Доменная плавка с использованием в шихте каменного угля


В. П. Лялюк








            ДОМЕННАЯ ПЛАВКА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ В ШИХТЕ КАМЕННОГО УГЛЯ


Монография



















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2019

    УДК669.162
    ББК34.323
        Л97



Рецензенты:
зав. кафедрой металлургии черных металлов и литейного производства Криворожского национального университета доктор технических наук, профессор Г.В. Губин;
зав. кафедрой металлургии чугуна Национальной металлургической академии Украины доктор технических наук, профессор А.К. Тараканов




           Лялюк, В. П.
     Л97 Доменная плавка с использованием в шихте каменного угля : монография / В. П. Лялюк. - Москва ; Вологда : ИнфраИнженерия, 2019. - 260 с. : ил., табл.
               ISBN 978-5-9729-0378-8

         Рассмотрены вопросы замещения кокса в доменной плавке сырым кусковым антрацитом, термоантрацитом и термобрикетами на основе антрацита, загружаемыми через колошник доменной печи. Представлены технические решения по подготовке, дозированию, смешиванию, загрузке и распределению сырого антрацита на колошнике доменной печи. Рассмотрены технологии повышения холодной и горячей прочности антрацита за счет его термообработки, приведены современные исследования по термообработке антрацита и конструкции печей для его получения, рассмотрены вопросы влияния фракционного состава антрацита и термоантрацита на изменение физико-химических свойств термоантрацита. Приведены технологии брикетирования и термообработки шихт на основе антрацита. Рассмотрена экономическая эффективность использования в шихте доменной плавки сырого антрацита, термоантрацита и термобрикетов на основе антрацита.
         Для широкого круга специалистов черной металлургии и смежных с ней областей, а также студентов высших учебных заведений.

                                                       УДК 669.162
                                                       ББК 34.323






     ISBN 978-5-9729-0378-8 © Лялюк В. П., 2019
                            © Издательство «Инфра-Инженерия», 2019
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2019

ВВЕДЕНИЕ


    На протяжении тысячелетий основными видами используемой человеком энергии были химическая энергия древесины, потенциальная энергия воды на плотинах, кинетическая энергия ветра и лучистая энергия солнечного света. Но с XIX века главными источниками энергии стали ископаемые топлива: каменный уголь, нефть и природный газ.
    В связи с быстрым ростом потребления энергии, особенно в XXI веке, возникли многочисленные проблемы из-за возможности исчерпания мировых запасов горючих полезных ископаемых, и стал вопрос о будущих источниках энергии. Достигнуты определенные успехи в области энергосбережения. В последнее время ведутся поиски более чистых видов энергии, таких как солнечная, геотермальная, энергия ветра и энергия термоядерного синтеза.
    В черной металлургии наиболее энергоемким является доменное производство. В шихте доменной плавки используют кокс, полученный из угля; измельченный уголь вдувают в фурмы доменной печи, сырой кусковый уголь частично подают в печь с шихтовыми материалами.
    Кокс является наиболее дорогостоящей составляющей шихты для выплавки чугуна. Задача сокращения расхода кокса всегда была и остается актуальной. В теории, технологии и практике металлургии чугуна рассмотрены и обоснованы условия достижения минимального расхода кокса, который определяется потребностью в углероде процессов восстановления и теплопотребления.
    Частично эти функции кокса могут быть замещены подачей в печь менее дорогих углеводородсодержащих добавок, повышением нагрева дутья, сокращением теплопотребности плавки за счет подготовки шихты, улучшения организации технологии доменной плавки, автоматизации и др.
    В доменной плавке кокс выполняет функции комплексного энерго-технологического материала. В процессах его превращений у фурм выделяется основная часть необходимой для процессов плавки теплоты и образуется основная часть восстановительного газа, к которому в вышерасположенных горизонтах добавляется дополнительная часть газа от прямого восстановления.
    Кроме указанных восстановительных и энергетических функций кокс выполняет функцию твердой насадки в зоне размягчения и плавления железосодержащих материалов, обеспечивающей противоток шихты и газов в печи, а также дренажа продуктов плавки в процессе накопления и выпуска чугуна и шлака из горна доменной печи.
    Последняя и важнейшая, особенно для современных доменных печей большого объема, функция кокса - разрыхлителя шихты, придающего ей высокую газопроницаемость, ничем не может быть замещена. Первые две функции частично замещаются в количестве 10-20 % от удельного расхода кокса применением комбинированного дутья (воздуха обогащенного кислородом в смеси с дополнительным топливом: природным или коксовым газом, мазутом, пылеугольным топливом) и загрузкой кускового угля через колошник доменной печи.
    Массовое промышленное применение комбинированного дутья и дополнительного топлива в доменной плавке впервые было освоено в 60-х годах XX

