Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Состояние вопроса, цель, предмет и задачи исследования 17
1.1 Традиционные процессы восстановления железа 17
1.2 Альтернативные процессы восстановления железа 19
1.3 Плазменные процессы восстановления железа
1.3.1 Применение плазмы в традиционных агрегатах восстановления железа 24
1.3.2 Инновационные схемы использования плазмы для восстановления железа 26
1.4 Цель, предмет и задачи исследования ; 32
Глава 2 Методика расчета определяющих энергоматериальных и конструктивных параметров плазменно-дугового жидкофазного восстановительного реактора 33
2.1 Математическая модель расчета определяющих энергоматериальных и конструктивных параметров плазменно-дугового жидкофазного восстановительного реактора 33
2.2 Физические и химические параметры плазменно-дугового жидкофазного реактора 45
Глава 3 Экспериментальное исследование энергофизических характеристик плазменного восстановительного процесса 57
3.1 Лабораторная установка и методика экспериментов 57
3.2 Расчет энергоматериальных параметров плазменно-дугового жидкофазного реактора 65
3.3 Морфологические и химические характеристики продуктов плазменно-дугового восстановления железосодержащих руд и концентратов
3.3.1 Плазменно-дуговое жидкофазное восстановление гематитовых руд и концентратов метаном 67
3.3.2 Плазменно-дуговое жидкофазное восстановление титаномагнетитового концентрата метаном з
3.3.3 Плазменно-дуговое жидкофазное восстановление титаномагнетитового концентрата углеродом 87
Глава 4 Энергофизические параметры плазменно-дугового восстановительного реактора 96
4.1 Энергопередача от дуги к ванне расплава (аноду) 96
4.2 Энергофизические процессы на катоде 103
4.3 Тепловые параметры тигля реактора 113
Глава 5 Конструктивное оформление опытно-промышленного плазменно дугового металлургического модуля и технология восстановительной плавки 128
5.1 Рекомендации по конструктивному оформлению модуля и расчет основных конструктивно-технологических параметров 128
5.2 Техническое задание на проектирование опытно-промышленной плазменно-дугового модуля мощностью 3-5 МВт для прямого получения железа из дисперсных руд и концентратов 1 5.2.1 Назначение модуля 137
5.2.2 Базовые параметры модуля 138
5.2.3 Конструктивное оформление восстановительного модуля 140
5.2.4 Инфраструктура модуля 143
5.2.5 Работа модуля 149
Выводы 151
Список литературы 153
- Плазменные процессы восстановления железа
- Физические и химические параметры плазменно-дугового жидкофазного реактора
- Плазменно-дуговое жидкофазное восстановление гематитовых руд и концентратов метаном
- Энергофизические процессы на катоде
Введение к работе
Актуальность работы. На современном этапе производства стали рост объема выплавки чугуна в доменных печах сопровождается ужесточением требований к металлургическим процессам по энергозатратам, ресурсосбережению, воздействию на окружающую среду, что стимулирует работы по созданию новых металлургических технологий.
Предлагаемые процессы прямого восстановления, в том числе реализованные в промышленных масштабах (Midrex, Hyl, Согех, Ромелт, ІТткЗ), позволяют снизить энергозатраты, отказаться от кокса. Тем не менее процессы Midrex и Hyl используют природный газ, подвергая его конверсии, требуют предварительной подготовки рудного сырья и переплава получаемого губчатого железа в электропечах. Процессы Согех и Ромелт энергоемкие, на выходе получают чугун. Использование печей с вращающимся подом (ГГгпкЗ) существенно усложняет конструкцию и обслуживание восстановительных агрегатов. Замена углеводородных теплоносителей электроэнергией характерна для руднотермических процессов, однако использование керамической футеровки в этих печах не позволяет эффективно перерабатывать оксидные расплавы на основе железа.
Разрабатываемая в Институте металлургии и материаловедения им. А.А.Байкова РАН технология энергометаллургического комплекса (ЭМК) позволяет комплексно решить поставленные задачи. В качестве металлургического модуля предлагается использовать плазменно-дуговую восстановительную печь постоянного тока с охлаждаемым металлическим тиглем и ведением восстановительного процесса в ванне расплава, являющейся анодом. Печь может быть использована как в структуре ЭМК, так и в автономном режиме. Достоинствами предлагаемой технологии восстановления железа являются:
возможность использования газообразных и дисперсных восстановителей;
возможность использования дисперсного оксидного сырья широкого минералогического состава;
возможность снижения энергоемкости производства металла за счет эффективной утилизации ВЭР;
возможность улучшения экологических показателей металлургического процесса.
