автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Разработка элементов технологии опытно-металлургического комплекса на новой энергетической основе

• 4. и V

' МИНИСТЕРСТВО НАУКИ ВЫСШЕЙ ШКОЛЫ И ТЕХНИЧЕСКОЙ ПОЛИТИТКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНСТИТУТ СТАЛИ И СПЛАВОВ

На правах рукописи

ФРОЛОВ Владимир Александрович -

кЗРАБОТКА ЭЛЕМЕНТОВ ТЕХНОЛОГИИ ОПЫТНО-МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА НА НОВОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ОСНОВЕ

Специальность 05.16.02 - "Металлургия черных металлов"

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени доктора техническтх наук в форме научного доклада

Москва - 1992

Работа выполнена в Научно-производственном объединении "Тулачермот"

Официальные оппоненты:

доктор технических паук,профессор Д.И.РЫЖИКОВ доктор технических наук Б.А.БОКОВИКОВ доктор химических наук,профессор Д.М.СЛОВЕЦКШ

Ведущая организация - Институт черной металлургии /г.Днепропетровск/

Защита состоится " 2." 1992 г. в часов на

заседании специализированного совета Д-053.08.01 при Московском институте стали и сплавов по адресу: 117936,Москва,ГСП—1,Ленинский проспект,дом 4,ауд.436. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИСиС. Справки по телефону 236 - 96 - 58

Автореферат разослан "/У" 1992 г.

Ученый секретарь специализированного

совета,докт.техн.наук,профессор

Д.И.Бородин

I - 3 -

■" л-ч,|,"::| с О Д Е Р Ж Л. Н И У стр. .^ртЗдЦя ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ...................................4

ВВЕДЕНИЕ.....................................................11

1 .ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ МЕТАЛЛОВ ПРОДУКТАМИ ПЛАЗМЕННОЙ КОНВЕРСИИ И ПИРОЛИЗА УГЛЕВОДОРОДОВ..............14

1.1 Тпрмодинямический анализ процессов.....................14

1.1.1 Равновесный состав продуктов кислородной конверсии природного газа......................................14

1.1.2 Равновесный состав систем Ме - 0 - Н - С.............14

1.2 .Экспериментальные исследования процессов...............16

1.2.1 Восстановление оксидов железа........................16

1.2.2 Восстановление смесей оксидов металлов...............17

1.2.3 Восстановление мламов основных переделов мерной металлургии..........................................18

2.ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ВОДОРОДНОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ МЕТАЛЛОВ.20

2.1 Разработка технологии получения губчатого железа для производства железных порошков.........................20

2.2 Исследование восстановительного отжига порошков........22

2.3 Исследование восстановления смесей оксидов металлов и полиметаллических руд..................................24

3.РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ОКСИДОВ МЕТАЛЛОВ

ПРОДУКТАМИ ПЛАЗМЕННОЙ ГАЗИФИКАЦИИ УГЛЕЙ....................27

3.1 Термодинамический анализ процессов газификации и взаимодействия синтез-газа с оксидами железа...........27

3.2 Экспериментальные исследования процесса газификации углей и восстановления оксидов железа синтез-газом.....29

3.3 Разработка концепции энерготехнологического комплекса

на базе экологически чистой ТЭЦ........................30

4.РАЗРАБОТКА ПЛАЗМОТРОНОВ ДЛЯ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

И НАНЕСЕНИЯ ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИИ..............................34

4»1 Исследование эрозии электродов электродуговых.

плазмотронов...........................................34

4.2 Разработка плазмотронов для обработки дисперсных

материалов.............................................37

5.ИССЛЕДОВАНИЕ СЛУЖБЫ ВЫСОКОТЕПЛОНАПРЯЖЕННЫХ КОНСТРУКЦИИ

МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ АГРЕГАТОВ.................................38

5.1 Исследование процессов теплопередачи в агрегатах с барботируемой ванной расплава..........................38

5.2 Исследование службы гарниссажных футеровок в условиях воздействия потоков плазменных газов и агрессивных оксидных расплавов.....................................40

5.3 Оптимизация процесса непрерывной разливки стали........41

6.РАЗРАБОТКА ПРОЦЕССОВ МЕМБРАННОГО ГАЗОРАЗДЕЛЕНИЯ............43

6.1 Расчетно-теоретические исследования....................44

6.2 Экспериментальные исследования.........................46

6.3 Технико-экономическая оценка процесса..................47

5.4 Разработка комбинированных меморанно-плазменных способов получения восстановительных газов.............50

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...................................................51

БИБЛИОГРАФИЯ

55

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

В диссертации обобщен комплекс результатов экспериментальных и расчетно-теоретических исследований,а также технико-эко-г номического анализа плазменно-металлургических процессов,представляющий собой новый подход,обеспечивающий улучшение экологии энергометаллургических комплексов,на базе которого разработан ряд технических и технологических решений,обеспечивающих ускорение научно-технического прогресса в металлургии и энергетике.

Актуальность проблемы.В последние десятилетия сложилась крайне тяжелая экологическая обстановка в районах размещения энергетических и металлургических предприятий.Экологический ущерб от производства стали может составлять до 20% от ее стоимости. Наибольший вред причиняют агломерационное и коксохимическое производства,а также энергетическое хозяйство.Вредные выбросы при агломерации можно уменьшить,повышая культуру производства, коксохимия дает широкий спектр выбросовгисключить которые практически невозможно.Радикальное решение экологических проблем следует искать на путях создания принципиально новых технологий.Например.известно,что весной 1990 г. конгресс США принял закон о разработке и освоении к 1995 г. экологически чистых процессов в черной металлургии.Основные надежды при этом связывают с внедоменным получением железа с использованием углей и электроэнергии.

Применение низкотемпературной плазмы позволяет комплексно решать проблемы металлургии и энергетики и существенно улучшить экологическую обстановку в промышленных районах за счет применения газообразных энергетических топлив и восстановителей,используемых в доменной плавке и процессах бескоксовой металлургии.

Возможны следующие способы плазменной генерации и нагрева восстановителей и энергоносителей:

- конверсия и пиролиз углеводородов;

- получение водорода из воды;

- газификация углей,в том числе на экологически чистой ТЭЦ

с одновременным получением синтез-газа,тепловой и электроэнергии.

Первый способ отличают относительная простота реализации, имеющийся опыт промышленного освоения.

Для второго характерны высокая экологичность,возможность

организации замкнутого безотходного производства,в принципе даже без применения невосполнимых источников энергии - ископаемых органических топлив.

Третьему способу присуще комплексное решение проблемы на основе использования энергетических углей - основного топлива на обозримую перспективу.

Очевидными предпосылками актуальности разработки плазменно-металлургических процессов являются такие обстоятельства,как возможность создания за счет высокой концентрации энергии компактных и легкоуправляемых агрегатов при высоком уровне механизации и автоматизации,обеспечивающие снижение металлоемкости аппаратов и,соответственно,капитальных затрат;малая инерционность плазменных агрегатов позволяет организовать соответствующие производства с суточным ритмом работы,используя "провальные" по нагрузке /например,ночные/ часы работы электростанций»Обладая высоким восстановительным потенциалом,плазменные газы могут обеспечить элективную переработку комплексных природнолегированных руд и промотходов,например,пылей и шламов основных металлургических переделов,содержащих,в частности,цветные и редкие металлы. Тем самым применение плазмы может решить проблемы создания безотходных технологий и дефицита сырья в цветной металлургии.

Для. промышленной реализации плазменных технологий необходимо исследовать основные параметры плазменных процессов получения восстановительных тазов и обработки ими оксидов металлов, оценить экономическую эффективность плазменно-металлургических процессов,решить вопросы их аппаратурного оформления,повышения ресурса работы плазмотронов для применения их в непрерывных металлургических процессах,убедиться в достаточной стойкости гар-ниссачсных футеровок в экстремальных условиях воздействия плазменных газовых потоков и агрессивных оксидных и металлических расплавов,предложить скоростные способы получения новых профилей непрерывных отливок.Решению этих актуальных задач и посвящена настоящая работа.Выбор направлений и объектов исследования обусловлен плановой тематикой НИИ НПО "Тулачермет" /до 1974 г. филиал ЦНШЧМ/,(формировавшейся совместно с ИМЕГ им.А.А.Байкова, ДНИИЧМ.ИАЭ им„И.В.Курчатова,Гинцветметом во исполнение указаний Минметаллургии СССР,Постановлений ГКНТ № 304 от 28.06.73 г. и № 90 от 14.03.77 г„,СМ СССР № 299-64 от 13.03.80 г..отраслевых целевых программ:"Разработать и внедрить мембранные процессы на предприятиях ГЛинчермета СССР в 1987-90 г.г.","Приме-

нэние низкотемпературной плазма в черной металлургии на 1986 -90 и последующие годы",ГНТП "Ресурсосберегающие и экологически чистые процессы металлургии и химии" на 1990 - 95 г.г.В выполнении названных постановлений и программ автор принимал и принимает непосредственное участие.

Цель работы заключалась в разработке научных основ создания в металлургии экологически чистых энерготехнологических комплексов на базе плазменных технологий путем исследования процессов подготовки восстановительных газов методами конверсии и пиролиза углеводородов,газификации углей и мембранной очистки колошниковых газов от окислителей,изучения процессов получения губчатого железа и жидкого металла в условиях плазменного нагрева и подготовки восстановительных газов,обобщения результатов и выдачи теоретически и экспериментально обобнован-ных рекомендаций по аппаратурно-технологическому оформлению процессов для реализации в условиях опытно-металлургического комплекса на новой энергетической основе,а также в опытных и опытно-промышленных агрегатах для отработки новых металлургических технологий.

Научная новизна работы заключается в комплексном подходе к разработке плазменно-металлургических процессов,включающем рассмотрение путей энерготехнологического комбинирования,рас-четно-теоретические и экспериментальные исследования по плазменным и мембранным способам получения восстановительных газов и взаимодействию их с оксидами металлов,поиск аппаратурного оформления процессов с технико-экономическим анализом,учитывающим результаты проектных разработок специализированных организаций,решение задач повышения ресурса работы плазмотронов и испытание службы гарниссажных футеровок в экстремальных условиях воздействия потоков плазмы и агрессивных расплавов,оптимизацию процессов непрерывной разливки стали.

Впервые разработана концепция применения синтез-газа,полученного на экологически чистой ТЭЦ вместе с электро- и тепловой энергией методом плазменнотермической газификации углей,в доменном производстве и шахтных печах металлизации.

Впервые в условиях опытно-металлургического комплекса по вдуванию в доменную печь горячих восстановительных газов показана возможность длительной работы промышленных аппаратов мембранного газоразделения в режиме очистки колошниковых газов от окислителей,осуществлен выбор отечественных полимерных мембран,

конструкций аппаратов и технологических схем глубокой очистки, обеспечивающих возможность утилизации диоксида углерода.

Определены основные технологические параметры процесса получения губчатого железа для производства железных порошков при водородном восстановлении железорудного суперконцентрата. ."Экспериментально показана возможность интенсификации отжига восстановленных и распыленных порошков из чугуна и малоуглеродистой стали с помощью добавок соединений щелочных металлов.

На основании экспериментальных исследований по восстановлению титаномагнетитов и цинковистых шламов предложены и защищены авторскими свидетельствами двухстадийные процессы переработки комплексных руд и промотходовгоснованные на стимулирующем влиянии преднамеренно вводимых или изначально присутствующих в сырье соединений щелочных металлов,обеспечивающие экономию .энергоресурсов и высокий выход целевых продуктов.

Экспериментально показано,что при восстановлении рудных и рудноугольных окатышей продуктами плазменной кислородной конверсии метана вдвое сокращается расход природного газа и втрое -кислорода по сравнению с их расходами при получении восстановительных газов в конверсионных горелках.

На стендовых плазменных установках мощностью до 100 кВт при обработке железорудных концентратов получены следующие удельные производительности¡циклонный и конверторный аппараты -60...100 т/м3сут.,что на 2...3 порядка превышает удельную производительность агрегатов традиционной металлургии.

Впервые в стендовых плазменных печах с полыми электродами и полупромышленной РШ с обработкой расплава плазменно-восстано-вительными струями из Хп-содержащих шламов НМЛК получен малоуглеродистый металл при содержании Fe в конечном шлаке менее 3% и удалении в возгоны до 99% Zп.Энергозатраты при этом не превышали аналогичных величин для шведских процессов "Piasrna Zinк" и "Ptasma Dust

Впервые на примере отечественных энергетических углей,включая канско-ачинские и подмосковные,расчетным путем и экспериментально показана возможность получения методом паровой плазменной газификации синтез-газа,содержащего окислителей и балласта.

