Лекция № 29, 30. Новые тенденции в плазменной металлургии

План занятий:

1. Эффективность плазменной металлургии

2. Будущие плазмометаллургические комплексы

3. Новые плазменные печи

В настоящее время в результате систематических исследований термодинамики, кинетики и механизма восстановления оксидных систем с использованием современных методов исследования топохимических реакций, положений гетерогенного катализа, теории абсолютных скоростей реакций создана теория процес­сов восстановления металлов в различных агрегатных состояниях, в том числе при воздействии пото­ков термической плазмы.

Совершенствование плазменной металлургии происходит как за счет создания новых плазменных печей, так и посредством создания новых перерабатывающих комплексов с использованием низкотемпературной плазмы.

Оценка энергетической эффективности металлургических (в том числе плазменных) процессов может быть произведенная при помощи некоторых характеристик приведенных ниже (таблица 19).

Таблица 19- Характеристика металлургических процессов

*Удельная ориентировочная стоимость, долл.США/ГДж: энергетического угля, 1,3-1,7, коксующегося угля 1,8-2, кокса ~ 5, природного газа 0,8-9,5.

**Стоимость электроэнергии 8,5 – 11 долл. США/ГДж.

Расчет характеристик источников теплоты проводится по уравнениям:

(139)

(140)

(141)

(142)

где d – диаметр печи, P_t – энергия источника, передаваемая телу, P_S - мощность источника теплоты, P – теоретически необходимые затраты энергии на осуществление процесса, m_s – поток массы вещества источника теплоты (топлива, окислителя, теплоносителя и т.д.)

Из таблицы видно, что плазменно – дуговой переплав имеет наибольшее значение К, M, удельной мощности, уровня температуры, более широкий Qm.

Из рисунка 82 так же видно, что в сравнении с доменной, дуговой сталеплавильной печью, плазменная печь с водоохлаждаемым тиглем характеризуется значительно более высокой удельной мощностью, ( ; m/м³∙сутки) которая описывается выражением:

(143)

где С- удельная мощность, МВт/т; А=17,5; В = 20

Д- доменная печь; Ш-шахтная печь; ДСП и ПКТ – дуговая и плазменная печи с керамическим тиглем; ПВТ – плазменная печь с водоохлаждаемым тиглем Рисунок 82. Влияние удельной мощностью металлургического агрегата на его удельную производительность

Современное производство стали, осуществляе­мое по аппаратурно-технологической схеме домна-конвертер имеет ряд существенных недо­статков, определяемых необходимостью соответст­вия высоким требованиям к сырью и его специаль­ной подготовке, поскольку специфика доменного процесса требует от поступающего в домны мате­риала высокого уровня механических свойств в со­четании с обеспечением газопроницаемости. Агло­мерация и коксохимическое производство, где при­меняют дорогой и дефицитный коксующийся уголь, не только удорожают производство в целом, но и наносят существенный ущерб окружающей среде, который по ценностной оценке может достигать 25 % себестоимости производства стали. Предлага­емые альтернативные процессы, в частности способ прямого восстановления, нашедший промышленное применение и в отечественной металлургии, по ряду причин, в том числе из-за значительных энергети­ческих расходов, не смог существенно потеснить традиционную технологию производства стали, в основе которой лежит доменный процесс; Предста­вляется, что положительную роль в возможной трансформации сталеплавильного производство может сыграть применение плазменной техники как на стадииполучения восстановителя и топлива для экологически чистой ТЭЦ из низкосортного сырья путем его газификации, так и в вос­становительном агрегате.

В России (ИМЕТ) развивается концепция будущего, основанная на создании по модульному принципу экологически чистого энерготехнологического комплекса, объединяющего на базе плаз­менной техники производство энергии и химико-­металлургическое производство металлов, сплавов и соединений из природного и техногенного сырья.

Создание плазменного энергометаллургическо­го комплекса позволит снизить в 1,5...2,0 раза энер­гоемкость производства стали; в качестве первич­ного источника энергии использовать энергетичес­кий уголь и углеводородсодержащие отходы; сни­зить вредное воздействие на окружающую среду вследствие отсутствия коксохимического и агломе­рационного производств; расширить сырьевую ба­зу, комплексно использовать рудное сырьё, создать многотоварное металлургическое производство, в том числе наноструктурных материалов.