Конструктивное решение плазменно-дуговой восстановительной печи предложено и осуществлено в лабораторном масштабе (100 кВт). Для создания промышленного модуля необходимо провести цикл исследований, вклю-
чающих разработку математической модели функционирования печи и определение ее энергофизических и физико-химических характеристик. По результатам проведенных исследований получено техническое заключение ОАО АХК ВНИИМЕТМАШ о перспективности создания опытно-промышленной плазменно-дуговой восстановительной печи производительностью 0,5 - 1 т/ч мощностью 3-5 МВт для реализации коммерческих проектов по переработке рудного сырья, техногенных отходов и производства ферросплавов, в частности, применительно к решению металлургических задач мини-завода г.Ярцево.
Цель работы — разработать метод расчета определяющих энерготехнологических параметров восстановительной плазменно-дуговой печи, провести исследования энергофизических и физико-химических характеристик жидкофазного плазменно-дугового восстановления железа из оксидного сырья различного минералогического состава, направленные на создание опытно-промышленного восстановительного модуля. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
разработать математическую модель жидкофазного плазменно-дугового восстановления железосодержащего оксидного сырья газообразными и дисперсными восстановителями;
создать экспериментальный комплекс и исследовать морфологические и физико-химические характеристики продуктов плазменно-дугового восстановления железа из оксидного сырья различного минералогического состава;
экспериментально исследовать энергофизические параметры плазменной дуги в условиях восстановительного реактора;
выработать рекомендации по конструктивному построению опытно-промышленного плазменно-дугового жидкофазного восстановительного реактора и технологии восстановления.
Методы исследования. В основу математической модели были положены работы отечественных ученых в области плазменной металлургии — академиков Н.Н.Рыкалина, Ю.В.Цветкова, докторов технических наук Николаева А.В., Панфилова С.А., кандидатов технических наук Николаева А.А., Конкса Г.Я. Для расчета термодинамических параметров модели была использована программа TERRA. Экспериментальные исследования проводили на лабораторной плазменно-дуговой печи, оснащенной пускорегулирующей и диагностической аппаратурой. Получаемые в результате восстановления металл, шлак, пылевидные образования исследовали путем оптической и электронной сканирующей микроскопии, подвергали
рентгенофазовому и спектральному анализам. Состав отходящего газа в ходе эксперимента непрерывно определяли посредством газоанализатора ЭМГ-21 на базе времяпролетного масс-спектрометра с динамическим вакуумом. Научная новизна работы
Разработана математическая модель, позволяющая масштабировать жидкофазный плазменно-дуговой процесс восстановления железосодержащих руд, концентратов и техногенных отходов. Получены расчетные зависимости расхода электроэнергии на восстановление железа из оксидного сырья от производительности процесса.
Экспериментально исследованы электрофизические характеристики дуги: влияние величины тока дуги, расхода газа и длины дуги на ее напряжение, что позволило определить градиент потенциала столба и суммарное приэлектродное падение напряжения плазменной дуги, горящей в продольном магнитном поле в атмосфере метана и аргона между графитовым полым катодом и оксидным расплавом-анодом на основе железа.
Определена теплопередача от дуги к ванне-аноду за счет электропереноса, конвекции и излучения столба дуги и катода при различных условиях восстановления. Получено выражение и численные значения энергетической передаточной функции плазменная дуга- ванна расплава (тепловой к.п.д. дуги) НеЬ в условиях восстановительного реактора.
Определены условия формирования на поверхности торца графитового электрода диффузного катодного пятна дуги, горящей в продольном магнитном поле.
Методом калориметрирования при охлаждении расплава при отключении тока дуги определена среднемассовая температура расплава в тигле печи и коэффициент теплопередачи от расплава к охлаждающей тигель воде.
6. Экспериментально и расчетом определены физико-химические
характеристики жидкофазного плазменно-дугового восстановления железа
метаном и углеродом из оксидных рудных расплавов двух типов: с малым
(железная руда Белгородского и железорудный концентрат Михайловского
месторождений) и с существенным содержанием шлакообразующих элементов
(титаномагнетитовый концентрат месторождения Гремяха-Вырмес).
Произведен сравнительный анализ восстановления этих рудных материалов.
Практическая значимость результатов. Разработанная математическая модель плазменно-дугового жидкофазного восстановительного процесса позволяет рассчитать основные энерготехнологические параметры опытно-промышленной плазменно-дуговой восстановительной печи, такие как мощность, расход электроэнергии и восстановителя, размер тигля печи в зависимости от требуемой производительности.
Показано, что при масштабировании процесса расход электроэнергии на процесс снижается. При углетермическом восстановлении железа расход электроэнергии для опытно-промышленной плазменно-дуговой печи мощностью 5 МВт не превышает 20 ГДж/т металла (для аглодоменного комплекса расход энергии составляет 25-30 ГДж/т чугуна).
