МЕТАЛЛУРГИЯ ЖЕЛЕЗА – Часть 134

Однако, когда возможности дальнейшего развития домен­ного производства будут исчерпаны и крупные капитало­вложения на сооружение новых доменных печей и их вспомо­гательного оборудования будут прекращены, тогда создадут­ся условия для развития процессов прямого получения желе­за, в том числе и жидкого металла.

§18. плазменные процессы получения жидкого металла

Плазменная дуга и ее свойства

Современный металлургический процесс должен обеспечи­вать получение высококачественных металлов и сплавов, быть высокопроизводительным, экономичным и экологически чистым. Любой металлургический процесс протекает при вы­соких температурах, что вызывает необходимость использо­вания топлива. В развитых капиталистических странах Д0®1 292

Черной металлургии в потреблении энергии составляет 4-17% от общего расхода и 13-32% от доли, потребляемой промышленностью.

Перспективы развития энергетических ресурсов указывают на постоянное уменьшение доли углеводородсодержащего топлива в общем энергетическом балансе и возрастание доли энергии, получаемой на атомных, гидравлических и тепловых электростанциях.

Металлургия в настоящее время потребляет, главным образом, наиболее дефицитные органические виды топлива — коксующиеся угли и природный газ, поэтому перспективной является разработка технологии металлургических процессов с увеличенным расходом электроэнергии и сокращенным рас­ходом органических топлив и восстановителей. Одним из средств решения этой задачи является применение плазмен­ной технологии, при которой горячие восстановительные га­зы могут быть получены в электрическом разряде путем кон­версии или пиролиза углеводородов, нагрева водорода, по­лученного электролизом или другим способом, нагрева про­дуктов газификации твердых топлив, а также нагрева отхо­дящих газов металлургических агрегатов и химических производств.

В нормальных условиях газ состоит из нейтральных моле­кул или атомов и является электрическим изолятором. Одна­ко под действием сильного электрического поля газ нагре­вается до определенной температуры, происходит пробой га­зового промежутка и через него начинает проходить элект­рический ток. Такое физическое явление названо электри­ческим разрядом. Дуговой разряд отличается от других раз­рядов относительно высокой плотностью тока, температурой и электропроводностью газа. Дугой принято считать конеч­ную устойчивую форму разряда.

Механизм проводимости газа существенно отличается от Механизма проводимости твердого и жидкого вещества. В ме­таллическом проводнике носителем тока являются свободные электроны, а в растворе электролита — положительные и отрицательные ионы. В проводящем газе носителями тока являются как электроны, так и ионы. Отличительной чертой Газообразного проводника является постоянный взаимообмен Между электронами, ионами и нейтральными частицами,

293

Происходящий при их столкновении в результате беспорядоч­ного теплового движения.

Если газ молекулярный, то при относительно низкой тем­пературе (4 • 103*8 • IO3K) происходит диссоциация моле­кул на отдельные атомы. Этот процесс протекает с поглоще­нием значительного количества тепла и связан с увеличе­нием подводимой к дуге мощности. С возрастанием темпера­тур до IO4 К в плазме усиливаются процессы однократной ионизации— расщепления атомов на электроны и ионы. Иони­зации атома часто предшествует его возбуждение, т. е. пе­реход одного из электронов на орбиту с более высоким энергетическим уровнем. При действии на атом дополнитель­ной порции энергии электрон выходит из области притяжения ядра и окончательно покидает атом, который превращается в положительно заряженный ион. Процесс ионизации, так же как и диссоциации, связан с поглощением тепла, т. е. прев­ращением кинетической энергии в потенциальную. При темпе­ратуре свыше 20 • IO3K развиваются процессы многократной ионизации атомов.

В плазме протекает процесс рекомбинации, обратный ионизации, т. е. восстановления нейтральных атомов при взаимодействии положительных ионов с электронами. На гра­нице столба дуги возможен процесс молизации, т. е.’ соеди­нения атомов в молекулы. Эти процессы протекают с выделе­нием тепла. Таким образом, в столбе дуги непрерывно происходит теплопередача от центра столба к периферии за счет обычной теплопроводности и за счет термодиффузии частиц. В дуговых плазматронах, в которых электрическая энергия посредством газового разряда преобразуется в теп­ловую и кинетическую энергию плазменной струи, газ нагре­вается, главным образом, энергией, выделяющейся в столбе дуги.