125494 (690569), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Коксование протекает в несколько стадий. Вначале при температуре 200-350°С входящие в состав угля вещества начинают разлагаться, затем уголь размягчается, становится пластичным, и при температуре 450-500°С происходит более глубокое разложение - образуется полукокс (густая и вязкая масса), а при 1000 - 1100°С эта масса спекается в твердый и прочный кокс. Процесс спекания продолжается 12-14 часов. Все рассчитано и предусмотрено: и время спекания, и ширина, и высота камер. Как у хорошей хозяйки, все заботы технологов направлены на то, чтобы коксовый пирог пропекся. Открывается дверь печи, специальный выталкиватель помогает выгрузить пирог в тушильный вагон. Затем кокс охлаждают, сортируют и направляют в доменный цех. Но чего только не получают, кроме кокса, на коксохимических заводах - около 80 различных продуктов! А они в свою очередь являются исходным материалом для изготовления самых разнообразных веществ, в которых нуждаются различные отрасли промышленности, сельское хозяйство, транспорт! Например, коксовый газ. Для него характерна высокая теплота сгорания (при сгорании одного кубического метра этого газа выделяется до 4500 килокалорий тепла), что позволяет использовать его в качестве топлива тут же на металлургическом заводе. Но горит коксовый газ сильно коптящим пламенем. Поэтому его смешивают с доменным газом (тем, который получают при производстве чугуна - газом с довольно низкой теплотой сгорания) и используют для отопления мартеновских печей и нагревательных печей прокатных станов - так называемых нагревательных колодцев, применяют для нужд коммунального хозяйства и бытовых нужд - нагрева воды и приготовления пищи - в тех районах, где нет природного газа и поблизости расположен коксохимический завод. Основным потребителем продукции коксования каменных углей является та самая черная металлургия, с которой мы знакомимся на страницах нашей книги, - около 90 процентов выпускаемого кокса и 60 процентов коксового газа забирает она. Коксохимические продукты требуются и для химической промышленности; например, из бензола, фенола, нафталина, антрацена и других веществ получают до двух тысяч различных красителей. Химико-фармацевтическая промышленность вырабатывает из продуктов коксования множество лекарств и дезинфекционных препаратов. Знакомые всем нам аспирин, нашатырный спирт, карболка, нафталин - ведь они тоже из угля! Различные продукты коксования используют в промышленности пластических масс - при производстве синтетического каучука, кожи, искусственного волокна.
На некоторых химических заводах для получения серной кислоты используют серу, содержащуюся в сероводороде коксового газа. Серу направляют и в целлюлозно-бумажную промышленность, и на изготовление взрывчатых (используемых в мирных целях) веществ. Сюда же поступают чистые бензол и толуол. Для предохранения от гниения деревянные конструкции покрывают каменноугольным лаком, а деревянные железнодорожные шпалы, телеграфные и телефонные столбы пропитывают шпалопропиточным маслом. В текстильной промышленности применяют роданистый аммоний, в пищевой для консервирования - бензойную кислоту, в парфюмерной - чистый толуол, феноло-крезолы и другие соединения - для производства душистых веществ. В животноводстве в качестве дезинфицирующих средств используют креолин, лизол. Не менее важный потребитель продуктов коксования - сельское хозяйство. Перерабатывая небольшое количество аммиака, содержащегося в коксовом газе, в сульфат аммония, получают искусственные азотные удобрения. Тот же роданистый аммоний используют для изготовления препаратов по борьбе с вредителями сельскохозяйственных культур. А аммиачная селитра, а средства для защиты растений, а ядохимикаты для борьбы с сорняками и вредителями сельского хозяйства - и все из угля! Все, что дает нам коксохимическое производство, перечислить невозможно. Роль этой отрасли промышленности в нашем народном хозяйстве, отрасли, входящей в полный металлургический цикл, трудно переоценить.
