книги / Новые процессы получения металла. Металлургия железа

материала до момента его расплавления, чтобы обеспечить фильтрацию газа через столб материала. При установке

чего нарушится фильтрация газа, возрастет подъемная сила

необходймо устанавливать непосредственно в нижней части шахты, аналогично воздушным фурмам на доменной печи.

Рас. 69. Распределение температу­ ры (а) и удельных тепловых пото­ ков (б) при нагреве куска железо­ рудного материала

Шахтные печи, оборудованные плазменными генераторами, для получения жидкого металла удовлетворяют всем требова­ ниям, изложенным выше. Удельная производительность такого

Еще большую производительность можно получить в прямо­ точных плазменных реакторах. Схемы прямоточных плазменных реакторов приведены на рис. 70. В прямоточных реакторах в качестве железорудного материала используется мелкодис­ персный концентрат. Благодаря большой реакционной поверх­ ности и высоким температурам процесс восстановления за­ вершается за сотые доли секунды, что обеспечивает огром­ ную удельную производительность. В лабораторных прямоточ­

рах ничтожно малы.

Для плазменных восстановительных процессов, используе­ мых в черной металлургии, предпочтительны противоточные агрегаты, в которых энергетические затраты сопоставимы с затратами при существующей двухстадийной схеме получения железа^ а удельные производительности намного выше.

Особенности теплообмена в шахтных печах при использовании плазмы

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 материа­ лов 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 обеспечи­ вает 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, обеспечи­ вает сверхзвуковую скорость истечения газа из сопла плаз-

по высоте шахтной печи, и значительно уменьшается протя­ женность зоны размягчения материалов, что обеспечивает фильтрацию газа через столб материалов.

Нагрев газа в плазменном генераторе делает возможным получение больших удельных тепловых потоков, обеспечиваю­ щих интенсивное плавление железорудных материалов в объе­ ме присопловой области плазматрона. Такой характер плав­ ления 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 кус­ ков железорудного материала, становится динамически устойчивым, материал перестает опускаться, и это приводит 302

к постепенному его нагреву, а следовательно, к размягче­ нию и слипанию, что затрудняет фильтрацию газа, и движе­ ние столба шахты прекращается.

Размеры выплавленной полости определяются мощностью плазменного генератора, расходом газа, скоростью его истечения из сопла и размером куска материала. Ниже при-

Ниже приведены размеры выплавленной полости, мм, для шахтной печи небольшого объема за время от включения плазматрона, с (числитель — длина, знаменатель— ширина):

рушился

увеличением скорости истечения газа возрастает интенсивность теплопередачи от газа к материалу в направ­ лении движения струи, что приводит к увеличению скорости плавления и длины выплавленной полости. По мере увеличе­ ния длины полости уменьшается скорость ее распростране­ ния. Ширина полости увеличивается только до определенной величины.

Движение железорудных материалов в шахтной печи можно представить как истечение сыпучей среды через отверстие, размеры которого соответствуют размерам выплавленной полости. Из механики сыпучих сред известно, что для сво­ бодного истечения кусковых материалов требуется опреде­ ленное отношение между размерами отверстия (d0TB) и мак­ симальными размерами кусков (dK). При нарушении этого отношения над выпускным отверстием образуется динамически устойчивый свод. Величина этого отношения зависит от свойств сыпучих материалов (коэффициента внутреннего тре­ ния, крупности кусков, их формы и т.д.).

Для железорудных окатышей при круглом отверстии обра­

неправильную геометрическую форму и значительно более ше­ роховатую поверхность, критическая величина этого отноше­ ния равна 9,5. При эллиптической форме отверстия, как это имеет место в присопловой области плазменного генератора, вероятность образования устойчивого свода исключается при

зависящий от газоэлектрических параметров плазменного ге­ нератора, размер выплавленной полости достигает предель­ ной величины. При этом, если максимальный размер куска материала не превышает критическое значение отношений

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 отноше­ ния критической величины отношения размеров выплавленной полостью образуется устойчивый свод, и опускания материа­ лов не происходит. Дальнейший нагрев материалов увеличи­ вает 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 ма­ териала. В этом случае можно считать, что процесс плавле­ ния 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, плав­ ление может рассматриваться как процесс нагрева двухслой­ ного тепла, состоящего из плавящегося и нерасплавленного слоев (рис. 70). В куске железорудного материала часть нерасплавленного слоя находится в размягченном состоянии.

