Все о металле, его обработке и переработке
Партнеры
  • .

Металлургия железа

МЕТАЛЛУРГИЯ ЖЕЛЕЗА — Часть 140

Протяженность зоны размягченных материалов может быть определена аналитически, если принять, что плавление происходит при постоянной температуре и расплав сразу же стекает с поверхности плавящегося куска железорудного ма­териала. В этом случае можно считать, что процесс плавле­ния идет при постоянном тепловом потоке на поверхности. Тепло, подведенное к поверхности, будет расходоваться частично на плавление поверхностных слоев, частично на нагрев нерасплавившегося материала. Таким образом, плав­ление может рассматриваться как процесс нагрева двухслой­ного тепла, состоящего из плавящегося и нерасплавленного слоев (рис. 70). В куске железорудного материала часть нерасплавленного слоя находится в размягченном состоянии. 304

Если S— толщина расплавленного слоя, a q2 — удельный тепловой поток на границе плавящегося и нерасплавленного слоев, то на плавление элементарного слоя толщиной AS пойдет удельный тепловой поток qlt а на нагрев нераспла-

Вившегося слоя толщиной 5 — удельной тепловой поток Яг+ Чу Разность температур на поверхности плавящегося и нерасплавленного слоев г, и температуры начала размягче­ния куска железорудного материала t2 можно определить из уравнения:

Откуда толщина размягченного слоя, м:

6 = 2A(fj — t2)/q2, (252)

Где А — коэффициент теплопроводности, ДЖ/(м • с • К).

Как следует из уравнения (252), толщина размягченного слоя при постоянных теплофизических свойствах материала и при постоянных температурах на поверхности плавящегося и нерасплавленного слоев определяется только величиной удельного теплового потока, подведенного к нагреваемому слою: чем больше величина удельного теплового потока, тем меньше толщина размягченного слоя (при постоянном потреб­лении тепла на плавление).

Величина удельного теплового потока на границе плавя­щегося и размягченного слоев зависит от параметров нагре­ва и плавления, а также от толщины слоя плавления, т. е.

305

Or скорости перемещения фронта пяавления. Скорость нагре­ва элементарного плавящегося слоя

V1 = ^1- qjCycn?dS, 1 (253)

Где Cycn — условная теплоемкость плавящегося слоя с уче­том открытой теплоты плавления Сусл = С + [р/^-^)]; К— плотность материала, т/м3; fcp— средняя температура плавящегося слоя; р — скрытая теплота плавления, Дж/кг; С — теплоемкость, Дж/(кг • К). Скорость нагрева оставше­гося нерасплавленного слоя толщиной г

V2 = (2Ф + 2)qj[r - (5 + S)]yC, (254)

Где Ф — коэффициент формы куска (для шара Ф = — у-).

Величина удельного теплового потока, подведенного к нагревающемуся слою (q), обеспечивающая минимальную тол­щину размягченного слоя, достигается при v, = v2. Продол­жительность нагрева куска от начальной O0) до конечной температуры (fK)

T = nC(tK — f0)/(2Ф + 2)q. (255)

С увеличением начальной температуры кусков железоруд­ного материала по приходе его в зону плавления время нагрева сокращается, что приводит к увеличению скорости нагрева. В частности, для железорудных окатышей при темпе­ратуре до 1173 К скорость нагрева нерасплавившегося слоя, т. е. скорость распространения тепла в слое, меньше ско­рости плавления. При 1173 К V1 = V2, а при > 1173 К

V1 > V2.

Таким образом, для того чтобы толщина слоя размягчен­ного материала была минимальной, необходимы большая ско­рость плавления и интенсивный теплообмен между газом и плавящимися кусками железорудного материала. Выполнение этих условий возможно при больших величинах удельного теплового потока и коэффициента теплоотдачи. При q = 100+450 кДж/(м2 • с) толщина размягченного слоя сос­тавляет несколько миллиметров (см. рис. 69). Такой удель­ный тепловой поток и коэффициент теплоотдачи возможен при 306 нагреве восстановительного газа в плазменном генераторе. Относительно небольшое количество газа (в газе отсутст­вует азот) и высокая его температура позволяют при небольшой удельной мощности плазматрона вносить в шахтный реактор большое количество тепла (до 8000кДж/м3 газа).

МЕТАЛЛУРГИЯ ЖЕЛЕЗА — Часть 139

Мощность, кВт….