1.6 Строение доменной печи
Чугун выплавляют в особых печах, называемых доменными. Доменная печь представляет собой огромную башню (высота ее достигает 36 метров), состоящую из двух усеченных конусов, примыкающих широкими основаниями к невысокому цилиндру. Снаружи печь заключена в металлический кожух, изнутри выложена специальным, выдерживающим воздействие высоких температур огнеупорным кирпичом. В верхней части домны - колошнике - размещены трубы, по которым из печи отводятся образующиеся в ней газы; здесь же расположен состоящий из двух поочередно опускающихся конусов загрузочный аппарат, который бережно передает сырье в доменную печь, равномерно его там распределяет и преграждает путь вырывающимся из печи газам (Дополнение 5). За колошником расположена шахта. Это наибольшая часть печи, ее высота 21 метр (поэтому домну относят к печам шахтного типа). Шахта опирается на распар - цилиндрическую самую широкую часть печи. Диаметр распара домны объемом 5000 кубических метров составляет 16 метров. Затем домна снова сужается в части, которая называется заплечиками.
Нижняя часть домны - горн. Диаметр горна мощной доменной печи объемом 5000 кубических метров достигает 15 метров. Это самая важная, если так можно сказать, самая нагруженная часть домны. Здесь находятся отверстия - фурмы, через которые подают воздух. В горне же сжигают топливо, в нем скапливаются жидкие чугун и шлак. В этой части печи размещены и выпускные отверстия - летки (чугунная ниже, шлаковая выше, так как шлак легче). Поэтому устройству горна уделяют исключительное внимание. Толщина его стенок достигает 1,5 метров. Вся доменная печь покоится на огромном железобетонном фундаменте. В доменной печи развиваются очень высокие температуры. Против их воздействия не всегда могут устоять даже самые огнестойкие огнеупорные материалы. Поэтому нижнюю часть печи, где температура выше, охлаждают. В огнеупорную кладку вставлены металлические плиты - холодильники, а в них заложены тоже металлические трубки - змеевики, по которым проходит вода. На охлаждение домны расходуется колоссальное количество пресной воды - до 30 кубических метров при выплавке 1 тонны чугуна "выпивает" современная доменная печь. Современный металлургический комбинат расходует воды больше, чем город с населением в 100-200 тысяч человек.
Обычно на заводе охлаждающая вода циркулирует по замкнутой системе, т.е. для охлаждения используют одну и ту же воду. Рядом с доменным цехом бьют сотни фонтанов - зрелище, по красоте не уступающее фонтанам Петродворца. Это брызгала. Вода, вобравшая тепло кладки доменной печи, разбрызгивается, охлаждается, собирается в бассейны и снова спешит на помощь домне. Но кладку некоторых доменных печей охлаждают не холодной водой, а паром, применяя испарительное охлаждение. Кипящая вода, подаваемая в холодильники, испаряется, причем тепло, необходимое для этого процесса, отбирается у огнеупорной кладки доменной печи, тем самым охлаждая ее. При испарении 1 килограмма воды от охлаждаемого элемента печи отнимается 539 килокалорий тепла. Получаемый пар используют в котлах-утилизаторах.
1.7 Подача воздуха в печь
В доменную печь непрерывно загружают агломерат или другие железорудные материалы, топливо, флюсы - те самые три основных "блюда", о которых мы уже знаем. Материалы эти всегда подают в определенной пропорции, печь всегда заполнена шихтой. Одновременно в ней находится до 7000 тонн материалов - 120 железнодорожных вагонов. Сама конфигурация печи способствует "подпиранию" шихты. Да и воздух, подаваемый в печь для сжигания топлива, поступает под давлением, и шихта как бы держится на воздушной подушке. Домна "вдыхает" огромное количество воздуха. И зачастую ее не устраивает обычный воздух, а требуется обогащенный кислородом (Дополнение 6).
На одну тонну чугуна расходуется от 2500 до 3500 кубических метров воздуха (до 8000 кубических метров в одну минуту). Такая масса холодного воздуха охлаждала бы печь, снижая ее производительность, увеличивая расход топлива, нарушая нормальное течение технологического процесса. Чтобы избежать этих неприятностей, металлурги нагревают воздух перед подачей его в печь до температуры 1200°С и выше в воздухонагревателях (или как их называют по имени изобретателя - кауперах). Воздухонагреватели располагают рядом с доменной печью. Они представляют собой башни высотой до 50 метров. Снаружи, как и доменная печь, воздухонагреватель закрыт металлическим кожухом (наружный диаметр его составляет 9 метров), изнутри он как бы разделен на две части: камеру горения и часть, заполненную огнеупорной насадкой (ребристой поверхностью из огнеупорного материала).
