Несообразности металлургического цикла. Их устранение


Глава 6 ДРУГИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЙ



страница7/12
Дата31.07.2016
Размер2.53 Mb.
ТипКнига
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   12
Глава 6

ДРУГИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЙ

ПРОДУВКИ. ДРУГИЕ ВАРИАНТЫ
6.1. Получение металла из руды в сталеплавильном агрегате.

Тепловой баланс плавки
Много обсуждалось получение стали прямо из руды в сталеплавильном агрегате, известен ряд соответствующих патентов. Сейчас, в эпоху кислородных конвертеров, обычно предлагается получать сталь из руды в агрегате типа конвертера, например, процессом типа «Ромелт». Раньше часто предлагали получать сталь из руды в агрегате типа мартеновской печи. Таков неудавшийся процесс Рюмина. Все металлургические агрегаты подобны в том смысле, что основное содержание работы каждого агрегата – проведение реакций в тройной системе: железо – кислород – углерод.

Если металл получают в сталеплавильном агрегате, то сырые материалы можно просто засыпать на поверхность ванны с расплавами. Можно засыпать уголь и кусковую руду, можно вдувать или загружать в завалку концентрат в пакетах или мешках. Физические свойства топлива и рудной компоненты обычно несущественны, и можно использовать сырье, не прошедшее дорогие подготовительные переделы, как для доменной плавки. Можно сэкономить окускование сырья, то есть коксование угля и агломерацию концентрата. Общая экономия на этом составляет около половины стоимости доменного чугуна или больше. Устраняется «несообразность № 2» доменной плавки.

Если металл получают в сталеплавильном агрегате, то его можно довести здесь же до качества стали, устранить второй (доводочный) передел, устранить «несообразность № 3». Но под давлением традиций и здесь часто предлагается двустадийный процесс; первичную плавку и в сталеплавильном агрегате предлагается вести на чугун. Плавка на чугун представляется также технически менее сложной.

Главным вопросом эффективности процесса, как и выше, остается стоимость тепла и его количество. Для успеха необходимо обилие дешевого тепла. В сталеплавильных агрегатах нет утилизации тепла отходящих газов; если домну колошниковые газы покидают с температурой 200 ºС, то ванну конвертера газы покидают с температурой ванны, например, 1500 ºС и уносят много тепла. Далее, дутье конвертера – холодный кислород (0 ºС), тогда как в домну дутье поступает с температурой порядка 1200 ºС и вносит в печь много рекуператорного тепла. Устраняя две несообразности доменного процесса, мы поступаемся здесь двумя его важными преимуществами. В схеме «Угольный Мидрекс» или при металлизации в рекуператоре несообразности устраняются без потери преимуществ домны.

Как отмечено выше (раздел 4.2), расчетный расход топлива на получение тонны металла при неполном горении составляет в домне 600 кг, в обсуждаемом сталеплавильном агрегате – 2700 кг плюс 2240 нм3 кислорода (расчёт 5 приложения). Получается неприемлемо большой расход топлива и кислорода. При горении топлива только до СО процесс практически неосуществим.

Тепло в сталеплавильных агрегатах намного дороже, чем в доменной печи, поэтому сталеплавильный передел обычно дороже самого получения металла в домне. Если в сталь переплавляются металлизованные окатыши, то обычно сталеплавильщики требуют, чтобы эти окатыши содержали не больше нескольких процентов примесей SiО2, СаО и др. В противном случае на переплавку этих примесей в шлак потребуется значительное количество тепла, а для сталеплавильного агрегата обеспечение такого тепла уже дорого и затруднительно. Для сравнения отметим, что доменная печь иногда справляется с переплавкой до 400 кг шлака на тонну металла.

Главная задача современного кислородного конвертера – сравнительно небольшое изменение состава металла, например, удаление 2-4 % (весовых) лишнего углерода. Если в конвертере вести получение металла из руды, то потребуется, как и в домне, удалить из руды до 60 % (атомных) кислорода. Потребуется примерно в 10 раз больший объем продувки. Дутье современного конвертера на тонну металла примерно на порядок величины меньше дутья домны.

