Топливо металлургических печей

Топливо металлургических печей

Кокс — топливо современных доменных печей — получают нагревом измельченных каменных углей до температур 1100— 1200° С без доступа воздуха. Угли перед коксованием измельчают и обогащают. Обогащение угля снижает его зольность в 2—3 раза, например: зольность обогащенных углей донецкого бассейна 6— 8%, необогащенных 12—16%. Угли обогащают в поршневых отсадочных машинах в тяжелых суспензиях и методом флотации. В результате обогащения получают:

• концентрат, идущий на коксование;
• промежуточный продукт с пониженным содержанием углерода, идущий на энергетические нужды;
• хвосты, уходящие в отвал. Выход концентрата 66—73%. Выход кокса зависит от летучих и колеблется от 75 до 82%.

Качество кокса определяют по содержанию летучих, золы, вредных примесей (серы, фосфора) и влаги.

В нормальном коксе содержится от 0,9 до 1,25% летучих. Содержание летучих более 1,5% указывает на недококсованность угля, наличие «недопала». Куски «недопала» обладают малой прочностью, попадая в доменную печь, легко истираются и крошатся.

Зола — весьма нежелательная примесь, так как уменьшает содержание углерода в коксе, требует добавочного флюса для ошлакования, добавочного тепла на плавление и шлакование окислов Содержание золы колеблется от 8 до 12—14%, в редких случаях малозольные коксы содержат 5—6%. В разных сортах кокса содержится от 0,5 до 2,0% S , что имеет решающее значение в определении качества кокса. Содержание серы в коксе определяется ее количеством в углях. Сера может быть трех типов: пиритная, сульфатная и органическая. При обогащении и коксовании в той или иной степени удаляются пиритная и сульфатная сера и остается без изменения органическая.

В коксе содержится 0,01 % P, а в отдельных случаях до 0,05%.

Влаги в коксе содержится от 2 до 6%. Эта примесь не влияет на технологию плавки или качество металла, но создает затруднения в правильном навешивании топлива.

По анализу органической массы устанавливают степень и качество выжига кокса. В выжженном коксе находится 82— 90% С. Теплотворная способность горючей массы около 33075,7— 33494,4 кдж/кг (7900—8000 ккал/кг).

Под физико-химическими свойствами кокса понимают реакционную способность, температуру воспламенения и горючесть.

Реакционная способность определяется способностью углерода кокса к восстановлению углекислоты по реакции CO₂ + С = 2CO. Температура воспламенения кокса 600—750° С. Горючесть — это скорость горения.Физико-механические свойства кокса определяются:

• механической прочностью;
• термической стойкостью;
• ситовым составом;
• газопроницаемостью.

Механическая прочность кокса — свойство, в значительной степени определяющее процесс доменной плавки. Чем менее прочен кокс, тем больше он образует мелочи, тем хуже будет работать доменная печь. Усилие для раздавливания кокса составляет 981— 1471,5 н/см 2 (100—150 кГ/см 2 ). Обычно прочность кокса определяют сбрасыванием и барабанной пробой. Испытание прочности в барабане более полноценно. Барабан Сундгрена имеет боковую поверхность из железных прутьев диаметром 25 мм, длиной 800 мм, с просветами 25 мм. В барабан загружают 410 кг кокса и вращают 15 мин со скоростью 10 об/мин. Масса остатка в барабане является показателем качества. По современным техническим условиям металлургический кокс должен давать остаток не менее 315 кг. Термическую стойкость оценивают сохранением механической прочности при высоких температурах.Ситовый анализ кокса, выданного из коксовых печей, следующий:

• мелочь 0—15 мм, выход от валового кокса 1—3%;
• орешек крупностью 15—25 мм, выход 2—5%;
• металлургический кокс крупностью более 25 мм. Выход металлургического кокса составляет 91—92%.

Газопроницаемость определяется соотношением между крупными и мелкими фракциями и пористостью кусков. Под пористостью понимают отношение объема всех пор куска к общему объему куска, выраженному в процентах. Пористость кокса колеблется от 49 до 53%. Более плотный кокс для доменных печей не пригоден и его применяют в вагранках (литейный кокс).

