Новые процессы получения металла (металлургия железа)

Листать книгу

Страницы: ... ... ... ... ... ... ... ... ...

скачать книгу Новые процессы получения металла (металлургия железа)

Рас. 59. Схема процесса "КШС и варианты подачи рудно-топливных окускованных материалов в факел через торец печи (а) и в шлак через рабочие оква печи (б):
...
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
...
Рас. 59. Схема процесса "КШС и варианты подачи рудно-топливных окускованных материалов в факел через торец печи (а) и в шлак через рабочие оква печи (б):
...
59. Схема процесса "КШС и варианты подачи рудно-топливных окускованных материалов в факел через торец печи (а) и в шлак через рабочие оква печи
...
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 операцию перелива полупродукта в электропечь можно сопровождать десульфурацией металла синтетическими шлаками. Удельная производительность
...
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
...
Процессы этого типа включают предварительное плавление железорудных материалов с последующим восстановлением оксидов железа из расплава. В качестве восстановителя могут быть использованы газы (СО, Н2, СН4), 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
...
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 операцию перелива полупродукта в электропечь можно сопровождать десульфурацией металла синтетическими шлаками. Удельная производительность
...
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).
...
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.
...
Рас. 60. Схема реактора для восстановления жидких оксидов железа растворенным в металле углеродом:
...
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°С) была расположена возможно ближе к поверхности ванны, температура которой составляет ~ 1350 °С. Отходящие от реактора газы содержат в основном С02, их температура достигает 1500 °С. Благодаря окислительной атмосфере над ванной восстановление Si, Мп и Р 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.
...
Преимуществом процесса является высокая теплоотдача от факела к ванне, возможность получения металла с низким содержанием Si,
...
Аналогичный процесс восстановления железа из расплава растворенным в металле углеродом осуществлен в индукционной печи (рис. 61). Индукционная печь состоит из двух секций J и 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 подачу угля в секцию 1, можно получать металл с различным
...
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.
...
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-
...
Рнс. 61. Схема прямого получения металла в индукционной печи (способ ДЕСИ): 1 - секция науглероживания; 2 - секция восстановления; 3 - соединительные каналы; 4—
...
содержанием углерода, а изменяя основность шлака в секции 2, регулировать в металле содержание кремния, серы и фосфора.
...
62. Схема процесса Инред: ' — известняк; 2 — уголь; 3 — рудный концентрат; 4 — возврат; 5 — плавильная камера; 6 — охлаждающая вода; 7 — индукционная печь; 8 — металл; 9 — "•лак; 10 — губчатое железо; 11 — кокс; 12 — конденсатор; 13 - преобразовать
...
Рнс. 61. Схема прямого получения металла в индукционной печи (способ ДЕСИ):
...
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 °С. 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 °С 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 S02 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.
...
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 этот процесс не исключает двухстадийности при производстве стали, что и является его главным недостатком. 290
...
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 °С. 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 °С 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 S02 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.
...
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 этот процесс не исключает двухстадийности при производстве стали, что и является его главным недостатком. 290
...
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 °С. 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 °С 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.
...
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.
...
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 °С частицы тонко-измельченного концентрата и флюса плавятся и выносятся вертикальной струей продуктов сгорания газа во вторичную камеру. Сюда также вдувается природный газ (вторичный),
...
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 и частично восстановительной руды
...
углеводороды которого подвергаются конверсии с образованием Н2 и СО. В струе восстановительных газов расплавленные частицы быстро восстанавливаются (степень металлизации достигает 70 %, остальное FeO).
...
Струя газа совместно с частицами расплава, содержащего Жидкий 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-
...
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.
...
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 °С частицы тонко-измельченного концентрата и флюса плавятся и выносятся вертикальной струей продуктов сгорания газа во вторичную камеру. Сюда также вдувается природный газ (вторичный),
...
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 и частично восстановительной руды
...
углеводороды которого подвергаются конверсии с образованием Н2 и СО. В струе восстановительных газов расплавленные частицы быстро восстанавливаются (степень металлизации достигает 70 %, остальное FeO).
...
Струя газа совместно с частицами расплава, содержащего Жидкий 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-
...
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.
...
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.
...
