Новые процессы получения металла (металлургия железа)

занные с восстановлением материалов и теплопереносом, неодинаково развиваются по горизонтальному сечению шахты. Лучших условий для восстановления материалов и теплопереноса можно достичь, когда горизонтальное сечение нижней части шихты максимально перекрыто зонами плавления. Это обеспечивается установкой такого числа плазменных генера­ торов, которое делает возможным касание зон плавления в горизонтальной плоскости.

Диаметр нижней части шахты (на уровне установки плазматронов) рассчитывается из условия достижения максималь­ ной величины соотношения суммарной площади сечения зон плавления ££3 к обшей плошади 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 1£э/£ ш. Оче­ видно, 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 конструк­

ции плазматрона и газоэлектрических параметров его работы (количество плазматронов постоянное) конфигурация зоны

плавления изменяется, что также должно сопровождаться увеличением или уменьшением диаметра нижней части шахты. Таким образом, решая геометрическую задачу, представлен­ ную на рис. 71, относительно радиуса нижней части шахты, можно рассчитать ее диаметр, обеспечивающий максимальное значение ££Э/5 Ш.

При расчете диаметра нижней части шахты должна учиты­ ваться и производительность агрегата, которая зависит от количества и газоэлектрических параметров плазматронов, что в свою очередь определяет размеры и форму зон плавле­ ния. Для заданной производительности агрегата по формуле (269) можно определить суммарную мощность плазменных генераторов.

Зная минимальную допустимую удельную мощность, можно определить количество газа, необходимое для организации

лить число плазменных генераторов, которые необходимо установить в нижней части 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 диамет­ ров и высоты шахты. Ниже приведены результаты расчетов горизонтальных размеров шахтного плазменного реактора для прямого получения железа:

расчете принято: работа реактора на железорудных окатышах размером 5—20 мм; температура окатышей, приходя­ щих в зону плавления, 850 °С: степень использования газа, тепловые потери реактора, к.п.д. плазматронов 40, 20 и 75 % соответственно; критическая скорость фильтрации газа через верхнюю часть шахты 56,9м/с, нижнюю— 87,7м/с; плотность газа соответственно 0,22 и 0,091 кг/м3.

меньше скорости плавления. При Wr > WM температура мате­ риала в результате теплообмена достигнет температуры теплоносителя, и газ будет уходить из реактора с высокой температурой. Если температура газа выше температуры

размягчения материалов, и движение материалов прекратится

лов. При подводе дополнительного количества высоконагре­ того восстановительного газа через фурмы Ф„ оптимальные

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 генерато­ ров) температура материала, выходящего из области интен­ сивного теплообмена, может быть различной. При изменении высоты установки этого ряда фурм возможно добиться полу­

ниже, он будет охлаждаться газом, истекающим из плазмен­

счет уменьшения высоты й„ либо увеличения обшей высоты шахты. Распределение температур в шахте для этого случая представлено на рис. 74, б, кривая 4.

При одновременном вдувании нагретого восстановительно­ го газа в фурмы, расположенные на горизонтах Ф, и Ф2, на участке между ними создается изотермическая зона с задан­ ной температурой, размер которой определяется взаимным расположением фурм, количеством и температурой подаваемо­ го через них газа. Газ, подаваемый через фурмы Ф2, обес­ печивает нагрев железорудного материала от начальной до

поддерживает постоянную температуру шихты от уровня фурм Ф2 до зоны плавления. Условия теплообмена при подводе

Таким образом, для обеспечения максимальной степени восстановления в шахтной плазменной печи нагретый восста­

Горизонт расположения первого ряда фурм определяется достижением железорудными материалами критической темпе­ ратуры. 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 ряда­ ми 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 крупнос­ ти и минералогического состава оно определено и имеется в литературе.

Расстояние от второго ряда фурм до верха шахты опреде316

ляется линейной скоростью движения материалов и временем нагрева материалов от начальной до критической температуры.