Кокс из донецких углей отличен от кокса кузнецкого; кокс из английского угля отличается от кокса, полученного из силезского угля и т. д.

Пылевидное топливо

Угольную пыль, измельченную до 0,25—0,05 мм, можно получить из разных сортов каменного угля. Это топливо не получило распространения в мартеновских печах. Угольная пыль хорошо сгорает, создает ярко светящееся пламя. Но при горении из пыли выпадает зола, которая осаждается в мартеновской печи, портит свод и головки, заносит шлаковики, осаждается в регенераторах и портит их керамику. В последнее время на отдельных заводах вдувают пыль в доменную печь, заменяя часть дорогостоящего и дефицитного кокса.

Мазут и смола

При сжигании мазута или смолы образуется сильно светящееся пламя, хорошо излучающее тепло в рабочем пространстве мартеновской печи. Мазут — высококалорийное топливо, Q р _н крекинг — мазута можно принять равной 39776,6 кдж/кг (9500 ккал/кг).

Для снижения вязкости и улучшения движения топлива в трубопроводах мазут хранят в баках, подогреваемых до 65—95° С. При подаче в печь по трубопроводам мазут нагревают паром под давлением 0,7—1 Мн/м 2 (7—10 ат). Влага в мазуте понижает его теплотворную способность, образует стойкие эмульсии и накапливается в хранилищах, баках. Количество влаги не должно превышать 2%, а при подогреве паром 7%. Содержание серы в мазуте для отопления мартеновских печей не должно превышать 0,5%, однако в ишимбаевском мазуте ее содержится 2,5—3,0%, в уфимском 1,5— 2,0%, в сахалинском 0,6—0,7%.

Для хорошего сжигания мазут должен быть распылен на мелкие капли. Степень распыления определяется давлением распылителя При испарении мазута выделяются углеводороды, разложение которых дает сажистый углерод, обеспечивающий хорошую светимость пламени. Высокая стоимость мазута заставляет переводить печи, отапливаемые мазутом, на более дешевое топливо, как например природный газ.

Смола применяется для карбюрации пламени. Она является побочным продуктом коксования. При перегонке получают несколько фракций смол; для мартеновских печей используют антраценовую фракцию (300—360° С). Повышенное количество тяжелых углеводородов и наличие сажистого углерода (4—9%) делают факел смолы более светящимся, чем мазутный.

Генераторный газ

Состав и теплотворная способность газа определяются родом топлива и способом газификации. Сухая древесина дает газ с калорийностью 6280 кдж/м 3 (1500 ккал/м 3 ); калорийность газа из сырой древесины не превышает 4186,8—4396,1 кдж/м 3 (1000— 1050 ккал/м 3 ), калорийность генераторного газа составляет 5652,2—6196 кдж/м 3 (1350—1480 ккал/м 3 ).

Состав газа меняется в зависимости от исходного генерируемого топлива в следующих пределах: 25—30% СО, 13—15% Н₂, 0,5—3,0% СН₄, 5,5—8,5% СО₂, 45—53% N₂, 0,0—0,4% O₂, 0,0—1,3% Н₂S.

Генераторный газ содержит частицы углерода и смолы, благодаря которым он горит светящимся пламенем, хорошо излучающим тепло. Калорийность генераторного газа очень низка, поэтому его смешивают с другими, более калорийными газами.

Доменный и смешанный газы

На заводах полного металлургического цикла существенную долю в топливном балансе занимает доменный газ, который называют колошниковым. Средний состав колошникового газа современных доменных печей следующий: 9—13% СО₂; 28—30% СО; 56,5—58,5% N₂; 1,5—2,5% Н₂; 0,2—0,4% СН₄.

