Современный человек привык пользоваться железом ежедневно, и можно сказать уже не представляет своей жизни без этого металла. Однако мало кто знает, какой путь должен пройти этот металл, что бы предстать перед человеком в привычном для нас виде.
Чистый вид
В чистом виде найти железо – невозможно. Еще миллионы лет назад, когда мельчайшие организмы начали выделять кислород, как продукты своей жизнедеятельности железо исчезло, а точнее окислилось и превратилось в руду. А вот железная руда – этот элемент и является главным для того, что бы получить железо.
Как это сделать?
Continue reading “Металлургия”
Парциального давления СО станет в y^ M /М = 1,25 раза
CO2 со
[7] [Hfнв/(COkohb + COfHB)](CO +CO2 + А)
100
[8]Паншиее Н. В. Разработка технологии термической обработки спеканШ агломерационной шихты в вакуумио-дутьевом режиме: Автореф. дис. канд. техИ наук. — M., 1979. — 24 с.
[9] + (afR/5X)
[10] -/1399,7 -/550 16,5/- 1966,2/100,0 ———————————————————— _____—
201
Жания H2O в газе 2,5 %: (504,9-ЛГ)/1995,8 = 0,025; X = 467 нм3/т.
Составим балансовые уравнения.
1528,5 – (X + Y) = 550 + 434 + 10 + 3 + 7 + 12,5;
218,9 – (X + 0Д43У) = (550 + 434 + 10 + 3 + 7)С02об-г,
Где 1528,5 – количество газа после газоочистки, нм3; 550 – количество оборотного газа на охлаждение, нм3; 434— количество оборотного газа на смешение, нм3; 10- количество оборотного газа, подаваемого на фурмы, нм3; 3 И 7 — потери газа при сбросе и очистке, нм3; 218,9 — количество CO2 в газе после газоочистки, нм3; CO2O6Ir– содержание CO2 в оборотном газе после МЭА-очистки, % (1,5%); 12,5- количество H2O оборотного газа, удаляемоГо при компрессии (33 %), нм3; X = 151 нм3/т (МЭА – очистка); У = 371нм3/т (сброс) (табл.20).
Тепловой баланс зоны восстановления (на 1 т металлизованных окатышей) (табл. 21). Приход тепла:
А) С окисленными окатышами: 1390 • 20 • 0,17 = = 4726 ккал (19755 кДж), где 0,17- теплоемкость окисленНых окатышей, ккал/(кг • °С);
Б) с газом из зоны охлаждения: 550 • 750 • 0,3260 = = 134475 ккал (562106 кДж);
204
Рис. 74. Схема нагрева дутья прн использовании тепла атомного реактора: 1— атомный реактор; 2— циркуляционный контур гелия; 3 — теплообменный гелий – жидкий свинец; 4 — циркуляционный контур жидкого свинца; 5 — теплообменный «свинец—воздух»; 6 — нагретый воздух; 7 — доменная печь
При вдувании в доменную печь горячих восстановительных газов, полученных из природного газа путем паровой или углекислотной конверсии, тепло атомного реактора используется для нагрева реформера и конвертированного газа.
Тепло атомных реакторов, работающих с высокой температурой охлаждающей среды, видимо, можно будет использовать также при агломерации железных руд, производстве окатышей и при коксовании угля.
38
Достигает равновесного состава. В этом случае скорость восстановления зависит только от скорости диффузии газа в порах.
[1]Рыжонков ДМ. Механизм и кинетика восстановительных процессов в слоевых и дисперсных окисных системах: Автореф. дис. д-ра техн. наук. M., 1977, 25 с.
ГМороз В. Ф. Физико-химические свойства и поведение в различных темперз – турно-газовых условиях окислов железа и твердых растворов на их основа Авторефдис. каид. техи. иаук. — Д непропетровск, 1979. — 24 с.