Газопроницаемость ванны с жидкими расплавами значительно меньше, чем у столба твердых шихтовых материалов в домне. Поэтому производительность агрегата типа конвертера при получении металла получится значительно ниже по сравнению с домной в расчете на единицу площади пода печи. Получение металла в конвертере будет сравнительно медленным. Для ускорения реакций приходится повышать концентрации реагентов и получать чугун, а не сталь, хотя процесс ведется, в сущности, в сталеплавильном агрегате, в конвертере.

Часто оказывается справедливым старое правило доменщиков: по возможности большую часть восстановления выгоднее провести в твердом состоянии, до расплавления. Процессы в твердом состоянии часто значительно экономичнее.

Ясно, что сталь можно получать из железной руды в электропечи [38]. Но из-за высокой цены электроэнергии тепло в таком процессе будет весьма дорогим, и процесс окажется нерентабельным. Подобные процессы оправдывают себя, оказываются рентабельными лишь при получении более ценных металлов, например, ферросилиция, ферромарганца и других ферросплавов, которые выплавляют из окислов в электропечах.

Предлагается также совместить металлургический агрегат с теплоэлектростанцией, утилизировать химическое и физическое тепло отходящих газов в паровом котле [11]. Но газы, отходящие из конвертерной ванны, очень горячие (1500 ºС), содержат много пыли и микрокапелек расплавов. Обычный паровой котел не может принимать такие газы.

Чтобы успешно получать металл из руды в агрегате типа конвертера, жизненно необходимо организовать дожигание отходящих газов и обеспечить значительное усвоение расплавами тепла этого дожигания. При полном дожигании получился бы приемлемый расчетный расход топлива 350 кг/т, почти на порядок величины меньше, чем при неполном горении.



6.2. Процесс «Ромелт»
Это же не печь, это самовар

с чугунными стенками!



Из дискуссии
В России широко известен один из процессов получения металла в агрегате типа конвертера, это процесс «Ромелт» [36]. Основная задача – полное горение топлива – решается здесь с помощью продувки на двух уровнях. Агрегат имеет два ряда боковых фурм. Нижние боковые фурмы служат для барботирования шлакового расплава кислородно-воздушным дутьем, верхние фурмы подают кислород для дожигания отходящих газов в надшлаковом пространстве. Есть опасность, что тепло дожигания не будет усвоено ванной.

Сообщается о дожигании газов на 70 % и даже на 95-98 %. Достигнутый расход топлива 780-1000 кг/т соответствуют расчету при усвоении тепла дожигания примерно на 30 %. Отчасти расхождение расчета и действительности можно объяснить большими потерями тепла через футеровку в таких агрегатах. В домне (а нередко и в кислородном конвертере) без специальных мер по дожиганию газов получается горение до СО2 примерно на 25 % (табл. 6.1).


Таблица 6.1

Расчетный и действительный расход углерода топлива и кислорода





Расход углерода топлива, кг/т

Расход кислорода,

нм3



Расчет при горении до СО

2 700

2 240

Расчет при полном дожигании до СО2

350

390

Расчет при дожигании на 30 %

860

650

Достигнутый реальный расход

780-1000

680-750

Неудачный момент в работе таких агрегатов – то, что топливо, кусковой уголь, засыпается на поверхность ванны, где и организуется окислительная зона, идет дожигание газов. В потоках газа, контактирующих с плавающими кусками топлива, продукты горения СО2, практически нацело восстанавливаются обратно до СО. Присутствие топлива в верхних слоях шлака делает дожигание газов здесь столь же трудным, как и дожигание в домне, в присутствии кокса. Газы таких потоков удастся дожечь лишь тогда, когда они уже удалятся от поверхности ванны и не смогут передать расплавам тепло дожигания.

Для более эффективного усвоения ванной тепла дожигания здесь, как и в схеме «Угольный Мидрекс», целесообразно разделить восстановительную и окислительную зоны, потому что успешное и глубокое дожигание газов возможно лишь в окислительной зоне.