3

века в доменных цехах Украины. Однако в настоящее время стоимость природного газа на входе в металлургический комбинат равна и даже выше стоимости собственного кокса. В тоже время эффективность использования комбинированного дутья в мире качественно возросла, чему способствовали применение пылеугольного топлива (ПУТ) и совершенствование всех основных компонентов технологии доменной плавки. Указанные особенности позволили повысить эффективность использования дополнительных топлив, при замене кокса, обеспечив уменьшение расхода последнего до 250-350 кг/т чугуна при сохранении высокого уровня производительности печей и качества чугуна.
    В условиях доменного производства наиболее высокая замена кокса топливными добавками (30-35 %) достигается при совместном использовании пылеугольного топлива и природного газа. Однако, несмотря на очевидные преимущества технологии ПУТ в чистом виде или в смеси с природным газом (если даже не учитывать резкого увеличения стоимости природного газа), для реализации этой технологии необходимо на каждом конкретном предприятии решить комплекс проблем от улучшения качества железорудного сырья и кокса -до обеспечения полноты сжигания угля у фурм, выбора рациональных дутьевых параметров и реорганизации всего технологического режима доменной плавки. Для организации вдувания ПУТ необходимо соорудить капиталоемкий комплекс для хранения, подготовки, дозирования и транспортировки угля к фурмам стоимостью более 30-40 млн. € на каждую доменную печь.
    В случае отсутствия таких средств для сооружения комплекса ПУТ и возможности обеспечить доменную плавку коксом высокого качества, можно использовать в доменном производстве технологию частичной замены кокса сырым антрацитом (высококачественное топливо и восстановитель, содержащее в горючей массе до 93-97 % углерода).
    В настоящее время разработана технология загрузки в доменные печи большого объема (1719-5000 м³) сырого кускового антрацита в количестве 7080 кг/т чугуна через колошник печи по тракту загрузки основных компонентов шихты, что практически не требует капитальных затрат, а обеспечивает высокий доход на разнице цен кокса и антрацита.

4

1. ХАРАКТЕРИСТИКА КАМЕННЫХ УГЛЕЙ И ИЗУЧЕНИЕ ИХ СВОЙСТВ

    О существовании ископаемых углей и возможности их использования знали еще древние народы. Уголь упоминается в книге великого греческого ученого и философа Аристотеля “Метеорология” (IV век до н.э.). О горючих ископаемых Аристотель говорит как о телах, “имеющих больше от земли, чем от дыма, и называемых углеподобными веществами”. Приводится аналогия с древесными углями, употреблявшимися в то время для выплавки металлов. Об углях как горючих камнях пишет ученик Аристотеля Теофраст в книге “История камней”; там же указываются и места в Греции и Италии, где был найден каменный уголь. В те далекие времена уголь уже использовали как топливо, о чем свидетельствует состав золы, обнаруженной в развалинах римских вилл. Однако первыми использовать ископаемый уголь для энергетических и промышленных целей стали китайцы. Этому народу с его древней высокоразвитой культурой уже в начале нашей эры были известны многие производства, получившие развитие в Европе только в позднее средневековье. По некоторым сведениям, в одном из крупнейших угольных районов Китая Фушуне ископаемый уголь применяли для выплавки меди даже за 1000 лет до н.э. Письменные документы о способах употребления углей в Китае относятся ко II в. до н.э. В них описываются горючие камни “панг-тан”, упоминается об использовании угля в производстве фарфора, для выпарки соляных растворов и др. Знаменитый путешественник Марко Поло после своего посещения Китая в 1310 г. сообщал о широком использовании каменного угля в промышленности и для отопления [1].
    В Европе началом добычи и использования каменных углей (в основном в Германии и в Англии) считают XI в. В XI-XIII вв. уголь в Англии находили главным образом на берегах моря. В тех местах пласты угля, имевшие обнажения под водой, размывались и выносились волнами на берег. Этот “морской” уголь собирали в основном женщины и дети и продавали как заменитель дров. Первые шахты в Англии были заложены во второй половине XIII в. Однако размеры добычи и использование угля почти до XVIII в. были ничтожны.
    Большое значение для развития угольной промышленности в Европе имело начало применения угля в качестве топлива и восстановителя для выплавки металла в доменных печах, осуществленное в 1735 г. А. Дерби, и изобретение в 1763 г. паровой машины Дж. Уаттом. Благодаря этому ископаемый уголь с середины XVIII в. начал широко использоваться сначала как источник энергии, а затем - для получения различных веществ.
    Химическое использование каменного угля основывается на том, что при нагревании без доступа воздуха он разлагается на твердый остаток - кокс, газообразные (в основном горючие) вещества и жидкие маслообразные продукты -каменноугольную смолу (деготь). Исторически получилось так, что производствами, на основе которых развивалось химическое использование угля, были приготовление кокса для металлургии, получение светильного газа и каменноугольных масел (смол) [1].