In I 1

няя температура газа на уровне фурм второго ряда, °С; а —

§19. ПРИМЕНЕНИЕ АТОМНОЙ ЭНЕРГИИ В МЕТАЛЛУРГИИ

Впоследние годы все большее внимание уделяется проб­ леме использования атомной энергии в черной металлургии.

водства электроэнергии. Применение атомной энергии в чер­ ной металлургии представит большую свободу выбора места строительства металлургического завода и сократит транс­ портные издержки по перевозке топлива.

Первичным видом энергии атомного реактора является тепловая энергия, которая выделяется в результате расщеп­ ления ядер. Вторичная энергия — электрическая получается преобразованием тепла, выделяющегося в реакторе. Преобра­ зование осуществляется при помощи охлаждающей среды и сопровождается потерями энергии (до 60%).

В черной металлургии для комбинированного производства тепла и электроэнергии должны найти применение высокотем­ пературные 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 желе­ зорудных 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 агломера­ та в электрических печах, а во втором случае для питания плазменных генераторов.

На рис. 73 показана схема процесса прямого получения

Гелий1200°С

Рас. 73. Схемы прямого получе­ ния стали с использованием тепла и электроэнергии атомно­ го реактора:

1 — атомный реактор (остальные обозначения в тексте)

Гелий в теплообменнике 2 нагревается до 1500 К и поступает для обогрева агрегата 3, где железорудный мате­ риал восстанавливается, и реформера 4, где конвертируется углеводородсодержашее топливо. Нагретый восстановительный газ подается в агрегат для металлизации железорудного материала 3. Охлажденный до 1200 К гелий вращает газовую турбину 7 и генератор 6, и, охлаждаясь до 600 К, снова поступает в теплообменник 2. Металлизованный железорудный материал переплавляется в сталь в электропечи 5, которая питается от Генератора б.

Возможно использование отводящего тепла атомного реак­ тора и в случае внедоменного получения железа с примене­ нием твердого восстановителя. В такой установке получение

те. Охладителем атомного ректора в этом случае также слу318

жит гелий. Гелий выходит из атомного реактора с темпера­

теплообменника жидкий свинец поступает в восстановитель­ ный 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 электро­ генератора и гелиевых компрессоров, а затем в холодиль­ ник, и направляется в атомный реактор в качестве охлаж­ дающей 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 проме­ жуточным теплообменным контуром (рис. 74). При этом охлаждающей средой атомного реактора служит гелий, поки­ дающий 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. Охлаж­ денный свинец поступает в первый теплообменник 3.

Рже. 74. Схема нагрева дутья при исполь­ зовании тепла атомного реактора:

1- атомный реактор; 2 — циркуляционный контур гелия; 3 — теплообменный гелий— жидкий свинец; 4 — циркуляционный контур жидкого свинца; 5 — теплообменный "сви­ нец-воздух"; 6 — нагретый воздух; 7 — доменная печь

При вдувании в доменную печь горячих восстановительных газов, полученных из природного газа путем паровой или углекислотной конверсии, тепло атомного реактора исполь­ зуется для нагрева реформера и конвертированного газа.

Тепло атомных реакторов, работающих с высокой темпера­ турой охлаждающей среды, видимо, можно будет использовать также при агломерации железных руд, производстве окатышей и при коксовании угля.

Учебное издание

НОВЫЕ ПРОЦЕССЫ ПОЛУЧЕНИЯ МЕТАЛЛА (МЕТАЛЛУРГИЯ Ж ЕЛЕЗА)

ЮСФИН Юлиан Семенович ГИММВЛЬФАРБ Абрам Анатольевич ПАШКОВ Николай Фомич

Редактор издательства Н.Н.Марченко Художественный редактор СЛ£.Дешш Технический редактор О.Б.Маркова Корректоры Ю.ИКоролева, Т.ВМорозова

Набрано в издательстве "Металлургия" оператором О.М Лебедевой

Ордена Трудового Красного Знамени издательство "Металлургия" 119857 Москва, ГСП, Г-34, 2-й Обыденский пер., д. 14

Отпечатано в Подольском филиале Чеховского полнграфкомбината 142110, Подольск, ул. Кирова, 25