Дожигание газов было бы более успешным, если бы топливо в виде угольной пыли вдувалось снизу, как в схеме «Угольный Мидрекс». В этом случае глубокое дожигание можно было бы организовать не в надшлаковом пространстве, но уже в верхних слоях шлака, где плавится поступающая руда, куда вдувается кислород, и где можно создать окислительную зону с высоким окислительным потенциалом, как расплавов, так и газов. При этом была бы обеспечена и хорошая передача тепла дожигания расплавам. Если обеспечить почти стопроцентное дожигание, то расчетный расход топлива и кислорода приближаются соответственно до 350 кг/т и 390 нм3/т.

В этом варианте нежелательно чрезмерно сильное перемешивание ванны, приближение к так называемому режиму совершенного смешивания, который понизит различия состава восстановительной и окислительной зон.

Угольную пыль можно вдувать в ванну в смеси с дымовыми газами или с холодным воздухом. Если пыли в смеси будет стехиометрически много больше, чем воздуха, то процессы горения не получат развития.

Данное направление в металлургии (получение металла в агрегате типа конвертера) имеет уже длительную историю. Агрегаты типа «Ромелт» можно рассматривать как видоизмененный конвертер с боковым кислородным дутьем. В ряде случаев такие агрегаты рассматривают также как развитие печей Ванюкова, в которых ведут автогенную плавку медных руд с добавкой топлива, если не хватает тепла.

В целом данное направление можно оценить, как замечательную по смелости попытку создать совершенно новую металлургию, отбросив большую часть прошлого опыта, преодолевая множество технических сложностей, внедряя много новых элементов, новую футеровку (кессонную), новую систему дутья и др.

Дутье кислорода в верхние фурмы таких агрегатов можно заменить «доменным» вертикальным факелом. При небольшом заглублении факела в шлаковый расплав обеспечивается плотный контакт газов с расплавом и приближение их к тепловому и химическому равновесию. Если в шлаке имеются высшие окислы железа, то будет полное дожигание газов (100 % СО2). Если в шлаке равновесие Fе3О4/FеО, то получится примерно 90 %-ное дожигание. При равновеcии FеО/Fе, при восстановлении железа в верхних слоях шлака возможен «доменный» уровень дожигания газов около 25 %.

Выше рассмотрено разделение восстановительной и окислительной зон по вертикали; эти зоны можно разделить также и по горизонтали. Ванну с расплавами можно выполнить круглой, подобно горну доменной печи, и организовать над нею наклонные факелы «доменного» дутья, то есть горячего воздуха с угольной пылью. Воздух можно обогащать кислородом. При дутье чистым кислородом образуются очаги слишком высоких температур и интенсивное испарение металла. В агрегатах «Ромелт» кислород приходится разбавлять воздухом.

Наклонные факелы обеспечат циркуляцию расплавов по кругу. С одной стороны такой ванны можно организовать окислительную зону, засыпать или вдувать сюда сверху рудные материалы, давать здесь избыток дутья, обеспечивать полное горение до СО2 и определенный перегрев расплавов. Здесь можно организовать и восстановление высших окислов железа до закиси FеО, если уменьшить избыток дутья и примириться с горением до СО2 примерно на 90 % соответственно равновесию Fе3О4/FеО. С другой стороны ванны организуется восстановительная зона, в шлак засыпается или вдувается уголь и идет восстановление железа (рис. 6.1). Здесь мы примиряемся с горением лишь до СО или на 25 % до СО2, соответственно равновесию FеО/Fе. Дополнительное тепло на реакции восстановления здесь дают расплавы, поступающие перегретыми из окислительной зоны. Шлаковый расплав, перегретый на 100 ºС, способен за счет запасенного физического тепла восстановить примерно 15 % вес. железа. Капли металла образуются в верхних слоях шлака в восстановительной зоне, тонут, проходят всю толщину слоя шлака и собираются на дне ванны. Они проходят примерно такое воздействие шлака, как при электрошлаковом переплаве.