Расход газа, м3/с. .

Скорость газа, м/с Размер железорудного ока­тыша, мм

10

25

40

2,25

3,75

7,50

3,33

5,06

4,0

380

870

1450

20

20

20

Ниже приведены размеры выплавленной полости, мм, для шахтной печи небольшого объема за время от включения плазматрона, с (числитель — длина, знаменатель— ширина):


76,0/21,3 100,0/33,6 150/40,0 Свод раз­рушился

53,5/31,5 70,0/36,5 92,0/45,5 96,0/54,5

33,5/16,0 52,0/26,0 55,0/31,5 76,5/39,0

Время, с: 20 . , 40 . . 80 . . 160


С увеличением скорости истечения газа возрастает интенсивность теплопередачи от газа к материалу в направ­лении движения струи, что приводит к увеличению скорости плавления и длины выплавленной полости. По мере увеличе­ния длины полости уменьшается скорость ее распростране­ния. Ширина полости увеличивается только до определенной величины.

Движение железорудных материалов в шахтной печи можно представить как истечение сыпучей среды через отверстие, размеры которого соответствуют размерам выплавленной полости. Из механики сыпучих сред известно, что для сво­бодного истечения кусковых материалов требуется опреде­ленное отношение между размерами отверстия (^отв) и мак­симальными размерами кусков (dK). При нарушении этого отношения над выпускным отверстием образуется динамически устойчивый свод. Величина этого отношения зависит от свойств сыпучих материалов (коэффициента внутреннего тре­ния, крупности кусков, их формы и т. д.).

Для железорудных окатышей при круглом отверстии обра­зование устойчивого свода не происходит при величине n = dOTB/dK = 6,5. Для агломерата, куски которого имеют неправильную геометрическую форму и значительно более ше­роховатую поверхность, критическая величина этого отноше­ния равна 9,5. При эллиптической форме отверстия, как это имеет место в присопловой области плазменного генератора, вероятность образования устойчивого свода исключается при проплавке окатышей, если величина отношения a/dK > 6,0 и b/dK> 3,0 (а и Ъ— большая и малая оси эллипса).

Таким образом, через определенный промежуток времени, зависящий от газоэлектрических параметров плазменного ге­нератора, размер выплавленной полости достигает предель­ной величины. При этом, если максимальный размер куска материала не превышает критическое значение отношений (a/dK)K р и (b/dK)K р, то происходит обрушение свода, и очередная порция материалов заполняет выплавленную полость.

При заданном размере куска железорудного материала можно выбрать необходимые газоэлектрические параметры плазменного генератора, которые сохранили бы критические размеры выплавленной полости, обеспечивающие опускание материалов с заданной скоростью. При несоблюдении отноше­ния критической величины отношения размеров выплавленной полостью образуется устойчивый свод, и опускания материа­лов не происходит. Дальнейший нагрев материалов увеличи­вает скорость распространения тепла на высоте слоя, что приводит к его размягчению.

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):

МЕТАЛЛУРГИЯ ЖЕЛЕЗА — Часть 137

Порошкообразный

Уголь

Рнс. 67. Схема процесса "Плаэмасмелт"

Ве сопла, и восстановительный газ с температурой 2300—2800 К смешивается с дутьем непосредственно перед поступлением в печь. Эксперименты на доменной печи с диа­метром горна 0,3 м показали, что расход кокса может быть доведен до 100—150 кг/т чугуна.

Еще более низкий расход кокса может быть получен в процессе, разработанном шведской фирмой SKF ("Плазма — смелт"). Агрегатно этот процесс решен как комбинация шахтной печи и двух последовательно расположенных реакто­ров кипящего слоя (рис. 67). В реакторах кипящего слоя мелкий железорудный материалл (концентрат) восстанавли­вается при 1000—1100К на 50-60% отходящим из шахтной печи газом. Отходящий из реактора кипящего слоя газ, содержащий 10—15 % восстановителей (CO-H2), используется для сушки и подогрева концентрата.