[3]KaKaeandu М. Р. Закономерности массопереноса в углеродистых материалах с
Различной пористой структурой и некоторые особенности кинетики окисления их углекислым газом: Автореф. каид. техн. наук. Л., 1979. 24 с.
[5]IIepmeee Д. И. Исследование влияния повышенного давления газовой фазы на кинетику и механизм спекания железорудных и рудоугольных окатышей: Антореф. дис. канд. техя. наук. M., 1980.
Рых имеются более мелкие поры, обладающие большой поверхностью. В агломератах обоих типов основная доля поверхности образовывалась из пор радиусом менее 100 нм.
Результаты исследований представлены в табл. 7, которые подтверждают принципиально разное влияние водорода на агломераты с различной физической структурой. При восстановлении агломерата Б действие добавок водорода во много раз больше, чем при восстановлении агломерата А. Например, скорость восстановления агломерата Б смесью с 49,5 % H2 в 2,4 раза больше, чем чистым оксидом углерода, в то время как для агломерата А эта величина равна 1,08. Ускоряющее влияние водорода для агломерата А примерно пропорционально его концентрации, для агломерата Б первые порции водорода влияют значительно более эффективно, чем последующие. Например, смесь с 0,7 % H2 восстанавливает агломерат Б в 1,2 раза скорее, чем чистый оксид углерода, т. е. в присутствии водорода ускоряется восстановление с СО.
При молярном течении компоненты газовой смеси диффундируют независимо друг от друга со скоростями, обратно пропорциональными квадратному корню из величин молярных масс, поэтому при прочих равных условиях в смеси двух газов (СО и CO2 или H2 и H2O) молекулы восстановителя диффундируют в поры скорее, чем газообразные продукты реакции в обратном направлении. В результате этого абсолютное давление в порах растет до тех пор, пока градиент
Первичным видом энергии атомного реактора является тепловая энергия, которая выделяется в результате расщепления ядер. Вторичная энергия — электрическая получается преобразованием тепла, выделяющегося в реакторе. Преобразование осуществляется при помощи охлаждающей среды и сопровождается потерями энергии (до 60 %).
В черной металлургии для комбинированного производства тепла и электроэнергии должны найти применение высокотемпературные газоохлаждаемые атомные реакторы. В качестве охладителя в таких реакторах используется гелий, конечная температура которого на выходе из реактора достигает 1050—1200 К. Повышение ее в промышленных реакторах до 1300-1500 К вполне осуществимо в ближайшие годы.
Тепло охладителя можно использовать для конверсии углеводородсодержащего топлива, нагретые продукты которой необходимы как для внедоменного восстановления железных руд с получением губчатого железа или металлизации железорудных окатышей и агломерата, так и для жидкофазного восстановления железных руд. Электрическая энергия при этом будет потребляться в первом случае для проплавки губчатого железа или металлизованных окатышей и агломерата в электрических печах, а во втором случае для питания плазменных генераторов.
На рис. 73 показана схема процесса прямого получения стали с использованием тепловой энергии атомного реактора для получения губчатого железа и электрической энергии — для переплава губчатого железа в электрической печи.
Рас. 73. Схемы прямого получения стали с использованием тепла и электроэнергии атомного реактора:
Гелий1200″С Руда
Воссгпано витель
Природный газ
Т-
1 — атомный реактор (остальные обозначения в тексте)
Гелий в теплообменнике 2 нагревается до ISOO К и поступает для обогрева агрегата 3, где железорудный материал восстанавливается, и реформера 4, где конвертируется углеводородсодержащее топливо. Нагретый восстановительный газ подается в агрегат для металлизации железорудного материала 3. Охлажденный до 1200 К гелий вращает газовую турбину 7 и генератор 6, и, охлаждаясь до 600 К, снова поступает в теплообменник 2. Металлизованный железорудный материал переплавляется в сталь в электропечи 5, которая питается от генератора 6.