Рис. 6.1. Последовательность процессов по окружности конвертера:

1 – вдувание угольной пыли, восстановительная зона; 2 – вдувание концентрата,

доменное дутьё, окислительная зона полного горения; 3 – отходящие газы;

4 – лётка; М – металл; Ш – шлак
Газы восстановительной зоны (в основном СО) переходят в окислительную зону, там эжектируются («всасываются») в факелы окислительного дутья и дожигаются. При необходимости можно часть восстановительных газов отбирать в восстановительной зоне, несколько охлаждать, например, впрыскиванием паров воды с угольной пылью, и пропускать через центробежный нагнетатель. В окислительную зону этот газ можно вводить в виде жестких факелов, которые помогут организовать нужное течение газов в зоне окисления и дожигания.

После дожигания в окислительной зоне газы поступают в рекуператор, где отдают физическое тепло. Если создается лишь небольшая опытная установка, и строительство рекуператора нецелесообразно, то воздух дутья можно нагревать, например, до 1000 ºС в компактном металлическом теплообменнике.

Если в такой агрегат поступает много углерода, то мы получим преобладание восстановительной зоны, углеродистый металл, в пределе чугун. Интересен другой вариант, когда зона шлаков с окислительным потенциалом преобладает, и даже под восстановительной зоной нижние слои шлакового расплава имеют значительное содержание окислов железа. В этом случае мы получим необычный металл – мягкое железо − очень чистый по углероду и другим примесям.

Если мы приближаемся к полному дожиганию газов, то расчетный расход углерода топлива будет около 350 кг/т (если не очень велики теплопотери через футеровку и др.).

Когда потребуется спустить накопившийся шлак, можно на время прекратить подачу руды и понизить окислительный потенциал дутья.

Примерно такая же схема обеспечения ванны теплом пригодна и для сталеплавильного агрегата. В таком агрегате будет обилие дешевого тепла, поэтому можно проводить длительные операции глубокого рафинирования стали.



6.3. Восстановление других металлов
Приведенная схема может оказаться целесообразной и при выплавке других металлов. Теоретически так можно восстановить из окислов даже любой из 70 металлов, известных в Периодической системе Менделеева. Так как углерод в реакциях восстановления дает газообразный окисел СО с большим ростом энтропии, его восстановительная способность по отношению к твердым окислам возрастает при нагреве, и при достаточно высокой температуре он способен восстановить любой окисел.

Известно, что при повышении температуры углерод становится все более сильным раскислителем стали, способным отбирать кислород у все более трудновосстановимых окислов. Известно также, что в электропечах при достаточном нагреве углерод способен восстанавливать марганец, кремний, кальций и др. Так получают соответствующие ферросплавы.

Реакцию восстановления металла Ме из окисла МеnO можно записать в виде

МеnO + С = n·Ме + СО.

Константа равновесия реакции будет равна давлению СО (К=РСО). Температуру ТХ, при которой равновесное давление СО по реакции превысит 1 атм, называют температурой «химического кипения». При этом выполняется условие быстрого протекания реакции с интенсивным выделением газов.

Понятие химического кипения применяется по аналогии с понятием кипения жидкости, которое наступает, если давление паров жидкости превышает 1 атм, как у воды при 100 ºС. Химическое кипение известняка, то есть его быстрое разложение с бурным выделением СО2, наступает при температуре 910 ºС, когда К==1 атм.

Температуры химического кипения начала быстрого восстановления различных металлов углеродом Tх в К приведены ниже:
Cu2O 380 MnO 1700 MgO 2100

NiO 730 TiO2 1910 CaO 2400

FeO 1000 SiO2 1950 Al2O3 2480
Для закиси железа эта температура равна 1000 К или 730 ºС, что соответствует «температуре Мидрекс», а также условиям средних горизонтов шахты доменной печи, где действительно начинается сравнительно быстрое восстановление вюстита. Для меди ТХ=380 К. Наиболее трудновосстановимы металлы, образующие самые прочные окислы. Для алюминия ТХ= 2480 К, для магния – 2100 К, у кальция – 2400 К. Нам не удалось найти металл, температура восстановления ТХ которого была бы значительно больше, чем у алюминия (2480 К). Поэтому алюмотермией в принципе можно восстанавливать все (или почти все) металлы.

Следовательно, при температурах несколько выше 2480 К или 2210 ºС углерод способен восстанавливать из твердых окислов любой из 70 известных металлов.