Впервые экспериментально показана возможность безэрозионного режима работы графитового катода,возобновляющегося из плазмооб--разующей смеси при обдуве его смесью кислорода и природного газа.Получена эмпирическая зависимость диаметра опорного пятна ду-

ги от величины тока,что позволяет обоснованно выбирать диаметр активной; вставки при конструировании катодов.На конструкции катодов получены авторские свидетельства.

Экспериментально показано,что при работе на водороде,азоте и воздухе применение медноволъфрамовых псевдосплавов для изготовления анодов дуговых плазмотронов на порядок уменьшает по сравнению с медью эрозию выходного электрода.

На основании комплекса теплотехнических исследований на огневых моделях получены формулы,описывающие температурные зависимости коэффициентов теплопроводности обмазок из наиболее часто применяемых огнеупоров,определены коэффициенты теплопроводности гарниссажа из железистых расплавов,показано,что коэффициент теплообмена между барботируемой ванной расплава и стенкой аппарата можно рассчитать,используя обобщенную зависимость, описывающую процесс теплообмена в прямых круглых трубах,если скорость омывания стенки расплавом принять равной фактической скорости газа в барботируемой ванне.

В барботажных,струйных и вихревых аппаратах исследована служба гарниссажных футеровок в условиях переработки агрессивных расплавов оксидов Ре иV,включая плазменные процессы и показано, что гарниссаж является надежным средством защиты стенок аппарата от разрушения даже в этих тяжелейших условиях,а его структура такова,что внутренняя поверхность аппарата формируется из наиболее тугоплавких соединений,что препятствует загрязнению продуктов плавки элементами и соединениями огнеупорной подложки.

На основании теплотехнического анализа и комплекса исследований по гидравлическому и математическому моделированию процесса непрерывной разливки стали разработаны новые конструкции разливочных устройств,определены оптимальные соотношения внутреннего и наружного диаметров полой трубной заготовки,рассчитаны радиальные и тангенциальные гермоупругие напряжения в круглом слитке,что'позволило значительно увеличить скорость разливки при хорошем качестве заготовок.

Научная и практическая ценность результатов работы состоит в представлении научных основ и технико-экономических обоснований для выбора аппаратурных решений и определения основных технологических параметров при сооружении опытно-промышленных установок и комплексов для отработки новых технологий.

Результаты исследований использованы Гипромезом при раз-

работке ТГО сооружения опытно-промынгленного металлургического комплекса на базе Кольской АЗС и Оленегорского ГОКа.

Результаты разработок по применению синтез-газа,полученного на экологически чистой ТЭЦ методом плазменной газификации углей,в доменном производстве и процессах металлизации использованы Сибгипромезом в ТОО строительства Дальневосточного мет-комбината.Сибгипромез использовал эти результаты в совокупности с данными по мембранной очистке колошниковых газов от окислителей в ГЭО реконструкции Кузнецкого и Западносибирского мпткомбинатов.

Результаты исследований и разработок по плазменной газификации углей,плазменной переработке железных и полиметаллических руд и промогходов положены в основу ТЛЗ на проектирование опнтно-промышленного плазменного комплекса,сооружаемого по ГНГП "Ресурсосберегающие и экологически чистые процессы металлургии и химии" на экспериментальной базе Объединенной экспедиции НПО "Луч".

Данные о высокой удельной производительности плазменных процессов прямого получения железа и стали из рудных концентратов в высокотемпературных плазменных реакторах является весомым аргументом в пользу разработки соответствующих промышленных технологий .'Ссылки на эти результаты приведены во многих обзорах и монографиях по плазменно-металлургическим процессам.

Данные по теплопроводности огнеупорных обмазок использованы в справочной литературе.

Зависимости,описывающие гидродинамику и теплообмен в бар-ботируемой ванне расплава,используются при проектировании сталеплавильных конверторов,конверторов для переработки штейнов, печей ПЖВ.

Результаты по оптимизации процесса непрерывной разливки стали использованы при освоении на МНЛЗ НПО "Тулачермет" разливки круглых заготовок.

Результаты работы используются в учебных курсах Ленинградским технологическим,Томским политехническим,Новосибирским электротехническим и Магнитогорским горно-металлургическим институтами.

На защиту выносятся: - концепция применения синтез-газа,полученного на экологически чистой ТЭЦ вместе с электро- и тепловой энергией методом плазменнотермической газификации углей,в доменном произ-

водстве и процессах металлизации;

- результаты расчетных и экспериментальных исследований по мембранной очистке колошниковых газов от окислителей в рецикле получения горячих восстановительных газов;

- результаты расчетных и экспериментальных исследований процессов плазменного получения восстановительных газов методами конверсии и пиролиза углеводородов,а также газификации yivioii и взаимодействия их с оксидами металлов;

- результаты экспериментальных исследований эрозии электродов дуговых плазмотронов,позволившие на порядок увеличить ресурс

их работы;

- результаты экспериментальных исследований процессов теплообмена барботируемой ванны расплава со стенкой аппарата и теплопередачи в охлаждаемых футеровках;

- результаты расчетных и экспериментальных исследований пс оптимизации процессов непрерывной разливки стали;

- разработки плазменных процессов и аппаратов для промышленной реализации,защищенные авторскими свидетельствами.

Апробация работы.Материалы диссертации доложены и обсуждены на 5 международных,19 всесоюзных и более чем на 20 региональ-ныхготраслевых и межотраслевых конференциях,симпозиумах,совещаниях и семинарах,основными из которых являются:

УП и УШ Всемирные конференции по водородной энергетике / Москва,1988 г..Гонолулу,1990 г./Д международный симпозиум по плазмохимии /Бохум,1991 г./.Международный симпозиум по теоретической и прикладной плазмохимии /Рига,1991 г./.Международный симпозиум "Проблемы экологии в металлургическом производстве-ЭО" / Мариуполь,1990 г./;

П и 1У Всесоюзные симпозиумы по плазмохимии /Рига,1975 г., Днепропетровск,1984 г./.Всесоюзный семинар по разработке и промышленному испытанию электрогазовых и электродуговых горелок /Каменск-Шахтинск,1976 г./,П Всесоюзное совещание по плазмохимической технологии и аппаратостроению /Москва,1977 г./УП,Х и XI Всесоюзные конференции по генераторам низкотемпературной плазмы /Алма-Ата,1977 г..Каунас,1986 г., Новосибирск,1989 г./,Всесоюзное совещание "Плазменная плавка металлических материалов" /Киев,1978 г./,П,Ш,1У и У Всесоюзные совещания "Плазменные процессы в металлургии и технологии неорганических материалов" /Москва, 1976,1979,1983 и 1988 г.г./,У Всесоюзный семинар "Применение низкотемпературной плазмы в технологии неорганических веществ и по-

рогаковой металлургии" /Рига,1982 г./,Всесоюзное научно-техническое совещание "Применение покрытий методом газотермического напыления для упрочнения и восстановления деталей / Тула,1981 г., Всесоюзная конференция по прямому получению железа /Звенигород, 1983 г./,УП и 71(1 Всесоюзные конференции по физике низкотемпературной плазмы / Ташкент,1937 г.,Минск,1991 г./.Всесоюзная научно-техническая конференция "100 - летие изобретения сварки по методу Н.Г.Славянова и современные проблемы сварочного производства" / Пермь,1988 г./,Всесоюзная научно-техническая конференция "Непрерывние металлургические процессы "Гуда.лом - прокат" /Свердловск,1989 г./;

У",УП,IX,И,XIII и ХУ межотраслевые семинары по атомно-водо-родной энергетике и технологии /Москва,1980,1982,1984,1986, 1988 и 1990 г.г./.Симпозиум по кинетике,термодинамике и механизму процессов восстановления /Москва,1986 г./.научно-технический семинар "Фундаментальные основы экологически чистых технологий - Техноэкология-91" /Донецк,1991 г./,заседания научного совета ГКНТ СССР "Новые процессы в черной металлургии" /Москва,1989,1991 г.г./,заседания сталеплавильной /Москва,1989 г./ и аглодоменной /Тула,1989 г..Днепропетровск,1990 г./секций НТС Минметаллургии СССР.

Публикации.Содержание работы с исчерпывающей полнотой изложено в 115 научных статьях и докладах,опубликованных в отечественных и зарубежных изданиях,по теме диссертации получено 14 авторских свидетельств.

ВВЕДЕНИЕ

Развитие металлургии происходило таким образом,что способы прямого восстановления железа из руд были теми первыми методами, с помощью которых человек получил металл.необходимый для изготовления железных и стальных изделий.С появлением доменных печей и возникновением призводства чугуна получение железа и стали оказалось более выгодным вести путем соответствующей обработки чугуна.Однако уже в начале XIX в.возникает стремление технической мысли найти практические способы такой обработки железных руд,которые давали бы возможность получать железо,минуя стадию получения чугуна.Это стремление постоянно усиливалось, и к середине нашего века появилось значительное число предложений и патентов,проведено большое количество лабораторных исследований,построены полупромышленные установки и освое-

нн промышленные технологии.Большое внимание организации исследований по проблеме прямого получения железа уделял И.П.Бардин, который сформулировал преимущества,которыми обладают методы прямого получения по сравнению с двухстадийной переработкой .-возможность организации маломасштабной металлургии,высокое качество получаемого металла,возможность повышения производительности агрегатов за счет увеличения скорости восстановления оксидов металлов и высокой автоматизации процессов.

По инициативе И.П.Бардина в 1960 г. на базе Новотульского металлургического завода /ныне НПО "Тулачермет"/длн разработки процессов прямого получения железа был организован филиал ЦНИИЧМ /с 1974 г.НИИ НПО "Тулачермет"/.Автор был приглашен в лабораторию получения жидкого металла,где занимался вопросами гидродинамики и массообмена в барботируемой ванне шлако-металли-ческого расплава /I - 3/.Результаты исследований были обобщены в кандидатской диссертации "Исследование на моделях гидродинамики агрегата для прямого получения жидкого металла",защищенной в 1966 г.в МИСиС.

Преимущества процессов,протекающих при высоких температурах, в отличие от способов твердофазной металлизации железорудного сырья,которые к тому времени были освоены в промышленном масштабе в Мексике,Швеции,Германии и др.странах,виделись в высокой скорости восстановления,возможности получения жидких продуктов плавки и использования без предварительного окомкования продуктов глубокого обогащения руд.Кроме того характерный для тех лет значительный прирост разведанных запасов природного газа и развитие методов его промышленной конверсии,открывали,как казалось, широкие перспективы применения конвертированного газа в качестве восстановителя для процессов получения высококачественного, чистого по примесям железа.Другим источником восстановительных газов представлялись продукты неполного сжигания в кислороде малосернистых энергетических углей.

Начав с изучения гидродинамики барботируемой ванны галако-металличяских расплавов,автору пришлось затем перейти к решению вопросов организации службы футеровки в условиях воздействия агрессивных оксидных расплавов,что с неизбежностью привело к использованию охлаждаемых гарписсажных футеровок,поддерживаемых в стационарном состоянии ценой значительных геплопотерь на охлаждение агрегата.При этом необходимость увязки теплового баланса процесса потребовала значительного внесения тепла о

восстановительными газами,что осуществимо только в условиях их плазменного нагрева и подготовки.При отработке процессов плазменного получения восстановительных газов были решены вопросы повышения ресурса работы основных узлов дуговых плазмотронов /без чего применение их в непрерывных металлургических процессах представляется технологам-практикам проблематичным/ и показана возможность получения плазменных газов практически не содержащих окислителей,что открывало перспективы их использования в процессах твердофазной металлизации и при восстановлении полиметаллических руд и промотходов.Опыт работы со шлаковыми и металлическими расплавами позволил разработать приемы оптимизации процесса непрерывной разливки стали.

Очерченный круг исследований был в основном выполнен,когда объективные пути развития металлургического и топливно-энергетического комплексов - энергетический кризис 70-х годов - с неизбежностью привели к необходимости создания опытно-металлургического комплекса для отработки технологий на базе использования электроэнергии атомных электростанций и плазмохимическо-го получения водорода из воды,что позволило бы вообще отказаться от применения ископаемых органических топлив для получения восстановителей.Под эту конкретную задачу выполнены разработки получения губчатого железа для производства железных порошков из железорудных суперконцентратов в условиях плазменного нагрева водорода.При этом была экспериментально показана перспективность использования интенсификаторов - соединений щелочных металлов - именно при получении зубчатого железа для производства железных порошков,а попутно и возможность интенсификации аналогичными средствами восстановительного отжига распыленных порошков - лимитирующего звена в общей технологической цепи их производства,а также найдены новые подходы в организации процессов комплексной переработки полиметаллических руд и промотходов.