Окончательное восстановление концентрата с получением жидкого чугуна осуществляется в шахтной печи, заполненной коксом. Частично восстановительный концентрат из реактора кипящего слоя вдувается вместе с порошкообразным флюсом и углем в нижнюю часть шахты. Компоненты шихты (частично восстановленный концентрат, флюс и уголь) вдуваются в те

299

Области, куда подается нагретый в плазматронах газ. Довосстановление концентрата идет за счет твердого угле­рода угля, а необходимое тепло для эндотермической реак­ции восстановления оксидов железа, а также тепло для плавления чугуна и шлака вносится плазмаобразующим газом. Газ, образующийся в результате восстановления оксидов же­леза, частично содержит диоксид углерода, который вос­станавливается при прохождении его через коксовую насад­ку. Газ выходит из шахтной печи с температурой 1300—1500 К, после чего охлаждается до температуры 1000-1100 К, очищается от пыли и подается в реакторы кипя­щего слоя и частично— в плазменные генераторы в качестве плазмаобразующего газа. Суммарный расход тепла в описан­ном процессе составляет 11,3 ГДж. Расход угля и кокса — 200 и 50 кг соответственно, электроэнергии 1100 кВт • ч на 1т чугуна.

Имеются предложения по получению жидкого металла в шахтной печи, полностью исключающие использование кокса. В этом случае процесс получения металла становится одно­стадийным, и из-за полного вывода твердого углерода из процесса конечным продуктом являются железо или сталь заданного состава. Схемы таких печей приведены на рис. 68.

Однако при полном исключении кокса из такой печи тре­буются сохранение сыпучести и кусковатости железорудного

Рже. 68. Шахтные печи, оборудование плазменным генератором

Материала до момента его расплавления, чтобы обеспечить фильтрацию газа через столб материала. При установке плазменных генераторов вне шахты, как это показано на рис.69, железорудный материал будет находиться в размяг­ченном состоянии на значительной высоте, в результате чего нарушится фильтрация газа, возрастет подъемная сила газового потока, и столб материалов не будет опускаться. Для того чтобы избежать этого, плазменные генераторы необходимо устанавливать непосредственно в нижней части шахты, аналогично воздушным фурмам на доменной печи.

МЕТАЛЛУРГИЯ ЖЕЛЕЗА — Часть 136

А — с дугой прямого действия; б — с дугой косвенного действия; 1,5 — электроды; 2 — газовая камера; 3 — изоляционная прокладка; 4 — сопло; б — обрабатываемый материал; 7 — ис­точник питания


Электродные электродуговые плазмотроны

1 2 3 4 1 2 А

Рис. 65. Классификация электродуговых плазматронов:

1— газожидкостная стабилизация; 2— магнитная стабилизации 3 — стабилиза­ция дуги степкой; 4 — комбинированная стабилизация дуги


Энергия ох дуги к обрабатываемому материалу передается струей плазмы, нагреваемой столбом дуги. Такого типа плазматроны применяют для обработки неэлектропроводных материалов (напыление, нагрев, химический синтез). В пяазматронах с дугой прямого действия анодом является обрабатываемое изделие, имеющее достаточно большую элект­ропроводность.

Работа плазматронов характеризуется его мощностью, составом, температурой и скоростью плазменной струи, ра­бочим давлением, промышленным к. п.д. (отношение полной мощности струи ко всей потребляемой электрической мощнос­ти) и ресурсом работы. Эти показатели для дуговых плаз­матронов изменяются в следующих пределах: мощность до 20 МВт; температура струи 3000-50000 К; скорость струи на выходе из плазматрона I-IO4 м/с; диапазон рабочего давле­ния IO"3-10 атм, к. п.д. 75+90%; ресурс работы опреде­ляется, главным образом, эрозией электродов и достигает сотен часов. Эрозия электродов происходит из-за тепловых перегрузок и в ряде случаев в результате химического взаимодействия материала электродов с плазмаобразующим газом.

Плазменная технология находит широкое распространение в химии (получение оксида азота, ацетилена, цианистых и фтористых соединений, ционамида кальция, нитридов метал­лов, карбида кремния и др.), цветной и черной металлургии (получение чугуна и стали, переплав, обработка металлов, сварка, резка, наплав и напыление). В черной металлургии особо перспективным является прямое получение железа.

Типы агрегатов для осуществления восстановительных процессов

Плазменные восстановительные процессы и агрегаты для их осуществления должны удовлетворять следующим основным требованиям: высокая единичная мощность агрегата; непре­рывность процесса; возможность переработки как окускован — ного, так и пылевидного железорудного сырья — продукта обогащения; эффективная передача тепла от электрической дуги к перерабатываемому материалу; высокая эффективность использования восстановителя; эффективное разделение металла и шлака; минимальный унос перерабатываемого мате-

297

Риала; piauHOHaflbHoe использование отходящего тепла и вос­становленной способности газа.