В камере горения сжигают топливо. Образующиеся при этом продукты сгорания пропускают через огнеупорную насадку, которой они отдают свое тепло. Постепенно насадка раскаляется. Когда она нагреется до достаточно высокой температуры, подачу топлива прекращают. С противоположной стороны мощными воздуходувными машинами в воздухонагреватель начинают нагнетать холодный воздух, который, проходя через раскаленную насадку, забирает ее тепло, нагревается, выходит из воздухонагревателя и направляется к огромному кольцевому воздухопроводу, опоясывающему доменную печь. Его называют фурменным поясом. Отсюда по специальным ответвлениям (рукавам) через фурмы воздух равномерно вдувается в домну.
Так как для нагрева насадки воздухонагревателя требуется определенное время, то для бесперебойного снабжения горячим воздухом возле каждой доменной печи их устанавливают несколько (три для одной печи или семь для двух). Одни воздухонагреватели еще нагреваются, а другие уже работают (нагревают воздух). Воздух для охлаждения доменной печи берут непосредственно из атмосферы. Его влажность в течение года колеблется в очень широких пределах, а это неблагоприятно сказывается на работе печи. То идут дожди или снег, и в печь попадает слишком много влаги, то жарко, дует суховей и воздух очень сухой. Чтобы избежать этих резких колебаний, металлурги решили увлажнять дутье, т.е. добавлять в него постоянно определенное количество влаги в виде пара (до 25 - 30 граммов на один кубический метр дутья). Оказалось, что при этом в горне под воздействием высоких температур попадающая в него вода разлагается и не только стабилизирует работу печи: в ней образуется дополнительный восстановитель - водород, который ускоряет реакции восстановления. Итак, домна вдыхает раскаленный увлажненный воздух, а что же выдыхает этот гигант? Оказывается ценное топливо - доменный газ. В сутки домна объемом 5000 кубических метров выдает 27000 тонн колошникового газа (его называют так потому, что выходит он через верхнюю часть печи - колошник). Однако он загрязнен, в нем много рудной и коксовой пыли. Поэтому отсюда его направляют по трубам на очистку в башни-газоочистители, расположенные рядом с печью.
Для освобождения газа от пыли используют различные виды очистки: и сухую, и мокрую, и электростатическую. При сухой очистке частицы пыли осаждаются под действием сил тяжести при изменении скорости и направления движения газа. В мокрых пылеуловителях проходящий по ним газ орошают жидкостью (чаще всего водой), которую разбрызгивают оросительными устройствами. Взвешенные в газе частицы пыли смачиваются, становятся тяжелее и выпадают из движущегося газового потока под действием сил тяжести или инерции. Они собираются на дне газоочистителя или на перегородках в нем - насадках различной формы. Очищать газ можно, воздействуя на него электрическим полем высокого напряжения. В этом случае внутри газоочистителя тем или иным способом располагают электроды, к которым подают электрический ток. Газ, проходящий через газоочиститель, ионизируется, частицы пыли получают определенный электрический заряд и притягиваются к электродам.
Очищенный от пыли газ, выводимый из пылеуловителей, используют как топливо тут же на заводе, даже в самом доменном цехе (его теплота сгорания составляет 850-950 килокалорий на один кубический метр). Им отапливают воздухонагреватели, мартеновские печи, нагревательные колодцы, в которых нагревают слитки перед прокаткой. А скапливающуюся в газоочистителях пыль через специальные затворы в их дне разгружают в железнодорожные вагоны и направляют на агломерацию или окомкование и снова используют в домне. Металлург академик Михаил Александрович Павлов, трудовая деятельность которого началась в конце прошлого столетия, много внимания уделял усовершенствованию конструкции доменной печи и технологии доменной плавки. Работая на разных металлургических предприятиях России, он занимался улучшением пудлинговых печей, газогенераторов, проводил опыты по применению горячего дутья в доменных печах, изучал процессы прямого восстановления железа в домне и на Сулинском металлургическом заводе освоил плавку чугуна на антраците.