По исходным данным НПО"Тулачермет','ИАЭ им.Курчатова и ИМВГ им.Байкова Гипромез разработал "Проектные соображения по организации производства железных порошков на базе железорудных концентратов Оленегорского ГОКа и энергии Кольской АЭС","ТЭ0 строительства опытно-металлургического комплекса" и "Обосновывающие материалы по первому этапу строительства". Поскольку в основу сквозной технологии было заложено производство чистых железных и легированных порошков,проектные проработки показали возможность организации высокорентабельного производства со

сроком окупаемости около 3 лет.Однако катастрофа в Чернобыле поставила под сомнение идею создания атомно-металлургических комллексов и приостановила решение вопросов по сооружению такого комплекса на Кольском полуострове.

Тем временем результаты исследований по плазменной газификации углей и вдуванию в горн доменной печи горячих восстановительных газов,полученных очисткой колошниковых газов от окислителей сорбционной отмывкой или методами мембранного газоразделения »позволили разработать новые экологически чистые ресурсосберегающие технологии.эффективность использования которых показана Сибгипромезом для районов Восточной Сибири и Дальнего Востока,меткомбинатов г.Новокузнецка.

Поскольку промышленная реализация технологий на новой энергетической основе требует затрат в десятки и сотни миллионов рублей,в работе решались и задачи прикладного характера,позволившие использовать результаты исследований при освоении разливки новых сложных профилей круглого сечения,от-жиге металлических порошков,плазменном нанесении защитных покрытий, мембранном получении гипоксических газовых смесей в медицине.

1. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ МЕТАЛЛОВ ПРОДУКТАМИ

ПЛАЗМЕННОЙ КОНВЕРСИИ И ПИРОЛИЗА УГЛЕВОДОРОДОВ

1.1 Термодинамический анализ процессов

1.1.1 Равновесный состав продуктов кислородной конверсии природного газа /4/

С помощью расчетов термодинамически равновесных составов продуктов кислородной конверсии природного газа показано /см.рис.1/,что при стехиометрическом соотношении углеводородов и окислителей,которое может быть реализовано в плазмотроне, со держание окислителей в конвергированном газе не превышает 2 -3%.

Именно такое содержание окислителей было зафиксировано в продуктах плазменной конверсии экспериментально /5/.

1.1.2 Равновесные составы систем Ме - 0 - Н - С /6/

Выполнен термодинамический анализ взаимодействия смеси И,, и СО с оксидами ?е в интервале температур до 5000 К.Установлено /см.рисо 2/,что при температурах до 3000 К полное вое-

становление оксидов до ?е может быть достигнуто при избытках восстановителя.превышающих 4-х кратное по сравнению со стехио-метрической реакцией.

Минимальные энергозатраты на процесс достигаются при температурах до 130Сг С при

Г

1

I

""""

/ у / -ß^-Ur ---ßt- г

/ / <4. i /

КГо'^

\ ч ч /

1000 ш

10-ти кратном избытке восстановителей,при 1300 -2900° С - при 4-х кратном, а при более высоких температурах - при 2-х кратном, как показано на рис.3.

Влияние содержания окислителей в конвертированном газе на выход Ре показано на рис.4.

В целом результаты расчетов показывают,что при температурах выше

ТемперсгурА> К

Рис.1.Равновесный состав продуктов ЧПГ)П _ к яп n„PY кислородной конверсии CIL приоС=0.25 dUUU JÖUU к во всех

рассмотренных вариантах

избытка восстановителей и составах конвертированного газа обеспечивается выход Pe>9Cß и таким образом процесс термодинамически не лимитирован.Вместе с тем имеются пути оптимизации технологии плазменного получения Ре по расходу электроэнергии и восстановительных газов.

Рис.2.Влияние температуры процесса и избытка конвертированного газа на выход

железа ^

Рис.3.Энергозатраты процесса восстановления окиси железа конвертированным газом сте-хиометрического состава.

1.2 Экспериментальные исследования процессов восстановления 1.2.1 Восстановление оксидов железа

Установлено /4,5,7/ - см.рис.5,что при слоевом восстановлении рудно-уголышх и рудных гранул продуктами кислородной конверсии метана в дуговом разряде при стехиометрическом соотношении углеводородов и окислителей почти вдвое сокращается расход природного газа и втрое уменьшается расход 02 на процесс по сравнению с их расходами при восстановлении газом, полученным в обычных конверсионных горелках,которые работают

Рис.4.Влияние температуры процесса и состава конвертированного газа на выход Ре

Рис.5.Зависимость степени восстановления окатышей от времени обработки конвертированным газом

устойчиво только с некоторым избытком окислителя.

Существенно,что при этом экономия от снижения расхода технологических газов превосходит дополнительные затраты,связанные с использованием электроэнергии для организации конверсии в плазме при получении губчатого железа на конвейерной машине /12,14,15/,в противоточно-перекрестной шахтной печи /16/ и в шахтных печах металлизации /18,32/.

Минимальное содержание окислителей в продуктах плазменной конверсии углеводородов достигается при максимальном расходе электроэнергии.Между тем наиболее квалифицированный газ целесообразно использовать только на завершающей стадии процесса.В начальный период обработки шихты в периодически действующей реторте,первых камерах конвейерной машины,верхних горизонтах шахтной печи требования к составу ниже.Получено авторское свидетельство на способ получения губчатого железа /101/,отличающийся тем,что,с целью увеличения эффективности

использования технологических газов и снижения расхода электроэнергии,восстановление до степени металлизации 60...90$ осуществляют при содержании окислителей в конвертированном газе в пределах 15...30$ с последующим снижением их до 1...3% путем инициирования .электрического разряда в плазмотронах при соотношении подводимых к ним углеводородов и окислителей близком к стехиометрическому.

Выполнен цикл исследований по высокотемпературному восстановлению железорудных концентратов /13,33,34/.На стендовых плазменных установках мощностью до 100 кВт получены при обработке железорудных концентратов следующие удельные производительности: циклонный и конвертерный аппараты - 60. ..100 т/м3сут,струйный процесс - 950 т/м3сут,что на 2...3 порядка превышает удельную производительность агрегатов традиционной металлургии.Характерно, что при столь высокой производительности,достигнутой за счет высокой концентрации энергии в потоке плазменных газов на входе аппарата,общие затраты тепла на процесс восстановления в стендовой установке имели тот же порядок,что и для доменной печи и крупных промышленных агрегатов бескоксовой металлургии. •Экспериментально показано,что несмотря на чрезвычайно малое время восстановления /миллисекунды/ углерод вводимого в плазму метана практически полностью используется на восстановление,но, регулируя соотношение расходов углеводородов и окислов,можно получать малоуглеродистый металл.

Выполнена технико-экономическая оценка применения плазменного нагрева дутья в доменном производстве для повышения температуры дутья и для получения восстановительных газов с вдуванием продуктов конверсии метана в шахту.Установлено,что в диапазоне практически освоенных температур дутья и действующих ценах на энергоресурсы затраты,связанные с применением плазмы,превалируют над экономией за счет снижения расхода кокса /20,62/.

1.2.2 Восстановление смесей оксидов металлов

Малое содержание окислителей в продуктах плазменной конверсии природного газа дало основание использовать их для обработки оксидов таких трудновосстановимых металлов,как хром,а возможность оперативно регулировать в широких пределах температуру газа без изменения его состава за счет варьирования вкладываемой в электрический разряд мощности казалась весьма перспективной для организации процесса совместного восстановления железа и легирующих элементов с получением нержавеющих сталей

типа Х18Н9.При получении легированной губки оптимальным представлялся такой режим обработки,когда в первую очередь при умеренных температурах восстанавливаются относительно легковосстановимые оксиды никеля и железа,а затем,после предотвращения опасности обволакивания тугоплавких оксидов хрома легкоплавкими соединениями № ий- хром.

Экспериментальные исследования подтвердили эти соображения и показали возможность получения легированной губки при восстановлении продуктами плазменной конверсии метана окатышей из смеси железорудного концентрата или окалины с окисью хрома и закисью никеля /4,9,10/.При подиихтовке углерода аустенитная матрица армируется карбидом С г /9.35/,

Плазменный способ подготовки восстановительных газов позволяет регулировать в широких пределах не только их температуру, но и состав.Такой технологический прием был использован при твердофазном карботермическом синтезе карбида хрома /26,37/,когда свободный углерод по завершении синтеза удаляется из целевого продукта за счет создания окислительной атмосферы в реакторе. На такой способ получения карбида хрома получено авторское свидетельство/108/.

В аппаратах струйного типа мощностью до 100 кВт показана принципиальная возможность получения шихтовой заготовки для выплавки нержавеющих хромоникелевых сталей при совместном высокотемпературном восстановлении оксидов ¥е,Сг и № водородом с добавкой /до 20%/ СН4 /35,36/.

1.2.3 Восстановление гаамов основных переделов черной металлургии

Шламы основных переделов черной металлургии существенно разнятся по содержанию углерода,который может играть роль восстановителя при их комплексной переработке.Доменные шламы содержат от 2 до 37$ С,а в сталеплавильных его содержание,как правило,не превышает 2%.Термодинамический анализ показывает - см.рис.6,что при нагреве шлама заметный выход цинка в газовую фазу начинается при 1250 К и достигает максимума при 2000 К.Приемлемый для практики уровень извлечения цинка 0.8 ...0.9 обеспечивается прогревом шлама до 1500 К.В диапазоне температур до 2300 К попутного извлечения других металлов в газовую фазу не происходит.При содержании углерода в шламе 8.3^ выход Ре в конденсированную фазу /см.рис.6/ в диапазоне

температур 1500...2000 К составляет 75...дС%.Использование дополнительных количеств восстановителя необходимо лишь при условии извлечения Ре выше уровня 80% /38т40-42/.

Проведены восстановительные плавки шламов в РГП мощностью 1 МВт емкостью по расплаву до 20 т,оборудованной тремя угольными злшстродами и двумя дутьевыми устройствами на базе помещенных в водоохлаждаемые фур-

йИе 08

о.ч

о

1000 2000 ту к

Рис.6.Выход металлов /лШв/ в газовую /г/ и конденсированную /к/ фазы при нагреве шлама

J?

, J

мы плазмотронов мощностью до 200 кВт.Получен малоуглеродистый металл,до 99%2л, переведено в возгоны,а содержание Ре в конечном шлаке не превышало 3%.Расходные -показатели процесса не превышали аналогичных величин для процессов по способам шведской "SKP Steel" /25,39,41 - 43/.

Выполнены плавки шламов в печи ПЖВ,оборудованной дутьевым плазменным устройством для ввода в ванну расплава струи восстановительных газов.В условиях одновременной работы • фурм-горелок и плазменного устройства достичь глубокого восстановления Ре из расплава не удалось /42,43/.

Плавки шламов проведены в опытной плазменной печи с полым катодом мощностью 100 кВт /23,42,43/.Шлам крупностью до 1 мм подавался в канал катода и частично восстанавливался в дуге, горящей между катодом и ванной расплава,собственным углеродом. В качестве дополнительного восстановителя на ванну подавали графитовую крошку.В выпущенном из печи металле Ъь обнаружен не был,а в конечном шлаке его присутствовало не более 0.01$.При подшхтовке 5.5^ графита в металле содержалось 1.6% С,а при добавке лишь 2% графита содержание С в металле снизилось до 0.2%. Расход электроэнергии в пересчете на 1 т восстановленного металла составил 2.5 МВт ч.Проведены плавки и без твердого восстановителя с подачей через полый катод природного газа и кислорода с коэффициентом избытка окислителя оС= 0.25,т.е.при сте-хиометрическом соотношении углеводородов и 0^ и с оС=0.1,т.е. в режиме пиролиза природного газа.В обоих случаях получен малоуглеродистый металл,содержавший 0.01 и 0.02^ С соответственно.В

возгоны переведено до 97%

Выполнен технико-экономический анализ плазменной утилизации Еги-содержащих шламов /24,41 - 43/.Показано,что плазменная переработка будет рентабельной при содержании в шламах ^ 3% 2п. для заводов»имеющих собственную ТЭЦ,а при отборе энергии из "кольца" Миипплрго,содержание Ек п сыры; должно бытт, но мпппч

По.

