К сырым материалам металлургического производства прежде всего относят руды, топливо и Флюсы.

Топливо

Каменный уголь, запасы которого очень велики, не может быть, к сожалению, непосредственно использован в качестве топлива в шахтных печах. Уголь содержит 20—40% летучих веществ, которые уже при нагреве до 250—350 °С и выше начинают интенсивно выделяться, разрывая куски самого прочного угля с образованием угольной пыли. Эта пыль забивает пустоты между более крупными кусками руды, агломерата, окатышами, резко ухудшает газопроницаемость столба шихты в печи, загромождая горн печи угольной пылью и мусором. Работа доменных печей на угле всегда связана со снижением технико-экономических показателей плавки, а затем с тяжелыми расстройствами хода и авариями.

Процесс высокотемпературного коксования угля заключается в пиролизе угля без доступа воздуха при 900—1100°С в течение 14—18 ч.

Рассмотрим процесс коксования более подробно. Перед загрузкой в коксовую печь угольная шихта измельчается до фракции <3 мм. Компоненты шихты усредняются по составу на специальных складах, затем тщательно смешиваются

После укладки шихты в печь и выравнивания поверхности шихты планиром печь тщательно герметизируется. Нагрев шихты в печи происходит только посредством теплопроводности от двух ее стен, внутри которых в отопительных простенках сжигается смесь доменного и коксового газов при температурах до 1350—1400 °С. Выделяющиеся из шихты газы немедленно отводятся из печи через специальные отверстия. Как уже упоминалось выше, главной причиной разрушения кусков каменного угля в доменной печи является интенсивное выделение из угля большого количества летучих.

Поэтому задача процесса коксования состоит в удалении главной массы летучих еще в коксовой печи и создании прочного кускового продукта, содержащего не более 1,5—2 % летучих веществ, для предотвращения разрушения кокса в доменной печи.

Рисунок 1.2. Камера коксовой печи

Различают следующие последовательно протекающие стадии высокотемпературного коксования каменного угля:

1. Сушка угля при температуре до 100—120 °С.

2. Нагрев угля до 300—350 °С. Коксующийся уголь на этой стадии проходит лишь физический прогрев частиц без разрушения (деструкции) легкоплавких соединений — битумов, при распаде которых и выделяются летучие вещества. Так, высококачественный коксующийся кузнецкий уголь при нагреве до 300 °С выделяет лишь до 12-15% всей массы летучих. Битумы в этом угле не разрушаются вплоть до плавления. Наоборот, некоксующийся уголь на этой стадии выделяет большую массу летучих, битумы в них подвергаются деструкции, уголь теряет способность плавиться; кокс из такого угля не может быть получен.

3. Размягчение и плавление угля при 350—500 "С. Первыми плавятся легкоплавкие битумы. В образовавшемся первичном расплаве растворяется вся остальная масса угольной шихты. Лишь небольшая часть угольных частиц сохраняет свою индивидуальность и не растворяется в жидкой фазе. Из расплава интенсивно выделяются летучие, что резко меняет его химический состав, увеличивает вязкость. Поры в коксе - это пузыри и трубки, по которым двигались летучие в массе расплава; стенки их твердеют и сохраняются затем в готовом продукте.

4. При 500—600 °С расплав затвердевает в виде первого, еще слабого в механическом отношении продукта — полукокса, содержащего обычно еще около 50 мас.% всех летучих исходной угольной шихты.

5. При 600—1100 °С осуществляется многочасовое прокаливание кокса, что позволяет почти полностью удалить из него летучие, провести частичную графитизацию вещества кокса, т. е. превращение аморфного углерода в кристаллический гексагональный графит. Степень графитизации готового кокса оценивается, по экспериментальным данным, в 15—20%. Именно в ходе перекристаллизации и спекания вещества кокса при 600-1100 °С его прочность и твердость возрастают в 30—40 раз

На рисунке показана форма рабочего пространства коксовой печи, которая представляет собой прямоугольный параллелепипед, слегка расширяющийся в сторону выдачи кокса. Процесс коксования идет в ней от двух продольных стен печи в направлении к оси печи. Так как объем готового коксового пирога обычно несколько меньше объема угольной шихты, по оси пирога образуется вертикальная трещина — «развал». Таким образом, длина куска кокса обычно составляет приблизительно половину ширины камеры коксовой печи.