М.А. Павлов был сторонником внедрения передовой техники в русскую металлургию, принимал активное участие в создании мощных доменных печей. Его педагогическая деятельность началась в 1900 году в Екатеринославском высшем горном училище (сейчас Днепропетровский горный институт). Он был профессором Ленинградского горного института и Московского института стали и сплавов. Павлов совмещал преподавание в вузах с литературной деятельностью. Им написан ряд фундаментальных трудов по металлургии, получивших широкое признание. По его учебникам изучают металлургию студенты многих стран. М.А. Павлов автор курса "Металлургия чугуна", "Расчет доменных шихт" и других. С 1902 года МЛ. Павлов начал выпускать "Атлас чертежей по доменному производству", в дополнение к которому опубликовал свой способ определения размеров доменных печей. Он активно сотрудничал в научных журналах. Академик М.А. Павлов очень любил молодежь. В основном для нее он написал книгу о своей жизни "Воспоминания металлурга".
1.8 Производство чугуна
Что же происходит в "чреве" доменной печи, в чем заключается процесс производства чугуна? Давайте "заглянем" в домну и проследим за удивительными превращениями в ней. Загрузочный аппарат бережно ссыпает в доменную печь в определенной пропорции рудные материалы, кокс, флюсы. Загружают отдельные виды сырья слоями, что значительно увеличивает поверхность их соприкосновения, поверхность, на которой протекают химические реакции. Очень важно правильно уложить шихту в домне и измерить ее уровень в печи. Об этом "заботятся" уже знакомые нам два конуса загрузочного, или, как его называют еще, засыпного аппарата, которые не только поочередно опускаются, но и вращаются, равномерно распределяя материалы по окружности печи, а также зонды - щупы, замеряющие уровень шихты в домне. Попадая в доменную печь на колошник, сырье подсушивается и медленно опускается все ниже и ниже. В нижнюю часть домны, в ее горн, вдувают горячий воздух. Кислород вдуваемого воздуха взаимодействует с углеродом кокса, в результате чего образуется углекислый газ С02. Газ этот поднимается все выше, встречается с новыми порциями кокса, вступает с ним в реакцию, продуктом которой является окись углерода СО. В домне все устроено так, что сверху опускаются сырые материалы, а навстречу им, как бы пронизывая их, движутся газы-восстановители, т.е. два потока устремляются навстречу один другому.
Доменный процесс с точки зрения химиков - процесс восстановительный. Задачей доменщиков является освобождение железа от связанного с ним кислорода - восстановление его. Начинается оно в верхних горизонтах доменной печи и по мере продвижения вниз, где температура выше, заметно ускоряется. Железо в руде в основном связано с кислородом (находится в виде окислов). Поднимающаяся от горизонта фурм окись углерода отнимает у окислов кислород, связывает его и тем самым освобождает железо. Но железо, как мы знаем, очень активно и тотчас же вступает во взаимодействие с углеродом - науглероживается. Образуется сплав, у которого температура плавления ниже, чем у чистого металла (1250-1300°С, а не 1539°С). И вот уже ручейки сплава железа с углеродом текут, пробиваются между кусками шихты, все более науглероживаются, подхватывают по дороге и другие образовавшиеся (восстановившиеся) в доменной печи элементы - кремний, марганец, серу, фосфор и другие. Наконец, в виде такого комплексного сплава они оседают в горне доменной печи. Восстановление в домне происходит не только в результате взаимодействия окислов железа с окисью углерода (этот процесс называют косвенным восстановлением), но и под влиянием твердого углерода кокса (так называемое прямое восстановление). Но прямое восстановление - реакции, сопровождающиеся поглощением тепла, т.е. реакции эндотермические, и поэтому они протекают в нижней части домны при высоких температурах, косвенное же восстановление (реакции экзотермические, сопровождающиеся выделением тепла) проходит главным образом в верхних горизонтах печи. Вот почему металлурги так много внимания уделяют газопроницаемости доменного сырья (газы должны иметь доступ к частицам руды, должны пронизывать весь объем загруженных материалов). Восстановление железа в доменной печи проходит в несколько стадий, приблизительно вот по такой схеме (от высшего окисла к низшему).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