5

    Считается, что начало использованию каменного угля в химико-технологическом направлении положили работы химика И. Бехера, который в 1681 г. получил патент на “новый метод получения кокса и смолы из торфа и каменного угля, никем никогда ранее не открытый и не примененный”. Автор описывает его так: “В Голландии имеется торф, в Англии - каменный уголь, но и тот и другой почти не употребляются для сжигания в доменных печах и для плавки. Я нашел путь, позволяющий превратить и тот и другой в хорошее горючее, которое не только не дымит и не имеет запаха, но и дает столь же сильный огонь, необходимый для плавки, как и древесный уголь. Я демонстрировал это в Гааге с торфом, в Англии у Бойля с каменным углем, а также в Виндзоре. При этом достойно внимания то, как шведы получают свою смолу из соснового дерева, так и я получил свою смолу в Англии из каменного угля, которая одинакова со шведской по качеству и даже у некоторых углей выше ее. Я производил пробы, как на дереве, так и на канатах, и смола показала себя вполне хорошей, что и было признано всеми”.
    Открытие И. Бехера при его жизни не получило распространения, как и другие интересные предложения этого ученого и практика. Лишь в XVIII в. его идеи стали претворяться в жизнь. Кокс стали использовать при производстве чугуна; в 90-х годах XVIII в. были разработаны способы газового освещения, несколько позже стали использовать и каменноугольную смолу.
    Коксовой промышленности принадлежит главная роль в развитии химического использования угля. Это связано с ускоренным развитием металлургии. Как уже упоминалось, с древних времен при выплавке металла использовался древесный уголь. Возрастающие потребности в металле увеличивали спрос на древесный уголь. Для обеспечения доменных печей хищнически истреблялись леса - древесина шла на приготовление угля. На это обращали внимание еще в XVI в. В целях сохранения лесов английский парламент в 1558-1584 гг. издал ряд указов, ограничивающих рост и размещение металлургических предприятий, однако эти акты помогали мало, так как потребности в металле быстро увеличивались. Фактически в XVII-XVIII вв. много лесов в Европе было полно-стьюуничтожено [1].
    Замена древесного угля в доменной плавке каменным становилась остро необходимой. Как уже упоминалось, первым начал применять каменноугольный кокс в доменной плавке А. Дерби в 1735 г. Эта дата считается началом создания коксохимической промышленности. Правда, еще в XVII в. Д. Додлей в Англии проводил доменные плавки на ископаемом топливе, но подробности осуществления процесса он держал в секрете и никому не открыл.
    Долгое время после удачных опытов Дерби кокс выжигали в так называемых “кучах”, где примерно треть угля сжигалась, и за счет этой теплоты шло коксование остальной его части. Все летучие продукты (газ, смола) сгорали. Этот метод, несмотря на его неэкономичность, наличие вредных выбросов, применялся, хоть и с усовершенствованиями, даже в XX в.
    Практические шаги по улавливанию и использованию летучих веществ и смолы, получавшихся при коксовании углей, были сделаны почти через 100 лет после получения И. Бехером патента на эти процессы [1].