На основании термодинамического расчета установлены оптимальные значения расходов оксидного сырья и восстановителя при восстановлении метаном и углеродом рудного сырья с малым и значительным содержанием шлакообразующих элементов.
Экспериментально показана возможность получения качественного металла, в том числе природнолегированного, из гематитового и титаномагнетитового рудного сырья при жидкофазном плазменно-дуговом восстановлении.
На основании разработанной математической модели расчета печи и полученных расчетных и экспериментальных данных, характеризующих термодинамические и физические параметры процесса, выданы рекомендации по составлению технического задания на проектирование опытно-промышленной многоцелевой плазменно-дуговой печи мощностью 3-5 МВт для прямого получения железа из дисперсных руд, концентратов и техногенных отходов.
ОАО АХК ВНИИМЕТМАШ рассматривается возможность разработки и изготовления опытно-промышленной плазменно-дуговой печи для выполнения совместных с ИМЕТ РАН коммерческих проектов по переработке рудного сырья, техногенных отходов и при производстве ферросплавов, в частности, применительно к решению металлургических задач мини-завода в г. Ярцево.
Научные положения, выносимые на защиту:
математическая модель для расчета конструктивно-технологических параметров плазменно-дугового жидкофазного реактора;
электрофизические характеристики плазменной дуги в продольном магнитном поле с полым графитовым катодом, горящей в атмосфере метана, при наличии восстановительного процесса в ванне-аноде;
расчетные и экспериментальные данные по физикохимии взаимодействия химически активной дуговой плазмы с оксидными расплавами на основе железа.
Апробация работы. Результаты работы и основные положения были доложены на проводимой в Институте металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской ежегодной конференции молодых научных сотрудников и аспирантов (2004 - 2011 гг.), а также конференциях, посвященных соответствующей тематике: конференции "Результаты фундаментальных исследований в области энергетики и их практическое
значение" (Москва, 2008), VI конференции по высоким технологиям (Санкт-Петербург, 2008), II Международном форуме по нанотехнологиям "Роснанотех 09" (Москва, 2009), XIV Международной конференции "Современные проблемы электрометаллургии стали" (Челябинск, 2010), XI Российско-Китайском Симпозиуме "Новые технологии и материалы" (Санкт-Петербург, 2011), XIX Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Волгоград, 2011), IV Международной конференции "МЕТАЛЛУРГИЯ-ИНТЕХЭКО" (Москва, 2011). Результаты работы опубликованы в журналах: Перспективные материалы, Сталь, Физика и химия обработки материалов, Технология металлов, Главный энергетик, Inorganic Materials: Applied Research.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ в рекомендованных ВАК изданиях, получен один патент РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, библиографического списка из 140 наименований. Работа изложена на 169 страницах машинописного текста, содержит 49 рисунков и 21 таблицу.
Плазменные процессы восстановления железа
Аналогичный подход к конверсии природного газа в шахтной печи реализован в процессе Danarex. Для предотвращения самовозгорания получаемого в данном процессе губчатого железа оно науглероживается в нижней части печи в атмосфере газа с высоким содержанием метана при высокой температуре до образования на поверхности слоя цементита. При содержании в шихте 70-100 % окатышей (остальное кусковая руда) энергозатраты составят 9,3 МДж/кг продукта [15,16].
Для прямого восстановления газом рудной мелочи, крупностью менее 12 мм (30% из них менее 0,15 мм), был разработан и реализован в промышленных масштабах процесс Finme1. Руда восстанавливается в четырехступенчатой установке с кипящим слоем. Расход энергии составляет 15 МДж/кг горя-чебрикетированного железа (HBI) [15].
Более чистое по углероду за счет использования в качестве восстановителя водорода губчатое железо получают из рудной мелочи, используя двух-стадийный процесс Circored. Подогретая до 1120 К рудная мелочь подвергается предварительному восстановлению в циркулирующем кипящем слое при 900 К и 0,4 МПа, после чего подается в установку с кипящим слоем, где происходит окончательное восстановление.
Альтернативой природному газу при производстве губчатого железа являются углетермические процессы. На их долю в 2008 году пришлось 25,7 % от общего объема губчатого железа произведенного в мире (68,5 млн. тонн) [17].
Углетермический процесс SL/RN ведется во вращающейся печи. Удельная производительность составляет 0,003 кг/(с-м ), энергозатраты при этом превышают 16 МДж/кг продукта. Рабочая температура равна 1400 К, что обеспечивает спекание частиц, уменьшение удельной поверхности и тем самым решает проблему с самовозгоранием получаемого губчатого железа.
