1245

К этому же типу процессов, основанных на схеме плавле­ ние-восстановление, относятся также процессы восстановле­ ния тонкоизмельченных руд или концентратов в высокотемпе­ ратурной струе восстановительных газов. Они получили название струйные процессы.- В высокотемпературной газо­ вой струе мельчайшие рудные частицы быстро плавятся, в результате чего обеспечивается высокая реакционная по­ верхность, равномерный подвод восстановителя и тепла в зону реакции и, как следствие, высокая скорость восста­ новления.

Наиболее разработанным процессом этого типа является

природного газа в воздухе, обогащенном кислородом. В окислительной атмосфере при 1800—2000 °С частицы тонкоизмельченного концентрата и флюса плавятся и выносятся вертикальной струей продуктов сгорания газа во вторичную камеру. Сюда также вдувается природный газ (вторичный),

Рас. 63. Схема струйного процесса (Джетпроцесс):

1- первнчнаа 'камера сгорания; 2— вторич­ ная камера сгорания; 3 — пылеуловитель; 4- отводящие каналы; 5 и 6 — летки для выпуска шлака и металла; 7 — углеродистый металл; 8 — струя расплавленной и частично восстановительной руды

углеводороды которого подвергаются конверсии с образова­ нием Н2 и СО. В струе восстановительных газов расплавлен­ ные частицы быстро восстанавливаются (степень металлиза­ ции достигает 70%, остальное FeO).

Струя газа совместно с частицами расплава, содержащего жидкий металл и невосстановленное FeO, из вторичной каме­ ры, двигаясь вертикально, поступает в ванну, где завер­ шается восстановление FeO растворенным в металле углеро­ дом, содержание которого достигает 2—3% (углерод вводит-

происходящий при их столкновении в результате беспорядоч­ ного теплового движения.

Если газ молекулярный, то при относительно низкой тем­ пературе (4 * 103*8 *103К) происходит диссоциация моле­ кул на отдельные атомы. Этот процесс протекает с поглоще­ нием значительного количества тепла и связан с увеличе­ нием подводимой к дуге мощности. С возрастанием темпера­ тур до 10*К в плазме усиливаются процессы однократной ионизации— расщепления атомов на электроны и ионы. Иони­ зации атома часто предшествуетего возбуждение, т.е. пе­ реход одного из электронов на орбиту с более высоким энергетическим уровнем. При действии на атом дополнитель­ ной 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. прев­ ращением кинетической энергии в потенциальную. При темпе­ ратуре 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 гра­ нице столба дуги возможен процесс молизации, т.е. соеди­ нения атомов в молекулы. Эти процессы протекают с выделе­ нием 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 теп­ ловую и кинетическую энергию плазменной струи, газ нагре­ вается, главным образом, энергией, выделяющейся в столбе дуги.

Различают нетермическую и термическую плазму. В нетер­ мической плазме температура свободных электронов гораздо выше средней температуры газа. Термическая плазма харак­ теризуется равенством температур всех частиц газа. Полу­ чение термической плазмы с температурой до 50000 К воз­ можно в электрической дуге, нетермической— в высокочас­ тотных и сверхвысокочастотных разрядах. Для термической плазмы применимы законы идеального газа, так как ввиду 294

высокой температуры плотность частиц в плазме очень мала

жет колебаться за счет повышения напряжения (скорости движения электронов) и силы тока (числа электронов). Зна­ чительного 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 иониза­ цию в этой области, и ток электрического разряда стремит­ ся 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 перво­ степенное 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 час­ тиц твердого материала при температуре плазмы до 104 К определяется, главным образом, теплопроводностью и кон­ векцией. Зная основные свойства плазмы и принципы ее по­ лучения, а также основные закономерности электрических дуг, можно обоснованно конструировать плазматроны с заданными электротехническими и теплотехническими пара­ метрами.

По методу получения низкотемпературной плазмы плазмен­ ные генераторы можно разделить на две группы: генераторы с электродами (электродуговые плазматроны) и безэлектродные (высокочастотные и сверхвысокочастотные). Максималь­ ное распространение получили электродуговые плазматроны, работающие на постоянном и переменном токе. Существует два типа дуговых плазматронов: с дугой прямого и косвен­ ного действия (рис. 64). Известно несколько десятков схем дуговых плазматронов, условная классификация которых представлена на рис. 65.

В плазматронах с дугой косвенного действия тепловая 295

энергия от дуги к обрабатываемому материалу передается струей плазмы, нагреваемой столбом дуги. Такого типа плазматроны применяют для обработки неэяектропроводных материалов (напыление, нагрев, химический синтез). В плазматронах с дугой прямого действия анодом является обрабатываемое изделие, имеющее достаточно большую элект­ ропроводность.

Работа плазматронов характеризуется его мощностью, составом, температурой и скоростью плазменной струи, ра­ бочим давлением, промышленным к.п.д. (отношение полной мощности струи ко всей потребляемой электрической мощнос­ ти) и ресурсом работы. Эти показатели для дуговых плаз­

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 метал­ лов, 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; непре­ рывность процесса; возможность переработки как окускованного, так и пылевидного железорудного сырья — продукта обогащения; эффективная передача тепла от электрической дуги к перерабатываемому материалу; высокая эффективность

области, куда подается нагретый в плазматронах газ.

ции восстановления оксидов железа, а также тепло для плавления чугуна и шлака вносится плазмаобразуюшим газом. Газ, образующийся в результате восстановления оксидов же­ леза, частично содержит диоксид углерода, который вос­

1000—1100К,очищается от пыли и подается в реакторы кипя­ щего слоя и частично— в плазменные генераторы в качестве плазмаобразующего газа. Суммарный расход тепла в описан­

В этом случае процесс получения металла становится одно­ стадийным, и из-за полного вывода твердого углерода из процесса конечным продуктом являются железо или сталь