Теоретическая температура полного горения углерода в кислороде очень высока, 5200 ºС, поэтому в принципе есть возможность получить достаточно высокую температуру и восстановить все окислы.

Как обычно, сложнее решить вопрос о скорости процесса. Но ясно, что если восстановление окисла наступает при температуре выше 1000 ºС (ТХ > 1000 ºC), то равновесное давление углекислоты СО2 при равновесии мало, и скорость восстановлении окислов газом будет низкой. Движущей силой восстановления газом можно считать разность  концентраций СО2 около окисла и около углерода.

Можно ожидать, что будет достаточно высокой скорость прямого восстановления расплавленных окислов углеродом, в частности, угольной пылью, вдуваемой в окисный расплав. Об этом свидетельствует, в частности, опыт выплавки ферросплавов.

Схема процесса может быть следующей. Восстановление идет в цилиндрической ванне, в которой наклонные факелы дутья вызывают циркуляцию оксидных расплавов по кругу. Имеется восстановительная зона с горением топлива лишь до СО и окислительная зона, где горение идет до СО2, и где дожигаются газы восстановительной зоны. В качестве дутья используется кислород, или горячий воздух, обогащенный кислородом.

Циркулирующий по кругу оксидный расплав на каждом цикле прогревается и затем частично восстанавливается вдуваемой угольной пылью. Под оксидным расплавом накапливается жидкий металл, который периодически выпускается. Если поддерживается температура выше 2200 ºС, то не потребуется выпускать накапливающийся шлак, все оксиды шлака будут восстанавливаться до металлического состояния.

Выполним расчеты расхода топлива на выплавку некоторых металлов в таком «конвертере» (см. рис. 6.1), то есть при полном сжигании углерода без утилизации тепла отходящих газов и без подогрева дутья.

Расчет для выплавки сплава железа при 1500 ºС окажется повторением расчета 5 приложения и даст тот же расход углерода 330 кг/т.

Расчетный расход углерода для выплавки самого трудновосстановимого металла алюминия, получается 1840 кг/т, для выплавки титана – 930 кг/т (расчёт 14 приложения). По порядку величины эти значения близки к расходу топлива при выплавке чугуна процессами типа «Ромелт» (1000 кг/т). Если устранена «несообразность № 1», достигнуто полное горение углерода, то получается хороший тепловой баланс при восстановлении любого металла.

Подобная выплавка любого металла будет стоить примерно столько же, как и современная выплавка чугуна, или немногим больше. Но многие металлы из распространенных руд стоят в десятки раз дороже чугуна, поэтому подобная плавка может оказаться весьма выгодной.

Конечно, если обсуждать выплавку всех металлов, мы столкнемся со множеством технических сложностей. Одна из них – испарение металлов и оксидов. Требуется отладить такой режим горения угольной пыли и газов в кислороде, чтобы один из реагентов поступал в зону горения постепенно, и чтобы температура факела не слишком превышала температуру обогреваемых расплавов. Высокие термические нагрузки придутся на гарнисажную футеровку.

Далее, у ряда металлов температура кипения ТК ниже температуры восстановления ТХ. Так, у магния температура кипения всего 1103 ºС, тогда как для восстановления необходимо ТХ=2100 ºС. Такие металлы в основном испарятся и окажутся в отходящих газах в виде пылевидных окислов. Даже у алюминия ТХ (2210 ºС) близка к температуре кипения ТК=2348 ºС, поэтому значительное испарение возможно и для алюминия.

Окислы металлов в целом составляют до 99 % земной коры, всех горных пород. Известные 70 металлов Периодической системы составляют в сумме около 50 % вес. земной коры, кислород – 49 % вес. [39]. Оставшийся 1 % преимущественно состоит из других металлоидов, часто в соединениях с металлами. Наиболее распространены из этих других металлоидов углерод (0,35 %); галогены: хлор Cl (0,20 %) и фтор F (0,08 %); образующие соли, а также сера S (0,1 %) и фосфор P (0,12 %); образующие сульфиды, сульфаты и фосфаты. Доля остальных металлоидов в земной коре несущественна [39, с. 22].

