Топливо применяемое в металлургии

Для получения металла из руд и его переработки в металлургической промышленности и других отраслях производства используют твердое, жидкое и газообразное топливо.

В качестве твердого топлива применяют каменноугольный кокс, древесный и каменный угли, антрацит и термоантрацит.



Коксом называется продукт спекания смеси коксующихся углей, получаемый при удалении из них летучих веществ. Спекание производится без доступа воздуха в специальных коксовальных печах, где угольная смесь нагревается до 950—1000°С. Время коксования колеблется в пределах от 14 до 20 час.

Для получения кокса применяют каменные угли с различными содержаниями летучих веществ. В зависимости от их содержания угли подразделяются на жирные, полужирные и тощие.

Подготовка угля для коксования заключается в измельчении до крупности зерна 2 мм, обогащении и смешивании. Измельчению подвергаются все угли, поступающие для коксования. Угли дробят в щековых дробилках, а затем размалывают в дезинтеграторах.

Обогащению подвергаются угли, содержащие большое количество золы (породы). Во время обогащения порода из угля удаляется. Процесс обогащения осуществляется различными способами: в отсадочных машинах, на сотрясательных и концентрационных столах и в минеральных суспензиях большой плотности.

В результате обогащения получается угольный концентрат, идущий на коксование. Промежуточный продукт с низким содержанием углерода используется на энергетические нужды, а хвосты поступают в отвал. Выход угольного концентрата в зависимости от состава угля и способов обогащения колеблется в пределах от 66 до 78%,

Выход кокса зависит от содержания летучих в угле и составляет 78—82% от веса угля.

Качество кокса определяется его химическим составом, физико-химическими и физико-механическими свойствами.

Химический состав кокса определяется:

а. Содержанием летучих, которых должно быть в пределах от 0,9 до 1,25%, Повышенное содержание летучих наблюдается в коксе с недопалом, т. е. с нескоксовавшимся углем. Недопал обладает малой прочностью и истирается.

б. Содержанием золы в коксе, которое колеблется в пределах от 8 до 12—14%. В отдельных случаях получают низкозольный кокс с содержанием золы 5—6% и высокозольный, с содержанием до 22%. В коксе всегда получают большее количество золы, чем в исходном угле, так как на тонну кокса расходуется угля около 1,2 т.

в. Содержанием серы в коксе, которое определяется главным образом ее количеством в коксующихся углях и находится в пределах от 0,5 до 2,0% и выше.

В углях сера бывает трех типов: пиритная, сульфатная и органическая. При обогащении и коксовании удаляется только частично пиритная и сульфатная сера, а органическая сера не удаляется. Поэтому, чем больше органической серы в углях, тем больше ее будет в коксе.

г. Содержанием фосфора в коксе, которое обычно составляет от 0,01 до 0,05%. При производстве бессемеровских и специальных чугунов используют кокс с минимальным содержанием фосфора.

д. Содержанием влаги в коксе (от 2 до 6%). Крупные куски кокса содержат влаги 3,0—4,0%, а мелочь 10—15%. Повышенное содержание влаги в коксе искажает весовую характеристику его.

Физико-химические свойства кокса характеризуют реакционную способность, горючесть, температуру воспламенения и теплотворную способность.

Реакционной способностью кокса называется его способность вступать во взаимодействие с СО2 и образовывать окись углерода. Различные сорта кокса имеют различную реакционную способность, которая зависит от совершенства кристаллов графита и его пористости.

Горючестью называется скорость горения кокса, она зависит в основном от тех же факторов, что и реакционная способность. Температура воспламенения кокса находится в пределах от 600 до 750° С. Теплотворная способность кокса 6500—7500 ккал/кг.

Физико-механические свойства кокса определяются:

а) механической прочностью; б) термической стойкостью; в) ситовым составом и г) газопроницаемостью.

Под механической прочностью понимается способность противостоять истиранию, дроблению от ударов и раздавливанию. Чем прочнее кокс, тем меньше образуется мелочи в доменной печи, меньше будет сопротивление прохождению газов и больше фильтрация продуктов доменной плавки, стекающих в горн.