Применение плазменной технологии для осуществления восстановительных процессов позволяет создавать легко управляемые агрегаты малых габаритов и металлоемкости и, следовательно, капиталоемкости, с высоким уровнем механи­зации и автоматизации. Благодаря миниатюризации агрегатов снижаются вредные экологические последствия: применение водородсодержащих газов, а в последующем водорода в ка­честве восстановителя снижает вредные выбросы в атмосфе­ру, существенно снижаются расход воды для охлаждения агрегатов. Плазменная технология позволяет создавать малостадийные и даже одностадийные металлургические про­цессы.

В настоящее время имеется много предложений по осу­ществлению плазменных восстановительных процессов. Однако все они находятся в стадии лабораторных или мелкомасштаб­ных полупромышленных исследований. Все агрегаты для вос­становительных процессов можно разделить на противоточные и прямоточные.

К противоточным можно отнести предложение по вдуванию в доменную печь горячего восстановительного газа, полу­чаемого в плазменных генераторах из природного или колош­никового, коксового газов и других видов топлива. Горячий восстановительный газ в этом случае вдувается в доменную печь через сопла типовых устройств для подачи дутья (рис. 66). Плазменный генератор устанавливается на прили-.

Рис. 66. Установка плазменного генератора на сопле устройства для подвода дутья в доменную печь:

1 — плазменный генератор; 2 — воздушная фурма; 3 — футеровка; 4 — сопло

В сушилку для концентрата

МЕТАЛЛУРГИЯ ЖЕЛЕЗА — Часть 135

Различают нетермическую и термическую плазму. В нетер­мической плазме температура свободных электронов гораздо выше средней температуры газа. Термическая плазма харак­теризуется равенством температур всех частиц газа. Полу­чение термической плазмы с температурой до 50000 К воз­можно в электрической дуге, нетермической— в высокочас­тотных и сверхвысокочастотных разрядах. Для термической плазмы применимы законы идеального газа, так как ввидУ 294 высокой температуры плотность частиц в плазме очень мала даже при высоких давлениях.

Температура в столбе электрической дуги колеблется от 4000 до 50000 К в зависимости от условий процесса. Обычно в открытой дуге температура составляет около 4000 К и мо­жет колебаться за счет повышения напряжения (скорости движения электронов) и силы тока (числа электронов). Зна­чительного увеличения температуры в столбе дуги можно достичь путем увеличения частоты столкновений частиц в плазме. Для этого можно использовать тепловые и магнито- гидродинамические эффекты. Сущность теплового эффекта сжатия электрической дуги состоит в ограничении объема плазмы электрической дуги путем охлаждения наружных слоев плазмы. Охлаждение внешней области плазмы снижает иониза­цию в этой области, и ток электрического разряда стремит­ся сконцентрироваться в более горячей центральной части электрической дуги. Это приводит к увеличению плотности тока, а следовательно, к увеличению температуры.

При дальнейшем увеличении плотности тока в дуге перво­степенное значение приобретает эффект магнитного сжатия столба разряда. При магнитном сжатии плазмы шнур дуги отделяется от стенок электродугового устройства, приводя к увеличению плотности тока в центре разряда. Нагрев час­тиц твердого материала при температуре плазмы до IO4K определяется, главным образом, теплопроводностью и кон­векцией. Зная основные свойства плазмы и принципы ее по­лучения, а также основные закономерности электрических дуг, можно обоснованно конструировать плазматроны с заданными электротехническими и теплотехническими пара­метрами.

По методу получения низкотемпературной плазмы плазмен­ные генераторы можно разделить на две группы: генераторы с электродами (электродуговые плазматроны) и безэлектрод­ные (высокочастотные и сверхвысокочастотные). Максималь­ное распространение получили электродуговые плазматроны, работающие на постоянном и переменном токе. Существует Два типа дуговых плазматронов: с дугой прямого и косвен­ного действия (рис. 64). Известно несколько десятков схем дуговых плазматронов, условная классификация которых представлена на рис. 65.

В плазматронах с дугой косвенного действия тепловая

295


Газ

T-;


7

T+)

1 Газ 2 3 U

T

1

Рнс. 64. Принципиальные схемы дуговых плазматронов:

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.