Если S — толщина расплавленного слоя, a q2— удельный тепловой поток на границе плавящегося и нерасплавленного слоев, то на плавление элементарного слоя толщиной AS пойдет удельный тепловой поток ql9 а на нагрев нераспла-

Pic. 70. Схема расположения зон плавления:

а- длина зоны плавления; в — ши­ рина зоны плавления; а — угол между горизонтальными осями сред­ них зон плавления

слоя при постоянных теплофизических свойствах материала и при постоянных температурах на поверхности плавящегося и нерасплавленного слоев определяется только величиной удельного теплового потока, подведенного к нагреваемому слою: чем больше величина удельного теплового потока, тем меньше толщина размягченного слоя (при постоянном потреб­ лении тепла на плавление).

Величина удельного теплового потока на границе плавя­

где Ф— коэффициент формы куска (для шара Ф= -^-).

Величина удельного теплового потока, подведенного к нагревающемуся слою (q), обеспечивающая минимальную тол­ щину размягченного слоя, достигается при Vj = v2. Продол­ жительность нагрева куска от начальной (f0) до конечной температуры (fK)

ного материала была минимальной, необходимы большая ско­ рость плавления и интенсивный теплообмен между газом и плавящимися кусками железорудного материала. Выполнение этих условий возможно при больших величинах удельного

ный тепловой поток и коэффициент теплоотдачи возможен при 306

нагреве восстановительного газа в плазменном генераторе.

небольшой удельной мощности плазматрона вносить в шахтный реактор большое количество тепла (до 8000кДж/м3 газа).

В доменной печи при относительно малом количестве теп­ ла на единицу газа (2500 кДж/м3) и относительно низкой его температуре коэффициент теплоотдачи значительно мень­ ше. В результате изменение температур по высоте печи невелико, и зона, в которой железорудный материал нахо­ дится в размягченном состоянии (разность температур от

на без кокса, который обеспечивает фильтрацию газа в зоне размягчения и плавления железорудных материалов. При на­ греве газа в плазменном генераторе необходимый удельный тепловой поток и коэффициент теплоотдачи, обеспечивающие минимальную по высоте печи зону размягчения железорудных материалов, достигаются при определенной удельной мощнос­ ти генератора.

В основу расчета мощности плазменного генератора поло­ жен тепловой баланс шахтной печи. Для выплавленной у соп­ ла плазматрона полости критического объема, при котором возможно опускание железорудного материала заданной круп­ ности, необходимо в зону плавления подать в единицу вре­ мени количество тепла Q = Q' + (2Пот> где Q‘— количество тепла, необходимое на нагрев материала от начальной -тем­ пературы до температуры плавления, на плавление и нагрев

где gram— минимально допустимый удельный тепловой поток, обеспечивающий плавление железорудных материалов и полу­ чение минимальной толщины размягченного слоя; F — площадь поверхности выплавленной полости, мг.

При нагреве железорудного материала с начальной темпе­ ратурой fH необходимо иметь удельный тепловой поток, который обеспечивал бы условия, при которых v ,^v 2 при

неизменной температуре центра куска, равной начальной температуре. В момент плавления температура поверхности равна температуре плавления tnn. Тогда перепад температур между поверхностью и центром куска будет

и теплофизические свойства, можно определить удельный тепловой поток (qKP), который обеспечивает перепад темпе­ ратур Lt,

распределения температур в куске. Толщина куска, на кото­

В зону плавления необходимо подвести такое количество тепла, чтобы даже при образовании выплавленной полости у сопла плазматрона с максимальной поверхностью удельный тепловой поток не был меньше qKP. Площадь поверхности выплавленной полости F = nn2dl (dK— максимальный диаметр куска железорудных материалов). Подставив значения F и qKр в выражение (256), получили

Таким образом, минимальное количество тепла, необходи­ мое на процесс,

Часть тепла Qr выделяется при неполном горении природ­

газа в плазменном генераторе. Следовательно, минимальная мощность плазматрона, обеспечивающая получение необходи­

При заданной крупности железорудного материала к -его теплофизических свойств производительность шахтной печи по расплаву при нагреве восстановительного газа в плаз­ менном генераторе мощностью N . определится как

(263) и (264) можно определить необходимую суммарную мощность плазматронов:

(265)

где Р — заданная производительность.

Методы расчета шахтных плазменных печей

При осуществлении технологических процессов в шахтных печах важное значение имеет правильный выбор параметров шахты (диаметров, высоты, количества и размеров зон горе­ ния). Правильный выбор параметров печей определяет расп­ ределение газового потока по горизонтальным сечениям шах­ ты, движение материалов, эффективность тепло- и массообмена.

Соотношение размеров профиля доменных печей опреде­ ляется по известным эмпирическим формулам, а количество и протяженность зон горенияколичеством и размерами воз­ душных фурм, параметрами комбинированного дутья. Мало­ активная 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 пе­ чей, работающих в таком режиме, при котором в зоне плав­

тепло и восстановитель получают в плазменных генераторах, благодаря наличию больших удельных тепловых потоков,

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, свя310