Кокс получают доменный и литейный. Доменный кокс в основном используется при получении чугуна в доменных печах, а литейный кокс отличается от доменного кокса более крупными кусками, меньшей пористостью и более низким содержанием серы.

Литейный кокс имеет пористость до 40%, содержание серы не свыше 1,5%, Доменный кокс выпускается с пористостью 45—55%. Содержание серы в нем допускается 2,0—2,5%.



Древесный уголь представляет собой продукт, получаемый при сухой перегонке древесины без доступа воздуха. Процесс перегонки дерева для получения древесного угля разбивается на четыре стадии: 1) нагрев дерева при температуре — 150°С, при которой происходит подсушка исходного материала; 2) нагрев от 150 до 280° С, при котором происходит медленное разложение древесины с выделением газов (СО2, CO) с примесью уксусной кислоты, метана и смолы, а из хвойных пород — скипидара; 3) при дальнейшем нагреве от 280 до 430° С происходит экзотермическое разложение древесины. Выделяющееся при этом тепло способствует обугливанию древесины; 4) нагрев свыше 400—480° С характеризуется дальнейшим выделением летучих. В газе возрастает содержание водорода за счет разложения углеводородов.

Первоначально древесный уголь получали в кучках. Куча выкладывается из поленьев дров, обмазывается снаружи глиной. В обмазке делается отверстие для доступа небольшого количества воздуха. Вверху в куче оставляется отверстие для отвода дыма. Теперь уголь получают в печах. Кучный уголь содержит меньше летучих и больше углерода.

Содержание золы в кучном древесном угле от 0,5 до 2,5% (в печном не больше 5%), фосфора — от 0,01 до 0,018%, сера почти отсутствует. Пористость угля колеблется от 73—85%. Теплотворная способность 6500—7500 ккал/кг. Насыпной вес 1 м3 угля; березового 175 кг, соснового 137 кг и елового 115 кг. Прочность угля невысокая.

Древесный уголь используется для получения чугуна специального назначения в доменных печах малого объема.



Каменный уголь является продуктом разложения древесины под слоем земли, накопившейся в отдаленные геологические эпохи. Каменные угли различных месторождений по своим физическим свойствам отличаются друг от друга. Они содержат от 29,4 до 70% углерода, летучих от 32 до 42%, золы от 10,1 до 23,6%. Теплотворная способность каменного угля колеблется в пределах от 2870 до 6430 ккал/кг.

Антрацит является одной из разновидностей каменного угля, с большим содержанием углерода — до 94% и меньшим содержанием летучих — до 3,5%. Теплотворная способность антрацита около 8000 ккал/кг. Однако антрацит при горении растрескивается и куски его рассыпаются, что является его недостатком.

Термоантрацит получают путем термической обработки антрацита в шахтных печах при температуре 1150°С с ограниченным доступом воздуха. Термоантрацит порист, прочен и не растрескивается при горении. Теплотворная способность термоантрацита до 8500 ккал/кг.



В виде жидкого топлива используют мазут и смолу в основном при плавке стали в мартеновских и нагревательных печах.

Мазутом называются остатки, получаемые после переработки нефти при получении бензина, керосина и различных масел. Мазут содержит 84-88% Сг, 10—12% Нг, 0,5—1,0% Nг+Оn. 0,5—3,5% Sp 0—10% Wp.

Для мартеновских печей применяется мазут с содержанием серы не больше 0,5%.

Теплотворная способность безводного мазута 8500— 10500 ккал/кг. Качество мазута определяют, учитывая его вязкость, температуру вспышки и температуру застывания. Перед сжиганием мазут предварительно подогревают или распыливают компрессорным воздухом в форсунках высокого давления.

Смола является побочным продуктом коксохимического производства, ее используют в качестве карбюризатора, т. е. для получения светящегося пламени при газовом отоплении мартеновских печей.



В качестве газообразного топлива применяют доменный, коксовальный, генераторный и природный газы.

