Общая характеристика доменного топлива и предъявляемые к нему требования

Непременным компонентом шихты для производства чугуна, обеспечивающим нормальное протекание доменного процесса, является топливо. В доменной плавке оно выполняет три основные функции:

1. углерод и водород топлива являются восстановителями оксидов железа и других элементов.

2. Это – источник тепла, необходимого для нагрева рудных материалов до высоких температур, при которых интенсивно протекают химические реакции, происходит плавление чугуна и шлака. Для получения максимального количества тепла при горении топливо должно иметь высокое содержание нелетучего углерода и, соответственно, минимальное содержание золы. Последняя, переходя в шлак, увеличивает его выход и относительный расход горючего. В вязи с тем, что восстановительный характер доменной плавки не позволяет гореть такому компоненту как водород, в топливе должно быть низкое содержание летучих веществ, т.е. высокое отношение C: H.

3. Топливо обеспечивает достаточно высокую газопроницаемость столба доменной шихты, является ее разрыхлителем, особенно в области высоких температур, где происходит плавление рудной части шихты. В этой области твердое топливо образует своеобразную решетку (насадку), через которую проходят горновые газы, стекают в горн жидкие продукты плавки. При отсутствии в этой зоне печи слоя из твердых кусков доменная плавка невозможна.

В связи с этим доменное топливо должно быть кусковым материалом, обладающим достаточно высокой прочностью во всем диапазоне температур в доменной печи, чтобы в ходе плавки не образовывалось много мелочи, снижающей газопроницаемость доменной шихты. Начальная кусковатость топлива обеспечивается отсевом мелких фракций перед загрузкой в доменную печь. В то же время куски топлива должны обладать высокой пористостью (60-80 %), что обеспечивает интенсивность горения его у фурм.

Кроме того, топливо должно содержать минимально возможное количество вредных примесей, в частности, серы и фосфора, которые могут существенно ухудшить качество чугуна или увеличить относительный расход горючего. Важным требованием к доменному топливу является невысокая стоимость.

Ни один из природных видов топлива не отвечает всем перечисленным требованиям. Для доменной плавки не пригодны в качестве топлива дрова, хотя для примитивных способов получения железа в древности это был, пожалуй, единственно доступный восстановитель. Дрова выделяют слишком мало тепла, так как в них слишком много воды; даже в сухой древесине содержание горючего элемента (углерода) невелико. Из-за низкой теплотворной способности не пригоден для доменной плавки и торф. Кроме того, он не является прочным кусковым материалом. Не увенчались успехом попытки использовать каменный уголь. Одни сорта его при нагревании в доменной печи плавились, другие трескались с образованием большого количества мелочи.

В наибольшей степени условиям доменной плавки удовлетворяют только два вида искусственно приготовленного топлива: древесный уголь и каменноугольный кокс.

До середины XVIII века древесный уголь был единственным видом доменного топлива. Установить, кто первый, и в какой стране провел плавку металла на древесном угле невозможно. Однако известно, что древнейшие цивилизации Египта, Китая и Индии использовали этот вид топлива в металлургии железа.

Древесный уголь представляет собой продукт неполного термического разложения древесины при нагревании ее без доступа воздуха до 300-700°С. При таком нагревании древесина разлагается с образованием твердого обугленного остатка и смеси жидких и газообразных продуктов. Самым примитивным способом производства древесного угля было выжигание его в кучах дров, покрытых слоем глины и земли. Современный способ его производства состоит в том, что закрытые камеры, наполненные дровами, проталкивают через тоннельную печь, температура в которой изменяется по заданной программе.

Применявшийся в доменных печах древесный уголь, в зависимости от температуры его получения, содержал от 70 до 95 % нелетучего углерода, 10-30 % летучих веществ, 1-2 % золы, следы серы и 0,01-0,04 % фосфора. Чистота древесного угля по содержанию серы и фосфора позволяет получать высококачественный передельный и литейный чугуны. Пористость кусков древесного угля составляет 70-90 %, что является причиной интенсивного горения его в горне печи. в то же время механическая прочность угля была недостаточно высокой, что не позволяло строить доменные печи высотой более 16,0-18,5 м. И это не единственный его недостаток. Большие затраты труда на производство древесного угля и, особенно, быстрое уничтожение лесных массивов при интенсивном развитии черной металлургии заставляли постоянно искать новые виды топлива. Некоторое развитие, особенно в США, получила доменная плавка с применением антрацита. Однако после успешной доменной плавки в 1735 г. на новом виде топлива – каменноугольном коксе – проведенной англичанином Авраамом Дерби, все большее количество доменных печей Англии, Франции, США, а позднее и России, стали переводить на кокс. В настоящее время кокс является практически единственным видом топлива. Выплавка древесноугольного чугуна в существенных объемах сохранилась лишь в Бразилии, где в зоне реки Амазонки вырубаются леса. Оборот рубки эвкалипта составляет всего 7 лет (вместо 60-70 лет для хвойных лесов на Урале). В 1982 г. в Бразилии в 134 малых доменных печах было выплавлено на древесном угле 4,4 млн.т чугуна.

Преимуществами кокса были высокая механическая прочность, позволившая увеличить высоту доменных печей, и низкий выход летучих веществ. Однако по содержанию серы (до 2 % и более), золы (до 10-12 %) и пористости (около 50 %) кокс значительно уступал древесному углю. В современных доменных печах на выплавку 1 т чугуна затрачивается до 400-500 кг кокса. Стоимость кокса составляет 40-50 % себестоимости чугуна, т.е. около половины всех затрат. Кроме того, огромный объем выплавки чугуна в настоящее время делает кокс все более и более дефицитным продуктом. Поэтому даже незначительное снижение удельного расхода кокса или частичная замена его более дешевым видом топлива является экономически весьма эффективным. Это обусловило широкое распространение в последние десятилетия подачи в горн доменных печей таких более дешевых и доступных видов топлива как природный газ, мазут и угольная пыль. Ими заменяют 5-15 % кокса.

Однако кокс остается по-прежнему главным и основным видом доменного топлива, так как ни один из названных заменителей не может выполнить важнейшую функцию кокса как разрыхлителя доменной шихты, обеспечивающего ей высокую газопроницаемость.

По производству металлургического кокса страны СНГ занимают первое место в мире. Динамика развития его производства в мире и ряде стран, а также изменение объема производства кокса в последние годы характеризуются следующими данными, млн.т в год (табл.12):

Таблица 12

Динамика производства кокса в ряде стран

Годы
Мировое производство	139,0	187,9	86,4	284,4	276,1	369,0	357,7	360,3	335,9	324,4
В том числе: СССР	19,6	27,7	56,2	66,1	74,2	-	-	-	-	-
Россия	нет св.	нет св.	нет св.	нет св.	39,8	27,8	25,3	25,6	23,6	28,1
Англия	14,8	16,7	20,3	16,6	10,1	6,9	6,2	6,1	6,2	5,8
ФРГ	36,7	27,3	39,5	39,3	28,7	11,1	10,7	10,7	10,3	8,8
Франция	7,6	7,0	13,6	14,1	11,1	5,4	3,8	5,4	5,4	5,0
США	29,5	66,0	51,9	60,4	41,8	21,5	13,6	20,1	18,2	18,1
Япония	-	-	6,9	36,4	43,7	42,6	37,4	37,7	35,9	35,5
Китай	нет св.	нет св.	нет св.	нет св.	нет св.	13,5	13,6	13,9	12,8	12,1

Дата добавления: 2015-07-21