Предлагаемая плавка при достаточно высоких температурах в принципе способна почти любую горную породу переработать в сплав тех металлов, окислы которых образуют эту породу, за исключением испаряющихся металлов. Сера и фосфор сгорят в окислительной зоне, большая часть солей испарится при высоких температурах.

6.4. Получение водорода
Предложенный выше (глава 4) рекуператорный процесс с пылегазовой взвесью удобен для проведения многих других реакций, в частности, для получения водорода. В доменной печи, в агрегатах «Мидрекс» и других окислы железа восстанавливаются окисью углерода и водородом (СО и Н2), причем скорость восстановления водородом больше, и он играет роль ускорителя металлургических реакций восстановления. Обрат­ная реакция идет столь же быстро, как и прямая. Если же реакцию восстановления окислов водородом провести в обратном направлении, можно получать водород из паров воды, (Q=+16 кДж):
Н2О + Fe = FeО + Н2. (6.1)
Это актуально в связи с развитием экологически чистой водородной энергетики. В равновесии пары воды и водород будут примерно в равных количествах.

Возможен следующий процесс. Железорудный концентрат в смеси с угольной пылью пропускается через рекуператор и металлизуется. Полученный порошок железа отделяется от газов аппаратом «Циклон», от остатков угольной пыли – отмагничиванием, и с потоком паров воды пропускается через рекуператор еще раз. По реакции (6.1) примерно половина паров воды около «температуры Мидрекс» восстанавливается до водорода. Дальше окисленный порошок железа опять отделяется аппаратом «Циклон» и может идти на новый цикл восстановления, а пары воды из газовой смеси (Н2 - Н2О) конденсируются при охлаждении, они легко отмываются из смеси в градирне. В газовой фазе остается водород.

Продувка на получение водорода может идти примерно с такой же интенсивностью, как и обычная продувка на получение металла. Рекуператор домны объемом 1000 м3, способный производить в сутки порядка 1000 т металлизованного порошка концентрата, способен также за сутки произвести несколько миллионов нм3 водорода. Так как в рекуператоре можно экономично восстанавливать порошок железорудного концентрата угольной пылью, то здесь можно также достаточно экономично превращать химическую энергию угольной пыли (через стадию железа) в химическую энергию водорода.

6.5. Газификация угля в рекуператоре
Рекуператор или теплообменник является также удобным агрегатом и для газификации угля.

Сейчас уголь газифицируют обычно в газогенераторе, но при воздушном дутье получается лишь газ, подобный доменному газу, на 2/3 состоящий из азота воздуха и низкокалорийный. Чтобы получить более ценный и концентрированный газ, потребуется сжигать это топливо в дорогом кислороде, причем в обоих случаях затруднительно использовать выделяющееся тепло неполного горения.

Если такое топливо в виде пыли пропустить через рекуператор в смеси с парами воды, мы получим по реакции С+Н2О=СО+Н2 концентрированный высококалорийный газ, состоящий из водорода и СО, пригодный для получения высокотемпературного тепла. Его теоретическая температура горения даже выше, чем у природного газа СН4. Если топливо содержит углеводороды, то конечная доля водорода будет выше, и получаемый газ будет приближаться к конвертированному природному газу состава СО+2Н2, который получают в каталитической насадке агрегатов «Мидрекс» и используют для металлизации окатышей.

Цикл процесса может состоять из газификации пылевидного топлива водяным паром в горячем рекуператоре, охлаждения его, удаления частиц золы методами пылеочистки. Чтобы не допустить развития процессов разложения СО с выделением сажистого углерода (2СО=С+СО2), нужно устранить поверхности, которые могут служить катализаторами этого процесса (в частности, поверхности железа), а также вести охлаждение газа быстро.

Прогрев следующих секций рекуператора, подготавливаемых к металлизации, можно вести полным сжиганием того же пылевидного топлива при некотором избытке воздуха. Тепловая энергия топлива, за вычетом потерь в рекуператоре и с отходящими газами, превратится в потенциальную тепловую энергию полученного газа.



Поделитесь с Вашими друзьями:
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   12


База данных защищена авторским правом ©uverenniy.ru 2019
обратиться к администрации

    Главная страница