МЕТАЛЛУРГИЯ ЖЕЛЕЗА — Часть 133

Преимуществами процесса Инред являются: быстрая, с вы­соким к. п.д., передача тепла нагреваемым материалам, воз­можность использования сернистых углей с высоким содержа­нием золы и бедных железорудных материалов. Однако это! процесс не исключает двухстадийности при производстве стали, что и является его главным недостатком. 290

К этому же типу процессов, основанных на схеме плавле­ние—восстановление, относятся также процессы восстановле­ния тонкоизмельченных руд или концентратов в высокотемпе­ратурной струе восстановительных газов. Они получили название струйные процессы. В высокотемпературной газо­вой струе мельчайшие рудные частицы быстро плавятся, в результате чего обеспечивается высокая реакционная по­верхность, равномерный подвод восстановителя и тепла в зону реакции и, как следствие, высокая скорость восста­новления.

Руда-известь

Газ первимМ Ioiift

Р«с. 63. Схема струйного процесса (Джет — процесс):

1 — первичная камера сгорания; 2 — вторич­ная камера сгорания; 3 — пылеуловитель; 4 — отводящие каналы; 5 н б — леткн для выпуска шлака и металла; 7 — углеродистый металл; 8 — струя расплавленной н частично восстановительной руды

Углеводороды которого подвергаются конверсии с образова­нием H2 и СО. В струе восстановительных газов расплавлен­ные частицы быстро восстанавливаются (степень металлиза­ции достигает 70 %, остальное FeO).

Струя газа совместно с частицами расплава, содержащего Кидкий металл и невосстановленное FeO, из вторичной каме — Pbi, двигаясь вертикально, поступает в ванну, где завер­шается восстановление FeO растворенным в металле углеро­дом, содержание которого достигает 2—3% (углерод вводит — Ift 291

Наиболее разработанным процессом этого типа является Джет-процесс, схема установки которого представлена на рис. 63. В первичной камере сжигания происходит горение природного газа в воздухе, обогащенном кислородом. В окислительной атмосфере при 1800—2000 0C частицы тонко — измельченного концентрата и флюса плавятся и выносятся вертикальной струей продуктов сгорания газа во вторичную камеру. Сюда также вдувается природный газ (вторичный),

\

Ся непосредственно в ванну или в шихту). Образующийся чу­гун и шлак выпускают периодически.

Этот процесс, благодаря вертикальной направленности струи, позволяет избежать разрушающего воздействия желе­зистых расплавов на футеровку реактора, создает благо­приятные кинетические условия для восстановления, позво­ляет использовать пылевидные железные руды и тонкоизмель — ченные концентраты без предварительного их окускования. В этом его преимущество. Однако он характеризуется низкой степенью использования тепловой и химической энергии га­за, что сопровождается большим удельным расходом природ­ного газа (990—1130 м3/т) и высокими потерями тепла (~ 80 %).

Джет-процесс или подобные ему струйные процессы не требуют больших капитальных затрат, поэтому их можно при­менять для производства небольшого количества металла в литейных и сталеплавильных цехах. Таким образом, до настоящего времени ни один их способов прямого получения жидкого металла не может конкурировать с доменным процес­сом прежде всего по размерам производства. Разработанные способы прямого восстановления не доведены до промышлен­ного внедрения, поэтому данные о капиталовложениях и эксплуатационных расходах не подтверждены практикой.

МЕТАЛЛУРГИЯ ЖЕЛЕЗА — Часть 132

Преимуществом процесса является высокая теплоотдача от факела к ванне, возможность получения металла с низким содержанием Si, Mn и Р. Недостатком — необходимость вне — печной обработки металла с целью его десульфурации.

Аналогичный процесс восстановления железа из расплава растворенным в металле углеродом осуществлен в индукцион­ной печи (рис. 61). Индукционная печь состоит из двух секций Jh 2, которые сообщаются между собой каналами 3. В секции 1 металл науглероживается (до 4 % С) и в резуль­тате электромагнитного перемешивания поступает по каналам в секцию 2, где углерод металла расходуется на восстанов­ление оксидов железа из расплава. Выделяющийся монооксид углерода используется для нагрева и частичного восстанов­ления руды в трубчатой вращающейся печи 5. Регулируя по — Дачу угля в секцию 1, можно получать металл с различным

Рнс. 61. Схема прямого получения металла в индукционной печи (способ ДЕСИ): 1 — секция науглероживания; 2 — секция восстановления; 3 — соединительные каналы; 4 — плунжер; 5 — вращающаяся печь; 6 — сердечник

Содержанием углерода, а изменяя основность шлака в секции 2, регулировать в металле содержание кремния, серы и фос­фора.