Современный металлургический процесс должен обеспечивать получение высококачественных металлов и сплавов, быть высокопроизводительным, экономичным и экологически чистым. Любой металлургический процесс протекает при вы-соких температурах, что вызывает необходимость использования топлива. В развитых капиталистических странах Д0*1 292
...
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.
...
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.
...
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.
...
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.
...
Если газ молекулярный, то при относительно низкой температуре (4 • 103*8 • 103К) 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 104К 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 • 103К 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.
...
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
...
Если газ молекулярный, то при относительно низкой температуре (4 • 103*8 • 103К) 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 104К 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 • 103К 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.
...
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
...
Если газ молекулярный, то при относительно низкой температуре (4 • 103*8 • 103К) 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 104К 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 • 103К 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.
...
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
...
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 104К 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.
...
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 104К 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.
...
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
...
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
...
Рже. 64. Принципиальные схемы дуговых плазматронов:
...
энергия от дуги к обрабатываемому материалу передается струей плазмы, нагреваемой столбом дуги. Такого типа плазматроны применяют для обработки неэлектропроводных материалов (напыление, нагрев, химический синтез). В плазматронах 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 1—104м/с; диапазон рабочего давления 10"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.
...
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-
...
энергия от дуги к обрабатываемому материалу передается струей плазмы, нагреваемой столбом дуги. Такого типа плазматроны применяют для обработки неэлектропроводных материалов (напыление, нагрев, химический синтез). В плазматронах 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 1—104м/с; диапазон рабочего давления 10"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.
...
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-
...
энергия от дуги к обрабатываемому материалу передается струей плазмы, нагреваемой столбом дуги. Такого типа плазматроны применяют для обработки неэлектропроводных материалов (напыление, нагрев, химический синтез). В плазматронах с дугой прямого действия анодом является обрабатываемое изделие, имеющее достаточно большую электропроводность.
...
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-.
...
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-.
...
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—1100 К на 50-60% отходящим из шахтной печи газом. Отходящий из реактора кипящего слоя газ, содержащий 10—15 % восстановителей (СО—Н2), 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
...
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—1100 К на 50-60% отходящим из шахтной печи газом. Отходящий из реактора кипящего слоя газ, содержащий 10—15 % восстановителей (СО—Н2), 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
...
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.
...
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.
...
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.
...
Рве. 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.
...
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.
...
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.
...
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.
...
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
...
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.
...
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):
...
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—
...
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)KP и (b/dK)KP, 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.
...
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
...
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—
...
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)KP и (b/dK)KP, 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.
...
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
...
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—
...
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)KP и (b/dK)KP, то происходит обрушение свода, и очередная порция материалов заполняет выплавленную полость.
...
Величина удельного теплового потока, подведенного к нагревающемуся слою (q), обеспечивающая минимальную толщину размягченного слоя, достигается при v, = v2. Продолжительность нагрева куска от начальной (f„) до конечной температуры (fK)
...
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).
...
В доменной печи при относительно малом количестве тепла на единицу газа (2500 кДж/м3) и относительно низкой его температуре коэффициент теплоотдачи значительно меньше. В результате изменение температур по высоте печи невелико, и зона, в которой железорудный материал находится в размягченном состоянии (разность температур от температуры плавления), распространяется по высоте на 0,5 м и больше. Вот почему работа доменной печи невозможна без кокса, который обеспечивает фильтрацию газа в зоне размягчения и плавления железорудных материалов. При нагреве газа в плазменном генераторе необходимый удельный тепловой поток и коэффициент теплоотдачи, обеспечивающие минимальную по высоте печи зону размягчения железорудных материалов, достигаются при определенной удельной мощности генератора.
