2 Вопрос: Теплообмен между газами и шихтовыми материа-ми.

Вследствие интенсивного теплообмена между газом и шихтой температура быстро снижается до 60–70 °С и остается постоянной до достижения уровня колосниковой решетки.

По высоте слоя имеются две четко выраженные ступени теплообмена: в верхней ступени осуществляется передача теплоты от агломерата к воздуху, в нижней – от газа к материалу. Обе эти ступени связаны зоной горения, где развивается наивысшая температура, которая при спекании неофлюсованного агломерата достигает 1600, а при спекании офлюсованного – 1300–1350 °C. В зоне подогрева шихты температура газа резко снижается, так как в этой зоне обеспечивается интенсивный теплообмен благодаря высокой теплоемкости влажной шихты, большой разности температур газа и материалов.

Выше зоны горения, в зоне готового агломерата, происходит его охлаждение просасываемым воздухом. Снижение температуры агломерата идет значительно медленнее, чем нагрев шихты, что объясняется меньшей площадью поверхности кусков агломерата, чем частиц шихты.

Таким образом, теплообмен между газом и шихтой полностью завершается, а теплообмен между агломератом и воздухом не завершается, и в результате после окончания процесса температура готового агломерата составляет 500–550 °С.

Температура воздуха, поступающего в зону горения, по мере ее перемещения вниз повышается, вследствие чего повышается и температура в самой зоне горения. Это приводит к избытку теплоты в нижней части слоя. Для устранения этого недостатка слоевого спекания по современной технологии шихту загружают двумя слоями: в верхнем содержание топлива нормальное, а в нижнем – на 20–30% меньше. Этим достигается существенная экономия топлива.

Экзаменационный билет №10

1 Вопрос: Качество кокса. Заменители металлургического кокса.

Качество кокса характеризуется химическим составом, физико-механическими свойствами и зависит от свойств исходных углей, их подготовки к коксованию, технологии коксования и обработки готового кокса.

Качество кокса

В доменном процессе кокс выполняет ряд функций, обеспечивающих при определенном его расходе нормальный ход плавки.

Прежде всего, он является источником тепла, необходимого для протекания эндотермических реакций восстановления окислов, подогрева шихты и восстановительных газов до температур, обеспечивающих надлежащую скорость протекания реакций, а также плавления и перегрева жидких продуктов плавки и доведения их до необходимой жидкотекучести, позволяющей удалять их из горна печи. Он также обеспечивает достижение нужной степени перехода серы из чугуна в шлак.

Кокс обеспечивает требуемое количество оксида углерода для проведения процессов восстановления, а также является поставщиком углерода для науглероживания металла и восстановления трудновосстановимых оксидов.

Выполняет роль разрыхлителя шихты в зонах, где плавильные материалы еще находятся в твердом и пластичном состоянии, обеспечивает достаточную газопроницаемость столба шихты, предотвращает слипание железорудных материалов и играет важную роль в распределении шихтовых железорудных материалов по горизонтальному и вертикальному сечениям пространства печи.

Обеспечивает формирование гарниссажа, заменяющего огнеупорную кладку по мере ее выгорания, а также выполняет функцию насадки, которая вызывает в нижних зонах печи перегрев и дренаж жидких продуктов плавки при наличии мощного встречного газового потока.

Каждая из перечисленных функций кокса важна и нескомпенсирована. Нарушение любой из них может привести к расстройству процесса.

С учетом этих функций, к качеству кокса предъявляются весьма жесткие требования.

Ниже приведен технический анализ каменноугольного кокса некоторых промышленных районов мира, % (на сухую массу):

Таблица 3.1 – Технический анализ кокса некоторых промышленных районов мира, %

	АC	SC	Vг	Снел
Из кузнецких углей (Россия)	10,0-11,0	0,45-0,70	до 1,5	85,0-89,0
Из печорских углей (Россия)	10,5-10,7	0,54-0,57	до 1,2	86,5-87,5
Из донецких углей (Украина)	9,0-11,0	1,5-2,0	до 1,5	85,0-89,5
Коннельсвильский (США)	8-15,9	0,62-1,30	0,3-1,3	83,8-91,1
Рурский (Германия)	9,8-10,2	0,9-1,2	до 1,9	86,7-87,4
Деремский (Англия)	10,7	0,9-1,1	0,5-1,2	87,49
Индийский	21,9	0,56	0,98	76,56

Влажность готового кокса, зависящая от режима тушения, не превышает 5%. Минимальную влажность (0,1-0,5%) получают при сухом тушении кокса (охлаждение азотом).

Зольность кокса оказывает влияние на выход доменного шлака и прочность кокса. Считается, что каждый 1 % увеличения зольности приводит к снижению производительности доменных печей на 1-2% и повышению удельного расхода кокса на 1,2-2,0%.

