Статьи | Металлолом — Part 71

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.

Для получения рудно-топливных окатышей можно использо­вать тонкоизмельченные рудные материалы (руда, концент­рат, окалина) в количестве 72-76 %, а также твердые восстановители (уголь, антрацит, полукокс и кокс)- 20—22 %. В качестве связующего — каменно-угольный пек в количестве 4—5 % от всей массы шихты. На грануляторе получают сырые окатыши размером 20—30 мм, которые затем подвергают сушке при 100—250 0C в течение 5—8 ч.

Подготовительные окатыши непрерывно загружают в печь на поверхность расплавленного шлака (1500-1650 0C). Ока­тыши, имеющие объемную массу 2,44—2,48 г/см3, частично погружаются в толщу шлака, где происходит их восстановле­ние, которое практически завершается к моменту расплавле – 282

Рис. 59. Схема процесса «КШС и варианты подачи рудно – топливных окускованных ма­териалов в факел через то­рец печи (а) и в шлак через рабочие оква печи (ff): 1 — факел; 2 — восстанови­тельный газ (СО); 3 — шлак; 4 — металл; 5 — металлизо – ванные корольки

Ния окатышей. Восстановленные окатыши постепенно плавят­ся, и жидкий металл осаждается из шлака.

Образующийся газ, состоящий из СО и летучих компонен­тов топлива, вспенивает шлак, что улучшает теплопередачу в системе газ—шлак-металл. Суммарный коэффициент тепло­передачи в 3,5—4 раза выше, чем для мартеновского процес­са. Восстановительные газы создают непосредственно над поверхностью слоя защитную атмосферу и предохраняют вос­становленное железо от окисления.

Дожигание монооксида углерода над кипящим шлаком повы­шает общую эффективность использования углерода в качест­ве восстановителя и энергоносителя. Отопление печи осу­ществляется сжиганием в ее рабочем пространстве мазута Или газа, а также дожиганием выделяющегося газа. В таком процессе обеспечивается высокая скорость и степень вос­становления, а наличие основных шлаков (основность 1,8) Позволяет осуществить селективное восстановление железа и Получить металл с содержанием углерода 0,03-1,35 %. Сте­пень извлечения железа составляет ~ 90 %, содержание же­леза в шлаке 10-12%.

Процесс КШС можно осуществлять по различным схемам: в одной качающейся отражательной печи, где накопленный в ванне металл в последующем доводится до марочной стали и частично выпускается (монопроцесс), либо в отражательной печи получают жидкий полупродукт с контролируемым содер­жанием углерода, а доводка металла проводится в электро­печи (двухстадийный процесс). Во втором случае операции) перелива полупродукта в электропечь можно сопровождать десульфурацией металла синтетическими шлаками. Удельная производительность процесса КШС составляет

3,2—4,9 т/(м2 • сут), а при использовании кислорода (270-400 м3/т) она возрастает до 4,5-5,5 т/(м2 • сут).

Преимуществом процесса КШС является возможность непре­рывного контроля и регулирования технологических парамет­ров и получения металла с низким содержанием Si; Mn; Р, примесей цветных металлов и газов. Недостатком процесса является повышенное содержание серы в получаемом продукте (0,058-0,076%), что требует дополнительной обработки ме­талла с целью его десульфурации, а также большие потери железа со шлаком. Аналогичные процессы разрабатываются во многих странах.

Они обладают рядом преимуществ по сравнению с ранее рассмотренными процессами. Для сравнения в табл. 30 при­ведены основные показатели процессов, осуществляемых в трубчатых вращающихся печах, во вращающемся конвертере и отражательных печах. Как следует, в агрегатах последнего типа восстановление протекает с большей скоростью при меньших затратах угля, топлива и кислорода.

279

Вых электропечах. Можно выделить два принципиально воз­можных варианта организации таких процессов.

Первый заключается в погружении электродов в слой шла­ка, над которым расположен слой рудно-угольной смеси (рис. 57, а). При этом в слое шлака выделяется тепло и образуются газы (СО), которые вспенивают шлак, уровень его повышается, и в шлак вовлекаются частицы рудно – угольного слоя. В результате образуется угольно-шлаковый кипящий слой (рис. 57, б), представляющий собой гетеро­генную систему, состоящую из частиц шлака, угля, плавящей руды, восстановленного железа и пузырьков газа.

Второй вариант (рис. 57, в) состоит в погружении электродов в рудно-угольный слой, расположенный над слоем шлака. В этом случае тепло и газы выделяются в слое ших­ты, в результате чего образуется угольно-рудный кипящий слой. Примером исполнения процесса по первому варианту

Рже. 57. Схема процесса восстановления руд твердым углеродом в печах сопротивления:

А, б — угольно-шлаковый кипящий слой; е — угольно-рудный кипящий слой; 1 – шлак; 2 — металл; 3 — рудно-угольная смесь; 4 — угольно-шлаковый кипящий слой; 5 — угольно-рудный кипящий слой

Является способ Любатти, схема которого представлена на рис. 58.

Печь оборудована шестью подвижными электродами и устройством для подачи измельченной рудно-угольной смеси. Электроды полностью погружены в слой шлака, но не сопри­касаются с ванной металла и загружаемой шихтой. Это предохраняет электроды от разрушения. Шихта, загружаемая на слой шлака, нагревается последним, а также отходящим газом. В слое шихты последовательно протекают процессы нагрева, разложения гидратов и карбонатов, восстановления оксидов железа твердым углеродом и восстановительным га­зом.