6

    В 1763 г. в Люттихе (Бельгия) начали проводить коксование по способу французского металлурга Жара в обогреваемых извне камерах без доступа воздуха, а летучие продукты (смола) улавливались. Почти одновременно в Саарской области другой французский металлург Жанзен построил коксовую батарею из девяти печей.
    В наше время химическая переработка угля претерпела период крупных и принципиальных изменений. Если до 50-70-х г. прошлого века она сводилась, по существу, только к высокотемпературному коксованию углей, то затем получили развитие многочисленные процессы переработки твердых горючих ископаемых с получением горючих газов и жидкого топлива, углеродистых восстановителей и разнообразных химических продуктов, расширение ассортимента углеграфитовых материалов и значительное увеличение масштабов производства.
    Угольные запасы рассредоточены по всему миру. Землю опоясывают две богатые угольные зоны. Одна простирается через страны бывшего СССР, через Китай, Северную Америку до Центральной Европы. Другая, более узкая и менее богатая, идет от Южной Бразилии через Южную Африку в Восточную Австралию. Наиболее значительные залежи каменного угля находятся в странах бывшего СССР, США и Китае. Каменный уголь доминирует на западе Европы.
    Наиболее крупные по объему добычи месторождения каменного угля в мире - это Тунгусский, Кузнецкий, Печорский бассейны - в России; Карагандинский - в Казахстане; Аппалачский и Пенсильванский бассейны - в США; Рурский - в Германии; Большой Хуанхэ - в Китае; Южно-Уэльский - в Великобритании; Валансьен - во Франции и др. В Украине следует отметить Львовско-Волынский бассейн и богатый месторождениями Донбасс [1].

1.1. Твердые горючие ископаемые

    Известно, что древесина - это аккумулированная с помощью фотосинтеза солнечная энергия. При сгорании каждого килограмма сухой древесины выделяется около 20000 кДж теплоты, теплота сгорания бурого угля равна примерно 13000 кДж/кг, антрацита 25000 кДж/кг, нефти и нефтепродуктов 42000 кДж/кг, а природного газа 45000 кДж/кг. Самой высокой теплотой сгорания обладает водород 120000 кДж/кг.
    Твердые горючие ископаемые - каменные и бурые угли, горючие сланцы, торф - составляют более 90 % всех горючих ископаемых мира. Запасы угля оценить легче (табл. 1). Три четверти мировых его запасов, составляющих по приближенной оценке 10 трлн. тонн, приходятся на страны СНГ, США и КНР.
    Хотя угля на Земле гораздо больше, чем нефти и природного газа, его запасы не безграничны. По существующим прогнозам, запасов угля должно хватить еще на 500 лет.
    Уголь длительное время был основным источником энергии и химического сырья в XIX и начале XX века. Начиная с 30-х годов и особенно в 40-70-е годы прошлого века на первое место в топливно-энергетическом балансе бывшего СССР и развитых зарубежных стран, вышли нефть и природный газ.


7

Таблица 1. Мировые запасы каменного угля (ориентировочные данные)

           Регион            Млрд. т
Страны СНГ                    4400  
США                           1570  
Китай                         1570  
Западная Европа                865  
Океания                        800  
Африка                         225  
Азия (без стран СНГ и Китая)   185  
Канада                         65   
Латинская Америка              60   
Всего:                        9740  

    Их преимущества перед углем заключаются в отсутствии балласта (золы и воды), большей теплоте сгорания, лучшей транспортабельности, возможности быстрого наращивания объема производства и получения жидких топлив и химического сырья с меньшими, чем при использовании угля, затратами. В результате к концу 70-х годов XX века доля угля в топливно-энергетическом балансе уменьшилась до 25-27 % (против 65-70 % впервые годы) [2].

1.2. Происхождение и общая характеристика твердых горючих ископаемых

    Разнообразие твердых горючих ископаемых обусловлено воздействием комплекса геолого-генетических факторов, влияющих на формирование топлива и определяющих его свойства. В этом комплексе факторов выделяют первичные, действующие на стадии образования торфа, и вторичные, которые влияют по мере погружения осадочных пород вглубь земной коры.
    К первичным факторам относятся: характер исходного материала, условия накопления, обводненность и химические свойства среды, в которой происходили превращения растительных остатков. В зависимости от состава исходного растительного материала твердые горючие ископаемые подразделяют на гумитовые, липтобиолитовые, сапропелитовые и смешанного происхождения. Гумитовые твердые горючие ископаемые образовались из наземных, в основном высших растений. Исходным материалом липтобиолитовых твердых топлив являлись воски, смолы, споры и кутикулы наземных растений - наиболее устойчивые их части. Сапропелитовые твердые горючие ископаемые происходят из водорослей, а так же животных организмов (планктона), находившихся в застойных водоемах [3].
    После покрытия торфяника минеральными осадками начинают действовать вторичные факторы: давление вышележащих пород и температура земных недр. На первых стадиях формирования твердых горючих ископаемых (торфа, сапропеля) преобладают биохимические процессы, заметные еще на буро

