Постановка задач создания технологий и моделей ядерного металлургического комплекса

Введение

Металлургия потребляет около четверти всего ископаемого топлива, которое относится к невосполнимым ресурсам. Органическое топливо является ценнейшим сырьем для химической промышленности, металлургия же использует лишь заложенную в нем тепловую энергию (причем с довольно невысоким коэффициентом полезного действия). Большинство же ценных химических соединений практически безвозвратно теряется, загрязняя окружающую среду и требуя создания сложных и дорогостоящих очистных сооружений, а получаемый из руды металл необходимо очищать от вредных примесей, попадающих в него из топлива (кокса, мазута).

Недостаток современной технологии получения железа

Значительным недостатком современной технологии получения железа является многостадийность процесса. Сначала при извлечении железа из руды путем восстановления и науглероживания получают полупродукт – чугун, а на следующем переделе удаляют углерод и вредные примеси (серу, фосфор) путем их окисления. На обоих этих переделах в качестве отходов, загрязняющих атмосферу, выбрасываются оксиды углерода, железа, сернистые соединения, образующиеся как попутные продукты при выжигании углерода.

Так как железо в природе находится в виде оксидов , то в принципе при его извлечении следовало бы получать и второй компонент – кислород, но таких технологических процессов пока не существует. С появлением атомной энергетики возникает мысль о частичной или полной замене кокса, например путем введения в металлургический комплекс тепла высокотемпературного ядерного реактора и использования в качестве восстановителя водорода, который, в частности, может быть получен из воды, что позволит исключить расход для этой цели органического топлива.

Проблемы использования ядерного реактора

Хотя принципиально ядерный реактор может обеспечить получение достаточно высоких температур, свойственных традиционной металлургической технологии (порядка 1500—170O°C), пока нет соответствующих жаропрочных материалов, позволяющих вписать его непосредственно в металлургический цикл. Снимать тепло из активной зоны реактора нельзя, так как при этом загрязняется (делается радиоактивным) теплоноситель, а существующие металлические теплообменники не могут работать при температурах выше 1000 – 1200°C. Следовательно, применение ядерной энергии требует коренного изменения технологии.

Решение обозначенной проблемы

Для решения этой задачи специалистами «Тулачермет» было предложено взять за основу реализацию идеи прямого (бездоменного) восстановления оксидов железа водородом, который может получаться в промышленных масштабах из воды с использованием электрической (плазматроны) и тепловой (теплообменники) энергии атомных энергетических установок. Использование в качестве восстановителя полученного таким путем водорода позволяет создать экологически чистое и практически безотходное производство, что является качественным отличием ядерного металлургического комплекса от традиционной технологии, ориентированной на потребление ископаемого топлива.

Технологии восстановления оксидов железа

Схемы механизма вариантов технологии в составе ядерного металлургического комплекса

Предлагается три варианта технологии восстановления оксидов железа, пригодных для использования в промышленных масштабах:

1) высокотемпературное; 2) среднетемпературное; 3) низкотемпературное восстановление. Упрощенные схемы механизма трех перечисленных вариантов технологии в составе ядерного металлургического комплекса представлены на рис.8.28.

Высокотемпературное восстановление

Механизм высокотемпературного восстановления

Высокотемпературное восстановление идет при температуре выше 1600°C.В качестве основного металлургического агрегата здесь используется струйно-плазменный реактор для нагрева восстановительного газа в сочетании с плавильной печью. Восстановителями могут служить водород или его смесь с оксидом углерода. Струйно-плазменный реактор позволяет нагревать такой газ до температуры 2000 – 2500°C. Попадающие в струю этого газа оксиды железа в виде мелкодробленой и обогащенной руды восстанавливаются, например для , по реакции и в виде дождя капель уносятся с потоком газа в плазменную плавильную печь, где могут быть проведены все операции по доводке и легированию.

Постановка задачи математического описания процесса

При постановке задачи математического описания этого процесса можно предположить, что в связи с большой интенсивностью подвода восстановителя в струйно-плазменном реакторе и высокой температурой скорости реакций типа приведенной выше будут подчинятьсязакон действующих масс (см. раздел 3.2), а также зависеть от степени развития межфазной поверхности (степени дисперсности частичек рудного концентрата):

,
где -– константа скорости реакции, являющаяся функцией температуры;

– площадь межфазной поверхности металл – газ;

– порядок реакции по и , требующий экспериментального уточнения.