Предложенные процессы твердофазного углетермического восстановления в печах с вращающимся подом (Inmetco, Fastmet, Redsmelt, Iron Dynamics Inc.) промышленного применения не нашли из-за низкой удельной производительности, в 2 раза меньшей чем у доменной печи и в 5 раз, чем у твердофазных процессов прямого восстановления газом, обусловленной конструктивными особенностями печей с вращаюшимся подом. Промышленно был реализован только процесс ITmk.3 [18], где окатыши нагреваются до 1700 К, происходит размягчение шихты и восстановление железа углеродом, с последующей сепарацией сформировавшихся железных «орехов» от гранул шлака. Промышленная установка, в основе которой лежит данный процесс, была запущена в январе 2010 года в Хойт Лейке, Миннесота, США. Энергия, расходуемая на процесс составляет 13,5 МДж/кг цродукта [15].
Конструктивное решение многоподовой вертикальной печи предложено в процессе Primus. Загружаемая руда перемещается механическими мешалками на каждом из уровней, под своим весом падая на уровень ниже через специальные окна. В промышленности данный процесс используется для переработки отходов электросталеплавильных и прокатных цехов.
Во всех вышеперечисленных способах прямого восстановления, кроме процессов с кипящим слоем, необходима предварительная подготовка железорудных окатышей с заданными свойствами из измельченной при обогащении руды для обеспечения успешного хода процесса. Экономия энергии при отказе от подобной подготовки составит 1,2 МДж/кг стали. Продуктом рассмотренных процессов является губчатое железо, требующее последующего переплава в электродуговых печах, что означает появление дополнительной стадии и, как следствие, более развитой инфраструктуры производства, использование как минимум двух высокотемпературных агрегатов, и в результате - повышение энергозатрат в целом на процесс, в частности, из-за снижения возможности эффективной утилизации вторичных энергоресурсов. С учетом затрат энергии на производство окатышей и переплав получаемого железа прямого восстановления энергозатраты на производство стали практически совпадают с аналогичным показателем для традиционной технологии доменная печь - конвертер. Удельная производительность рассмотренных процессов сопоставима с производительностью доменной печи.
Решение проблем многостадийности восстановительного процесса и использования кокса было осуществлено в объединении восстановительного и плавильного агрегатов (Руда-Сталь, Corex, Finex) или в увеличении в объеме восстановительного реактора температуры выше температуры плавления железа (Ромелт, Tecnored, HIsmelt).
В процессах Руда-Сталь и Согех окончательное восстановление предварительно восстановленных на 75-85% в шахтной печи железорудных окатышей ведется в плавильном газификаторе, находящемся в непосредственной близости от шахтной печи. Аналогично ведется процесс Finex. Его отличие заключается в использовании вместо шахтной печи реактора с кипящим слоем.
Восстановление в одну стадию ведется в шахтной прямоугольной печи процесса Tecnored. Агломерат подвергается восстановлению газом от сжигаемого в нижней части печи топлива, обеспечивающего также процесс необходимой энергией для плавления и протекания реакции. Расплавленный металл и шлак скапливаются в горне печи, где проходит окончательное восстановление.
В процессе Ромелт руда, уголь и известь засыпаются через течку в своде печи в барботируемый вдуваемой через нижние фурмы кислородно-воздушной смесью шлаковый расплав, где происходят основные реакции и восстановленное железо оседает в слой металлического расплава на подине печи.
Аналогичный принцип используется в процессе HIsmelt. Отличие заключается в том, что реагенты (рудная мелочь, уголь, флюсы) вдуваются азотом как несущим газом (азот используют из соображений обеспечения оптимальной пневматической транспортировки частиц сырья размером менее 6 мм [19]) в объем печи с ванной металлического и шлакового расплавов, где железо быстро восстанавливается и опускается вниз, в металлический расплав.
Перевод процессов в область более высоких по сравнению с используемыми в твердофазных процессах температур, несмотря на уменьшение числа звеньев производства и отказ от кокса, повлек за собой увеличение расхода энергии на восстановительный процесс (HIsmelt 22 МДж/кг; Ромелт 28 МДж/кг).
Удельная производительность рассмотренных процессов прямого восстановления как отношение производительности восстановительного агрегата к его реакционному объему по нашим оценкам соетавляет 0,009 -0,048 кг/(с м ), что сопоставимо с удельной производительностью доменной печи (0,02 кг/(с м )). Из анализа литературных источников [4, 6, 14 - 16] следует, что для увеличения удельной производительности на 0,01 кг/(см ) необходимо увеличить энергонапряженность в реакционном объеме на ОДбМВт/м3.
Общим для процессов прямого восстановления является использование дорогостоящих углеводородов (природный газ, мазут) в качестве энергоносителей.
Замена углеводородного топлива электроэнергией имеет место в рудно-термических процессах. В основе этих процессов лежит использование электродуговых печей, как правило, работающих на переменном токе. Самоспекающиеся электроды, представляющие из себя углеродсодержащую массу, помещенную в кожух из тонколистовой стали, заведены при работе в шихту. заполняющую ванну электропечи. Дуга горит в полости вокруг нижнего конца электрода, образованной в результате оплавления шихты с образованием газов и паров металла. Нагрев шихты до 2000 К в этих печах происходит за счет свободной конвекции, излучения дуги и в результате прохождения тока через шихту (омический или джоулев нагрев). Использование данных печей преимущественно для производства ферросплавов обусловлено их низкой удельной производительностью, низкой стойкостью футеровки при работе с оксидами железа. Конкуренцию доменному данные процессы могут составить при условии, если стоимость 0,25 кг кокса будет превышать стоимость 4 МДж электроэнергии [20], что и наблюдается на сегодняшний момент.
Физические и химические параметры плазменно-дугового жидкофазного реактора
Данные по термодинамически возможным энергозатратам на восстановительный процесс в рассмотренных работах либо отсутствуют, либо вызывают сомнение из-за сложности расчета при многостадийной технологии [79].
Комплексная переработка титаномагнетитовых руд, которые в России имеют широкое распространение и содержатся в большом количестве [82], могла бы в значительной мере расширить сырьевую базу, как для черной, так и для цветной металлургии. Но, несмотря на это, из-за недостаточной научной и инженерной проработки комплексных технологий, титаномагнетиты в черной металлургии остаются невостребованными в должной мере действующим производством, а потребности титановой промышленности покрываются в настоящее время импортом ильменитовых концентратов. Восстановительная электроплавка титаномагнетитового концентрата в электропечах по аналогии с ильменитом, с применением угля в качестве восстановителя сталкивается с рядом проблем, основными из которых являются интенсивное вспенивание расплава, низкая стойкость футеровки, высокие энергозатраты. Для переработки подобных концентратов рекомендован двухстадийный технологический процесс, заключающийся в предварительном твердофазном восстановлении в отдельном агрегате и последующим электродуговым переплавом полученного материала [83, 84]. Энергоэффективным вариантом одностадийной переработки отечественных титаномагнетитовых концентратов может стать плазменное жидкофазное восстановление в плазменно-дуговой печи постоянного тока. Плазменно-дуговое жидкофазное ведение процесса позволяет вести их переработку с получением железа и титансодержащего шлака.
Термодинамический расчет системы титаномагнетит - восстановитель необходим для оценки расхода восстановителя, оксидного сырья, минимальных энергозатрат, температуры расплава. В качестве восстановителя для по 51 верхностного восстановления был выбран метан, как обладающий в соответствии с [50] наилучшей восстановительной способностью, для объемного восстановления - углерод.
Анализ восстановительной способности и необходимого для протекания восстановительного процесса количества различных газообразных восстановителей приведен в [50]. Приведенный в [79] расчет расхода угля на переработку титаномагнетитового концентрата Медведевского месторождения также может быть завышен из-за использования углерода не только в качестве восстановителя, но и источника энергии.
Кинетические параметры восстановительной плавки при плазменно-дуговом нагреве зависят от условий проведения опытов. Так, при восстановлении оксида кобальта конвертированным метаном в процессе восстановления участвует не только водород, но и сажистый углерод, образующийся в ходе конверсии метана. Скорость восстановительного процесса с использованием метана более чем в два раза выше скорости восстановительного процесса, где используется только водород [85]. При этом авторами работ [72, 73, 86, 74 - 76] было принято, что восстановление водородом происходит в анодном пятне, имевшем размер близкий к размеру зеркала ванны. Аналогичных экспериментальных данных по восстановлению железа из титано-магнетита в литературных источниках не найдено.
В работе [65] на примере восстановления оксида кобальта показано, что при использовании водоохлаждаемого тигля удельная производительность более чем в три раза превышает аналогичный параметр для печи с керамической футеровкой при близких по значению энергозатратах. На основании энергоматериального баланса плазменного восстановительного модуля рассчитана зависимость энергозатрат от удельной скорости восстановления оксида кобальта. Показано, что с увеличением скорости восстановления энергозатраты на процесс восстановления снижаются.
Данная методика была использована применительно к оксиду железа в работе [11]. В соответствии с расчетом минимальные энергозатраты на плаз 52 менно-дуговое восстановление железа метаном составляют 27,7 МДж/кг при поверхностной скорости восстановления 0,86 кг/(с-м ). Неоднозначным в данных работах является утверждение, что энергия передается расплаву от плазмы преимущественно за счет конвективного теплообмена. Существенную роль в энергообмене при плазменно-дуговом нагреве расплава имеют электрофизические процессы в анодном пятне дуги. Также в данном расчете принято, что температура по объему ванны не изменяется, соответственно и скорость восстановления во всех точках ванны одинакова и зависит только от мощности дуги, типа и расхода плазмообразующего газа, длины дуги.
Для проведения термодинамического анализа необходимо знать температуру в зоне протекания реакции. В источниках [87, 88] данная температура принималась равной или температуре расплава или средней между температурой газа и температурой плавления металла. На основании принятого значения температуры рассматривались различные механизмы протекания восстановительной реакции.
Сложность термодинамических расчетов применительно к плазменному жидкофазному восстановлению заключается в значительной неоднородности реакционного объема по температуре [77,89] и как следствие по составу.
Реакционный объем плазменно-дугового восстановительного реактора можно условно разделить на зоны: плазмы дуги, ванны расплава и газа, находящегося над расплавом вне столба дуги.
Температура ионизированного газа на оси плазменной дуги может составлять 10 - 15-10 К в зависимости от мощности дуги, расхода и характеристик плазмообразующего газа [90, 91]. В работе [91] температура ионизированного газа (74об.% - Аг, 26об.% - Н2, расход газа 0,4 г/с, ток дуги 150 А, напряжение на электродах 50 В) определялась спектральным методом и составила 10700 К при допущении что плазма дуги находится в состоянии локального термодинамического равновесия.
Приводимые в различных литературных источниках данные по температуре расплава железа при плазменно-дуговом нагреве не всегда совпадают. Очевидно, что на поверхности расплава под анодным пятном дуги температура расплава максимальна и уменьшается в направлении стенок тигля.
В работе [92] измеряли температуру ванны железа, погружая вольфрам-рениевую термопару в объем расплава при токе дуги 150 - 200 А. Температура внутри ванны составляла 2070 - 2120 К.
Аналогичный эксперимент при плазменно-дуговом переплаве стали Х18Н10Т [93] показал, что температура на поверхности ванны не превышает 1870 К и уменьшается в направлении дна кристаллизатора. Следует отметить, что в данном случае термопара вводилась в расплав в периферийной зоне, близкой к стенке кристаллизатора и масса ванны была на порядок больше чем в эксперименте, описанном в [92], этим объясняется более низкое значение измеренной температуры.
Температура расплава, найденная по скорости испарения материала [87], составила 2070 - 2270 К. При анализе теплового состояния ванны, исходя из растворимости водорода, температура расплава железа составила 2170 -2370 К.
Экспериментальных данных по температуре газа, находящегося в реакционном объеме вне дуги при плазменном жидкофазном восстановлении, в литературных источниках не представлено. В работе [13] температура газа принималась равной температуре расплава.
Плазменно-дуговое жидкофазное восстановление гематитовых руд и концентратов метаном
Увеличение расхода восстановителя приводит к росту науглероживания метала и степени восстановления ванадия ev и титана 8п (рис. 17,а). Содержание С, V, Т1, 5, Р в полученном металле при соотношении GCH GTM “ 0,3 при восстановлении титаномагнетитового концентрата качественно не противоречит данным термодинамического расчета.
Анализ материала, осевшего на сетчатом фильтре отходящего газа, установленном после теплообменников перед выбросом в атмосферу (см рис. 8) на электронном микроскопе показал наличие ультрадисперсной фракции железа с содержанием углерода до 15 %. Размер частиц составил порядка 100 нм (рис. 20) [105].
Структура полученного при соотношении GCIU/GTM = 0,3 слитка неоднородна по его высоте (рис. 21). Это, по-видимому, обусловлено значительным изменением температуры в результате того, что масса металлического расплава была мала - примерно в два раза меньше массы металла, полученного при восстановлении гематитового оксидного сырья, где структура была равномерной. Область, контактировавшая с охлаждаемым поддоном и соответ 85 ственно охлаждавшаяся с более высокой скоростью, представлена аустени-том (светлое поле) с темными иглами мартенсита (рис. 21,а). Верхняя область, прилегающая к зеркалу ванны, охлаждалась более медленно и имела структуру перлита (темное поле) со светлыми иглами цементита (рис. 21,6).
Структура шлифа металла поперечного сечения слитка, полученного восстановлением титаномагнеитового концентрата месторол дения Гремяха-Вырмес при массовом соотношении метана и титаномагнетитового концентрата GCWGTM = 0,3
Также анализ микроструктуры показал наличие примесей (рис. 22), представляющих собой, согласно рентгенофазовому анализу, преимущественно карбид титана (рис.23).
Основу шлаковых образований составляют железо, алюминий и титан в количестве 33, 10,1 и 10,6 масс.% соответственно. В пересчете на оксиды это соответствует 42, 19 и 17 %. Высокая концентрация железа в шлаковых образованиях объясняется тем, что значительная их часть - более 50 % еобрана со стенок реактора (гар-нисаж) и, по-видимому, не подверглось достаточному восстановлению. Однако от исходного количества железа в концентрате в шлаковые образования перешло только 7 %.