Средний выход металлургического кокса (>25 мм) из валового составляет 93—94%. В процессе коксования угольная шихта теряет 300—330 м³ летучих/т шихты. Выделяющиеся из коксовой печи летучие («грязный» коксовый газ) направляются в химические цехиг где из них извлекают смолы, аммиак, бензол и другие ценные компоненты. Дальнейшая переработка их дает возможность получить лаки, краски, растворители, сульфат аммония, пиридиновые основания, нафталин, серу, лекарства и взрывчатые вещества, минеральные масла и другие ценные продукты общим числом до 500. Очищенный («чистый») коксовый газ содержит,%: 60 Н₂; 26 СН₄; 2,7 N₂; 2,6 СO₂; 2,2. СтНи; 0,5 O₂. Его теплота сгорания близка к 18 400 кДж/м³. Коксовый газ широко используется на металлургических заводах для отопления коксовых батарей, мартеновских печей, кауперов, а в последнее время и для вдувания в фурмы доменных печей с целью экономии кокса.

Рисунок 1.3. Стадии коксования угля 1 — шихта; 2 — пластический слой; 3 - полукокс; 4 — кокс; 5 — осевая вертикальная трещина

За последние годы традиционный процесс коксования угля был значительно усовершенствован. Предварительное брикетирование угольной шихты или ее трамбовка в самой коксовой печи позволяют увеличить массу шихты в камере печи, улучшить качество кокса и повысить производительность печей.

Особенно эффективен предварительный подогрев угольной шихты нагретым азотом в реакторе с кипящим слоем до 180—220 °С. Как видно из данных рис. 2.3, при коксовании холодной влажной угольной шихты температура в осевой зоне коксовой печи (200 мм от стенки печи) даже через 11 ч после начала коксования составляет только 500 °С. Она достигает 1000 "С лишь через 14 ч. Подохрев шихты перед ее загрузкой в печь позволяет сократить период коксования до 6—8 ч, т. е. на 40—50%, повысить производительность коксовых печей в среднем в 2 раза

Во многих странах ощущается нехватка коксующихся углей, запасы которых невелики. Весьма характерным примером в этом отношении является современное положение Кузбасса, в котором только 7—12% всех запасов угля относятся к категории коксующихся. Напомним, что некоксующиеся угли интенсивно отдают летучие вещества при температуре до 350 °С. При этом они теряют способность плавиться и образовывать прочный спекшийся продукт.

Запасы таких углей практически неисчерпаемы, что придает особую важность проблеме получения прочного кокса из некоксующихся углей. Эффективная методика получения кокса из такого рода углей была разработана проф. Л. М. Сапожниковым в 1955 г. в Институте горючих ископаемых АН СССР.

Основная идея изобретения заключается в скоростном нагреве угольной шихты (<3 мм) в установках с кипящим слоем в вихревых камерах. Скорость нагрева в этих аппаратах настолько высока, что угольная шихта при температуре до 350 "С не успевает отдать в газовую фазу летучие вещества и частично плавится.

После выдержки (1—2 мин) в области плавления угольного вещества шихта формуется под небольшим давлением (0,2—0,5 МПа) в брикеты, подвергающиеся затем прокаливанию в шахтной печи, где по мере опускания они проходят температурные зоны от 350 до 800 °С (время прокаливания ~2 ч).

Рисунок 1.4. Распределение температур в коксовой печи по ее ширине. Общая ширина камеры печи 407 мм. Температура в отопительных простенках 1300 °С. Цифры на кривых — время (ч) от начала коксования

Прочность формованного кокса, полученного по рассмотренной технологии, оказывается более высокой, чем прочность обычного кокса. Первая доменная плавка на формованном коксе, проведенная в СССР в 1972 г., дала положительный результат. Ход доменной печи и технико-экономические показатели плавки на новом топливе были лучше, чем на донецком коксе. Многочисленные опыты за рубежом также показали, что формованный кокс является полноценной заменой обычного каменноугольного кокса.