На ряде заводов /Белорусский и Узбекский метзаводы,"Сар-канайс металлурге","Амурсталь"/,перерабатывающих лом со значительным содержанием 2ц,, концентрация этого элемента в пыля ¡г сталеплавильных цехов достигает 12...20$,а годовой выход таких шлей составляет от 4 до 12 тыс.т.Ясно,что в этих условиях Вп. -содержащие пыли можно эффективно и полностью перерабатывать в серийно выпускаемых плазменных печах небольшой производительности, причем, являясь универсальными агрегатами,такие печи могут часть времени работать по основному назначению в качестве сталеплавильных.

Утилизация шнковистых шламов решает экологические проблемы за счет уменьшения площади земель,отчуждаемых под шла-монакопители.и снижая опасность фильтрации в грунтовые воды тяжелых металлов и их соединений /43/.

2.ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ВОДОРОДНОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ МЕТАЛЛОВ

Как уже сказано,исследования по водородному восстановлению металлов выполнялись с целью разработки технологии производства на опытно-металлургическом комплексе железных и легированных порошков из суперконцентратов ОГОКа.Кроме того рассматривались возможности получения литого металла,переработки титаномагнетитов Африканды и никелевых руд Кольского полуострова.

2.1 Разработка технологии получения губчатого железа для производства железных порошков

К качеству губчатого железа,предназначенного для производства железных порошков,предъявляются особые требования по содержанию кремния и высокой степени восстановления.

Специальными методами обогащения железистых кварцитов на ОГОКе освоено получение суперконцентратов,содержащих 0.2...0.3$ кремнезема и пригодных для производства высших марок /ПЖ-1, ПЖ-0/ железных порошков.

Достижению глубокого восстановления магнетита водородом

при твердофазном процессе препятствует образование плотных металлических оболочек на крупных рудных зернах,описанное М.Ви-бергом и Д.О.Эндстремом,В.Н.Андроновым с сотрудниками.Первые устраняли такие оболочки добавкой к 30% СО.Вторые достигали глубокого восстановления ».повышая температуру до 1100... 1150° С.

Нами на основании экспериментальных исследований /46 -48/ предложено для избежания "закупорки" крупных рудных зерен металлической оболочкой,препятствующей их полному восстановлению, снижать температуру обработки магнетита водородом,а для компенсации значительного растягивания процесса во времени использовать добавки соединений щелочных металлов.Микроструктурные исследования восстановленных образцов показали, что влияние щелочных соединений на процесс восстановления проявляется в том,что происходит дробление зерен оксидов железа и образование большого количества дисперсно-кристаллической фазы.Дезинтеграция рудных зерен происходит на стадии преобразования магнетита в вюстит и в меньшей степени - вюстита в металл» Косвенным свидетельством высокого содержания мелкодисперсных фаз в восстановленной при 700° С губке является то обстоятельство,, что она загоралась при измельчении.Прочность таких окатышей не превышала 10 кг/окатыш,что недостаточно для использования их в агрегатах шахтного типа.В промышленной технологии получения губчатого железа для производства металлических порошков необходимо компромиссное решение,обеспечивающее устранение пирофорности губки при высокой степени восстановления, пониженном температурном уровне процесса и достаточной прочности окатышей,ценой частичного спекания металла затрудняющего последующее измельчение губки.Этим условиям,как было показано экспериментально,удовлетворяет процесс восстановления окатышей с добавкой стимулятора,осуществляемый при 700... 750° С на начальной и 800...850° С - на завершающей стадии.

Стимулирующее влияние соединений щелочных металлов на процессы восстановления хорошо известно из работ Г.И.Чуфарова и С.Т.Ростовцева с соавторами.Выполненные нами исследования ставили целью уточнение количественного содержания добавок, достаточного для проявления интенсифицирующих свойств,и влияния их на прочностные свойства окатышей и микрострутуру губчатого железа с точки зрения получения из него металлических порошков /48/.

На рис.7 показано,что добавки соединений Ла в количество 0.2% существенно интенсифицируют восстановление магнетитопых окатышей водоро.пом.Наиболее эффективными стимуляторами являются сода и хлорид натрия.Однако окатыши с добавками соды имеют ни:!ку:<> прочность.Введение хлорида натрия повышает прочность до 40. ..70 кг/окатыш,правда,на начальных стадиях восстановления она снижается.С повышением температуры интенсифицирующее влияние соединений натрия ослабевает.Вместе с тем,именно при низких температурах,когда но происходит обволакивания крупных рудных зерен металлической оболочкой, а, наоборот, имеет место их разукрупнение и может быть достигнуто наиболее глубокое восстановление,но процесс сильно рлс-

¿¿¿У

А/ << 'Л

Г

к

ю

¿0 ш

№

Ж

1

И

У

I

150

М>М

Б

босстаноблениц, мм

Рис.7.Зависимость степени восстановления окатышей с добавками и без добавок стимуляторов / б/с / от времени обработки водородом при 700 /А/ и 80СР С /Б/

тянут во времени .ускорение и представляет наибольший интерес. 2.2 Исследование восстановительного отжига порошков

Отжиг является лимитирующим звеном в технологии производства распыленных порошков :его продолжительность несопоставимо больше времени распиливания расплавленного металла.Для восстановленных порошков времена получения губчатого жолоза и отжига норочпеа после его размола одного порядка.

Как оказалось,поиски конкретных режимов отжига но1ошков в условиях воздействия интенсификаторов выполнялись практпч-'скп одновременно и независимо Л.И.Павловым и В.Л.Шварцманом в '¡.оп-НИИЧМ применительно к технологии получения порошков из распиленного чугуна на Вровороком заводе и в Ш10 "ТУлпчормот",гд>1 клаос

объектов исследования был расширен на распыленные порошки из малоуглеродистой стали и полученные помолом губчатого железа.

При исследовании влияния стимуляторов на процессы отжига /31/использовали порошки,полученные распиливанием водой в воду чугуна /С - 2.6.. .2,8$^ - 4.7...5.7$/ и малоуглеродистой стали /С - 0.02$,Од - 10.4$/,а также губчатое железо мелкого помола /С - 0.05$,02- 4$/.Отжиг осуществляли в водороде в лабораторном реакторе и селитовой печи цеха железных порошков,а также в муфельной печи того же цеха в атмосфере доменного газа.При часовой экспозиции в водороде содержание кислорода в порошках из чугуна со стимуляторами снижалось в 4 раза больше, чем в порошках без интенсификатора и достигало значений,соответствующих высшим маркам ПЖ. Содержание углерода за то же время снизилось до 1...1.5$,причем изменения микротвердости и исследования микроструктуры показали,что обезуглероживание произошло с периферии частиц,где ледебуритная структура .преобразуется в ферритную»Поскольку именно периферийная зона отвечает за уп-лотняемость.формуемость и другие технологические свойства порошка .фигурирующее в результатах анализов содержание углерода не может существенно влиять на эти свойства,а перераспределе-ление углерода за счет диффузионных процессов при спекании изделий может благоприятно отразиться на свойствах последних.Отжиг чугунных порошков со стимуляторами в муфельной печи в доменном газе позволил снизить содержание 0£ до 0.2...0.3$,а С до 0,04%,что исключало необходимость обычно применяемого дополнительного отжига их в селитовой печи в среде Опыты по водородному отжигу порошков из малоуглеродистой стали показали, что в порошках без добавок стимуляторов сохраняется до 10$ /об/ окислов Ре,тогда как добавка соединений щелочных металлов способствует практически полному восстановлению не только свободных окислов Ре,но и тех,которые входили в состав шлаковых включений.Наиболее полно происходит отжиг порошков из губчатого железа.При этом очень четко проявляется интенсифицирующее влияние щелочных добавок,применение которых позволило снизить содержание в 10 раз и при металлографических исследованиях остаточных окислов Ре просто не обнаруживалось.

За счет снижения температурного уровня процессов применение стимуляторов восстановления,естественно,обеспечивает соответствующее снижение расхода энергоресурсовгприблизительно на 10$ уменьшаются затраты электроэнергии при плазменном нагреве

восстановительных газов и почти втрое может быть снижен расход технологических газов /52/.

Введение интенсификаторов в перерабатываемый материал может осуществляться путем увлажнения их водным раствором солей перед окомкованием.импрегнированием такими растворами кусковой шихты,распиливанием расплавов в соловые растворы,испарением стимуляторов в плазменной струе восстановительных газов.На последний способ ввода получено авторское свидетельство /1ГБ/.

2„3 Исследование восстановления смесей оксидов металлов и полиметаллических руд

Выполнен цикл исследований по высокотемпературному восстановлению водородом смесей оксидов металлов и полиметаллических руд.В аппаратах струйного типа мощностью до 100 кВт показана возможность полного восстановления в плазменной струе водорода Сг 2O3 в смеси с магнетитом при содержании Сг в металле до 15 .„.18% /21,49,50 - 53/.

При обработке в плазменной струе водорода качкаларского титаномагнетитового концентрата получен легированный феррит и титанистый шлак.Эти экспериментальные данные позволяют говорить о возможности замены в традиционной многостадийной технологии получения T¿ стадии углетермического восстановления Fe из титаномагнетита одним водородом с извлечением в металл части легирующих элементов /27,51/.

С применением Н^ в качестве восстановителя на примере ти-таномагнетитов и цинковистых иргамов экспериментально показана перспективность организации двухстадийной комплексной переработки рудных концентратов и промотходов,основанной на использовании интенсифицирующих свойств преднамеренно вводимых либо изначально присутствующих в сырье соединений щелочных металлов, обеспечивающей экономию энергоресурсов и высокий выход целевых продуктов.Соответствующие технологии защищены авторскими свидетельствами /105,111/.

Предложено обрабатывать окомкованный титаномагнетитовый концентрат с добавками соединений щелочных металлов,например, водородом при температуре 700...800° С.На этой стадии происходит практически полное восстановление Fe из его окислов.Затем необходимо быстро нагреть губку,например,в индукционной или плазменной печи.При этом в диапазоне температур до 1300... 135СР С происходит восстановление TíOr, до Ti^Og.a затем на стадии начала шлакообразования TigOg восстанавливает остаточ-

ную РеО,в результате чего при плавлении губки />1500° С/ образуются безжелезистые титановые шлаки,используемые затем методами традиционной металлургии. Tí,и Fe /111/.В опытах на лабораторном плазменном реакторе,выполненных в указанной последовательности,безжелезистые титановые шлаки получены экспериментально - см.рис.8 /27,56,57/.

Комплексную переработку цинксодержащих шламов,включающую извлечение из них как Fe,так и ,Sn.,Col , Ул.,предлагается

осуществлять,используя неизменно присутствующие в них соединения щелочных металлов /105/. Восстановление Fe осуществлять при температуре порядка 600Р С, когда процессы

Г 10

Расстояние по линии сканирования,мкм

Рис.8.Распределение Ре и в шлаке по данным рентгеноспектрального микроанализа

Без стимулятора:-Fe--V

с NаС?: -*— Ре---V

сублимации 1кподавлены,а затем осуществлять плавление губки

в электропечи,улавливая возгоны цветных металлов известными способамИоПри этом,поскольку восстановление Ре в основном завершается на низкотемпературной стадии,выход газов из электропечи будет незначительным,а их восстановительный потенциал и концентрация и его спутников высоки,что облегчает улавливание цветных металлов,допуская получение их в виде металло-конденсата.В лабораторном реакторе на примере шламов НШК экспериментально показано,что содержание в них щелочей /Ц^О + Кг,0>0.2% вес./ обеспечивает достаточную интенсивность восстановления Ре при 600° С,а потери 2ц. даже из малой навески при этом не превышают 10$,что гарантирует его эффективную отгонку на завершающей стадии в электропечи /41/.

Сопоставительный анализ производства стали в плазменном реакторе методом прямого восстановления и по традиционной многостадийной схеме,включающей производство кокса,агломерацию, доменную плавку и сталеплавильный передел /см.рис.9/,показал, что прямое получение стали с использованием в качестве восстановителя природного газа конкурентноспособно с традиционным производством,как показано на рис.Ю.Применение водорода в такого рода процессах станет приемлемык после существенного сни-

жения его стоимости.Расчет капиталоемкости для рассматриваемых вариантов структуры производства показал,что прямое получение

А—Гз I _| стали в плазменном реакторе

'-' ■ позволяет снизить капиталь-

ные затраты по сравнению с традиционной технологией с 210 до 165 руб.для СНд и до 194 руб.для ^ /58/.