Результаты рентгенофазового анализа металла, полученного плазменно-дуговым восстановлением титаномагнетитового концентрата метаном при GCH4/GTM = 0,3 (I = 800 А, Р = 30 кВт) Пылевидные образования в большом количестве содержит углерод: около 40 %. Железа в пыли содержится 20 %, кремния и магния - около 6 масс.%. В пересчете на оксиды это соответствует 26, 13 и 11 %. Легко испаряющиеся элементы такие как магний, марганец, хром и кремний в значительной степени переходят в мелкодисперсный порошок. Давления паров этих элементов при температуре 2100 К соответственно составляют 0,22, 0,05, 0,007 и 0,0018 МПа (для сравнения давления паров титана и ванадия равны 0,0008 0,0005 МПа) [106]. Степень перехода из концентрата в пылевидный продукт марганца, магния, хрома и кремния составляет соответственно 41, 60, 39 и 28 масс.%.
Таким образом, продуктами жидкофазного плазменного восстановления метаном титаномагнетитового концентрата являются сталь и шлак с относительно большим содержанием железа - около 30 %. Содержание железа в шлаке, более чем в 3 раза превышающее расчетное значение, связано, по-видимому, с интенсивным разбрызгиванием железа ванны расплава и фиксацией его в шлаке. Массы получаемых продуктов (железа, шлака, порошка) и их элементный состав определяется параметрами плавки (расходом метана, мощностью дуги).
Средняя скорость восстановления титаномагнетита метаном составила 0,26-Ю-3 кг/с, что позволило рассчитать согласно (5) максимальную поверхностную скорость восстановления. Величина последней составляет vms = 0,013-10 3 кг/(с-см2), что примерно в два раза меньше скорости, полученной при восстановлении рудного сырья с малым содержанием шлакообразующих элементов.
При углетермическом восстановлении титаномагнетитового концентрата [107] массовое соотношение углерода к концентрату было близко к оптимальному и составляло GC/GTM - 0,2. Согласно термодинамическому расчету основой полученной при восстановлении металлической фазы должен быть чугун, содержащий 4,5 масс.% С, 0,5 масс.% V, 2,2 масс.% Т1. Степени восстановления V и Т1 соответственно sv = 90,1 и єТІ = 23,9 %. В металл переходит 90% V и 24% Т1, содержащихся в концентрате (рис. 24а). В соответствии с расчетом на 1 кг стали (табл. 12) образуется 0,27 кг шлака (табл. 13) и 0,72 кггаза(табл. 14).
Термодинамический расчет степени восстановления железа sFe, титана єт), ванадия sv, степени десульфурации (3S, дефосфорации 3Р И концентрации углерода Сс, серы Cs и фосфора Ср в металле в зависимости от массового соотношения восстановителя и оксидного сырья при Тт = 1830 С
Ванну расплава наводили с предварительно загруженными в тигель графитовыми пластинами с характерным размером 0,8 - 1 от диаметра тигля. Оксидное сырье через канал катода подавали порциями по 0,03 кг со скоростью 0,001 кг/с с интервалом 30 с. Увеличение порции загружаемой руды приводило к интенсивному закипанию расплава, снижению межэлектродного промежутка вплоть до погружения катода в расплав. Предварительного плавления оксидного сырья, способствующего выходу из расплава фосфора и цинка, не проводили. Отсутствие в восстановительной атмосфере водорода, способствующего десульфурации расплава с образованием H2S, также является существенным отличием от плазменно-дугового восстановления мета ном. Таблица 12 Расчетный состав металла (масс.%) при восстановлении титаномагнети тового концентрата (Т = 2100 К, GC/GTM = 0,15)
Энергофизические процессы на катоде
Инфраструктура модуля включает источник электропитания - преобразователь постоянного тока 1 на установленную мощность 5 МВт. Преобразователь предназначен для питания электроэнергией плазменной дуги установки прямого восстановления железа.
Технические характеристики
Выполняемые функции: электроснабжение плазменной дуги установки прямого восстановления железа постоянным током, стабилизация среднего значения выходного тока, гальваническая развязка между питающим входным напряжением переменного тока и выходным напряжением постоянного тока.
Преобразователь должен иметь следующие защиты: от перегрева при выходе из строя принудительного охлаждения; от коротких замыканий на стороне переменного и на стороне постоянного тока; от работы в неполно-фазном режиме питающей сети, от обесточивания соленоида.
Дроссель 6 с индуктивностью 2 мГн, включенный последовательно с дугой, должен иметь защиту от перенапряжений. 146 - При дистанционном управлении должно обеспечиваться ручное регулирование выходного тока и измерение выходных тока и напряжения преобразователя. - Переход из режима местного управления в режим дистанционного управления (и обратно) должен осуществляться с лицевой панели пульта управления печи.