Возможно использование отводящего тепла атомного реактора и в случае внедоменного получения железа с применением твердого восстановителя. В такой установке получение восстановительного газа из твердого топлива и восстановление железорудных материалов происходит в одном агрегате. Охладителем атомного ректора в этом случае также слу – 318 жит гелий. Гелий выходит из атомного реактора с температурой 1500 К и поступает в гелиевосвинцовый теплообменник, в котором жидкий свинец нагревается до 1300 К. Из теплообменника жидкий свинец поступает в восстановительный агрегат, в который загружается железорудный материал и твердое топливо. Из восстановительного агрегата жидкий свинец выходит с температурой 1100 К и снова направляется в теплообменник. Охлажденный в теплообменнике гелий поступает в газовую турбину, служащую приводом электрогенератора и гелиевых компрессоров, а затем в холодильник, и направляется в атомный реактор в качестве охлаждающей среды. Полученное в восстановительном агрегате губчатое железо переплавляется в сталь.
Разработано несколько способов использования тепла атомных реакторов в доменном производстве. Для нагрева дутья можно использовать тепло атомного реактора с промежуточным теплообменным контуром (рис. 74). При этом охлаждающей средой атомного реактора служит гелий, покидающий реактор нагретым до 1500 К. Из реактора гелий поступает в промежуточный теплообменник 3, где нагревает жидкий свинец, и снова возвращается в реактор 1. Нагретый жидкий свинец направляется во второй теплообменник 5, где он нагревает воздух, поступающий в доменную печь. Охлажденный свинец поступает в первый теплообменник 3.
При одновременном вдувании нагретого восстановительного газа в фурмы, расположенные на горизонтах Ф1 и Ф2, на участке между ними создается изотермическая зона с заданной температурой, размер которой определяется взаимным расположением фурм, количеством и температурой подаваемого через них газа. Газ, подаваемый через фурмы Фг, обеспечивает нагрев железорудного материала от начальной до критической температуры (t™) (рис. 75, кривая 2), а через фурмы Ф1 компенсирует потери тепла через кожух шахты и поддерживает постоянную температуру шихты от уровня фурм Фг до зоны плавления. Условия теплообмена при подводе горячего восстановительного газа одновременно через фурмы Ф1 и Фг являются предпочтительными. При одновременном вдувании газа через оба ряда фурм достигаются оптимальные условия для протекания восстановительных процессов до начала плавления железорудных материалов.
Таким образом, для обеспечения максимальной степени восстановления в шахтной плазменной печи нагретый восстановительный газ должен истекать из плазменных генераторов и двух рядов фурм. Общая высота печи
Я = h + A1 + Л2, м, (268)
Где Л — расстояние от оси плазменных генераторов до первого ряда фурм; Л, — расстояние от первого до второго рядов фурм; Л2 — расстояние от второго ряда фурм до верха шахты.
Горизонт расположения первого ряда фурм определяется достижением железорудными материалами критической температуры. При плавке железорудных окатышей расстояние от плазматронов до первого ряда фурм составляет 350—400 мм. Расстояние между первым и вторым рядами фурм определяется линейной скоростью движения железорудных материалов (и) и временем нахождения материалов в объеме шахты между рядами фурм (т). Время нахождения материалов между рядами фурм зависит от крупности и восстановимости железорудного материала его металлизации при нагреве до критической температуры. Для агломерата и окатышей различной крупности и минералогического состава оно определено и имеется в литературе.
Расстояние от второго ряда фурм до верха шахты опреде – 316 ляется линейной скоростью движения материалов и временем нагрева материалов от начальной до критической температуры.
J ‘KPj ‘ s. ws.:–..’
– —J C„y„(l – е) ,
– аК^м/^г) – 1] !
Где (кр, tr — температура железорудного материала и средняя температура газа на уровне фурм второго ряда, °С; а — коэффициент теплопередачи, Дж/(мг • с • К); Cm — теплоемкость железорудного материала, кДж/(кг • К); – насыпная плотность материала, кг/м3; е— порозность слоя материалов; Wm и Wr – теплоемкость потоков материала и газа, кДж/(с • К).