Восстанавливаемая шихта постепенно опускается в Pe*

Рже. 58. Печь сопротивления Любатти:

1- футерованная чаша; 2- кожух; J – смеситель шихты; 4- питатель; 5- графитовые электроды; 6 – трансформатор; 7 – медные водоохлаждаемые элект – рододержатели; 8 — колпак вытяжного устройства

Зультате ее плавления в высокотемпературной зоне, грани­чащей со слоем шлака. Образующиеся капли металла проходят через слой шлака и накапливаются на подине печи.

Преимуществом способа Любатти является возможность по­лучения металла с низким содержанием серы (0,01—0,03 %), благодаря интенсивному ее удалению во время нагрева, а также возможности десульфурации при прохождении капель металла через слой шлака. В этом процессе можно получать жидкий полупродукт, содержащий 1,3-2,8 % С. Регулируя тепловой и шлаковый режимы плавки, можно обеспечить се­лективное извлечение железа при незначительном восстанов­лении и переходе в металл Si, Mn и Р.

Недостатком процесса является отсутствие необходимых условий для дожигания выделяющегося при восстановлении газа, утилизации его тепла, высокий расход электроэнергии (2200-3225 кВт • ч/т в зависимости от условий плавки).

Процесс по второму варианту с погружением электродов не в шлак, а в рудно-угольную смесь осуществлен в лабо­раторных условиях. Опыты показали, что благодаря выделяю­щемуся газу в слое рудно-угольной смеси происходит интенсивное перемешивание частиц этого слоя, что обеспе­чивает быстрый его нагрев, выравнивание температур в объеме слоя, облегчается подвод тепла к различным реак­ционным участкам. Процесс характеризуется высокой произ­водительностью и значительным колебанием состава получае­мого жидкого металла (содержание углерода изменяется от 0,5 до 0,4 %). Известны и другие предположения по осу­ществлению подобных процессов, которые, однако, не вышли из стадии лабораторного опробования.

Все рассмотренные процессы, основанные на использова­нии рудно-угольных смесей, имеют общий недостаток – в разных участках слоя практически невозможно обеспечить одинаковое соотношение частиц руды и твердого восстанови­теля. Это приводит к неравномерности развития восстанови­тельного процесса в объеме слоя и, соответственно, тре­бует подвода разного количества тепла. Осуществить это в реальных условиях не представляется возможным.

Задача облегчается при использовании рудно-топливных окускованных материалов, в которых при соответствующей подготовке содержание окбидов железа и твердого углерода в объеме практически одинаковое.

В этом случае потребление тепла при развитии эндотер­мических реакций прямого восстановления будет локализо­ваться объемами рудно-топливных окатышей или брикетов. Причем подводимое тепло будет обеспечивать развитие реак­ций прямого восстановления уже при таких температурах, которые значительно ниже температур плавления руды и золы топлива. В связи с этим особый интерес представляют одно­стадийные высокотемпературные процессы прямого получения жидкого металла, основанные на использовании рудно – угольных окатышей или брикетов. Такой процесс предложен в нашей стране и осуществлен в качающейся отражательной регенеративной печи с кипящим шлаковым слоем. Он получил название КШС-процесс (рис. 59).

Преимуществом Доред-процесса является возможность ре­гулирования содержания в чугуне Si; Mn; P путем изменения температуры и состава основного шлака. Удельная произво­дительность Доред-процесса в 3—4 раза превышает произво­дительность трубчатых вращающихся печей для получения чу­гуна.

К недостаткам следует отнести высокое содержание серы в чугуне (до 0,2 %\ переходящей из топлива, что требует дополнительной десульфурации чугуна вне печи, а также относительно большие потери железа со шлаком (3—5 %) и необходимость использования в большом количестве (420-720 м3/т чугуна) технического кислорода. Замена кис­лорода воздухом не допускается, так как потребность про­цесса в тепле покрывается только путем дожигания СО.

Восстановление рудно-угольных смесей может осуществ­ляться также в агрегатах циклонного типа (процесс циклосталь). Схема такого процесса представлена на рис. 56. Тонкоизмельченная руда, известь и уголь танген­циально вдуваются в верхнюю часть циклона струей нагрето­го рециркулирующего восстановительного газа и кислорода – Также тангенциально в нижнюю часть циклона дополнительно 278

Рас. 55. Схема вращающегося конвертера для производства. Ajyiyua процессом Доред:

1 — смесь руды и угля; 2 — кислород; 3 — отходящие газы; 4 — горение оксида углерода; 5 — реакционный слой (шлак); б — чугун

Рже. 56. Схема процесса Циклосталь:

1 — реактор с кипящим слоем; 2 — циклон; 3 — плавильный горн, камера осаж­дения; 4 — газовая горелка; 5 — вспомогательная горелка

Вводится кислород или воздух в количестве, обеспечивающем неполное горение твердого топлива (до СО). При этом создаются условия для восстановления железной руды в цик­лоне.

Для предварительного подогрева руды и флюса может при­меняться реактор с кипящим слоем с использованием газа, отходящего из циклона и плавильного горна. Мелкие частицы руды, восстанавливаясь, расплавляются, капли чугуна и шлака, укрупняясь, выпадают из столба газа и собираются в плавильном горне.

Преимуществом циклонных процессов является возможность применения пылеватых руд и концентратов, достижения высо­кой производительности агрегата. Недостатком — сложность регулировки температурного режима в различных участках объема циклона, что может сопровождаться преждевременным плавлением частиц железорудного материала, образованием Железистых шлаков, снижающих срок службы огнеупоров цик­лона и плавильного горна. Одностадийные процессы, проте­кающие по схеме восстановление—плавление с применением РУдно-угольных смесей, могут осуществляться также в дуго-

,4 ^Горнчие

Газы

Уголь, кислород, газ

Воздух^ кислород

Руда CO2