Такой способ позволяет получать полупродукт, требуюшии дальнейшего передела, чугун и сталь. В последнем случае плавку предложено проводить в агрегате, имеющем несколько двухсекционных печей, восстановительные ячейки которых сообщаются между собой. 288

Преимуществом такого процесса является возможность его регулирования как в стадии науглероживания, так и на ста­дии восстановления железа из расплава. К недостаткам сле­дует отнести сравнительно невысокую производительность агрегата. Она определяется полезным объемом реакционного пространства, существенно увеличить который при использо­вании индукционного нагрева не представляется возможным, поэтому этот способ применим для производства жидкого ме­талла в небольших масштабах.

10-

289

К рассматриваемым процессам, осуществляемым по схеме плавление—восстановление, относится также способ Инред. Он предназначен для выплавки чугуна из мелкодисперсных железорудных материалов с использованием угля в качестве источника тепла и восстановителя. Процесс осуществляется в одном агрегате, верхняя часть которого (рис. 62) пред­ставляет собой круглую плавильную камеру, а нижняя— ду-

Щлак; 10 — губчатое железо; U — KOKq 12 — конденсатор; 13 — преобразова­ть частоты; 14 — кислородные установки; 15 — кислород; 16 — кислород для Дожигания; 17 — генератор; IS — компрессор; 19 — воздух; 20 — паровая тур­ена; 21 — коидеисат; 22 — циклон; 23 — иа газоочистку; 24 — пар; 25 — бой — jleP; 26 — котел

Говую электропечь с закрытой дугой либо ВЧ — индукционную • электропечь.

В верхнюю камеру сверху по периферии подается концент­рат, уголь и известняк, а по окружности тангениально че­рез фурмы вдувается технический кислород. За счет сгора­ния части угля в камере достигается температура порядка 1900 0C. Происходит плавление и частичное восстановление окислов железа (до FeO). Оставшийся уголь частично кок­суется и вместе с расплавом, содержащим FeO, поступает в нижнюю камеру. Здесь накапливаются чугун и шлак, на по­верхности которых образуются слои кокса и губчатого желе­за, так как расплавленный монооксид железа при контакте с коксом восстанавливается с понижением температуры до 1450 0C с образованием губчатого железа.

Горение угля в верхней камере регулируется таким обра­зом, чтобы получалось достаточное количество кокса для обеспечения процесса восстановления. Образование чугуна происходит при плавлении губчатого железа вокруг электро­дов в дуговой печи, либо за счет нагрева в индукционной электропечи.

Чугун и шлак выпускаются из печи периодически по мере накопления. Содержание углерода в чугуне составляет ~ 3,5 % и зависит от высоты слоя образовавшегося кокса в нижней камере. Содержание Si (~ 1 %) также может регули­роваться высотой слоя кокса и температурой в печи. Около 80 % S, поступающей с концентратом и углем, удаляется в виде SO2 с отходящими газами. Оставшаяся сера распреде­ляется между шлаком и чугуном (коэффициент распределения ~ 25 при содержании железа в шлаке < 1 %). Вместе с серой с отходящими газами удаляются мышьяк, свинец, цинк, щелочные металлы и частично фосфор. Отходящие газы посту­пают в бойлер, в котором вырабатывают пар, используемый в паровой турбине, которая обеспечивает работу компрессора ‘ установки для получения кислорода и электрогенератора плавильной печи.

МЕТАЛЛУРГИЯ ЖЕЛЕЗА — Часть 131

Одностадийные способы, осуществляемые по ^ схеме плавление—восстановление

Процессы этого типа включают предварительное плавление железорудных материалов с последующим восстановлением оксидов железа из расплава. В качестве восстановителя мо­гут быть использованы газы (СО, H2, CH4), твердый угле­род, вдуваемый в расплав, или углерод, растворенный в ме­таллической ванне. Основной предпосылкой для разработки таких процессов являлось стремление увеличить скорость восстановления оксидов железа, а следовательно, и произво­дительность процессов прямого получения жидкого металла. 284

Таблица 30. Основные нокаэателн высокотемпературных восстав овательн ых процессов

Процесс Тип Про- Проиэво — Расход на 1 т продукта шихты дукт дитель — ——-

Ность, угля, газа, кисло — тепла,

Т/(м3Х кг M3 рода, МДж

X сут) M3

Вращающиеся трубчатые печи

Бассе Рудно — Чугун 0,6-0,9 610 360* — 29,31

Уголь — , ная смесь

Штюр- Рудно — То же 0,9-1,3 1500- — - 37,68+41,87

Цель — уголь — 2000

Берг ная смесь

Азинкур Рудно — — " — 0,8 Нет св. Нет св. — Нет св.

