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.