температуры плавления пустой породы и образования в горне доменной печи шлака требуемого химического состава и физических свойств. Вид флюса, его количество выбираются в зависимости от состава пустой породы.

Если в пустой породе много кремнезема, т. е. кислого компонента, то в печь или шихту для агломерации вводят основные флюсы, т. е. содержащие известь. Если в пустой породе содержатся оксиды кальция и магния, прибегают к добавке кислых флюсов, содержащих кремнезем. В первом случае используют известняк, во втором – кварциты. Основную массу известняка составляет СаСО₃. При нагревании известняк разлагается с образованием извести и углекислого газа: СаСО₃= СаО + СО₂. Известь является шлакообразующим элементом.

Известняк для доменной плавки должен быть кусковатым (крупность 25-60 мм), прочным, не образовывать мелочи, а главное, не содержать серы, фосфора и кремнезема. Месторождения известняка находятся вблизи Череповца – Пикалевское, возле Липецка – Студеновское, Агаповское на Урале и др.

В шихте доменных печей часто используют отходы различных металлургических производств с повышенным содержанием железа или марганца. Колошниковая пыль содержит до 45 % Fe, поэтому ее направляют на агломерационные фабрики и подмешивают к шихте для производства агломерата. Сварочный шлак – отход прокатного производства, образующийся при высоком нагреве стальных заготовок в нагревательных печах, содержит около 50 % Fe и ничтожные количества серы и фосфора. Окалина – отход прокатного производства, ее удаляют со слитков и заготовок при прохождении прокатных клетей. Иногда используют шлаки сталеплавильного производства, литейных цехов, машиностроительных предприятий в виде стружки и мелкого лома.

1.1.2. СХЕМА ДОМЕННОГО ПРОЦЕССА

Современная доменная печь - мощный и высокопроизводительный агрегат, расходующий огромное количество шихты и дутья. Это огромное сооружение, высотой 100 м и объемом 5000 м³ и более, ежесуточно расходует до 25000 т шихты, 18000 т дутья, 180 т природного газа и выдает свыше 13000 т чугуна, 4500 т шлака, огромное количество колошникового газа. Для ее обслуживания только в сутки расходуется около 100 тыс. м³ воды.

Срок службы доменных печей (время между капитальными ремонтами 1 разряда) колеблется от 13 до 22 лет. Пуск современного доменного комплекса – печь «Северянка» объемом 5580 м³ АО «Северсталь» был осуществлен 12 апреля 1986 г. Новые комплексы и доменные печи в последующем в России не возводились. От общего полезного объема российских печей России 45 % составляют печи объемом менее 2000 м³. Большинство этих печей физически и морально устарели и подлежат выводу из эксплуатации. Объемы оставшихся доменных печей (48045 м³) обеспечивают выплавку 34 - 42 млн. т чугуна в год.

Доменная печь – печь шахтного типа. Она имеет вытянутое в высоту рабочее пространство и круглое поперечное сечение, конфигурация которого выработана многовековым опытом. По оснащенности автоматикой она принадлежит к “династии чемпионов”, так как является одним из самых механизированных и автоматизированных металлургических агрегатов. АСУ печи учитывает все входные данные: состав шихты, температуру и состав дутья, другие факторы, устанавливает оптимальные соотношение между ними для обеспечения максимальной производительности и высокого качества чугуна заданного состава.

Самая древняя печь – примитивный горн, вырытый в земле или выложенный из камня. Их чаще всего устраивали на холме с отверстием у его подножия. Естественная тяга создавала высокую температуру. Затем научились подавать дутье мехами. Позже вместо таких горнов стали строить шахтные печи. В России они назывались домницами.

Полученные от сжигания топлива газы проходят через столб шихты, отдавая ей свою химическую и тепловую энергию. Опускающаяся рудная шихта нагревается, восстанавливается и расплавляется. Часть кокса расходуется в печи на восстановление железа и других элементов, а большое его количество сгорает в зоне фурм. Ровное, быстрое опускание шихты и хорошее взаимодействие с газами, т. е. лучшее использование тепловой и химической энергии газового потока, являются важнейшими факторами в доменном производстве. Схематически доменный процесс можно представить в следующем виде: