МЕТАЛЛУРГИЯ ЖЕЛЕЗА – Часть 138

Рже. 69. Распределение температу­ры (а) и удельных тепловых пото­ков (б) при нагреве куска железо­рудного материала

Шахтные печи, оборудованные плазменными генераторами, для получения жидкого металла удовлетворяют всем требова­ниям, изложенным выше. Удельная производительность такого агрегата значительно выше, чем доменных печей, и состав­ляет по предварительной оценке 50—60 т/сут с 1 м3 объема агрегата.

Еще большую производительность можно получить в прямо­точных плазменных реакторах. Схемы прямоточных плазменных реакторов приведены на рис. 70. В прямоточных реакторах в качестве железорудного материала используется мелкодис­персный концентрат. Благодаря большой реакционной поверх­ности и высоким температурам процесс восстановления за­вершается за сотые доли секунды, что обеспечивает огром­ную удельную производительность. В лабораторных прямоточ­ных реакторах, удельная проводимость составляет 900 т/(м3 • сут). Однако энергетические затраты в прямо­точных реакторах велики, так как степень использования тепла и восстановительной способности газа в этих реакто­рах ничтожно малы.

Для плазменных восстановительных процессов, используе­мых в черной металлургии, предпочтительны противоточные агрегаты, в которых энергетические затраты сопоставимы с затратами при существующей двухстадийной схеме получения железа, а удельные производительности намного выше.

Особенности теплообмена в шахтных печах /> при использовании плазмы

Высокие технико-экономические показатели процессов – прямого получения железа в шахтных печах достигаются при совершенстве тепло – и массообмена между газом и рудными материалами. Тепло – и массообмен улучшается с повышением температуры. Однако при прямом получении железа в шахтных печах необходимость фильтрации газа через столб материа­лов требует сохранения сыпучести и кусковатости рудного материала до момента его расплавления.

При обычных методах сжигания топлива теплообмен между газом и шихтой в нижней части шахтной печи не обеспечи­вает достаточно интенсивного снижения температуры газа, в результате чего на значительном участке по высоте печи температура такова, что зона размягченных материалов простирается на большую высоту.

Интенсивность теплообмена значительно возрастает при нагреве восстановительного газа в плазменном генераторе. Высокая кинетическая энергия газа, нагретого в плазменных генераторах, установленных в нижней части шахты, обеспечи­вает сверхзвуковую скорость истечения газа из сопла плаз- матрона, и интенсивность передачи тепла твердому материа­лу становится в десятки раз больше, чем в случае примене­ния кислородного пламени. При этом снижается температура по высоте шахтной печи, и значительно уменьшается протя­женность зоны размягчения материалов, что обеспечивает фильтрацию газа через столб материалов.

Нагрев газа в плазменном генераторе делает возможным получение больших удельных тепловых потоков, обеспечиваю­щих интенсивное плавление железорудных материалов в объе­ме присопловой области плазматрона. Такой характер плав­ления железорудного материала приводит к образованию в нижней части шахтной печи поверхности плавления и объема (полости), ограниченного этой поверхностью (рис. 69). При достаточно больших размерах полости ее свод становится неустойчивым, разрушается, и очередная порция материалов поступает в зону плавления.

Если размеры полости малы, то свод, состоящий из кус­ков железорудного материала, становится динамически устойчивым, материал перестает опускаться, и это приводит 302 к постепенному его нагреву, а следовательно, к размягче­нию и слипанию, что затрудняет фильтрацию газа, и движе­ние столба шахты прекращается.

Размеры выплавленной полости определяются мощностью плазменного генератора, расходом газа, скоростью его истечения из сопла и размером куска материала. Ниже при­ведены газоэлектрические параметры плазматрона (числи­тель— длина, знаменатель— ширина):