На стендовых уста-I новках высокая удельная производительность плазменных процессов была достигнута в форкачере циклонного аппарата /14,3336,56 - 59/,причем циклон фактически играл роль сборника и сепаратора целевых продуктов¡металла и шлака.Из-за высоких теплопотерь в форкамере происходило резкое падение температуры газа и полного разделения металла и шлака

в условиях ограниченной мощное-

Рис.9.Сопоставление традиционного доменно-конвертерного процесса и прямого получения стали в плазменном реакторе

1-руда;2-уголь;3-аглофабрика;4-коксо хим;5-доменная печь;6-кислородный конвертер;7-электроэнергия;»-плазменный конвертер;9-восстановитель-ный газ

4

\

Г

1 т

II

О 5Г0 МО Ш

3

V

3 Л

г 1м 1 >/•

О яг Ш етотос/т га!ег,./>?<5Уи?3/ч3

ти установок достигнуть не удавалось. Более перспективным представлялось организовать сбор и сепарацию металла и шлака в печи с керамическим тиглем /102/, как схематически показано на рис.9.

Совместными исследованиями с ПО "Центроэнергоцветмет" на укрупненной лабораторной тигельной печи с плазмотроном прямого действия показана возможность селективного восстановления ?е из ванадиевых шлаков водородом

по-

Рис. 10.Зависимость себестоимос- пи „

ти стали от цены восстановителя и продуктами конверсии СН4 с

и электроэнергии вышением содержания V2^5 в шга-

1,2,3 и 4 - стоимость электро- ке с 18 до 28% /17/.

соответственно * 12 ?Уб/ШТ 4 В дальнейшем,как уже ска-

зано,эффективная комплексная пе

^ЩИг---

кокс

роработка железосодержащего сырья была организована в плазменных печах с полым графитовым катодом /22,23,42,43/,которые находят все большее применение за рубежом в промышленных процессах выплавки ферросплавов,синтеза карбидов,причем эксплуатируются печи мощностью до 40 МВт.Именно такую печь предполагается

соорудить в первую очередь для отработки технологии прямого получения железа и стали,выплавки ферросплавов и утилизации пром-отходов на опытно-промышленном плазменном комплексе в Объединенной экспедиции НПО "Луч" на базе серийно выпускаемых отечественной электротехнической промышленностью сталеплавильных печей.

Выше было показано,что с помощью одних и тех же технологических приемов /снижение температуры твердофазного восстановления в присутствии стимуляторов /43,46 - 48,57,105/,ввод пылевидной шихты в зону отрыва плазменной струи "за уступом" /33 -35,102/ удалось осуществить эффективную плазменную переработку различных материалов.С другой стороны различные материалы удалось успешно перерабатывать в однотипных плазменных агрегатах, в частности,в печах с полыми электродами /22,23/.Все это вместе взятое говорит о возможности организации в плазменной металлургии гибких технологий /29,56,60/ путем централизованного изготовления типовых модулей для реализации различных производств на разных предприятиях,либо за счет организации переработки различных видов сырья на одном оборудовании в пределах одного предприятия.

Высокотемпературные плазменные процессы обладают и гибкостью сопряжения с энергогенерирующими комплексами,поскольку они малоинерционны /56/.Поэтому плазменные процессы прямого получения металлов вполне могут играть роль демпфера,включаемого в качестве потребителя в провальные по нагрузке часы работы электростанций /14/.Для типовой электростанции мощностью 1000 МВт регулятором нагрузки может служить циклическое производство с суточным энергопотреблением порядка 2 10^ кВт ч,чго соответствует потребностям металлургического мини-завода производительностью 230 тыс т стали в год,удовлетворяющего потребности в металле региона с развитой машиностроительной промышленностью.

3.РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ОКСИДОВ МЕТАЛЛОВ

ПРОДУКТАМИ ПЛАЗМЕННОЙ ГАЗИФИКАЦИИ УГЛЕЙ

3.1.Термодинамический анализ процессов газификации и взаимо-деиствия синтез-газа с оксидами железа /61/

С помощью расчетов термодинамически равновесных составов продуктов паровой плазменной газификации углей показана возмож-

ность получения восстановительных 2%.

Пример результатов такого расчета для высокозолышх подмосковных углей приведен на рис.11,а состав конденсированной фазы при восстановлении магнетита синтез-газом из канско-ачинских углей при 4-х кратном избытке- восстановителя на рис.12.

Синтез-газ в интервале температур 1000...3000 К термодинамически устойчив к побочным продуктам процесса. Сера угля в интервале 1600... 2500 К представлена серово-водородом,очистка от которого может быть осуществлена с помощью оксидов Са и Мд.При Т = 2500...2900 К в газовой фазе образуется сернистый водород,а в диапазоне 2900 ...3000 К - элементарная сера.Азот топлива во всем температурном интервале пред- Q,not% ставлен преимущественно молекулярным азотом.Выход оксидов азота даже при Т=ЗООСК в 20...30 раз меньше, чем в дымовых газах котлоагрегатов на твердом топливе.

На рис.12 видим, что восстановление магнетита начинается при 800 К и заканчивается в основном при 1100 К. При дальнейшем повышении температуры кон-

Т.К

Рис.11.Равновесный состав газовой фазы при паровой газификации подмосковного бурого угля /органическая масса/

С:0 =^0.5 Р = 1 атм

2D

| ^ fe

с 1 \ / \

•А--- 1

та

1500

ТА

Рис.12.Состав конденсированной фазы при восстановлении магнетита синтез-газом при 4-х кратном избытке восстановителя

центрация Fe остается практически неизменной,что свидетельствует о термодинамической устойчивости конечного продукта в

восстановителыюй атмосфере при избытке синтез-газа.

Интересно поведение Ее5,концентрация которого резко уменьшается в интервале температур 900...1100 К,составляя при Т = 1100 К <0.01$. Это обстоятельстводолжно препятствовать связыванию Ь в губчатом железе при Т > 1100 К и выводить ее в газовую (фазу в (форме Своевременное разделение газообразной и конденсированной фаз после восстановления оксидов железа может обеспечить минимальное содержание серы в губчатом железе даже в отсутствие предварительной сероочистки синтез-газа.

3.2.Экспериментальные исследования процесса газификации углей и восстановления оксидов железа синтез-газом /61/

Исследования выполнялись совместно с Казахским институтом энергетики /КазННИЗ/ с использованием плазменного реактора с несущей способностью дуги,схема которого приведена на риСо13с.В камере реактора между стержневыми электродами и графитовым корпусом горит трехфазная дуга переменного тока.В дуговой зоне с помощью электромагнитной катушки создается магнитное поле,под действием которого дуга перемещается в межэлектродном промежутке,перекрывая сечение камеры высокотемпературной зоной.Подача угольной пыли и пара осуществлялась через верхнюю крышку реактора.

Для газификации использовали канско-ачинский и подмосковный уголь.Степень газификации в интервале среднемассовых температур 2400...3000 К составляла 93...95 для канско-ачянского и 91...93.Ъ% для подмосковного угля.Состав синтез-газа отличался от равновесного всего на 2.4. ..2.6% и для КАУ соответствовал 51.6$ Н2 и 42.6^ С0„

При восстановлении синтез-газом окатышей из оленегорского концентрата при 1100...1200° С получено малоуглеродистое губчатое железо,содержащее 0.14$ углерода и 0.014$ серы.

УГОЛЬ

Шлак

Рис.13,Плазменный реактор с несущей способностью дуги

3.3.Разработка концепции энерготехнологического комплекса на базе экологически чистой ТЭЦ /44,63 - 66,68 - 72/

При термических способах не удается достичь степени газификации углей пьше 80% и в продуктах неизменно присутствуют коксовый остаток и значительное количество окислителей.Процесс плазменной газификации лишен этих недостатков,но требует большого расхода электроэнергии,как показано на рис.14.Поэтому более предпочтительно энергокомбинирование,когда первая стадия газификации осуществляется в термическом реакторе,а завершающая - пароплазменным способом.

По этому принципу может быть построена экологически чистая ТЭЦ,на которой продукты газификации углей используются для отопления паровых котлов и передаются на технологические нужны включающего ТЭЦ предприятия. Такая компоновка обеспечивает по сравнению с "обычной" ТЭЦ снижение содержания в дымовых газах оксидов серы на 90...95%,а оксидов азота - в 5...10 раз,что достигается за счет ступенчатого сжигания газа в топке парогенератора и улавливания серы и пыли на фильтрах - см.рис.15.Такой подход полностью отвечает концепции экологически чистых технологий XXI века,основанных на извлечении вредных веществ "в голове",а не улавливании их в "xboctg" и извлечении на промежуточных стадиях процесса.

Экологически чистая ТЭЦ органически вписывается в систему энергообеспечения металлургического завода,вырабатывая электрическую и тепловую энергию на общезаводские нужды и синтез-газ для восстановительных процессов,эффективно используя при этом сбросные газы восстановительных агрегатов для отопления паровых котлов и плазменнотермических реакторов ТЭЦ,высвобождая тем самым часть синтез-газа для нужд металлургического про-

tsoo гооо zsoo заоо

Рис.14.Зависимость удельных энергозатрат от температуры паровой газификации подмосковного 1 и канско-ачинского 2 углей

2 ■ 145 ТКАУР/"

Пар 2 • 8 т/ч / 1.3 МПа

60о°с

Синтез-газ 2 • 220 тыс. м3 Запыленность < 1 мг/м3

( 1000^ На металлургический

ТТш^'Т4^ з,

100 тыс.м /ч

--<3) 120 т/ч. 1,3 МПа

(технологический пар)

Рис.15.Принципиальная схема энерготехнологической ТЭЦ ЗХ(В-480 -140Ш+ПТ-135/165-130/15) :Б - бункер;С - сушилка;М - мельница; Ц - циклон;РВП - регенеративный воздухоподогреватель;ДТ - дымовая труба;Р - плазменнотермический реактор;ШБ - шлюзовый бун-кер;БР - бункер рудный;ФР - фильтр рудный;ФК - фильтр керамический; ЭФ - электрофильтр с гранулированным слоем;Г0 - газоох-ладитель;ВГ - вентиляторная градирня;ВЗ - горячий воздух

изводства.

Экологические и технико-экономические оценки плазменнотер-мической газификации угля,учитывающие затраты в социально-промышленную инфраструктуру предприятия,показали,что значительное снижение вредных выбросов в атмосферу и отвалов приведет к существенной экономии капзатраг за счет снижения расходов на природоохранные мероприятия,здравоохранение и т.д.

Синтед-газ не уступает по качеству продуктам каталитической конверсии в реформерах по процессу ГЛидрекс.Догрев синтез-

Окатыши окисленные 1 547 т/ч

2СРС; 6 »та

Электроэнергия 520 млн. кВт ч/год

Холодный синтез-газ с ТЭЦ, 6 тыс. нм3/ч

389,7 тыс. км3/ч Калорийность 2200 (ш/ки3 С02—15,2%; Н20—6,2%

Нагретый ОП|Т!Л П1! с ТЭЦ. 489 тыс. нм3/ч

Отходящий газ в цех окомкования, на 13Ц и общезаводские нужды: СО—41.2%; Н2—37,4%;

Электроэнергия 85,3 МВт

Электроэнергия 345 МП г 7,4%

Тепло 990 МВт

21,4% ^ Пар на производство 300 МВт; 6,5%

Синтез-газ для печен металлизации окатышей 1412,5 МВт; 30,5%

Рис.16.Схема процесса получения губчатого железа с использованием продуктов плазменной газификации углей:Ск - скруббер; ШП - шахтная печь;Пл - ллазмотрон;КС - камера смешения и тепловой баланс энерготехнологической ТЭЦ(Е-480-140ГМ) хь+Р -50 (1-100)х4,работающей в комплексе получения губчатого железа

газа до температур твердофазной металлизации железорудных окатышей, например, с помощью плазмотронов не представляет собой сложной технической задачи.Расчеты,выполненные Сибгипромезом, показали,что при объеме производства губчатого железа 2.8 млн т в год - см.рис.16 - капитальные затраты в варианте использования плазменной газификации будут на 20^ и в том числе объем строительно-монтажных работ на 18% меньше,чем при применении природного газа.

Перспективным представляется использование синтез-газа ив

Уголь 176 т/ч

К горелхам реактора

Пар на производство V 300 {ЛВт; «.17.

Синтез-газ на доменное производство 933,3 МВт 25,1 %

Рис о 17.Схема подготовки синтез-газа для вдувания в доменную печь:Р - реактор;ПП - плазменный подогреватель регулировочного подогрева синтез-газа /остальные обозначения те же,что на рис.15/ и тепловой баланс энерготехнологической ТЭЦ Зх (£-480-14011/1+111-135/165-130/15) .работающей в комплексе с доменным цехом

доменной плавке,которая допускает его применение без глубокой сероочистки,поскольку 5 может быть выведена из печи со шлаком. К тому же до 95$ Б связывается кальцием золы угля в плазменно-термическом реакторе.Поэтому отпадает необходимость в охлаждении газа по выходе из реактора и оптимальным представляется вынести часть реакторов с ТЭЦ и разместить их непосредственно у доменной печи - см.рис.17.При работе на синтез-газе отпадает необходимость в горячем обогащенном кислородом дутье и из сос-

тава доменного цеха исключаются воздухонагреватели.