...
В основу расчета мощности плазменного генератора положен тепловой баланс шахтной печи. Для выплавленной у сопла плазматрона полости критического объема, при котором возможно опускание железорудного материала заданной крупности, необходимо в зону плавления подать в единицу времени количество тепла Q = Q' + £?Пот>
...
где q — минимально допустимый удельный тепловой поток, обеспечивающий плавление железорудных материалов и получение минимальной толщины размягченного слоя; F—
...
При нагреве железорудного материала с начальной температурой iH необходимо иметь удельный тепловой поток, который обеспечивал бы условия, при которых v, з= у2 при
...
неизменной температуре центра куска, равной начальной температуре. В момент плавления температура поверхности равна температуре плавления t„n. Тогда перепад температур между поверхностью и центром куска будет
...
Тепловой поток < qKP не сможет обеспечить нужного распределения температур в куске. Толщина куска, на которой Lt2 = tnn
...
mB— расход воды на охлаждение; тт— выход колошникового газа; t\ и г|- начальная и конечная температура охлаждающей воды;
...
и t2 — температура внутренней и наружной поверхности огнеупорной кладки; 5 — толщина слоев материала, через которые теряется тепло; А — коэффициент теплопроводности футеровки и кожуха;
...
При осуществлении технологических процессов в шахтных печах важное значение имеет правильный выбор параметров шахты (диаметров, высоты, количества и размеров зон горения). Правильный выбор параметров печей определяет распределение газового потока по горизонтальным сечениям шахты, движение материалов, эффективность тепло- и массооб-мена.
...
Соотношение размеров профиля доменных печей определяется по известным эмпирическим формулам, а количество и протяженность зон горения- количеством и размерами воздушных фурм, параметрами комбинированного дутья. Малоактивная зона в центре печи с увеличением ее объема непрерывно возрастает. Даже при отсутствии в центральной области доменной печи железорудных материалов увеличение малоактивной зоны ухудшает ее работу.
...
Особое значение приобретает выбор размеров шахтных печей, работающих в таком режиме, при котором в зоне плавления железорудных материалов твердая фаза— кокс отсутствует. В процессе прямого получения железа, в котором тепло и восстановитель получают в плазменных генераторах, благодаря наличию больших удельных тепловых потоков, интенсивное плавление железорудных материалов происходит в локальных объемах присопловой области плазматронов. Зоны плавления в этом случае выполняют функции отверстий истечения. За зонами плавления и между ними плавления не происходит. Железорудные материалы, лежащие между зонами плавления и ближе к центру печи, подвергаются воздействию восстановительных газов и нагреву, размягчаются, образуя слипшуюся массу, и их движение невозможно. Процессы, свя-
...
При осуществлении технологических процессов в шахтных печах важное значение имеет правильный выбор параметров шахты (диаметров, высоты, количества и размеров зон горения). Правильный выбор параметров печей определяет распределение газового потока по горизонтальным сечениям шахты, движение материалов, эффективность тепло- и массооб-мена.
...
Соотношение размеров профиля доменных печей определяется по известным эмпирическим формулам, а количество и протяженность зон горения- количеством и размерами воздушных фурм, параметрами комбинированного дутья. Малоактивная зона в центре печи с увеличением ее объема непрерывно возрастает. Даже при отсутствии в центральной области доменной печи железорудных материалов увеличение малоактивной зоны ухудшает ее работу.
...
занные с восстановлением материалов и теплопереносом, неодинаково развиваются по горизонтальному сечению шахты. Лучших условий для восстановления материалов и теплопере-носа можно достичь, когда горизонтальное сечение нижней части шихты максимально перекрыто зонами плавления. Это обеспечивается установкой такого числа плазменных генераторов, которое делает возможным касание зон плавления в горизонтальной плоскости.
...
Диаметр нижней части шахты (на уровне установки плазматронов) рассчитывается из условия достижения максимальной величины соотношения суммарной площади сечения зон плавления IS3 к общей площади сечения нижней части шахты 5Ш. Суммарная площадь сечения зон плавления определяется не только числом плазматронов, но и их конструкцией и газоэлектрическими параметрами.
...
В связи с этим в каждом конкретном случае необходимо рассчитывать диаметр нижней части шахты с учетом касания отдельных зон плавления в горизонтальном сечении, что приведет к достижению максимальной величины £53/5Ш. Очевидно, что чем большее число зон плавления при их постоянных размерах необходимо разместить в шихте, тем меньше угол между горизонтальными осями соседних зон плавления, а следовательно, необходим больший диаметр нижней части шахты, и наоборот. При изменении и конструкции плазматрона и газоэлектрических параметров его работы (количество плазматронов постоянное) конфигурация зоны плавления изменяется, что также должно сопровождайся увеличением или уменьшением диаметра нижней части шахты. Таким образом, решая геометрическую задачу, представленную на рис. 71, относительно радиуса нижней части шахты, можно рассчитать ее диаметр, обеспечивающий максимальное значение Е53/£ш.
...
При расчете диаметра нижней части шахты должна учитываться и производительность агрегата, которая зависит от количества и газоэлектрических параметров плазматронов, : что в свою очередь определяет размеры и форму зон плавле-j