Рисунок 83. Принципиальная схема энергометаллургического комплекса

На рисунке 84 приведен один из вариантов прогнозируемой металлургии будущего с использованием плазменного нагрева, предложенный российским ученым Цветковым Ю.В.

1- газоочистка; 2 - сера, 3 - восстановительный газ; 4 - железорудный концентрат; 5 - компрессор; 6 - газовая турбина; 7 - генератор; 8 - подача электроэнергии; 9 - отработанный газ; 10 - плазмотрон (восстановление); 11 - плазмотрон (очистка); 12 - плазмотрон (легирование); 13 - газификатор; 14 - бойлер; 15 - вода; 16 - уголь; 17 - СО, Н₂, Н₂O, СO₂; 18 - железо; 19 - сталь; 20 - металлургический блок; 21 - прокат; 22 - кислород; 23 - пар; 22 - теплообменник; 25- насос; 26 - зола; 27 - турбина; 28 -теплица

Рисунок 84. Схема прогнозируемой металлургии будущего

Эффективность работы подобных комплексов зависит от эффективности работы плазменных печей некоторые примеры таких печей в США. Фирмой «БетлхемСтил» предложена плазменная печь, обслуживающихся в несколько раз увеличение производительности, в сравнении с традиционной технологией. В основу этого процесса заложен принцип восстановления в тонкой пленке расплава. Вращающаяся печь фирмы «БетлхемСтил» приводится на рисунке 85.

Рисунок 85. Вращающаяся плазменая печь Рисунок 86. Печь с прецессирубщим

плазмотроном

Определенный интерес представляют также конструкции с вращающимся (прецессирующим) плазмотроном (так называемый ЕРР-реактор) (рисунок 86), реакторах этого типа вводимые частицы двигаются по слож­ной траектории в зоне диффузного разряда, что при известных условиях может обеспечить протекание целевого процесса еще в объеме с последу­ющим разделением фаз в жидкой ванне. С помощью техники ЕРР-реактора фирмой «Тетроникс» (Великобритания) в укрупненном масштабе опробо­ваны процессы обогащения ильменитовых руд, извлечения из рудного сырья меди, железа, хрома, металлов платиновой группы, переработки различных отходов, например восстановления железа из красных шламов алюминиевого производства. На основе этой технологии в ЮАР создана установка по извлечению металлов платиновой группы из сульфидных Ni - Cu – руд. Штейн, получаемый на установке содержит в 4 раза больше платины и родия, чем при традиционной электроплавке.

Накопленный опыт работы плазменных установок и современные требования к металлургическим технологиям позволяют утверждать, что плазменная металлургия способна решать проблемы комплексного использования сырья с созданием замкнутых технологических циклов.

При выборе объектов для разработки технологии плазменной переработки следует руководствоваться основными, критериями, обеспечивающими наибольший разрыв в стоимости исходного сырья и получаемого продукта: дефицитность получаемого продукта ж возможность использования остатка от плазменной переработки; повышение производитель­ности; улучшение условий труда; обеспечение охраны окружающей среды; соответствие возможностей плазменной техники при выборе оптималь­ного конструктивно -технологического оформления,

Перспективны процессы извлечения цветных металлов (цинка, свин­ца и т.п.) из промпродуктов черной металлургии, обеспечивающие воз­можность их использования для производства стали или ферросплавов. Замена руднотермических электродуговых печей на плазменные позволит повысить энерготехнологическую эффективность этих агрегатов при пере­работке комплексных руд, например титаномагнетитов.

Оптимальным путем, обеспечивающим ускорение практической реализа­ции плазменной переработки комплексного сырья, является (по примеру 1Швеции) создание опытных мини-заводов, оснащенных плазменно-металлургическими агрегатами.

Литература

1. Лотошов В.Е. Переработка отходов природопользования. Книга третья. Екатеринбург: Полиграф. 2007 - 503с.

2. Цветков Ю.В. Плазменные процессы в металлургии и технологии неорганических материалов. // Автоматическая сварка. 2013г. №10-11.