Металлургия и время - Том 3

было образование «невостребованной» угольной мелочи, количество которой могло достигать 50 % от массы добываемого угля, и которая практически не находила применения.

Кучное коксование приводило к задымлению окрестных населённых пунктов и, естественно, вызывало протесты жителей и администрации. В европейских странах это делало проблему совершенствования технологии коксования весьма насущной. Например, в Германии в 1832 г. коксовое производство перешло под контроль горного ведомства, которое систематически ужесточало требования к воздействию на окружающую среду, что в итоге привело к внедрению полуоткрытых, а затем и закрытых коксовых печей.

Несмотря на указанные недостатки, долгое время кучное коксование было единственным способом получения из каменного угля топлива для доменной плавки. Способ кучного коксования практически прекратил своё существование лишь в середине XIX в., но вблизи шахт, где добывали подходящий уголь (угольные копи в графстве Стаффордшир (Великобритания) и Верхней Силезии (Германия)), а также в случае нехватки коксовых печей (например, завод в Серене (Бельгия)), он использовался до конца XIX в.

Шаумбургские стойла

Для решения проблем кучного коксования были разработаны печи полуоткрытого типа (куча считается открытой печью), представлявшие собой две параллельные кирпичные стены, между которыми загружали увлажнённый мелкий уголь. Во второй четверти XIX в. в Европе получили широкое распространение печи такого типа, получившие названия шаумбургских печей (также использовались названия: шаумбургские стойла и стойловая печь). Своё название они получили, потому что были впервые описаны в литературе в 1851 г. Брандом, управляющим

металлургического завода в Гляйвице в княжестве Ша- умбург-Липпе (Верхняя Силезия).

Шаумбургская печь представляла собой две параллельные кирпичные стены длиной 8—20 м и высотой 1—1,6 м, расположенные на расстоянии 1,5—2,3 м друг от друга. Торцовые части стен клались на сухую (без раствора) и разбирались каждый раз перед выгрузкой кокса. В стенах были предусмотрены вертикальные каналы для создания тяги и удаления газообразных продуктов коксования и горизонтальные каналы для поступления воздуха.

Увлажнённый уголь загружали слоями, каждый слой тщательно утрамбовывали. Поскольку коксованию в таких печах подвергали мелкий спекающийся уголь, то требовалось решить проблему поступления воздуха внутрь угольной массы. С этой целью при загрузке в

уголь помещались деревянные шесты, которые извлека-

ШаумбурГская печь, по Дж. перси

коксовые печи ШаумбурГскоГо типа (17×4×2,5 м) на коксовом завоДе в Г. сиДжин, пров. ляонин, китай, 2006 Г.

Глава 1

Глава 1

батарея из трёх ульевых печей с общей Дымовой трубой

а

б

коксовая печь конструкции кокса: а – фронтальный виД;

б– проДольный разрез (справа – разрез камеры, слева – стены)

Постепенно внедрялись всё более совершенные проекты ульевых печей, которые позволяли повышать качество получаемого кокса и снижать затраты на его производство. К наиболее удачным относятся конструкции Кокса и Джонса.

Коксовая печь Кокса, запатентованная в 1840 г. представляла собой двухрядную батарею камер для коксования, т.е. два ряда камер располагались «спина к спине», при этом спаренные камеры имели общую дымовую трубу. Воздух поступал в печь через каналы в боковых стенах, попутно нагреваясь от них, а дымовые газы уходили не сразу в дымовую трубу, а первоначально в полость под сводом камеры. Наличие каналов позволяло регулировать интенсивность подачи воздуха для горения.

Благодаря этим конструктивным решениям, температура в камере была выше, чем в печах традиционной конструкции, что позволяло на треть увеличить толщину слоя угля (а, значит, и производительность), а также повысить выход годного кокса. По этой причине, несмотря на то, что затраты на строительство печей Кокса были значительно выше по сравнению с печами старой конструкции, они быстро окупались.

коксовые Печи джонса

Революционной стала конструкция коксовых печей, предложенная Эдвардом Джонсом, управляющим заводом Russel’s Hall Furnaces около Дарби (Великобритания). Основная её особенность состояла в том, что нагрев угольной загрузки осуществлялся не только сверху, но и снизу – для этого дымовые газы поступали в ка-

налы под подом камеры. Через дымоход проходили две чугунные трубы, по которым в печь подавался воздух для горения, так что отходящие дымовые газы подогревали его. Одна из труб подавала воздух через отверстие в задней стене, а вторая – через отверстие в передней стене,

что способствовало равномерному обогреву всей пло-

Глава 1

и даже без трубы, которую заменяло отверстие в своде камеры. Это было обусловлено предельно низкой стоимостью строительства и эксплуатации ульевых печей. Несколько десятков печей объединяли в двухрядные батареи с общей задней стенкой, сверху прокладывали же-

лезнодорожные пути для специального углезагрузочного вагона.

Благодаря дешевизне, простоте конструкции и эксплуатации ульевые печи использовались в США до середины XX в.; до недавнего времени они широко применялись в Китае. Со временем печи были автоматизированы: загрузочные вагоны были снабжены сначала паровым, а позже электрическим приводом, а выгрузка стала осуществляться специальной машиной.

В США и сейчас разрабатываются агрегаты, которые являются прямыми потомками ульевых печей. Новые

коксовые батареи сделаны на современном техническом уровне и лишены недостатков, присущих классическим ульевым печам. Отходящие газы используются для производства электронергии.