Калорийность такого газа — не более 3977 кдж/м 3 (950 ккал/м 3 ). Чистый доменный газ используют для нагревательных печей прокатного цеха, а также для нагрева доменных воздухонагревателей. Мартеновскую плавку нельзя осуществить, если применять только доменный газ, так как в этом случае из-за его низкой калорийности необходимы неприемлемые для практики огромные расходы газа, а следовательно, и воздуха. Смесь доменного и коксового газов оказалась наиболее выгодным топливом с точки зрения как общей экономики завода, так и теплотехники мартеновской печи. Идея смешения газов заключается в том, что к доменному газу прибавляют коксовый газ в таком количестве, чтобы его углеводороды могли в возможно большей степени восстановить СO₂ и Н₂O доменного газа. Обычно в смешанном газе содержится 40—50% коксового газа, что обеспечивает среднюю калорийность смеси 9629,6— 10040 кдж/м 3 (2300—2400 ккал/м 3 ).

Коксовый газ

Коксовый газ — продукт высокотемпературной перегонки каменного угля, очищенный от влаги, смолы, бензольных углеводородов и аммиака, — используется для отопления мартеновских печей. Состав газа современных коксовых печей примерно следующий: 2—2,5% СO₂ + Н₂S; 2,2—2,5% С_nН_n; 6—7% СО;24—26% СН₄; 54—60% Н₂; 3—8% N₂. Это высококалорийный газ, его теплотворная способность 16667—17504,6 кдж/м 3 (4000— 4200 ккал/м 3 ) так высока, что позволяет сжигать газ в холодном состоянии. Холодный коксовый газ горит бесцветным пламенем, так как при горении не успевает выделяться сажистый углерод. Для создания светимости необходимо расходовать большие количества карбюратора (мазута или смолы).

Природный газ

Природный газ — самый высококалорийный [калорийность 31401—39774 кдж/м 3 (7500—9500 ккал/м 3 )], применяют его для отопления мартеновских печей и вдувания в доменные печи. Состав природного газа разных месторождений различается содержанием углеводородов и серы. После очистки концентрация серы может быть уменьшена до следов. Газ нефтяных скважин называют попутным газом. Природный и попутный газы могут применяться в мартеновских печах без подогрева. Холодные природный и попутный газы горят несветящимся пламенем, поэтому без карбюрации их не применяют.

Топливо для доменных печей

Топливо, используемое для доменной плавки, выполняет три основные функции:тепловую, химическую, физическую.

Топливо, используемое для доменной плавки, выполняет три основные функции:

• тепловую, являясь источником тепла при разогреве шихтовых материалов до высоких температур и обеспечивая интенсивное протекание химических реакций при плавлении чугуна и шлака;
• химическую, являясь основным химическим реагентом-восстановителем оксидов железа и других элементов;
• физическую, обеспечивая высокую газопроницаемость столба шихты.

Необходимо отметить, что физическая функция топлива предотвращает тяжелые расстройства хода доменной плавки. Поэтому топливо должно быть твердым, кусковым материалом, создающим высокую газопроницаемость в области высоких температур и обеспечивающим условия для противотока газа и расплавленных масс металла и шлака.

Для доменного процесса требуется прочное, неспекающееся твердое топливо. Оно занимает значительный объем доменной печи и большая его часть должна сохраниться твердой, кусковой и прочной до нижней части печи.

К топливу предъявляют следующие основные требования:

• высокая теплота сгорания и восстановительная способность в химических реакциях;
• достаточная прочность и термостойкость, чтобы не образовывалось много мелочи при нагреве топлива и прохождении его через печь;
• неспекаемость в условиях доменного процесса;
• достаточная чистота по содержанию вредных примесей – серы и фосфора.

Кроме того, твердое топливо должно содержать мало золы, особенно кремнезема и глинозема, требующих применения флюсов.

Топлива естественных видов не удовлетворяют этим требованиям. Поэтому для доменной плавки приходится специально изготовлять твердое топливо – древесный уголь, кокс.

Древесный уголь

Древесный уголь практически утратил свое значение из-за низкой прочности.

Кокс

Кокс является единственным видом твердого топлива для доменной плавки во всей мировой практике черной металлургии.