Использование доменного газа в доменном производстве приведет к улучшению экологической обстановки в районах размещения металлургических предприятий прежде всего опосредовано за счет снижения на 25...30$ объемов коксохимического производства. При проектировании Сибгипромезом завода с объемом производства 2.6 млн т чугуна в год посчитано,что применение синтез-газа позволит снизить капитальные затраты на 13%,а стоимость СМР уменьшить на 20% по сравнению с доменной плавкой с вдуванием пылеугольного топлива.Себестоимость чугуна при этом снизится примерно на 3%.

4.РАЗРАБОТКА ПЛАЗМОТРОНОВ ДЛЯ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И НАНЕСЕНИЯ ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИИ

Экспериментальные и расчетно-теоретические исследования, технико-экономические расчеты и проектные проработки показали перспективность плазменного нагрева и подготовки восстановительных газов в металлургии /14,42,56,58,63 - 76/,однако для обоснованных рекомендаций по применению электродуговых плазмотронов в промышленных технологиях необходимо было экспериментально показать возможность их непрерывной работы по меньшей мере в течение сотен часов.

4.1 Исследование эрозии электродов дуговых плазмотронов

Выпускаемые НПО "Тулачермет" медновольфрамовые псевдосплавы , обладающие высокой теплопроводностью,представлялись перспективным материалом для изготовления анодов,поскольку удержание расплавлено^ меди в порах высокотемпературной вольфрамовой матрицы капиллярными силами препятствует ее капельному уносу.

Экспериментально показано /11,79/,что при работе на водороде,азоте и воздухе применение Си.-Ч/ псевдосплавов для изготовления анодов уменьшает на порядок по сравнению с Си эрозию выходного электрода,что позволит соответственно повысить общий ресурс работы плазмотрона без увеличения его габаритов и существенно уменьшить загрязнение потока плазмы продуктами эрозии.

Вольфрамовые катоды дуговых плазмотронов работают сотни часов при защите их А?,^,^ при чистоте этих газов 99„991>.П,ля получения и нагрева восстановительных газов перспективны регенерируемые графитовые катоды,постоянно возобновляющиеся из плаз-мообразующей смеси.Суть явления регенерации состоит в том,что

при определенных соотношениях углеводородов и окислителен в газовой смеси,подаваемой на обдув катода,его диаметре и интенсивности охлаждения,испарение графита в зоне привязки дуги компенсируется за счет отложения пироуглерода из газовой смеси.

Безэрозионный режим работы графитового катода на метано-кислородной смеси был реализован при проведении исследований по изучению восстановления железорудных окатышей продуктами плазменной кислородной конверсии природного газа на токах до 20 А /5/.Задача определения условий устойчивой регенерации в диапазоне токов порядка 1 кА была решена позднее совместно с ВНШЗГО /19,54,74,77/,когда состояние катода контролировалось визуально с помощью оптической системы.Визуальные наблюдения за работой катода позволили получить убедительные и наглядные представления о феноменологии процесса регенерации.При соотношении углеводородов и окислителей близком к стехиометрическо-

му наблюдается стационарный режим безэрозионной работы /см.рис.18а/.При избытке природного газа на периферии гра-а б в фитовой вставки обра-

Рис. 18. Зона привязки дуги на графитовом зуется выступ из от-*

к XII

лагающегося пироугле-

регенерируемом катоде

рода /см.рис.18б/.Если затем подать избыток окислителя,то этот выступ разрушается /см.рис.18в/,поеле чего в графите образуется кратер,который по мере развития может привести к полному "выгоранию" графитовой вставки и выходу катода из строя.Таким образом была экспериментально показана возможность оперативного управления режимом регенерации.Визуальное наблюдение за работой катода можно осуществить лишь на испытательном стенде.В производственных условиях контроль за работой катода проще организовать по тепловым потерям с охлаждающей водой,которые будут расти по мере разрушения графитовой вставки и уменьшаться при избыточном отложении пироуглерода.Отслеживая таким образом стационарный режим работы катода и автоматически зарегулировав подачу компонентов газовой смеси на его обдув,можно,в принципе, сделать катод самым надежным и долговечным узлом плазмотрона.

Измерения яркоеветящейея зоны дуги на поверхности катода показали,что диаметр опорного пятна дуги зависит от ве.тачины

тока дуги следующим образом:

с!оп = 0.25 х 1СГ3 х а0'34 / 4.1. /'

где Л/*, - диаметр опорного пятна дуги,мм; У - ток дуги,А.

Конструкция сильноточного регенерируемого катода защищена авторским свидетельством /106/.Катод имеет медный водоохлавдао-мый корпус,в котором устанавливается графитовый стержень.Для обеспечения хорошего электрического и теплового контакта зазор между графитом и металлом заполняется свинцовотитановым сплавом. Величина зазора составляет 0.1...0.2 диаметра графитоюто оторж-ня,а диаметр этого стержня определяется соотношением:

с! =(14 1.5) х 0.25 %/Т / 4.2 /

Однако такой катод чувствителен к флуктуациям тока,характерным для работы плазменно-дуговых устройств.Нормальная работа катода с графитовой вставкой происходит при температурах,превышающих температуру плавления корпуса.При этом дуга горит с графита, и изотерма,соответствующая температуре плавления корпуса,окружающая дуговое пятно,расположена в пределах графитовой вставки. Спонтанный рост тока сопровождается увеличением перегрето!! зоны, так,что,хотя дуговое пятно не выходит за пределы активной вставки, указанная изотерма перемещается из тела графита в металл,залол-полняющий зазор,вследствие чего этот металл,а также частично корпус оказываются в зоне температур,превышающих температуру плавления и катод выходит из строя.Разработана конструкция катода, способного выдерживать повышенные токовые нагрузки за счет применения активной вставки из углеродистого материала с анизотропией электрических и тепловых свойств с расположением оси наибольшей электро- и теплопроводности перпендикулярно торцу корпуса катода и заполнения зазора между вставкой и корпусом сплавом системы Си - (}а - Сг /110/с Анизотропия свойств активной вставки обеспечивает "центрирование" зоны привязки дуги на оси катода, . замедляя поперечное движение изотермы.Интерметаллическая система для заполнения зазора между активной вставкой и корпусом обладает повышенной теплопроводностью,более тугоплавка по сравнению с системой РЬ - T¿ и обеспечивает лучший тепловой и электрический контакт между элементами катода.

Найдены способы борьбы с повышенной эрозией анода в среде кислорода за счет ввода в дуговой канал углеводородов и с коксованием дугового каната путем ввода в него окислителей,освоены оптимальные режимы кислородной конверсии метана за счет ппрорас-

пределения соотношения компонентов,вводимых в дуговой канал и "на срез" анода /19,55,74,75,78/.

4.2 Разработка плазмотронов для обработки дисперсных материало:

С использованием разработок Института газа Ali Украинн /И.Н.Карп,H.H.Гринченко,С.В,Петров/ и Гипроникеля /М.Г.Фрид-лянд/ и на начальном этапе совместно с этими институтами выполнен комплекс исследований по освоению процессов нанесения защитных покрытий плазмотронами,работающими на продуктах сгорания углеводородов.Показана экономическая целесообразность использования дешевых и доступных плазмообразующих газов вместо дорогих азота и особенно аргона в процессах нанесения защитных покрытий /28,55,80 - 84/.

Известно,что эффективность обработки дисперсного материала, а именно доля энергии,используемой на нагрев и расплавление перерабатываемых порошков максимальна при вводе материала в прикатодную область l/б),монотонно падает по мере перемещения места ввода от катода к аноду (до 1/20 на выходе анода) и не превышает 1/30 при вводе за срезом выходного сопла.Тем не менее,в подавляющем большинстве случаев ввод порошка осуществляют за срезом сопла,что обусловлено трудностями,связанными с подачей материала в разрядную камеру,поскольку закрученный газовый поток отбрасывает его на водоохлаждаемые стенки дугового канала.В результате канал либо зарастает,либо происходит его абразивный износ,либо он разрушается за счет химического взаимодействия.При подаче материала за срезом выходного сопла плазмотрона под действием тех же центробежных сил часть материала отбрасывается плазменной струей,а значительная часть проникших в струю частиц не достигает ее высокотемпературного ядра.

Совместно с ВНИИЭТО разработана конструкция,проведены модельные испытания и изготовлены головные образцы "плазмотрона

тангенциального" - "Платана"- предназначенного для обработки дисперсных материалов^ частности,в процессах нанесения защитных покрытий, плазменного восстановления и синтеза /28/."Платан" обспечи-вает высокую эффективность обработки материалов за счет особой конструкции,схематически изображенной на рис.19.Истечение первоначально закрученного газового потока организовано

Рис.19 Схема плазмотрона "Платан"

в нем таким образом,что направление тангенциальной составляющей скорости совпадает с направлением оси канала выходного сопла.Такая схема подачи газа,обеспечивающая стабилизацию дуги традиционным способом,позволяет полностью исключить затраты энергии на торможение газового потока,что имеет место в известных способах гашения крутки истекающей плазменной струи.Кана1! для ввода обрабатываемого материала расположен тангенциально к газовому потоку и выведен в выходную камеру сопла,что обеспечивает свободное проникновение материала в поток и исключает его разбрасывание.Конструкция "Платана" защищена авторским свидетельством /110/.

Авторским свидетельством защищена конструкция электродугового испарителя для получения ультрадисперсных порошков,в котором испарение перерабатываемого материала происходит в пористой стенке электродугового канала /100/.

5.ИССЛЕДОВАНИЕ СЛУЖУ ВЫСОКОТШОНАПРЯШШНХ КОНСТРУКЦИИ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ АГРЕГАТОВ

Ни один из известных в настоящее время огнеупоров не можот выдержать длительного контакта с агрессивными расплавами,образующимися в процессах прямого получения жидкого металла.Решение находят в применении гарниссажных (Ьутеровок.Появление охлачзда-мых гарниссажных футеровок и отдельных водоохлаждаемнх элементов в металлургических агрегатах связано со стремлением продлить кампанию агрегата в условиях интенсификации технологических процессов за счет повышения температур,применения кислорода, активного перемешивания агрессивного расплава,наконец,плазменных технологий,когда интенсивность воздействия расплавов на огнеупоры особенно велика.Исследования по изучению службы гарниссажных футеровок выполнялись на лабораторном конвертере /85/, индукционной печи /89/,опытном конвертере Гипроникеля с погруженным факелом /90/,плазменных лабораторных реакторах /4,13,33/.

5.1 Исследование процессов теплопередачи в агрегатах с барботируемой ванной расплава

В лабораторном конвертере /85/ экспериментально показана возможность применения гарниссажных футеровок,образующихся на огнеупорной подложке и частично ее замещающих,в агрегатах,работающих с интенсивно барботируемой ванной железорудных расплавов и сталеплавильных шлаков.По результатам измерения тепловых потоков и перепадов температур в слое обмазок найдены эмпи-

лирические формулы,описывающие зависимость коэффициента теплопроводности ^Х,ккал/м ч град) огнеупорных обмазок,наиболее часто используемых для нанесения на водоохлаждаемые конструкции,от средней температуры в слое огнеупора в интервале температур от 200 до 160СР С для:

глинозема /86/ 1.7 - 6 х 1СГ4 х! /5.1/

магнезита /85/ Л = 2.4 - 1.4 х 10~4х1 /5.2/

хромомагнезита/86/ X = 2 - 8 х 1СГ ^х 1 /5.3/

периклазшинели/86/Л= 1.3 - 5 х 10Г4 х! /5.4/

Определены коэффициенты теплопроводности гарниссажа из железистых шлаков,содержащих от 18 до 73% ?еО,и сталеплавильного шлака /87/.

При оценке тепловых потерь через (футеровку металлургических агрегатов температуру (футеровки на поверхности,контактирующей с ванной расплава,принимают равной температуре расплава,что справедливо при достаточно больших коэффициентах теплоотдачи от барботируемой ванны к футеровке.Однако обоснованные данные о возможной величине коэффициента теплоотдачи известны не были.Анализ результатов теплотехнических измерений,выполненных на экспериментальном конвертере,позволил предложить метод расчета коэффициента теплоотдачи от бар-ботируемой ванны к стенке аппарата.Экспериментальные значения этого коэффициента определялись до измерявшимся при проведении плавок тепловым потокам через футеровку,распределению температур в (футеровке и температуре расплава /88/.

