СЫРЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДОМЕННОЙ ПЛАВКИ
Каменноугольный кокс
Каменный уголь, запасы которого очень велики, не может быть, к сожалению, непосредственно использован в качестве топлива в шахтных печах. Уголь содержит 20—40 % летучих веществ, которые уже при нагреве до 250—350 °С и выше начинают интенсивно выделяться, разрывая куски самого прочного угля с образованием угольной пыли. Эта пыль забивает пустоты между более крупными кусками руды, агломерата, окатышами, резко ухудшает газопроницаемость столба шихты в печи, загромождает горн печи угольной пылью и мусором. Работа доменных печей на угле всегда связана сначала со снижением технико-экономических показателей плавки, а затем с тяжелыми расстройствами хода и авариями.
Лишь отдельные пласты самого старого каменного угля — антрацита использовали в доменных печах небольшой высоты, но в настоящее время запасы таких углей полностью исчерпаны (шахтинский антрацит в Донбассе, уголь пластов «Мощный» у Прокопьевска «Волковский» у Кемерово, Кузбасс, а также пенсильванский в США, и уэльский в Великобритании), и плавка на антраците представляет лишь исторический интерес. Из сказанного следует, что присутствие каменного угля в шихте доменных печей является недопустимым и должно быть полностью исключено. Если по каким-либо причинам организационного характера доменный цех исчерпал все запасы кокса, а рядом на складах ТЭЦ имеется много кускового крепкого угля, целесообразно тем не менее полностью остановить доменные печи, дожидаясь прибытия кокса. В конечном счете потери производств в этом случае окажутся гораздо меньшими, чем при вводе угля в шихту печей без их остановки.
С начала железного века основным горючим в сыродутных горнах, а затем в домницах и доменных печах был древесный уголь — продукт пиролиза (обугливания без доступа воздуха) древесины при 350—650 СС. Наиболее древним является так называемый «кучной» способ производства древесного угля. Высокую кучу дров засыпали по поверхности землей, обкладывали дерном, обмазывали глиной, оставляя у основания кучи лишь несколько отверстий, через которые к центру кучи поступало небольшое количество воздуха, необходимого для сжигания части дров. В верхней части кучи оставляли отверстия для выхода продуктов сгорания дров и газообразных продуктов пиролиза древесины. В современных углевыжигательных печах вагонетки с древесными чурками последовательно проходят через секции камерной печи, где идет пиролиз древесины и куда непрерывно подаются нагретые В топках продукты сгорания дров и угля. Такие печи позволяют полностью уловить ценные газообразные продукты переугливания дров. Выход древесного угля из дров колеблется обычно в пределах от 60 до 74 % (объемн.), его кажущаяся плотность равна 0,38 г/см3 (березовый уголь); 0,29 г/см3 (сосновый уголь); 0,26 г/см3 (еловый уголь). Насыпная масса 1 м3 сухого печного древесного угля составляет 130—200 кг/м3. Механическая прочность древесного угля невелика и позволяет осуществлять плавку на нем лишь В доменных печах с полезной высотой до 18 м.
Древесный уголь обладает высокой реакционной способностью и горючестью, что связано с его огромной пористостью (80—87 %.). В связи с этим древесный уголь горит перед воздушными фурмами доменной печи в окислительных зонах небольшого объема, что препятствует работе с высоконагретым дутьем, также уменьшающим размеры окислительных зон.
По химическому составу древесный уголь выгодно отличается от кокса малой зольностью (1—2 % А) и чистотой по сере (<0,05 % S) и фосфору (0,1—0,07 % Р). Содержание нелетучего углерода составляет в печном угле 72—75 % при 26 % летучих веществ, выделяющихся при его нагреве в доменной печи. Чистота древесного угля позволяет выплавлять высококачественный передельный и литейный чугуны. Однако быстрое увеличение масштабов древесноугольной доменной плавки привело к уничтожению значительной части лесов в европейских странах. В 1558 г. в Англии издан первый указ о запрещении рубки леса в металлургических целях. Этому примеру последовали затем другие страны.
В настоящее время выплавка древесноугольного чугуна в больших масштабах ведется лишь в Бразилии, где на огромных площадях в зоне реки Амазонки вырубаются леса, а оборот рубки эвкалипта составляет всего 7 лет (оборот рубки хвойных деревьев на Урале 60—70 лет). В 1982 г. в Бразилии в 134 малых доменных печах было выплавлено на древесном угле 4,4 млн. т чугуна.
Рис. 4. Камера коксовой печи
В связи с ограничениями рубки леса в XVI—XVIII вв, были вновь предприняты многочисленные попытки доменной плавки на каменном угле, но все они кончились неудачей. Необходимо было создать новое искусственное топливо для доменных печей. Таким топливом и стал каменноугольный кокс.
Процесс высокотемпературного коксования угля был изобретен А. Дерби в 1735 г. Он заключается в пиролизе угля без доступа воздуха при 900—1100 °С в течение 14—18 ч.
Рассмотрим процесс коксования более подробно.
Перед загрузкой в коксовую печь угольная шихта измельчается до фракции <3 мм. Компоненты шахты усредняются по составу на специальных складах, затем тщательно смешиваются.
После укладки шихты в печь и выравнивания поверхности шихты планиром печь тщательно герметизируют. Нагрев шихты в печи происходит только теплопроводностью от двух ее стен внутри которых в, так называемых, отопительных простенках сжигается смесь доменного и коксового газов и достигаются температуры до 1350—1400 °С. Выделяющиеся из шихты газы и немедленно отводятся из печи через специальные отверстия. Как уже упоминалось выше, главной причиной разрушения кусков каменного угля в доменной печи является интенсивное выделение из угольного вещества большого количества летучих. Поэтому задача процесса коксования состоит в удалении главной массы летучих еще в коксовой печи и создании прочного кускового продукта, содержащего не более 1,5—2 % летучих веществ, что предотвращает разрушение кокса в доменной печи.
Рис. 5. Стадии коксования угля: 1 — шихта; 2 — пластический слой; 3 — полукокс; 4 — кокс; 5 — осевая вертикальная трещина