Сырьё и топливо для доменных печей

Какие требования предъявляются к железно-рудному сырью и топливу для современных доменных печей? Какие материалы отвечают этим требованиям и применяются для выплавки чугуна?

Для выплавки чугуна нужны железная руда, флюсы и топливо.

Железные руды. доменный плавка чугун топливо Железные руды представляют собой горные породы, содержащие железо, причем в таком количестве, что руду выгодно перерабатывать. В природе имеется около 20 минералов с высоким содержанием железа (23—72%). Железо в руде находится в виде окислов или солей, соединенных с горной породой. В зависимости от состояния, в котором находится железо, различают четыре вида железных руд.

Бурый железняк содержит Железо в виде водного окисла 2Fe₂O₃-3H₂O. Цвет руды желто-бурый. Эта руда бедна железом (от 35 до 60%), а серы и фосфора, наоборот, содержит больше, чем другие руды. Руда легко восстановима. Крупнейшие ее месторождения находятся на Урале (Бакальские руды с высоким содержанием железа, почти без примесей серы и фосфора). Большие запасы бурого железняка в порошкообразном виде имеются на Керченском полуострове. Известны также Тульское и Липецкое месторождения, руды Кольского полуострова, Тогайского железорудного бассейна.

Красный железняк содержит Железо в виде окисла Fe₂O₃. Руда красного цвета, содержание железа 55—60%. Это одна из лучших железных руд; она легко восстанавливается, содержит мало серы и фосфора. Богатейшие месторождения красного железняка находятся в Кривом Роге. Крупные запасы красного железняка имеются также в районе Курской магнитной аномалии.

Магнитный железняк содержит Железо в виде окисла Fe₃0₄. Руда черного цвета, содержание железа 45—70%. Это наиболее богатая железом руда. Она обладает магнитными свойствами, плотна, восстанавливается с трудом. Залегает главным образом на Урале — в горах Магнитная, Высокая, Благодать. Недавно разведаны месторождения магнитного железняка в Тогайской степи в Казахстане.

Шпатовый железняк содержит Железо в виде соли FeCO₃. Эту руду называют сидеритом, или болотной рудой. Она бедна железом (от 30 до 45%). Залежи шпатового железняка встречаются на Урале в районе Бакальского месторождения.

Комплексные железные руды содержат, кроме железа, другие металлы (хром, никель, титан, ванадий), восставав-ливаемые в доменной плавке: хромиты содержат до 37,5% окиси хрома и применяются для выплавки феррохрома, а также в качестве огнеупорного материала; месторождения этих руд находятся на Урале и в Казахстане; хромоникелевые бурые железняки Орско-Халиловского месторождения содержат 35—45% железа; 1,3—1,5% хрома и 0,3—0,5% никеля; титаномагнетиты, содержащие 42—48% железа; 0,3—0,4/о ванадия и 4,5—13,0% двуокиси титана, добываются на Урале в Качканарском, Кусинском и Первоуральском месторождениях.

Марганцевые руды применяют, чтобы увеличить содержание марганца в выплавляемых чугунах. Эти руды мягки, рыхлы и гигроскопичны. Содержание окиси марганца в них 28— 40%. Наиболее важным месторождением богатых руд (содержание окиси марганца 48—52%) являются Чиатурское на Кавказе, Никопольское на Украине, у г. Ачинска в Сибири, Уралоазовское и Полуночное на Урале и в Казахстане.

В процессе доменной плавки, кроме железных и марганцевых руд, используют различные отходы: чугунный лом и стружку, загрязненный стальной лом.

Флюсы. флюсы применяют в доменной плавке для сплавления пустой породы и золы топлива в шлак. При работе доменных печей на коксе используют главным образом известняк (СаСO₃). Если в пустой породе находятся основные окислы, применяют кислые флюсы — кварциты.

Топливо. В качестве топлива для доменной плавки используют кокс. Металлургическое топливо должно иметь следующие качества: высокую теплотворную способность, прочность, пористость, невысокую зольность и минимальное содержание серы. Кокс отвечает почти всем этим требованиям. Теплота сгорания кокса 5600 ккал/кг [23 520 кдж/кг], поэтому на нем выплавляют 98% мирового чугуна. Кокс получают из каменного угля при нагревании его до 950—1000° без доступа воздуха в специальных печах. При этом из угля удаляются летучие вещества, а остающаяся часть спекается в твердый и пористый кокс.

Современная коксовая печь (батарея) состоит из 50—70 узких длинных камер емкостью 18—20 мв каждой из них выжигается 12—16 т кокса. Длительность процесса коксования около 12—15 часов. Из одной тонны угля можно получить 750—800 кг кокса и 300—350 м³ высококалорийного газа.

Лучшим коксом считается кузнецкий, содержащий 0,5—0,6% серы и 12—13,5% золы.

Одним из наиболее эффективных частичных заменителей кокса в доменной плавке является природный газ. Стоимость его не превышает 2 руб. за 1000 л³, т. е. в десятки раз ниже стоимости кокса.

Применение природного газа способствует снижению себестоимости чугуна, так как экономится от 10 до 15% кокса.

Огнеупорные материалы. Эти материалы в металлургии используют при постройке плавильных и нагревательных печей, для футеровки ковшей, желобов и других приспособлений, необходимых при разливке металла, а также для всех устройств, подверженных действию высокой температуры. Огнеупорные материалы должны выдерживать высокие температуры; иметь механическую прочность и сопротивление истираемости; устойчивость при резких изменениях температуры без образования трещин и разрушения; химическую стойкость, т. е. сопротивляемость действию жидкого расплавленного металла, шлака и дымовых газов. По химическому составу огнеупорные материалы разделяются на кислые, полукислые, основные и нейтральные, что определяет их свойства и области применения.

К кислым огнеупорам относятся динас и кварц. динас (светло-желтого цвета) содержит 90—95% кремнезема (Si0₂). Огнеупорность его 1690−1730° С.

Полукислые огнеупоры изготовляют из кварцевых пород (кварца, песка, кварцита и др.). Содержание кремнезема обычно 70—80%. Применяют полукислые изделия вместо динаса в менее ответственных частях кладки, для футеровки вагранок и других печей.

К основным огнеупорам относятся магнезит, доломит и хромомагнезит. Магнезит — очень тугоплавкий огнеупор (коричневого цвета), его Огнеупорность 2000—2400° С. доломит обладает огнеупорностью 1900—2000° С. Магнезит и доломит широко применяют для футеровки плавильных и нагревательных печей. Хромомагнезитовый кирпич изготовляют из хромистого железняка и магнезита. Огнеупорность хромомагнезита 2000° С.

К нейтральным огнеупорным материалам относятся шамот и хромистый железняк. шамот получают из огнеупорных глин путем обжига. Огнеупорность его 1600—1700° С.

Подготовка руд к плавке. Добытые из земных недр руды предварительно подготовляют к плавке: дробят механическими методами на более или менее равномерные куски, сортируют, а также обжигают и обогащают. Это особенно необходимо при современном уровне развития доменной техники, когда газопроницаемость, устойчивый ход и, следовательно, показатели работы печей большого объема зависят от крупности, прочности, равномерности состава и от содержания железа в шихтовых материалах.

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.

1. Древесный уголь

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

2. 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 °C в регенераторах, расположенных под печами. Горение газа происходит в простенке, за счет этого осуществляется нагрев стенок двух соседних камер до температуры 1350 — 1400 °C. 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 °C. 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).