Первый современный завод с ульевыми коксовыми печами построен в США в 1998 г. фирмой Sun Coal and Coke.

Он производит 1,3 млн т кокса в год и 75 МВт электроэнергии. В настоящее время печи такого типа помимо США эксплуатируются также в Китае, Индии, Австралии, Бразилии, Колумбии и Перу.

Шихта для коксования

Использование для коксования печей даже таких простых конструкций, как шаумбургские и ульевые, позволило решить важнейшую проблему – использовать «отмытый», обогащённый уголь.

Дело в том, что для операции обогащения уголь сначала надо мелко раздробить, а затем каким-либо способом, чаще всего промывкой, отделить собственно угольное вещество от соединённых с ним частиц сланца и прочей пустой породы. Использовать получавшуюся при этом в большом количестве низкозольную мелочь для кучного

коксования было невозможно. По этой причине для него требовался низкозольный кусковый уголь – пустая порода при сгорании кокса переходила в золу, а большое количество золы отрицательно влияло на работу доменных печей.

Однако шаумбургские и ульевые печи не решили другие важные проблемы кучного коксования – невоз-

д

Американские ульевые коксовые печи конца XIX в.:

а, б – вид сверху и разрез, по Дж. Перси, в – завод Кардифф, шт. Колорадо, около 1888 г. (фото Loco Steve), г – завод Tacoma Coal & Coke Co. (25 печей построено в 1885 г. и ещё 50 в 1891 г.); д – печи завода Calumet Coke Ovens,

принадлежащего H. C. Frick Coke Company

можность использования плохо спекающихся углей с низким выходом летучих веществ (тощих или антрацитовых по классификации Грюнера), которые обеспечивают самый высокий выход кокса, и неравномерность свойств кокса.

Для использования плохо коксующихся углей, антрацита и коксовой мелочи, был разработан способ их смешивания с хорошо коксующимися углями, которые служили цементирующей матрицей, обеспечивающей прочность кокса. Первый патент на смешивание для коксования углей разный сортов был получен английским промышленником Буддом в 1850 г. Вскоре было замечено, что такое смешивание улучшает результаты коксования – коксующийся уголь меньше вспучивается, кокс получался более прочным, а присутствие в смеси углей с высоким содержанием углерода увеличивает выход кокса. Это послужило

основой для дальнейшего использования для коксования вместо отдельных сортов угля их смеси – шихты.

Ретортные и щелевые печи

Для решающего технического прорыва применения угольной шихты было недостаточно, требовалась разра-

Глава 1

а

Печи с горизонтальными камерами коксования

Одной из первых печей такого типа была печь конструкции Смэ (Smet), разработанная в 1850-е гг. В печах Смэ между горизонтальными камерами для коксования располагались так называемые отопительные простенки, в которых происходило сжигание газообразных продуктов коксования. Газы покидали камеру коксования через отверстия в своде и попадали в отопительные простенки. Туда же подавался воздух для горения. В простенках была устроена горизонтальная перегородка, благодаря

которой газы и продукты их горения двигались сначала

в одну, а потом в другую сторону. После этого продукты горения поступали в подовый канал под камерой коксования, чтобы прогреть нижнюю часть коксуемого угля, и уходили в трубу.

В дверях для выгрузки кокса были предусмотрены отверстия, через которые в верхнюю часть камеры можно было подавать воздух. Это было необходимо в тех случаях, когда использовался уголь с большим выходом летучих веществ. При этом воздуха для их сжигания не хватало, и каналы могли забиться отложениями графита, образующегося при их разложении. Длина камер печей Смэ достигала 6—7 м, высота 1,1—1,2 м, ширина — 0,65 м. В камеру помещалось примерно 2,5 т угля, коксование которого длилось около суток.

Вертикалы

Следующим шагом в развитии конструкции коксовых печей была замена горизонтальных каналов в отопительных простенках (как в печах Смэ) вертикальными. Простенок разделялся кирпичными перегородками на отдельные вертикальные каналы, в результате чего существенно возрастала жёсткость боковых стенок камер коксования, что позволило уменьшить их толщину без опасности разрушения от вспучивания угля при коксовании и облегчило прогрев камеры.

Первой печью с вертикальными отопительными каналами (вертикалами) была печь конструкции ФрансуаРексрота (Francais-Rexrot). В ней газообразные продукты коксования через 14 отверстий поступали из камеры коксования в 14 вертикалов, разделённых тонкими перегородками, где сжигались. Продукты горения поступали в подовый канал, откуда направлялись в общий боров (сборный канал) и далее в дымовую трубу. Печи Франсуа предназначались для хорошо спекающихся углей с большим выходом летучих веществ, поэтому ширина их составляла 0,9 м, а процесс длился двое суток. Позднее

конструкция была изменена для коксования плохо спекающихся углей – ширину уменьшили до 0,6 м. Длительность процесса при этом сократилась до суток.

Дальнейшее развитие печей Франсуа с целью использования тощих углей привело к созданию печи конструкции бельгийского инженера Эванса Коппе (Coppee). Первая батарея Коппе была построена в начале 1860-х гг., а уже в 1870-х гг. удачная конструкция стала самым распространённым видом коксовых печей в Германии, Франции и Бельгии. В Германии печи Коппе были впервые построены в 1869 г. и в дальнейшем сооружались в большом количестве в сотрудничестве с немецкими фирмами Коллена и Отто.

Коксовая печь Коппе

Печь Коппе подвергалась постоянному совершенствованию с учётом практики её использования и свойств угля,