8

угольной стадии. Затем они сменяются геохимическими процессами. Переход торфов в бурые угли и сапропелей - в сапропелитовые угли называется диагенезом, образование каменных углей и антрацитов - метаморфизмом. На стадии диагенеза вторичные факторы воздействуют незначительно. Метаморфизм обусловлен превращениями, происходящими под влиянием повышенной температуры и давления. Неодинаковое проявление первичных и вторичных факторов углеобразования сказывается в различии петрографического состава, степени восстановленности и метаморфизма углей и в целом химического строения и свойств, характеризуемых различными показателями.
    Гумитовые твердые горючие ископаемые представлены торфами, бурыми и каменными углями и антрацитами. Бурые угли в отличие от торфов практически не содержат углеводов, в частности целлюлозы. В состав бурых углей входит значительное количество гумитовых кислот, поэтому часть органической массы этих углей способна растворяться в щелочах.
    Каменные угли практически не содержат гумитовых кислот. Развитие процессов углефикации проявляется в обезвоживании органической массы, увеличении содержания углерода, уменьшении содержания водорода, кислорода и выхода летучих веществ (табл. 2), увеличении показателя отражения витринита и изменении других свойств [2].
    Каменный уголь - твёрдое горючее ископаемое растительного происхождения с более высоким содержанием углерода и большей плотностью, чем у бурого угля. Представляет собой плотную породу чёрного, иногда серо-чёрного цвета с блестящей, полуматовой или матовой поверхностью.
    Каменный уголь содержит 75-97 % и более углерода; 1,5-5,7 % водорода; 1,5-15 % кислорода; 0,5-4 % серы; до 1,5 % азота; 2-45 % летучих веществ; количество влаги колеблется от 4 до 14 %; золы - обычно от 2-4 % до 45 %. Высшая теплота сгорания, рассчитанная на влажную беззольную массу каменного угля, не менее 23,8 МДж/кг (5700 ккал/кг).
    Каменный уголь образуется из продуктов разложения органических остатков высших растений, претерпевших изменения (метаморфизм) в условиях давления окружающих пород земной коры и сравнительно высокой температуры.
    С возрастанием степени метаморфизма в горючей массе каменного угля последовательно увеличивается содержание углерода и одновременно уменьшается количество кислорода, водорода, летучих веществ; изменяются также теплота сгорания, способность спекаться и другие свойства.
    На изменении этих качеств, определяемых по результатам термического разложения угля (выход летучих веществ, характеристика нелетучего остатка), строится принятая промышленная классификация каменного угля по маркам: длиннопламенные (Д), газовые (Г), газовые жирные (ГЖ), жирные (Ж), коксовые жирные (КЖ), коксовые (К), отощенные спекающиеся (ОС), тощие (Т), слабоспекающиеся (СС), полуантрациты (ПА) и антрациты (А). Иногда антрациты выделяются в отдельную группу.
    Для коксования используются в основном каменные угли марок Г, Ж, К и ОС, частично ДиТ. [2].

9

Таблица 2. Элементарный состав и выход летучих веществ из твердых горючих ископаемых различных стадий метаморфизма [2]

                            Содержание, % от органической массы          Выход летучих 
Горючие ископаемые           С        Н        N        S         О      веществ V^, % 
                                                                        от органической
                                                                        массы, не более
Торфы                    50,0-62,5 5,2-6,4  0.6-4.0 0,09-0,34 28,9-40,0       70       
Бурые угли               65,0-79,5 4,5-6,6  1,3-1,9  0.4-3.5  11,2-29,1       50       
Каменные угли (Донбасс)  76,0-95,0 3,4-5,7  0,8-1,6  1,0-2,5  1,5-17,0       8-42      
Антрациты                91-97     1,3-3,0  0,1-1,3  0,8-1,5   1,0-2,0         8       
Сапропелиты:                                                                           
сапропели                  49-60     6-9     2-5,7    0,3-3     25-41        60-85     
балхашит                   69-76    10-11   0,6-1,0  0,6-1,0    12-21        60-85     
Богхеды (подмосковные)   72-79       9-10   0.8-1.0  2.9-3.0    8-16          48       
Липтобио литы:                                                                         
подмосковные             72-73     6,0-7,0  0.7-1.0  2.0-3.0    9-16          57       
ткибульские              79-82     7,0-10,0 1,5-2,3  1,5-2,3    6-10          57       
Горючие сланцы: волжские   64-70     7-8    0.6-1.3  2.0-7.0    19-25        84-87     
эстонские                 76,5-79    9-11   0.2-0.6  0.5-2.0    11-13        84-87