Страница 2 из 15«12345…10…»Последняя »
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).
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.
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):
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.
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
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:
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.
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.
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.
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.