При коксовании приблизительно половина серы, находящейся в угле в составе пирита, уходит с коксовым газом главным образом в составе сероводорода. Сульфатная сера переходит частично в троилит (Fe_хS). Часть сульфидной серы вымывается водой при тушении готового кокса. В среднем содержание серы в коксе на 18-20% меньше, чем в угольной шихте. Исследования минералогического состава донецкого кокса позволили установить, что 17,9-22% серы кокса входит в состав сульфидов, 1,6-7,3% – в состав сульфатов, 71,3-76,7% – в структуру собственно угольного вещества (органическая сера).

Высокое содержание серы в коксе приводит к необходимости работы с высокоосновными вязкими шлаками и к ухудшению хода доменных печей с соответствующим снижением технико-экономических показателей планки. Считается, что при увеличении содержания серы в коксе на 0,1% удельный расход кокса в среднем возрастает на 1-1,4%.

Содержание остаточных летучих веществ в коксе зависит от температуры и продолжительности коксования. По общепринятым техническим условиям, содержание летучих в коксе не должно превышать 1,5%.

Одной из наиболее важных характеристик кокса является содержание в нем 83-88% нелетучего углерода (в расчете на рабочее топливо).

К физико-химическим характеристикам кокса относятся его горючесть и реакционная способность.

Горючесть кокса определяется скоростью взаимодействия его вещества с кислородом. До сих пор не существует единой точки зрения по вопросу о влиянии горючести кокса на показатели доменной плавки. Современные представления о влиянии величины окислительных зон перед фурмами доменной печи на совершенство хода в большой мере согласуются со взглядами Банзена. Согласно этим представлениям, снижение горючести кокса увеличивает размер окислительных зон, облегчая опускание шихты в печи.

Реакционная способность кокса определяется величиной константы скорости его взаимодействия с диоксидом углерода при 1100 °С. Понижение реакционной способности кокса во всех случаях приводило к снижению удельного расхода кокса и повышению производительности печей.

По внешнему виду качественный кокс отличается столбчатой структурой, серебристым блеском поверхности куска; такой кокс не пачкает рук. Прочность кокса по ГОСТ 8929-65 определяется путем обработки пробы кокса (50 кг, фракции >60 мм) во вращающемся глухом барабане (диаметр 1 м, длина 1 м, скорость вращения 25 об/мин, время обработки 4 мин). Внутри барабана к рабочей поверхности приварены четыре уголка, усиливающие разрушение кусков кокса при вращении барабана. Показателями прочности кокса являются выходы фракций >25 мм (М25) и <10 мм (М10) после барабанного испытания.

Помимо этих простых показателей прочности, в разное время были созданы комплексные, учитывающие выход различных фракций кокса после барабанного испытания. Так, показатель П. Ильзедер (ФРГ) связывает выход (О) фракции >60 мм перед барабанным испытанием с выходами А и С фракций соответственно >60 и <40 мм после испытания, %: П = (А∙100/D) – С.

Значительное распространение получил также показатель прочности Графа (ФРГ): К= АD [100 (α + 0,75S)]. В эту формулу, помимо уже упоминавшихся выходов фракций А и D), входят выходы фракций 10 мм (α) и 20–40 мм (S) после барабанного испытания. Установлена отчетливая связь между величиной показателя Графа и совершенством хода доменных печей.

По пористости (45–55%) кокс занимает промежуточное положение между плотным каменным (1–10%) и древесным (75–85%) углями. Насыпная масса кокса около к 450 кг/м³.

С начала 80-х годов широкое применение во многих странах нашел разработанный в 70-х годах на фирме «Nippon Steel Corporation» метод испытаний горячей прочности кокса (показатель CSR) и его реакционной способности (показатель CRI). Метод принят в качестве стандартного в США (ASTM D-5341) и в настоящее время применяется на ряде металлургических кампаний России (ОАО «НЛМК», ОАО «Северсталь» и др.) Для испытаний по специальной методике отбирается представительная проба сухого кокса массой 200 г крупностью 19-22 мм, которая сначала подвергается высокотемпературной обработке в потоке СО₂, затем охлаждается азотом, после чего пробу вращают в вертикальном цилиндрическом барабане со скоростью 20 оборотов в минуту в течение 30 мин. Потеря массы кокса (%) в результате реакции газификации является показателем реакционной способности (CRI), а выход фракции >9,5 мм после барабанных испытаний (%) является показателем горячей прочности (CSR).

Качество кокса во многом влияет на ход доменных печей. Прочный пористый кокс разрыхляет мелкую шихту, улучшая и газопроницаемость. Слабый в механическом отношении кокс создает угрозу замусоривания горна коксовой пылью, ухудшает сход шихты, снижается ее газопроницаемость. Химический состав и влажность кокса, показатели прочности кокса используются при управлении ходом доменных печей.