Исходным сырьем для получения кокса являются особые сорта каменных углей, называемых коксующимися. Подготовка углей к коксованию заключается в дроблении, обогащении для снижения зольности и усреднении.

Кокс получают сухой перегонкой каменных углей в коксовых печах, представляющих собой узкую камеру шириной около 0,5 м, высотой 4 – 5 м и длиной около 15 м, объединенных в батареи. Число печей в батарее может достигать 60 – 70 штук.

Подготовленная шихта загружается в камеру через специальные отверстия. Обогрев печи осуществляется с боков через стенки огнеупорного кирпича путем сжигания газа в обогревательных простенках.

Для повышения температуры коксования воздух, используемый для сжигания газа и газ, предварительно нагревают до 900 – 1000 °С в регенераторах, расположенных под печами. Горение газа происходит в простенке, за счет этого осуществляется нагрев стенок двух соседних камер до температуры 1350 – 1400 °С. Продукты сгорания через обводной канал попадают в другой простенок, опускаются по нему, обогревая две другие стенки камер, и, проходя через регенераторы, нагревают их и уходят в дымовую трубу. Периодически происходит смена направления движения газов. Через нагретые регенераторы попадают воздух и газ, а через остывшие – продукты сгорания.

Загруженная шихта нагревается в камерах примерно до 1000 °С. Продолжительность коксования составляет около 15 часов. Затем полученный коксовый пирог специальным выталкивателем выталкивают из печи и тушат водой или инертными газами.

В процессе коксования из 1 тонны угольной шихты получают около 700 кг кокса, 300 – 350 м3 коксового газа и около 20 кг смолы. Смола и газ являются ценным химическим сырьем, из которого производят лаки, краски, удобрения и другие продукты. Очищенный коксовый газ применяют в металлургических печах в качестве топлива.

В последнее время для экономии кокса при доменной плавке в печь вдувают природный газ, мазут, угольную пыль. Достоинством применения указанных видов топлива является то, что они способствуют улучшению процесса восстановления оксидов железа путем обогащения доменного газа реагентами-восстановителями (СО и Н2).

Флюсы

Флюсы вводят в доменную печь для перевода пустой породы рудной части шихты и золы кокса в шлак, обладающего определенными физическими свойствами.

Температура плавления оксидов, входящих в состав пустой породы руд составляет от 1700 до 2800 °С. Это значительно выше температуры шлака в доменной печи (1450 – 1600 °С). Кроме того, для обеспечения хорошей текучести некоторые оксиды необходимо нагревать значительно выше температуры плавления. Однако, при определенном соотношении оксидов, входящих в состав пустой породы (SiO2, Al2O3, CaO, MgO), образуются легкоплавкие соединения, которые имеют температуру плавления около 1300 °С и характеризуются хорошей текучестью при 1450 – 1600 °С.

Для удаления серы из металла необходимо, чтобы шлаки, получаемые в доменной печи, содержали определенное количество основных оксидов (CaO и MgO). Например, необходимо, чтобы в шлаках отношение (СaO + MgO) / (SiO2 + Al2O3) составляло около 1, а отношение SiO2 / Al2O3 было равно от 2 до 4.

В зависимости от состава пустой породы руды применяются основные, кислые или глиноземистые флюсы. В большинстве случаев добываемые руды содержат пустую кислую породу и имеют приемлемое соотношение SiO2 и Al2O3. Поэтому, обычно применяют основной флюс в виде известняка, состоящего из карбоната кальция СaCO3 или доломитизированного известняка, содержащего кроме СaCO3 еще MgCO3.

В настоящее время известняк вводят при окусковании железных руд или железорудных концентратов. Это приводит к улучшению показателей доменной плавки, так как уменьшается расход тепла на процесс разложения карбонатов, который осуществляется на стадии окускования (агломерации или получении окатышей).

Источник https://metallurgist.pro/toplivo-metallurgicheskih-pechey/

Источник https://metalspace.ru/education-career/osnovy-metallurgii/domennaya-pech/396-toplivo-dlya-domennykh-pechej.html