Уголь — ная смесь

Вращающийся конвертер

Доред Рудно — Чугун 3-5 490-737 — 415-724 Het св.

7" уголь­ная »’ смесь

Отражательная печь

KIUC Рудно — Сталь 3-5*" 432 279 122 22,4

Уголь- полупро — 319 кг

Ные дукт мазута окатыши

М> *Мазут, кг/т. **Общнй расход угля на восстановление и отопление печи.

Производительность, т/(м* • сут).

Однако сложность технологической разработки процессов такого типа, отсутствие огнеупорных материалов, способных надежно работать при воздействии на них агрессивных желе­зистых шлаков, сдерживают до настоящего времени их опро­бование в промышленных условиях. Большинство предложенных процессов опробованы лишь в лабораторных установках.

В 50-е годы в США и нашей стране одновременно были проведены полупромышленные эксперименты по осуществлению процессов, заключающихся в последовательном расплавлении руды и восстановлении оксидов железа и других металлов из рудного или рудно-флюсового расплава вдуваемым твердым Углеродом.

В результате недостаточно интенсивного подвода тепла в зону реакции восстановление сопровождалось резким вспени­ванием расплава и снижением скорости восстановительного процесса особенно на заключительной стадии, когда содер­жание FeO в расплаве достигало уровня < 10 %. Последнее объясняется низкой скоростью подвода реагентов в зону реакции.

В Швеции опробован на опытном реакторе процесс, осно­ванный на восстановлении оксидов железа из расплава углеродом, растворенным в металлической ванне (рис. 60).

Рнс. 60. Схема реактора для восстановле­ния жидких оксидов железа растворенным в металле углеродом:

J — питатель с быстровращающимся диском; 2 — зона горения; 3 — отходящие газы; 4 — водоохлаждаемые сопла для подачи ма­зута или газа; 5 — кислородные фурмы

В качестве топлива-восстановителя можно применять природ­ный газ, тонкоизмельченный уголь или мазут, которые непрерывно вдувают в ванну. Здесь происходит их разложе­ние, образующийся углерод усваивается металлом, за счет чего содержание углерода в нем поддерживается на уровне 3,5 %. Выделяющийся водород, барботируя через расплав, перемешивает его и также участвует в восстановлении. Однако в основном восстановление оксидов железа из расп­лава осуществляется прямым путем за счет углерода ванны.

Таким образом, процесс основывается на одновременном протекании реакций: ^, и,:*..¦ ^ , ¦< п

Ctb = [Cl; 286

Fe О = (Fe О ); га Ayg тп п

(FemOn) + «[С] = ZnFejic + «СО.

Монооксид углерода, образующийся при восстановлении, и водород от разложения вдуваемого топлива дожигается непосредственно над ванной в токе кислорода. Кислород вдувают так, чтобы зона высоких температур (~ 2500 0C) была расположена возможно ближе к поверхности ванны, тем­пература которой составляет ~ 1350 0C. Отходящие от реак­тора газы содержат в основном CO2, их температура дости­гает 1500 0C. Благодаря окислительной атмосфере над ван­ной восстановление Si, Mn и P не происходит.

Загрузка концентрата в реактор осуществляется спе­циальным питателем с быстро вращающимся диском. С его по­мощью концентрат отбрасывается к стенкам реактора, где направление его потока изменяется с горизонтального на вертикальный. В результате вдоль стен по окружности реак­тора образуется вертикальный поток концентрата, отделяю­щий огнеупорную кладку от внутренней высокотемпературной зоны. В связи с этим температура футеровки не превышает температуры нагреваемого концентрата. В потоке концентрат нагревается и плавится прежде, чем достигает ванны. Ме­талл и шлак выпускают из реактора в виде эмульсии, так как в условиях интенсивного кипения ванны их разделение в реакторе невозможно.