Заменители металлургического кокса.

природный газ: в современных условиях, при его высокой стоимости и дефицитности, использование является экономически нецелесообразным, так как коэффициент замены кокса природным газом в реальных условия обычно не превышает значения 0,7;

коксовый газ: применение его в доменной плавке осложняется тем, что для вдувания в печь необходимо повышать давление в газодувках, работа которых затруднена из-за содержания в нем смолистых веществ, от которых необходимо предварительно его очистить. Кроме того, имеющиеся объёмы коксового газа целесообразнее применять как топливо в прокатном производстве и т.д.;

пылеугольное топливо: для вдувания ПУТа необходима закупка большого количества дополнительного дорогостоящего оборудования, а также последующее обслуживание его, что является серьезным недостатком.

Все вышеперечисленные методы предполагают подачу заменителей кокса непосредственно через фурмы в зону горения. В силу этого невозможно обеспечить расход кокса ниже 250-300 кг/т чугуна. Это объясняется тем, что кокс должен выполнять еще и роль «разрыхлителя» столба шихтовых материалов.

Эффективным направлением коксозаменяющей технологии является использование антрацита. Использование антрацита не приводит к существенному изменению основных технологических параметров процесса: производительность, выход колошникового газа, образование шлака и его основность колеблются в пределах, характерных для работы печей. Чугун по химическому составу соответствует стандарту. Кроме того, преимущество замены кокса каменным углем также в том, что он подается через колошник.

Шунгит под вопросом ???????????????????????????????????????????????????

Шунгит:

Шунгитовые породы ШПС являются весьма перспективным сырьем для металлургии. Это обусловлено несколькими факторами.

Соотношение основных компонентов породы - углерода (30%) и кремния (55%) близко к стехиометрическому, необходимому для реализации восстановительных процессов в системе Si-C-O и синтеза металлического кремния и карбида кремния.

Шунгитовый углерод обладает аморфной структурой, устойчив против графитации и сохраняет высокую реакционную способность во всем интервале температур реальных металлургических процессов.

Исключительно благотворное влияние на кинетику и энергетику восстановительных реакций в системе Si-C-O оказывает специфичная структура шунгитовых пород. Структура шунгита ШПС представляет собой равномерное распределение силикатных минералов с размерностью частиц менее 10 мкм в углеродной матрице. Таким образом, создается тесный и развитый (до 20 м2/г) контакт между силикатами и углеродом. Это обстоятельство в свою очередь повышает роль твердофазных реакций в восстановительном процессе и создает ряд технологических преимуществ при использовании шунгитов для замены в металлургии кокса и кремнеземистого сырья (кварцита) в процессе получения карбида кремния, выплавки кремнистых чугунов и ферросплавов.

Шунгит обладает высокой механической прочностью (800-1200 кг/см2), малой истираемостью. Высокая плотность шунгита (2,2-2,4 т/м3) создает предпосылки для более экономичного использования объема печного агрегата при замене ею традиционной углерод-кремнеземной шихты.

Термические и петрографические исследования показали это при 1250оС в шунгитовых породах начинают осуществляться восстановительные процессы, а в интервале 1500-1700оС интенсивно синтезируется карбид кремния. При 1800оС убыль массы составляет 57%, а доля SiC в составе продуктов превышает 80%.

Эти результаты определили направление промышленных и полупромышленных экспериментов с шунгитом:

- в доменной плавке для повышения содержания кремния в чугуне путем загрузки шунгита в доменную печь вместо ферросилиция;

- в желобных и леточных массах в качестве упрочняющей добавки вместо кокса и и кварцита в металлургии;

- для выплавки доменных ферросплавов;

- для выплавки ферросплавов (ферросилиция, силикомарганца, силикокальция, ферросиликохрома и др.) в электропечах;

- для производства SiC с целью последующей переработки последнего в огнеупорные и химстойкие конструкционные материалы, а также для использования в качестве наполнителя в огнеупорных массах и в качестве восстановителя.

Промышленное использование шунгита в выплавке литейного чугуна осуществляется на АК "Тулачермет", ОАО Косогорский металлургический завод. Установлено, что коэффициент замены кокса шунгитом составляет в среднем 1т/т. Доля кремния шунгита, переходящего в чугун составляет 88,5%. С ростом содержания кремния в чугуне коэффициент замены кокса повышается.

При выплавке передельного чугуна оптимальным является расход шунгита в 20 кг на 1 тонну чугуна, при выплавке литейного чугуна расход шунгита составил до 100 кг на 1 тонну чугуна.

Коэффициент замены кокса шунгитом при доменной выплавке ферросплавов оценен в среднем 1 т/т. При выплавке силикомарганца в электропечах расход шунгита составил 200 кг на 1 тонну сплава.