УДК 669.181
УПРАВЛЕНИЕ СОСТАВОМ ПОЛУЧАЕМОГО МЕТАЛЛА ПРИ ПРЯМОМ ВОССТАНОВЛЕНИИ ПЫЛЕВИДНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ОТХОДОВ В АГРЕГАТЕ СЭР
© Цымбал Валентин Павлович, д-р техн. наук, e-mail: tsymbal33@mail.ru; Мочалов Сергей Павлович, д-р техн. наук, e-mail: spm42555@mail.ru; Шакиров Ким Муртазович, д-р техн. наук Сибирский государственный индустриальный университет. Россия, г. Новокузнецк
Статья поступила 22.02.2013 г.
Использование идей теории самоорганизации позволило отойти от установившихся представлений, приведших к громоздкой многозвенной структуре традиционной металлургии, и создать процесс, имеющий существенные преимущества перед известными в мире. Благодаря созданию побудителя расхода (реактор-осцилятор), полного замыкания процесса от атмосферы, повышенного давления, внутреннего транспорта и нижней подачи рабочей смеси в вертикальный колонный реактор в нем создаются диссипативные динамические структуры (зоны), в которых возможно независимое управление окислительными и восстановительными процессами. Все это позволило резко увеличить скорости гетерогенных физико-химических процессов, уменьшить удельный объем агрегата (в 10 раз), капитальные затраты (в 2-3 раза) и энергоемкость.
Ключевые слова: управление; прямое восстановление; самоорганизация; диссипатив-ные структуры; зоны; реактор-осциллятор; колонный реактор.
Важную роль в разработке нового процесса сыграли идеи теории самоорганизации (синергетики), которые наша творческая группа начала изучать в 1985-1988 гг. Возникла мысль создать новый металлургический процесс с использованием некоторых принципов этой теории. Использование этих идей позволило раскрепостить мышление и отойти от установившихся представлений, приведших к громоздкой многозвенной структуре традиционной металлургии, и создать процесс, имеющий существенные преимущества перед известными. В качестве аналогов были использованы процессы БИСРА и КОРЕКС, а в качестве прототипа для первой заявки [1] был взят патент французской фирмы ИРСИД. Определенную роль в формировании представлений о новом процессе сыграла также информация о разрабатывавшейся в то время пилотной установке процесса Ромелт. Новый процесс, реализуемый в агрегате типа «самоорганизующийся струйно-эмульсионный реактор» (СЭР) в какой-то мере явился и дальнейшим развитием процесса КОРЕКС, но сжатым в объеме в 10-15 раз. Это оказалось возможным благодаря использованию некоторых принципов теории самоорганизации [2, 3] (отклонение от термодинамического равновесия, наименьшее принуждение, круговая подчиненность, колебательный стационар и др.) в сочетании с рядом физических эффектов (диспергация встречными струями, газодинамическое
запирание соединительного канала вследствие критического истечения двухфазной среды
[4], нижняя подача рабочей смеси в вертикальный колонный реактор и др.).
Конструктивно это реализовалось в следующих решениях
[5]. Создан реактор-осциллятор (рис. 1), в котором реализована внутренняя обратная связь благодаря критическому истечению двухфазной среды [6] и влиянию давления (по принципу Ле-Шателье-Брауна) на протекание химических реакций с газовыделением, что приводит к изменению объемного газосодержания аг в реакторе в соответствии с выражением
а = V/(V + V ,),
г г 4 г кфу
а затем к изменению скорости истечения двухфазной среды в соединительном канале, где V - объем газа, V, - объем
г кф
конденсированной фазы. Ход процесса соответствует правой ветви нелинейной зависимости скорости звука С от газосодержания (рис. 2).
В результате создается возможность реализации стацио-
Л")
>р » {CO}, (FeO), [Fe] J
Рис. 1. Реактор-осциллятор:
Р0, Рр, Рч - соответственно давление атмосферное, в реакторе и столба шихты; Ч\, Ч2, - потоки шихты, кислорода I истекающей из реактора двухфазной среды
O
2
q
20 0
(Ре203) + С = 2(РеО) +{СО} (1) (БеО) + С = [Бе] + {СО} (2)
Рис. 2. Зависимость скорости звука в водовоздушной смеси от газосодержания
нарного колебательного режима на любом заданном уровне давления. Таким образом, на основе реактора-осциллятора была организована с помощью своеобразного карбюратора-компрессора (в сочетании с переводом процесса в область газовзвеси и эмульсии) транспортировка рабочей смеси через все элементы внутри агрегата, в том числе через теплоутилизирующие устройства (котел-утилизатор, газовую турбину, кипящий слой, преобразователь дыма в синтез-газ). Это позволяет создать условия для глубокого использования энергии исходного топлива.
Благодаря нижней подаче в вертикальный колонный реактор (зона 6) подготовленной в реакторе-осцилляторе 2 рабочей смеси (рис. 3) в этой зоне создана динамическая диссипативная структура, представляющая собой самоорганизующийся сепаратор газа, шлака и металла.