В расчетах теплопередачи при турбулентном течении в прямых круглых трубах при значении критерия Прандтля Рг ^ 1 применяется известная зависимость

Лы = 0.023 Рг0*4 £е0'8 /5.5/

где Ни и Ке - критерии Нуссельта и Рейнольдса.

Одним из основных параметров,определяющих гидродинамику барботируемой ванны,является скорость газа,приведенная к полному сечению аппарата.Можно предположить,что скорость потока расплава,омывающего стенку аппарата,близка к средней скорости газа в сечении.Рассчитывая йи 5е по физическим свойствам расплава и принимая скорость оглывания стенки расплавом равной средней скорости газа в сечении аппарата,с помощью зависимости /5.5/ получили расчетное значение коэффициента теплоотдачи о£?ас<(.

о

□

которое оказалось значительно меньше экспериментального -см. рис.20.

Ранее было показано,что величина относительного подъема ванны при продувке определяется зависимостью /3/:

НЛв=1.2 /5'б/

где Н - средняя высота подъема ванны при продувке.м; К0- глубина спокойного слоя жидкости,принимающей участие в барботаже, м; гг- средняя скорость газа в сечении аппарата,м/сок;рг - плотность газа,кг/м3; 6Г - поверхностное натяжение,н/м.

ксп'Ю"3 Отношение Н/ьо характеризует сред-

нюю степень заполнения сечения барботируемой ванны газом ^ = Р /Р.где Р-пол-ное сечение аппарата,Рр - сечение,занятое газом.

Из очевидных соотношений

_, „

Г о^алсн'Ю где\гг>У^ иУ„ - объемы газа,жидкости и

барботируемой ванны,путем элементарных пвримантальные козффи- 1 ' '

|Швнты теплоотдачи. преобразований легко получить: Светлые точки - без Я - к

жоррекции.темные - с - —-—— /5.7/

коррекцией скорости Н

Тогда,используя /5.6/ и /5.7/,можно рассчитать среднюю скорость всплывания пузнрьков газа в барботируемой ванне

кг' = /5.8/

о

Если предположить,что газовый поток увлекает прилегающие слои расплава и средняя скорость омывания стенки расплавом близка к фактической скорости газа в барботируемой ванне,то при расчете числа Ее в выражении /5.5/ следует использовать именно

вместо ъг .Расчеты коэффициента теплообмена,выполненные с такой корректировкой,дали близкую сходимость с экспериментальными значениями,как показано на рис.20.

5.2 Исследование службы гарниссажных футеровок в условиях воздействия потоков плазменных газов и агрессивных оксидных расплавов

На установке конвертерного типа экспериментально показана возможность применения гарниссажных футеровок,образующихся на охлаждаемой огнеупорной подложке и частично ее замещающих,в агрегатах, работающих о интенсивно барботируемой ванной железоруд-

них расплавов и сталеплавильных шлаков.Установлено,что даже обмазки на основе плавленого магнезита и электрокорунда частично замещаются гарниссажем /87/.Экспериментально показана возможность применения комбинированной футеровки в сталеплавильных агрегатах путем использования обычной неохлаждаемой футеровки для удержания металлической ванны и гарниссажной - в шлаковом поясе электропечей и конверторов /89/.На конструкцию такого конвертера получено авторское свидетельство /99/.

На нефутерованном водоохладдаемом конвертере Гипроникеля диаметром 0.9 и высотой 5.5 м показана высокая стойкость гар-ниссажа в барботируемой ванне ванадийсодержащих /около шлаков при температуре 1300...1400° С /90/.Изучена структура гарниссажа и установлено,что его вещественный состав мало отличается от состава проплавляемого шлака,а со стенками кессона гарниссаж скрепляется легкоплавкой силикатной фазой /91/.

На стендовой плазменной остановке мощностью 100 кВт при струйном восстановлении дисперсных железорудных материалов показано,что при организации газодинамической защиты стенок аппарата перерабатываемым материалом гарниссажная футеровка надежно работает при температуре газового потока около 3000° С в условиях воздействия агрессивных оксидов Ре.Шлакометаллкчес-кий гарниссаж имеет такую слоистую структуру.при которой внутренняя поверхность аппарата формируется из чисто металлического гарниссажа,что препятствует загрязнению продуктов плавки элементами и соединениями огнеупорной подложки /33/.Гарниссажная футеровка надежно работала и в конвертерном аппарате для обработки железистых расплавов плазменной струей восстановительных газов /13/.

В целом выполненные исследования показали возможность применения гарниссажных футеровок в традиционных и новых металлургических процессах,а накопленный экспериментальный материал позволяет оценивать уровень возможных теплопотерь при организации промышленных технологий.

5.3 Оптимизация процесса непрерывной разливки стали

На гидравлических моделях отработаны конструкции безнапорного сталеразливочного устройства,обеспечивающие подачу металла в кристаллизатор "под мениск",исключающие размывание оболочки слитка струей поступающего в кристаллизатор металла.Использование таких устройств на промышленной МНЛЗ позволило увеличить скорость разливки полых трубных заготовок диаметром

360/110 мм с 0.4 до 0.8 м/мин при хорошем качестве наружной поверхности слитка /92/Мэтодами гидравлического моделирования и анализа теплового баланса непреривного слитка отработаны разливочные устройства,обеспечивающие оптимальную структуру слитка за счет быстрого снятия перегрева,благодаря чему удалось увеличить скорость отливки круглых слитков дигшетром 280 мм до 0.8 ...1 м/мин /93/.

С помощью анализа процесса остывания полой трубной заготовки при двухстороннем отводе тепла показано,что максимальные величины теплового потока в области коэффициентов теплоотдачи, характерных для зоны вторичного охлаждения ШШЗ,обеспечиваются при отношении наружного диаметра заготовки к внутреннему в пределах 2...7.С учетом этого факта на МНЛЗ НПО "Тулачермет" была освоена разливка заготовки .диаметром 360/110 мм со скоростью до 0.8 м/мин при хорошем качестве слитка /94/.

Получено авторское свидетельство на способ интенсификации вторичного охлаждения непрерывного слитка псевдоожилсенным слоем металлических шаров /104/.

Выполнены исследования по математическому моделированию температурных напряжений в круглых слитках непрерывной разливки.Методом конечных разностей по неявной схеме при задании граничных условии 3-го рода и переменных теплофизических параметрах »зависящих от температуры,находили температурные поля в корочке кристаллизующегося круглого слитка.По температурному полю в корочке,используя известное в теории термоупругости решение задачи о термоупругих напряжениях в цилиндре при плоском осесимметричном поле.рассчитывали радиальную и тангенциальную составляющие тензора напряжений.Таким образом удалось представить механизм образования поверхностных трещин за счет больших величин тангенциальных напряжений у наружной поверхности слитка,а применение на ШИЗ кристаллизатора с регулируемым тепло-отводом »конструкция которого била разработана с учетом данных математического моделирования, - позволило увеличить скорость разливки круглых заготовок и резко снизить брак по поверхностным трещинам /8/.

В целом исследования по гидравлическому и математическому моделированию процесса разливки на МНЛЗ позволили при освоении разливки круглых заготовок удвоить скорость разливки при хорошем качестве слитков.

При непрерывной отливке заготовок малого сечения весьма желательно иметь возможность обогревать металлопровод для пода-

пи металла в кристаллизатор,поскольку при малом сечении проходного канала он может закупориться застывшим металлом.Поэтому были поставлены исследования по обогреву модели металлопро-нода длиной 0.8 м с диаметром проходного канала 40 мм /без подачи металла/ плазмотроном мощностью 60 кВт,работавшем наДО^. Газ проходил по винтовой канавке,нарезанной на наружной поверхности графитошамотовых цилиндров,помещенных с целью теплоизоляции в цилиндры шамотные.Разогрев рабочего канала до 1550°С исключающий возможность застывания в нем металла,достигался за 20 ...25 мин.Огнеупорные изделия удовлетворительно выдерживали воздействие высоконагретогоЯ" g.Установлено,что 70$ электроэнергии затрачивалось на нагрев конструкции.Работа устройства на стадии охлаждения была рассмотрена с позиций регулярного теплового режима и найдено эмпирическое уравнение,позволяющее рассчитывать температурное поле и время охлаждения геометрически подобных металлопроводов:

8= 906 е -°-33 /5.9/

где 0 - текущая температура,а - коэффициент температуропроводности, т - время,К,- радиус металлопровода.

В целом выполненные исследования показали возможность использования плазменного обогрева устройств для подачи металла в кристаллизатор при отливке профилей малого сечения /95/.

6.РАЗРАБОТКА ПРОЦЕССОВ МЕМБРАННОГО ГАЗОРАЗДЕЛЕНИЯ

Несмотря на развитие процессов бескоксовой металлургии, доменная плавка еще длительное время останется основным способом массового производства черных металлов.Экологию коксо-доменного передела можно улучшить за счет вдувания в горн печи горячих восстановительных газов /ГВГ/ и технологического кислорода.Как показали испытания на опытно-промышленном комплексе доменной печи .№ 2 НПО "Тулачермет" при этом на 25...30$ снижается расход кокса и увеличивается производительность печи.

Способ получения ГВГ заключается в отмывке С0? из колошникового газа моноэтаноламином /возможно также применение метанола, этанола, Я-метилпиролидона и других поглотителей/,нагреве -отмытого газа до 1200° С и вдувании его в горн доменной печи, что позволит наиболее полно использовать тепловую и химическую энергию дефицитного кокса.

Сорбционные методы отмывки окислителей требуют применения дефицитных и токсичных реагентов,некоторые из них коррозионно-

активны и все они требуют регенерации,связанной с нагревом или охлаждением сорбента,либо созданием разрежения в регенераторе, что обуславливает значительные капитальнее и эксплуатационные затраты.Альтернативой сорбционной отмывке является метод мембранной очистки,который подкупает простотой аппаратурного оформления,возможностью проведения процесса при температуре окружающей среды,причем эксплуатационные затраты сводятся практически к затратам на компремирование исходной газовой смеси,а целевой продукт - восстановительные компоненты колошникового газа - покидают газоразделительный аппарат с давлением близким к исходному,что облегчает их использование в восстановительных агрегатах,а выделенный диоксид углерода может быть утилизирован /45,67-71,73,96/.

6.1 Расчетно-теоретические исследования

Основной характеристикой газоразделительной мембраны является ее проницаемость для данного газа,Отношение величин прони-цаемостей для двух газов называют селективностью по этим газам. Для выделения С02 из доменного газа наиболее существенным параметром является селективность между СО^ и С0„

Б качестве примера влияния селективности мембраны на характеристики процесса на рис.21 показана расчетная зависимость достигаемой степени извлечения СО + Н2 из колошникового газа в простейшей одноступенчатой схеме разделения от селективности мембраны.Для степени извлечения 0.9 необходимая селективность мембраны составляет около 200.

Движущей силой процесса мембранного разделения газов является перепад парциальных давлений,который влияет на газоразделительные характеристики и удельную нро-ш шу изводительность. Соответствующие зависимое-^ ти на рис.22 показывают,что с ростом дав-

тивности мембраныс^на летя кривые выходят на насыщение и даль-достижимую степень нейшее повышение перепада давления лишь извлечения восстано_

витальных компонентов Увеличивает удельную производительность, доменного газа не улучшая газоразделения.

Простейшая одноступенчатая схема дает минимальные энергозатраты, но требует высокой селективности и не оптимальна по необходимой площади мембраны.Расчет для гипотетической мембраны с селективностью 200 и удельной проницаемостью,совпадающей с

проницаемостью мембраны лестосил дает следующие параметра на 1 тыс.нм3/ч очищенного газагмощность 100 кВт,газоразделитель-пая поверхность 670 м*\

На рис.23 приведена зависимость степени извлечения восста-

нь ^ 50

\ \

\

4— >

0 16 32

Р,АТИ

Рис„22.Зависимость селективности мембраны от перепада давления при■различном содержанииС0? в очищенном газе ^

12 „ 24 36 Р, АТИ

Рис.23.Зависимость степени извлечения восстановительных газязог величины перепада давления на мембранах при различном содержании С09 в очищенном газе й

v

AO 0

—

со 200

0 ... I

новотельных компонентов колошникового газа от давления для мембран из лестосила и ПВТМС.Эги данные показывают,что при разделении на одном аппарате и содержании С02 в очищенном газе не более 2% невозможно достичь глубокого извлечения СО и Н2.

