Многие металлургические процессы осуществляются при высоких температурах и связаны с большими затратами тепловой энергии, которую получают за счет сжигания топлива или использования электроэнергии. Топливо также расходуется для получения других энергоносителей (сжатого воздуха, кислорода и пр.), а в ряде технологических схем оно используется в качестве восстановителя. Основные виды топлива имеют органическое происхождение, поэтому углерод, водород, кислород, азот и сера, в виде различных соединений составляют основную массу топлива. Негорючая часть топлива – зола, состоит в основном из оксидов Al2O3, SiO2, CaO и Fe2O3. Различают твердое, жидкое и газообразное топливо, а по способу получения – естественное и искусственное топливо, которое вырабатывают из естественного топлива (например, кокс, древесный уголь, генераторный газ), или побочно получают при осуществлении какого-либо технологического процесса (например, доменный газ). При сжигании топлива выделяется теплота, количество которой связано с составом топлива, его видом и условиями сжигания. Количество выделяющегося тепла называют теплотой сгорания топлива и выражают в следующих единицах: кДж/кг, кДж/м3 или кДж/моль. Для сравнения различных видов топлива введено понятие условного топлива, теплота сгорания которого 29300 кДж/кг. Так, 1 кг мазута с теплотой сгорания 40000 кДж/кг или 1 кг бурого угля с теплотой сгорания 10000 кДж/кг будут равны 40000/29300 = 1,37 и 10000/29300 = 0,34 кг. условного топлива (кг. у.т.). В последние годы в цветной металлургии при переработке сульфидных руд используют теплоту сгорания содержащихся в сырье сульфидов. Тепловая характеристика основных видов топлива представлена в таблице 1.1.
Для сжигания топлива необходим кислород, а полнота сжигания топлива определяется коэффициентом избытка дутья ( ). При полном сгорании топлива = 1; при недостатке дутья 1, а при избытке - 1. При большом избытке дутья вместе с избыточным кислородом воздуха будет поступать примерно в 4 раза больше азота, требующего теплоты для его нагрева, но при этом в зоне горения создается окислительная атмосфера. При недостатке дутья ( 1) горение будет неполным и в аппарате создается восстановительная атмосфера, которая часто необходима для технологических нужд. Эффективность сжигания топлива снижается при наличии в нем влаги и золы, так как влага требует затрат тепла на ее испарение и нагрев до температуры топочных газов, а зола ухудшает качество топлива и условия его сжигания. В металлургии стремятся использовать качественное топливо – природный газ, мазут, кокс и высококалорийные сорта каменного угля. Природный газ является самым удобным топливом с хорошими теплотехническими характеристиками. Его транспортируют в трубопроводах непосредственно до места потребления, и он не требует никакой подготовки перед сжиганием. Потребителем газа являются плавильные печи, энергетические и нагревательные установки. Жидкое топливо в основном используется в виде мазута – остатка от переработки нефти. Мазут является ценным сырьем для получения смазочных масел и других химических соединений, и поэтому его применение в качестве топлива постоянно сокращается. Перед употреблением мазут подогревают для снижения вязкости и распыляют с помощью форсунок. Каменный уголь содержит 75-97 % углерода и от 9 до 45 % летучих веществ. Его используют в качестве энергетического и технологического топлива и сжигают преимущественно в виде пыли, распыляя сжатым воздухом. Кокс представляет собой твердый остаток, получаемый при коксовании каменного угля и некоторых нефтепродуктов. Кокс содержит 96-98 % углерода, его пористость составляет 49-53 %, а плотность – 1,85-1,95 г/см3. Более 80 % кокса расходуется на выплавку чугуна в доменных печах, а также в литейном производстве. Нефтяной кокс получают путем коксования нефтяного сырья, он содержит 90-96 % углерода, и, что очень ценно, только 0,1-0,8 % золы. Поэтому он широко применяется при производстве электродных изделий, анодов для алюминиевой промышленности, графитированных электродов для
дуговых печей и электролизеров. Искусственное газообразное топливо представляет собой доменный, коксовый, генераторный и водяной газы. Первые два вида являются побочными продуктами доменной плавки и процесса коксования, а два других приготавливают путем газификации твердых и жидких видов топлива воздухом или водяным паром в газогенераторах по реакциям
C + 0,5O2 = CO; C + H2O = CO + H2.
Нагрев электрическим током находит широкое применение в металлургии. На этом принципе работают электрические печи сопротивления, различные виды дуговых и индукционных печей, а в последние годы все шире используют печи с электронно-лучевым и плазменным нагревом.