В этом реакторе оказалось возможным получить нелинейное (параболическое) распределение плотности, а следовательно, и концентрации рабочей смеси, например, большое содержание оксидов железа внизу (на границе металл-шлак) и низкое вверху (на уровне канала для удаления шлака).
Повышенное давление и изоляция процесса от атмосферы позволили полностью использовать также энергию расширения рабочей смеси (4,31 Дж/моль), что позволило заставить реакционную смесь работать в нужном режиме и совершать самые различные технологические операции, благодаря чему агрегат обладает определенной степенью универсальности.
А.М.Бигеев, внесший большой вклад в разработку непрерывного сталеплавильного процесса [7, 8], важным и необходимым преимуществом такого процесса, наряду с отсутствием промежуточных потерь энергии и сырья, считал наличие отдельных камер (зон) для реализации необходимых технологических операций (обезуглероживания, десульфурации, дефосфорации и др.). Однако в связи протеканием процесса в условиях,
....
(Бе203) + [С] = 2(Бе0) +{СО} (4) (БеО) + [С] = [Бе] + {СО} (5)
Рис. 3. Пространственно-зонная декомпозиция процессов в агрегате типа СЭР
близких к состоянию равновесия, и, как следствие, с низкими скоростями химических реакций эти камеры были достаточно громоздки, а агрегат в целом капиталоемок.
Благодаря переходу в область газовзвеси и эмульсии, а также реализации описанных выше принципов удалось создать (вместо физически реализуемых камер) определенные зоны (см. рис. 3) в виде динамических диссипативных структур, которые существуют только в период протекания процесса в определенном режиме. Задача десульфурации решается здесь благодаря наличию огромной реакционной поверхности газовых пузырьков, а задача дефосфорации может решаться за счет управления гранулометрическим составом шихтовых материалов, подаваемых на границу металл-шлак. Решение задачи управления содержанием углерода будет приведено ниже.
Все это позволило резко увеличить скорости гетерогенных физико-химических процессов и уменьшить удельный объем агрегата, а также капитальные затраты (в 2-3 раза по сравнению с известными процессами).
За последние 20-25 лет в мире построено или находится в стадии создания более 100 установок прямого восстановления, но ни в одном из известных процессов непосредственно прямым восстановлением сталь получить не удается. Получают чугун с содержанием углерода 2-4%. Это связано с тем, что процессы протекают в условиях, близких к состоянию термодинамического равновесия, а металл и шлак длительное время находятся в контакте. Независимое управление составами металла и шлака, а также временем пребывания их в этих агрегатах практически невозможно.
а
Для лучшего понимания механизма управления химическим составом металла в агрегате СЭР рассмотрим пространственно-зонную декомпозицию процесса (см. рис. 3).
В зонах 1 и 2 реакционной камеры наряду с образованием диска уплотнения во встречных струях кислорода происходит сжигание угля или природного газа с недожогом, а также образуется псевдогомогенная газовзвесь, начинаются прогрев и восстановление оксидов.
Определяющими в соединительном канале (зона 3) являются газодинамика двухфазного потока (волны сжатия и разрежения) и зависимость скорости потока от объемного газосодержания (см. рис. 2).
Внедряющийся во взвешенную эмульсию двухфазный поток (зона 4), по-видимому, можно рассматривать, с одной стороны, как модель идеального смешения, с другой - как динамический аналог решетки, которая на высокотурбули-зированных вихрях (и за счет волн расширения нагревающегося газа) поддерживает зону 6. Эту зону можно рассматривать как псевдоожижен-ный слой в виде турбулизированной пены и газовзвеси твердых частиц. Через эту зону происходит «провал» более тяжелых частиц из зон 6 и 7, а также некоторое расслоение потока частиц, выходящего из соединительного канала (зона 3). Снизу через эту зону выделяются газообразные продукты реакций зон 5 и 8.
Зона 5 - это относительно плотная газошлаковая эмульсия типа сильно вспененного конвертерного или мартеновского шлака в слое, прилегающем к металлу. Она отсечена от зоны 6 высокоскоростным динамическим потоком, т.е. по существу механически локализована. Эта зона может играть решающую роль в процессах самоорганизации в рафинирующем отстойнике, так как здесь находится самая неравновесная составляющая процесса.
Зона 6 - это взвешенный над зоной 4 достаточно высокий слой пенистой газошлакометал-лической эмульсии, в которой также могут находиться частицы твердых оксидов и углерода. Эта зона занимает большую часть колонного реактора (рафинирующего отстойника). Из-за влияния гравитационной составляющей и близкого к параболическому распределения вектора скорости движения эмульсии в поперечном сечении колонного реактора в нем имеет место сепарация частиц в зависимости от их плотности. Вследствие этого явления частицы восстановленного железа, имеющие плотность в два-три раза большую, чем
частицы оксидов железа, «скатываются» на периферию потока и образуют пристенный слой с отрицательной (обратной) скоростью (зона 7). Это явление авторы наблюдали визуально на физической модели.
Таким образом, с учетом противодействия гравитационных и аэродинамических сил в верхней половине рафинирующего отстойника (зона 6) происходит сепарация металла и шлака, а также образует
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.