§19. применение атомной энергии в металлургии
В последние годы все большее внимание уделяется проблеме использования атомной энергии в черной металлургии.
В 1985 г. электрическая мощность атомных реакторов во всем мире достигала 250 млн. кВт, а к 2000 г. атомные электростанции будут вырабатывать >20% мирового производства электроэнергии. Применение атомной энергии в черной металлургии представит большую свободу выбора места строительства металлургического завода и сократит транспортные издержки по перевозке топлива.
Рже. 72. Изменение температуры газа по высоте шахты при работе плазменных генераторов, одновременной подаче горячего газа через фурмы Ф, н Ф2: 1 — при работе только плазменных генераторов (остальные обозначения в тексте)
Высоте шахты при подаче
FM fH 1IKf,) 1M
Газовые потоки, истекающие из плазменных генераторов и фурм Wm температура материала в результате теплообмена достигнет температуры теплоносителя, и газ будет уходить из реактора с высокой температурой. Если температура газа выше температуры плавления материала, то материал начинает плавится на уровне фурм Ф„ что приведет к увеличению толщины слоя размягчения материалов, и движение материалов прекратится (рис. 72, а, кривая 3), если же температура газового потока меньше критической температуры нагрева материала, то в этом случае температура шихты после теплообмена будет ниже, чем это позволяют условия движения материалов. При подводе дополнительного количества высоконагретого восстановительного газа через фурмы Фоптимальные. условия теплообмена будут в случае, когда температура газового потока равна f?p (рис. 72, а, кривая 4).
Однако при подводе горного газа через фурмы Ф2> в любом рассмотренном случае не обеспечиваются необходимые условия тепломассопереноса, так как на значительном участке высоты шахты температура материалов низкая, и процессы восстановления при такой температуре идут медленно. При вдувании нагретого восстановительного газа через фурмы Ф2, расположенные на расстоянии h от оси плазматронов, характер изменения температуры показывает, что в слое шихты высоты Ii2 образуется зона интенсивного теплообмена (рис. 74, б, кривая 2). В зависимости от соотношения теплоемкостей потоков материала и газа (после его смешения с газом, вытекающим из плазменных генераторов) температура материала, выходящего из области интенсивного теплообмена, может быть различной. При изменении высоты установки этого ряда фурм возможно добиться получения заданной температуры материалов.
Допустим, что материал, пройдя участок шахты высотой h2, нагрелся до критической температуры ^p Опускаясь ниже, он будет охлаждаться газом, истекающим из плазменных генераторов. На участке высоты шахты hv материал будет недостаточно нагрет, и скорость восстановления будет недостаточной (рис. 74, б, кривая 3). Для повышения температуры в шихте необходимо увеличить высоту h2 за счет уменьшения высоты A1, либо увеличения общей высоты шахты. Распределение температур в шахте для этого случая представлено на рис. 74, б, кривая 4.
I = ISJ S или I = G/SWkp. (266)
Диаметр верхней части шахты должен быть определен из условия, при котором не превышается критическая скорость газа в верхней части шахты. Диаметр верхней части шахты находится из уравнения
4G’/itW’KP, м, (267)
Где Wkр – критическая скорость газа на свободном сечении в верхней части шахты, м/с; G’ – количество газа, проходящего через верхнюю часть шахты с учетом температуры газа, M3Zc.