Составные части преобразователя размещаются в отдельном помещении в среде, не содержащей токопроводящую пыль, не содержащей едких паров, разрушающе действующих на металлы и изоляцию, температура окружающего воздуха от + 1 до +35 С, относительная влажность воздуха при температуре 25 С не более 80 %.. Охлаждение - воздушное принудительное.
Для питания соленоида должен быть предусмотрен отдельный стабилизированный источник питания мощностью 1 кВт.
Система привода подачи графитового электрода должна обеспечивать его вертикальный ввод через свод печи в реакционный объем со скоростью, зависящей от сечения электрода и обеспечивающей компенсацию его эрозии со скоростью 60-10-3- 150-Ю"3 кг/ч.
В качестве восстановителя рекомендуется применение природного газа, дисперсного углерода, также возможно использование водорода, колошникового, коксового газов и пылевидных углей. Природный газ подают с газовой станции 2, его расход составляет до 100 нм /ч в зависимости от состава рудного сырья и требований к продукту. Расход аргона в качестве плазмообра-зующего и транспортирующего газа при углетермическом восстановлении составляет - 5 м /ч.
Для определения оптимального технического режима и обеспечения указанных параметров модуля при углетермическом восстановлении размер частиц углерода составляет 0,2 - 5 IO M. Расход углерода составляет 0,3 т/ч. Со склада 3 дисперсный уголь проходит подготовку на специально оборудованном участке 7, имеющем пост химического, петрографического и фрак 147 ционного анализов. Пылеугольную смесь подают в восстановительный реактор посредством дозатора отдельно или в смеси с рудным материалом
В качестве рудного сырья используют мелкодисперсную железную руду, железорудные концентраты (Оленегорского, Лебединского, Михайловского ГОК-ов и др.), титаномагнетитовый концентрат, сырые железорудные окатыши, окалину, шламы и др. Размер частиц восстанавливаемого оксидного сырья варьируется в широком диапазоне: ориентировочно в приделах 0,01 - 20 мм. Приготовление рудного сырья производят на специально оборудованном участке 8, включающем пост химического, петрографического и фракционного анализов.
Для охлаждения термонагруженных элементов печи (электрододержате-ля, токоподводов, устройств ввода восстановителя и рудного сырья, восстановительного реактора, кристаллизатора и элементов вытяжки слитка) используется оборотная вода 5 (жесткость 1-1,5 мг.экв./л, взвешенные вещества до 5 мг/л). Давление воды на входе в печь - 0,5 МПа, температура - 10С. Расход воды - 150 м3/ч. Контур оборотной воды замыкается на заводской ТЭЦ 11. Энергия воды используется для подогрева питающей воды котла ТЭЦ, в технологических и хозяйственных процессах завода.
Состав отходящего от печи газа при использовании в качестве восстановителя природного газа определяется следующими основными компонентами: 30 - 50% Нг, 10 - 30% СО, 10 - 30% Н2О, 1 - 5% СО2. Выходящий из модуля газ пропускают через специальный пост 10, включающий фильтр-сепаратор, где газ очищают от мелкодисперсной фракции, присутствующей в количестве от 7 г/нм при углетермическом восстановлении до 30 г/нм при восстановлении природным газом. Система включает посты контроля химического состава и запыленности газа по тракту. При обработке шламов и шлаков с целью извлечения цинка, свинца и других элементов в схеме необ 148 ходимо предусмотреть блок выделения дополнительного продукта из газовой фазы. Очищенный отходящий газ подают на заводскую ТЭЦ: газовую турбину или паровой котел, а также используют для предварительного восстановления рудного сырья.
Восстановленный металл и, при необходимости, шлак удаляются из печи посредством системы приема металопродукта 12.
Система включает дистанционные датчики, самопишущие и стрелочные приборы, преобразователи для подключения к компьютерному блоку управления функционированием модуля в реальном масштабе времени. Система включает исполнительные механизмы: электроприводы элементов модуля (загрузка руды, восстановителя, выгрузка продуктов процесса) и устройства контроля: контроль энергетических параметров дуги (ток, напряжение, межэлектродное расстояние), параметров отходящего газа (температура, химический состав, запыленность), тепловых потоков от термонагруженных элементов печи. Модуль снабжен релейно-контакторной системой управления.
Технологический процесс на базе плазменного жидкофазного металлургического модуля в зависимости от оксидного сырья и восстановителя комплектуется метрологическим каталогом [132], включающим технологические требования к уровню измерений, технологическую схему измерений, перечень рекомендуемых средств измерений и их поверки, технологичную эффективность измерений при ведении процесса.