...
занные с восстановлением материалов и теплопереносом, неодинаково развиваются по горизонтальному сечению шахты. Лучших условий для восстановления материалов и теплопере-носа можно достичь, когда горизонтальное сечение нижней части шихты максимально перекрыто зонами плавления. Это обеспечивается установкой такого числа плазменных генераторов, которое делает возможным касание зон плавления в горизонтальной плоскости.
...
Диаметр нижней части шахты (на уровне установки плазматронов) рассчитывается из условия достижения максимальной величины соотношения суммарной площади сечения зон плавления IS3 к общей площади сечения нижней части шахты 5Ш. Суммарная площадь сечения зон плавления определяется не только числом плазматронов, но и их конструкцией и газоэлектрическими параметрами.
...
В связи с этим в каждом конкретном случае необходимо рассчитывать диаметр нижней части шахты с учетом касания отдельных зон плавления в горизонтальном сечении, что приведет к достижению максимальной величины £53/5Ш. Очевидно, что чем большее число зон плавления при их постоянных размерах необходимо разместить в шихте, тем меньше угол между горизонтальными осями соседних зон плавления, а следовательно, необходим больший диаметр нижней части шахты, и наоборот. При изменении и конструкции плазматрона и газоэлектрических параметров его работы (количество плазматронов постоянное) конфигурация зоны плавления изменяется, что также должно сопровождайся увеличением или уменьшением диаметра нижней части шахты. Таким образом, решая геометрическую задачу, представленную на рис. 71, относительно радиуса нижней части шахты, можно рассчитать ее диаметр, обеспечивающий максимальное значение Е53/£ш.
...
При расчете диаметра нижней части шахты должна учитываться и производительность агрегата, которая зависит от количества и газоэлектрических параметров плазматронов, : что в свою очередь определяет размеры и форму зон плавле-j
...
Рже. 71. Изменение температуры газа по высоте шахты:
...
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
...
Угол наклона шахты определяется из соотношения диаметров и высоты шахты. Ниже приведены результаты расчетов горизонтальных размеров шахтного плазменного реактора для прямого получения железа:
...
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 различных горизонтах. При вдувании газа через фурмы Фх, расположенные на расстоянии h от оси плазматронов, изменения температуры по высоте шахты показывает (74, а, кривая 2), что процесс теплообмена идет неравномерно: сначала интенсивно, а затем медленно.
...
Рже 72. Изменение температуры газа по высоте шахты при работе плазменных генераторов, одновременной подаче горячего газа через фурмы Ф, н Фг: 1 — при работе только плазменных генераторов (остальные обозначения в тексте)
...
Газовые потоки, истекающие из плазменных генераторов и фурм Фх, смешиваясь, образуют единый газовый поток со средней температурой. В зависимости от соотношения теплоемкости потока газа (И7,.) и материала (WM) конечная температура смеси будет различна. При Wr
...
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.
...
Рже 72. Изменение температуры газа по высоте шахты при работе плазменных генераторов, одновременной подаче горячего газа через фурмы Ф, н
...
Однако при подводе горного газа через фурмы Фг, 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 h2 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 л2, нагрелся до критической температуры fM„ 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 пг за счет уменьшения высоты пи либо увеличения общей высоты шахты. Распределение температур в шахте для этого случая представлено на рис. 74, б, кривая 4.
...
Однако при подводе горного газа через фурмы Фг, 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 h2 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 л2, нагрелся до критической температуры fM„ 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 пг за счет уменьшения высоты пи либо увеличения общей высоты шахты. Распределение температур в шахте для этого случая представлено на рис. 74, б, кривая 4.
...
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
...
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 (w) 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.
...
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
...
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.
...
В 1985 г. электрическая мощность атомных реакторов во всем мире достигала 250 млн. кВт, а к 2000 г. атомные электростанции будут вырабатывать > 20 %
...
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.
...
Гелий в теплообменнике 2 нагревается до 1S00K 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 <5, 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
...
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.
...
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 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.
...
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.
...
Рмс. 74. Схема нагрева дутья прн использовании тепла атомного реактора:
...

Технология термической обработки металлов
Сварка и свариваемые материалы: В 3-х т. Т. 1. Свариваемость материалов. Справ. изд.
Двойные и тройные карбидные и нитридные системы переходных металлов: Справ, изд.
Новые процессы получения металла (металлургия железа)
Суперсплавы II: Жаропрочные материалы для аэрокосмических и промышленных энергоустановок. Книга 1
Суперсплавы II: Жаропрочные материалы для аэрокосмических и промышленных энергоустановок. Книга 2
Сплавы с эффектом памяти формы

"Сварка-ЛИБ" - Техническая библиотека сварщика | Сварка, термообработка, материалы, металлы и сплавы

admin

Новые процессы получения металла (металлургия железа)