Угол наклона шахты определяется из соотношения диаметров и высоты шахты. Ниже приведены результаты расчетов горизонтальных размеров шахтного плазменного реактора для прямого получения железа:
Производительность, т/сут. . 2000 3000 4000 5000 Оптимальное число плазменных генераторов при заданной форме зон
TOC \o «1-3» \h \z плавления…………………………………………………… 16 16 16 16
Мощность одного плазменного генератора, МВт 2,45 3,68 4,90 , 6,13
Расход газов (природный газ и кислород) через одни плазменный
Генератор, м3/ч …………………………………………. 391,7 587,5 783,3 972,2
Длина зон плавления, м…. 0,65 0,79 0,92 1,02 Ширина зон плавления, м… 0,32 0,40 0,46 0,51 Диаметр нижней части шахты на уровне установки плазменных генераторов, м 2,38 2,90 3,35 3,75
Диаметр верхней части, м… 2,19 2,69 3,10 3,46
В расчете принято: работа реактора на железорудных окатышах размером 5-20 мм; температура окатышей, приходящих в зону плавления, 850 0C: степень использования газа, тепловые потери реактора, к. п.д. плазматронов 40, 20 и 75 % соответственно; критическая скорость фильтрации газа через верхнюю часть шахты 56,9 м/с, нижнюю – 87,7 м/с; плотность газа соответственно 0,22 и 0,091 кг/м3.
Особенности теплообмена в шахтных плазменных печах, вызванные большими удельными тепловыми потоками, интенсивной теплопередачей от газа к материалу в зонах плавлениях и большой скоростью плавления, приводит к резкому снижению температур по высоте шахты. Это обусловливает минимальные размеры зоны, в которой железорудные материалы находятся в размягченном состоянии, но, с другой стороны, приводит к тому, что в значительной по высоте части шахты температура относительно низкая.
В шахте должен быть выполнен основной объем восстановительной работы, что становится невозможным из-за малого времени пребывания материалов в шахте до момента их плавления и относительно низкой их температуры. Для увеличения скорости восстановления необходимо повысить температуру в шахте, на горизонтах, находящихся выше области плавления. Температура в шахте может быть повышена подачей в нее горячего восстановительного газа.
На рис. 72 показано изменение температуры газа по
Горячего восстановительного газа на различных* горизонтах. При вдувании газа через фурмы V2 при неизменной температуре центра куска, равной начальной температуре. В момент плавления температура поверхности равна температуре плавления fnjI. Тогда перепад температур между поверхностью и центром куска будет
M1 = f„л ~ f„- (257)
Зная размер куска железорудного материала (г— радиус) и теплофизические свойства, можно определить удельный тепловой поток (qKP), который обеспечивает перепад температур Af,
QKP = IKLtJr = 2Лапл – g/r, (258)
Где Л — коэффициент теплопроводности железорудного материала, Дж/(м • с • К).
Тепловой поток < qKP не сможет обеспечить нужного распределения температур в куске. Толщина куска, на которой Af2 = tnn — fpa3M, при qKP представляет собой максимально допустимую толщину размягченного слоя, т. е.
5КР = IKLtJqyx, м. (259)
В зону плавления необходимо подвести такое количество тепла, чтобы даже при образовании выплавленной полости у сопла плазматрона с максимальной поверхностью удельный тепловой поток не был меньше qKP. Площадь поверхности выплавленной полости F = nn2d^ (dK – максимальный диаметр куска железорудных материалов). Подставив значения F и qKP в выражение (256), получили
TOC \o «1-3» \h \z Q1 = [2А(ГПЛ – fи)/г]ппЧ>, Дж/с. (260)
Потери тепла Qnox = Свп»в(‘! – fg) + InrCjtr + ч.
+ i(s/A)Va/a/’ Дж/С> (261)
Где Cb и Cr – теплоемкости воды и колошйикояого газа; 308 газа; fj и fg – начальная и конечная температура охлаждающей воды; tr – температура колошникового газа; f, и t2 7- температура внутренней и наружной поверхности огнеупорной кладки; 5 — толщина слоев материала, через которые теряется тепло; А — коэффициент теплопроводности футеровки и кожуха; а — коэффициент теплопроводности при естественной конвекции; / — площадь поверхности, через которую теряется тепло.
Таким образом, минимальное количество тепла, необходимое на процесс, »