Доменный газ. На заводах с полным металлургическим циклом доменного газа имеется большое количество, так как выход его составляет около 3800 м3/т кокса. Теплотворная способность около 1000 ккал/м3. Плотность газа около 1,3 кг/м3. В связи с незначительным содержанием в доменном газе углеводородов (0,2 CH4) он дает несветящееся пламя. Поэтому доменный газ используется в смеси с другими газами, свойства которых компенсируют его недостатки.

Коксовый газ получается при производстве кокса. Примерный состав газа 58,5% H2, 22,5% CH4, 8,2% CO, 2,2% CO2, 1,8% CmHn, 0,5% O2 и 6,3% N2. Теплотворная способность 3900 ккал/кг. Плотность 0,47 кг/нм3. В газе содержится серы от 5 до 20 г/м3. Содержание серы в газе, используемом в мартеновских печах, должно быть 2—3 г/м3, поэтому газ очищают от серы.

Коксовый газ применяется для мартеновских печей в холодном виде, т. е. без предварительного подогрева, необходимого для разложения метана, вследствие этого он горит несветящимся пламенем. Ввиду малой плотности газа при сжигании его факел стремится оторваться от поверхности ванны к своду печи. Для увеличения плотности коксовый газ используют в смеси с другими видами топлива, преимущественно с доменным газом или мазутом.

Смешанный газ (коксовый и доменный) является в России основным видом топлива для мартеновских печей на тех заводах, где имеется полный металлургический цикл.

Теплотворная способность смешанного газа колеблется от 1800 до 2600 ккал/м3 и изменяется в процессе плавки от максимума (в период заливки и прогрева шихты) до минимума (в период доводки плавки). При смешивании 55% (объемн.) доменного и 45% (объемн.) коксового газа средняя теплотворная способность составляет около 2800 ккал/м3, при этом 78% химической энергии вносит коксовый и только 22% — доменный газ. Коксовый газ обогащает смесь тяжелыми углеводородами, при разложении которых в процессе нагрева в регенераторах, выделяется сажистый углерод, в результате чего образуется светящееся пламя.

При работе на смешанном газе используются достоинства каждого из компонентов и компенсируются недостатки, т. е. коксовый газ обеспечивает светимость пламени и повышает теплоту сгорания, а доменный газ повышает плотность и понижает содержание серы в смеси. В России до 70% стали выплавляют с использованием смешанного газа.

Генераторный газ раньше был основным видом топлива для мартеновских печей. В последнее десятилетие он вытесняется другими видами топлива. Генераторный газ получают в специальных устройствах — газогенераторах путем газификации антрацита, каменного угля, дров или торфа.

Теплота сгорания генераторного газа в зависимости от вида используемого для генерации топлива находится в пределах от 1215 до 1500 ккал/м3. Плотность от 1,1 до 1,13 кг/м3. Наиболее подходящим генераторным газом является газ, полученный из каменного угля. Преимуществом генераторного газа является то, что не требуется карбюризация его. Состав газа: 4,5—9,0% CO2, 11,0—17,5% H2, 24—29%' CO, 2,3—3,0% CH4, 45,8—53,0% N2, 0,2% O2.

Природный газ. В последние годы в России открыты большие месторождения природного газа. Добыча природного газа в 1965 г. составит около 150 млрд. м3, превысив добычу 1958 г. в пять раз.

Природный газ различных месторождений нашей страны содержит 78—98% метана (CH4), 0,5—7,5% тяжелых углеводородов (CmHn) до 0,2% CO2, в основном до 1,5% N2 и другие составляющие.

Теплотворная способность природного газа составляет от 8000—8500 ккал/м3. Плотность 0,7—0,8 кг/м3. При сжигании холодного газа образуется слабосветящийся факел, так как в нем отсутствуют сажистые частицы углерода. Поэтому при использовании природного газа в мартеновских печах к нему добавляют мазут (20—40% по количеству тепла). Добавка мазута не только повышает светимость факела, но и утяжеляет его. При использовании одного природного газа для мартеновских печей его реформируют. Реформирование газа состоит в разложении углеводородов при нагреве его до 110° C без доступа воздуха и выдержке при этой температуре. Например, при выдержке в течение одной секунды разлагается до 40% метана.

Природный газ дешев и почти не содержит серы.