Условия необходимые для составления соотношений, описывающих перенос потоков реагирующих веществ

Наряду с описанием кинетики химических реакций должны быть получены также соотношения, описывающие перенос потоков реагирующих веществ, для чего можно использовать рассмотренные в главе 3 законы сохранения массы и количества движения, а также приведенные там же примеры. Для составления этих уравнений необходимо знать особенности формы и конструкции конкретного агрегата. Можно надеяться, что по мере накопления знаний об упомянутом выше пока недостаточно изученном процессе эту задачу, так же как и задачу создания достаточно полной математической модели удастся решить нашим любознательным читателям. Следует подчеркнуть, что даже сколько-нибудь настойчивые попытки составления такой модели позволят лучше познать процесс и получить более системную его картину.

Математическая модель доводкаегирования металла

Для разработки математической модели доводки легирования металла в плавильной печи в качестве аналога можно взять приведенный в главе 3 пример математического описания проточной ванны, а также рассмотренные выше примеры описания конкретных металлургических процессов. Рациональным подходом, как и в предыдущих случаях, следует считать создание комбинированных моделей по схеме, приведенной на рис. 8.1.

Вернемся теперь в постановочном порядке ко второму варианту технологии ядерного металлургического комплекса.

Среднетемпературное восстановление

Среднетемпературное восстановление должно протекать при температуре 850 – 900°C. В качестве восстановителя также как и в предыдущем варианте может служить водород или его смесь с оксидом углерода. Железо при такой температуре находится в твердом состоянии, продуктом восстановления будет губчатое железо. Большая часть газа при этой технологии может быть нагрета до 250 – 300°C в теплообменнике, в первичном контуре которого циркулирует пар, нагретый в ядерном энергетическом реакторе, и лишь примерно одна треть газа нагревается до 2000°Cв плазматроне. Эти два потока восстановительного газа смешиваются (см. рис.8.28) для получения температуры 850 – 900°C и подаются в шахтную печь, где происходит восстановление оксидов железа и образуется железная губка, которая может либо подаваться в сталеплавильную печь, либо сразу использоваться для нужд машиностроения. Для построения математической модели процессов, протекающих в шахтной печи, может быть использован подход, рассмотренный в разделе 8.6.

Низкотемпературное восстановление

Механизм процесса низкотемпературного восстановления

Низкотемпературное восстановление протекает при температуре 450 – 600°C. Большая часть восстановительного газа может быть нагрета здесь теплом, получаемым втеплообменнике. Этот процесс является наименее изученным. Он протекает в несколько стадий. При температуре ниже 570°C его стадийность описывается следующими реакциями:

;
;
;
;

Исходное сырье

Исходным сырьем служит тонкодисперсный порошок оксидов или хлоридов железа, а наиболее подходящим металлургическим агрегатом для восстановления оксидов железа при этом процессе является струйный реактор или так называемая вихревая камера, в которой поток газа и взвешенного в нем порошка с помощью специальных улиткообразных профилей закручивается с большой скоростью. При этом закрученный в вихрь газ постепенно поднимается вверх, а порошок опускается вниз.

Математическое описание и проектирование

Ключевыми вопросами при математическом описании и проектировании процессов в таких агрегатах являются, по-видимому, проблемы аэродинамики, что требует глубоких специальных знаний в этой области.

Производство восстановителя

Остановимся коротко еще на вопросе производства восстановителя. В качестве основного восстановителя во всех трех рассмотренных процессах целесообразно использовать водород, который может быть получен двумя путями: электролизом воды или ее химическим разложением. Второй путь, т. е. разложение воды по реакции с последующей регенерацией в и возвращением в химический цикл, по-видимому, окажется более экономичным. Реализация этой реакции не вызывает особых затруднений, она идет в присутствии катализаторов при температуре порядка 300°C. Стадия же регенерации в требует решения ряда задач, связанных в основном с проблемой эффективного разделения смеси активных газов.

Особенности технологий восстановления оксидов железа

Рассмотренные технологические схемы обладают важными с точки зрения экологии особенностями: ядовитый газ не выбрасывается в атмосферу, а циркулирует в замкнутом контуре; газовые смеси, используемые в технологическом процессе, не содержат высокомолекулярных углеводородов. Продуктами производства наряду с железом являются диоксид углерода и вода, которые также могут циркулировать в замкнутом контуре. Сера, фосфор и другие вредные примеси могут попадать в восстанавливаемое железо только из руды, исключается загрязнение серой из кокса. Металл, выплавленный на первородной шихте, обладает весьма высокими физическими и механическими характеристиками (подробнее см. в работе и в специальной литературе по бездоменной металлургии).

Материалы по теме

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *