6. Горючее доменной плавки

Все процессы, происходящие внутри доменной печи, протекают в условиях высоких температур, которые достигаются в результате горения топлива¹.

¹ (В некоторых странах (Швеция, Италия) сооружены электродоменные печи, где тепло выделяется от электрической дуги, возникающей между электродами.)

В качестве основного горючего для доменной плавки в настоящее время используют каменноугольный кокс. Природный газ (и очень мало коксовый газ) применяется частично и служит заменителем кокса.

Древесный уголь в основном применялся как топливо в доменных печах до начала XVIII в. В настоящее время древесный уголь в доменной плавке почти не применяется.

Кокс получают в коксовых печах из смеси каменных углей путем удаления летучих веществ без доступа воздуха при температуре 950 - 1000°С. Он должен удовлетворять следующим требованиям: обладать высокой прочностью и минимально разрушаться и истираться при транспортировке и после загрузки в доменную печь, так как при разрушении кусков кокса образуется коксовая мелочь, отрицательно влияющая на процесс плавки (ухудшается газопроницаемость столба шихты в печи); содержать минимальное количество вредных примесей (серы, фосфора), золы (негорючая минеральная часть кокса) и летучих (остатки неулетучившихся при производстве кокса веществ); быть термоустойчивым (не растрескиваться при нагревании до высоких температур); обладать максимальной теплотой сгорания.

Для улучшения качества кокса угли, поступающие на коксование, обогащают. Основная цель обогащения углей заключается в снижении содержания в них золы и частично серы.

В Советском Союзе насчитывается более пятидесяти угольных месторождений. Наибольшее значение для коксохимической промышленности имеет добыча углей на Юге - в Донецком и на Востоке - в Кузнецком, Карагандинском, Кизелевском и других бассейнах. Угли Востока отличаются от углей Юга тем, что они содержат значительно меньше серы и большей частью являются высокозольными.

Основная масса коксующихся донецких углей является высокосернистой. Около 30% спекающихся углей Донбасса содержат 2,6 - 3,5% серы и свыше 30% содержат серы больше. В углях Кузнецкого бассейна присутствует не более 0,7% серы.

Угли Карагандинского месторождения содержат не более 1% серы, а фосфора - от 0,01 до 0,06%. Для углей этого месторождения характерна высокая зольность, которая составляет 8 - 25%.

Угли Кизеловского бассейна богаты серой. При обогащении этих углей содержание серы снижается примерно вдвое. Фосфора в углях этого бассейна находится 0,01 - 0,012%.

Угли Печорского бассейна содержат не более 1% серы и 6 - 24% золы.

К углям Ткибульского и Ткварчельского (Кавказ) месторождений при коксовании добавляют донецкие угли. Содержание серы не выходит за пределы 1,8%.

Конструкция коксовой печи (наиболее распространенной в СССР) представляет собой камеру, слегка расширяющуюся в сторону выдачи кокса. Средняя ширина камеры составляет около 400 мм, полезная длина 13240 мм, высота 4000 мм и полезный объем 21,6 м³. Большинство советских коксовых печей выложено из динасового кирпича. Печи загружают сверху углезагрузочным вагоном. Коксовые печи соединяют в коксовые батареи. В одной батарее может находиться до 70 печей. Стены коксовых печей нагреваются доменным или коксовым газами, которые, сгорая в простенках между камерами, обеспечивают нагрев до 1000°С.

В процессе коксования выделяется коксовый газ, состоящий из многих ценных химических веществ, которые улавливают и перерабатывают. Раскаленный готовый кокс, выданный из коксовой печи, охлаждают водой, отсеивают мелочь и направляют в доменный цех.

Для использования физического тепла раскаленного кокса начинают применять установки сухого тушения (охлаждения) инертными газами (азотом). При таком способе охлаждения прочность кокса улучшается.

Кокс играет важную роль не только как основной вид топлива, но и как разрыхлитель столба шихтовых материалов в доменной печи, так как он занимает значительную часть внутреннего пространства печи.

Прочность кокса - основной показатель его качества. Под прочностью необходимо понимать степень сопротивления кокса разрушению под влиянием различных внешних воздействий. По мере опускания кокса в доменной печи может происходить его постепенное разрушение - растрескивание и истирание. До того как кокс начинает гореть, т. е. когда он пройдет путь (за 6 - 8 ч) с верха печи до ее низа, крупных кусков размером более 25 мм остается до 70%.

На металлургических и коксохимических заводах СССР существует стандартный метод определения прочности кокса в барабане. Проба кокса из кусков более 60 мм общей массой 50 кг загружается в барабан длиной и высотой 1000 мм, где во время вращения происходят дробление и истирание кокса. Барабан вращается со скоростью 25 об/мин в течение 4 мин. Измельченный в барабане кокс рассеивают на две фракции: более 40 мм и менее 10 мм. Содержание фракции более 40 мм (М40) и фракции менее 10 мм (М10), выраженное в процентах, является показателем прочности.

Кокс нормального качества после испытания содержит до 80% фракции более 40 мм (М40) и 6 - 7% фракции менее 10 мм (М10).

Удаление серы и золы в шлак требует дополнительного расхода тепла. Поэтому чем меньше в коксе серы и золы, тем меньше расходуется его на 1 т выплавляемого чугуна.

Состав кокса характеризуется техническим анализом (табл. 5), куда входит содержание золы, серы, летучих и влаги. Технический анализ проводят для каждой партии (вагон или группа вагонов, производство за 8 ч и т. д.).

Таблица 5

В связи с увеличением размеров доменных печей требования к качеству кокса значительно возрастают. В первую очередь необходимо повышение его механической прочности, снижение содержания серы и золы.

Природный и коксовый газы могут частично заменять кокс в доменной печи. Природный газ как топливо впервые был применен на доменных печах завода им. Петровского в октябре 1957 г. В 1965 г. средний расход природного газа в СССР составил около 96 м³/т чугуна, или 3 - 5% от дутья.

Таблица 6

Большое количество разведанного природного газа дает возможности применять его на многих заводах Советского Союза. Природный газ вдувается в доменную печь вместе с воздухом. В результате использования природного газа производительность доменных печей, выплавляющих мартеновский чугун, повышается в среднем на 3%, а относительный расход кокса снижается на 13 - 15%. В табл. 6 приведена характеристика природного и коксового газов.

Жидкое и пылевидное топливо может применяться для экономии дорогостоящего кокса. Его подают в доменную печь так же, как и газы, вместе с воздухом, вдуваемым в печь для сжигания кокса.

Первые опыты по вдуванию жидкого топлива (мазута) в доменную печь были проведены на Магнитогорском металлургическом комбинате (ММК) в 1958 г., а затем в 1959 г. на заводе им. Петровского и Серовском комбинате. Опыт показывает, что расход 35 - 40 кг мазута на 1 т чугуна дает экономию кокса от 5 до 10%.

В настоящее время на некоторых заводах в Советском Союзе и за рубежом проводят опытные доменные плавки с вдуванием пылевидного (измельченного) топлива, что впервые было применено на заводе им. Петровского в 1948 г.