Это обстоятельство,а также и то,что выпускаемые в настоящее время мембраны,пригодные для разделения колошникового газа,имеют коэффициент селективности по моно-и диоксиду углерода на уровне 10 ...12 вынуждает применять каскады газоразделителыгах аппаратов,схемы которых приведены на рис.24.Представленные на том же рисунке результаты расчетов показывают,что применение двухступенчатого варианта разделения позволяет при высокой степени извлечения СО и

ОЛТ О.Ю 0.9Г 1,00

ч(нг+а>) Рис.24.Изменение площади мембраны Б и энергозатрат Е«, от степени извлечения СО и Нр и схемы каскада при очистке тыс•нм /ч колошникового газа

В,

2 и располагаемой селективности мембраны уменьшить ее площадь

- 46 -

'? э °

до 340 м на 1 тнс.м /ч очищенного газа против 670 м" в одноступенчатой схеме.Правда затраты на компремирование при этом несколько увеличиваются.Газоразделительная поверхность является важным параметром оптимизации,поскольку она определяет затраты на разделительную установку.

6.2 ."Экспериментальные исследования

Одноступенчатые и каскадные схемы разделения из волоконных и плоскорамных аппаратов были испытаны на стендах на модельных газовых смесях,имитирующих доменный газ.Сопоставление экспериментальных данных с математической моделью процесса показало удовлетво рительну ю с ходимо сть.

В доменном цехе НПО "Ту-лачермет" создана стендовая установка для отработки процесса мембранной очистки от окислителей натурного доменного газа.Следует отметить,что при постановке исследований некоторие ведущие специалисты по производству мембран высказывали опасения о возможности их длительной работ;,! на влажных газах,содержащих оксиды серы,азота,цианиды и т.д.из-за возможности разрушения мембраны и подложки кислотами.Ясно,что такие опасения ставили под сомнение саму идею очистки доменного газа от СО^ на полимерных мембранах.Однако полуторагодовой опыт эксплуатации стендовой установки общей продолжительностью более тысячи часов опроверг эти опасения,что объясняется прежде всего "отмывкой" кислот из газового потока при мокрой газоочистке.

На установке испытаны волоконные и плоскорамные мембраны из полимеров гравитон,карбосил.ПВТМС,лестосил при запыленности газового потока около 1мг/нм3.За тысячу часов не произошло заметного изменения газоразделительных и прочностных характеристик мембран.В одноконтурной схеме разделения достигнуто содержание СО^ в очищенном газе 3%.

Установлено,что по совокупности параметров наиболее пригодным для очистки колошникового газа является лестосил.Причем наиболее приемлемыми представляются аппараты с рулонными элементами, к достоинствам которых следует отнести разборность конструкции, возможность замены вышедших из строя элементов и механизации операций по сборке,что выгодно отличает их от плоскорамных элементов, требующих большой доли ручного труда при изготовлении и сборке аппаратов.

Во время очередной кампании работы доменной печи с вд^а-нием ГВГ испытана сборка промышленных аппаратов мембранного газоразделения общей производительностью до 500 м3/ч.За нрогла ра-

работы комплекса в течение месяца не произошло значительных изменений газоразделительных характеристик мембранных аппаратов, работавших на сильно увлажненном газе,содержавшем от 1 до 10 мг/пм'' пыли.Конденсированной влагой пыль в значительной мере омывалась о газоразделительных элементов и выводилась через воп.потводчпки.Аппараты работали в режиме,близком к режиму первом ступени газоразделитольного каскада: в 1.5...Я рама увеличивалось содержание СО в остаточном и СОд в проникшем потоке, что позволяет уверенно прогнозировать получение 2...3% окислителей в очищенном газе в двухступенчатой схеме разделения.

Выполненный комплекс исследований позволил выявить дополнительные преимущества мембранной технологии по сравнен:™ с со рбгшонной отмывкой.

Экспериментально установлено,что очищенный на мембране газ практически не содержит влаги /точка роен -30° С/, и общее содержание в нем окислителей определяется лишь наличном остаточного

соР.

Вместе с С0^ из колошникового газа выделяется и около 30$ азота,"то положительно скажется на балансе азота и коэффициенте рециркуляции в цикле получения ГВГ.

Выполненные на основании экспериментальных данных расчеты показали,что,дополнив газоразделительный каскад еще одной ступенью и увеличив площадь мембраны примерно в 1.5 раза,можно повысить концентрацию СО^ в пермеате до 97$,что позволяет решать вопрос о его утилизации.Традиционным потребителем углекислоты может стать пищевая промышленность,а новым - нефтедобывающая, где разработаны проекты закачки углекислоты в нефтеносные пласты с целью увеличения извлечения нефти.

Применение каскадных схем очистки колошникового газа обусловливает необходимость рециркуляции газа с коэффициентом 1.5, это с одной стороны увеличивает затраты электроэнергии на ком-премирование , зато с другой - уменьшает запыленность газа,поступающего на первый аппарат также в 1.5 раза,что облегчает условия службы компрессоров и мембран.

6.3 Тслпико-пкономическая оценка процесса

Результаты расчетов площади мембраны из лестосила и суммарного объема аппаратов,необходимых для очистки 100 тыс.м3/ч колошникового газа при различных давлениях приведены в таблице.

Характеристики Давление в аппарате,МПа

аппаратов 0.25 0.6 1.0 1.6 2.5

о Поверхность разделения,м 162240 67685 40560 2531)0 16224

Объем аппаратов,м3 811.2 338.4 202.4 126.8 81.1

На основании этих данных была оценена стоимость газо;an целительных аппаратов:~1.35 млн.руб.,из них:

<-"1.2 млн.руб.- стоимость мембраны, ^0.05 млн.руб.- стоимость металлоконструкций, <~0.1 МЛН. руб.- СТОИМОСТЬ ИЗГОТОВ.ЧОПИ'1 рулонных элементов.

Учет стоимости компрессорного оборудования,металлоконструкций и сооружений,системы КИП иА ориентировочно увеличит стоимость газоразделительного комплекса не более,чем на 50$,т.е. повысит ее примерно до 2.03 млн.руб.,что значительно меньше проектной стоимости комплекса МОЛ отмывки 0НК ШО "Тулачормот" - 3.4 млн. руб.

Вместе с тем из таблицы хорошо видно,что переход с давления в 16 МПа к 0.6 МПа увеличит площадь мембраны более чем в 2 раза,что повысит стоимость газоразделительного комплекса приблизительно до 3.5 млн.руб.

Оценим затраты па получение очищенных газов.Основную статью эксплуатационных затрат определит расход электроэнергии на компремирование,который составит от 150 /при сжатии до 6 атл/ до 230 кВт ч/тыс.м3 очищенного газа /при сжатии до 16 ати/.При стоимости электроэнергии 17 руб./МВт ч /себестоимость электроэнергии в ПП0 "Тулачермет" в 1990 г./ это соответствует 2.55 и 3.91 руб./тыс.м3.

Основную статью капитальных затрат определяет стоимость мембраны,поскольку она составляет 90„7% от общей стоимости газоразделительных аппаратов.Площадь мембран сильно зависит от давления на входе в аппарат и для комплекса производительностью 100 тыс.м3/ч составит от 2.24 104 при 16 ати до 9.5 104 при 6 ати.До проведения длительных ресурсных испытаний мембран на колошниковом газе нельзя с полной уверенностью прогнозировать срок их службы,поэтому в таблице представлены результаты расчетов приведенных затрат в руб./тыс.м3 очищенного газа по' назван-

- 49 -

ним учтенным статьям расходов в "разумном" интервале этой ве-

личины

Срок службы мембран ) 1 год ! о ! \ 3 года | с ! 5 лет , 7 лет

Д;тл<чшо,МПа 0.6 8-79 4-63 З-ЯО 3-44

1.6 5-77 4-46 4-24 4-15

Естественно,как подтвердили и результаты расчетов,что чем дольше будет стоять мембрана,тем меньше стоимость очистки.При сроке службы в 3 года /а о реальности такого ресурса говорят наши экспериментальные данные и сведения из зарубежных источников/ практически теряет смысл увеличение давления до 16 ати, что существенно усложняет условия эксплуатации оборудования и является "излишне" высоким для доменного процесса.Правда при этом увеличивается площадь мембраны и соответственно объем газоразделительных аппаратов.Во всяком случае расчетная стоимость не превышает затрат на сорбционную отмывку - около 6 по проекту и порядка 15 руб./тыс.м3 "по факту" для комплекса МЭА отмывки. 1 тнс.м3 ГВГ позволяет экономить до 120 кг кокса,минимальная стоимость которых в 1989 - 90 г.г. составляла 7.2 руб.

Реализация мембранной очистки колошниковых газов от окислителей и вторичное использование их в доменной плавке обеспечит существенное улучшение экологической обстановки в районах размещения металлургических предприятий опосредованно за счет значительного /до 3сокращения объемов коксохимического производства, в котором на 1 т кокса в атмосферу выбрасывается от 0.94 до 8.3 кг пыли и до 290 мг бензопирена,значительное количество оксидов азота,монооксида углерода,аммиака,бензола,нафталина,фенола,цианистого водорода.Если учесть экологический ущерб,

причиняемый только выбросами пыли и бензопирена,то экономэф-фект от вторичного использования колошниковых газов можно оценить следующим образом.Экономия 120 кг кокса на 1 т чугуна обеспечит снижение расхода на 120 тыс.т при производстве 1 млн. т чугуна и будет сопровождаться уменьшением выбросов пыли на 113...996 т и бензопирена на 34.8 кг.Экологический ущерб от выбросов 1 т пыли оценивается от 90 до 960 руб./год,а от 1 г бензопирена составляет 6 руб./год.Тогда экономэффект при производстве с пониженным расходом кокса 1 млн.т чугуна в год составит от 10 до 956 тыс.руб.за счет уменьшения выбросов пыли и 209 тыс.

руб.за счет снижения выбросов бензопирена.Таким образом,суммарный эффект сопоставим со стоимостью мембранного газоразделительного комплекса соответствующей производительности даже без учета остальных вредных выбросов и значительного снижения капзатрат в коксохимическое производство.

6.4 Разработка комбинированных мембранно-нлазменних способов получения восстановительных газов /30/

Состав доменного газа в рецикле получения ГВГ по содержанию основных компонентов близок к колошниковым газам процесса Мидрекс.Известны разработки Ниппон Стил Корпоройшен но применению МЭА отмывки колошникового газа шахтной печи метгиштзации.При получении восстановительных газов методом плазменной конверсии метана нижний предел температурного уровня определяется интенсивным сажевнделонием и лежит в интервале 950...1000° С.Между тем для ряда процессов начальную стадию восстановления целесообразно осуществлять при пониженных /650...700° С/ температурах. В этом случае целесообразно разбавлять продукты плазменной конверсии безокислительным газом,полученным мембранной очисткой колошникового газа от влаги и СО,,.

Мембранная очистка газов от окислителей уступает методам сорбционной отмывки по одному показателю - потерям СО и особенно ¡¡2 00 сбросным потоком и, соответственно ,минималыпм рас ход; ил кокса в доменной плавке с применением ГВГ.

Основным недостатком,присущим всем способам применения ГВГ в доменной плавке с рециклом очистки колошниковых газов,является то,что из общего энергетического баланса завода изымается доменный газ и даже в газонагревателях доменных печей приходится использовать газ природный.Комбинирование применения мембранной очистки доменного газа с плазменной газификацией для получения восстановительных газов и экологически чистых газообразных энергетических топлив позволит оптимальным образом связать энергетический баланс предприятия.Высокая эффективность такого приема показана Сибгипромезом в ТЭО реконструкции Запсибметкомбината.

Поскольку промышленная реализация мембранной очистки колошниковых газов в рецикле получения ГВГ в доменном производстве требует вложения нескольких млн.рублей,выполнены разработки по мембранному разделению воздуха для получения гипоксических газовых смесей /"искусственного" горного воз,духа/ в лечении и профилактике заболеваний,хюабилитации,стимуляции организма в условиях повышенных физических и эмоциональных нагрузок и с 1991 г. мембранные установки используются для этих целей в МСЧ.санато-

рии-профилактории и цеховых оздоровительных комплексах НПО "Ту-лачермет" /97/.

плкшочишк

Н научном докладе изложены результаты комплекса исследовании и разработок п.лазмпшго-металлургических процессов,включающих вопросы энерготехнологического комбинирования,расчетно-тео-ретичсские и экспериментальные исследования по плазменным и мембранным способам получения восстановительных газов и взаимодействию их с оксидами металлов,поиск аппаратурного оформления процессов, решение задач повышения ресурса работы плазмотронов и надежности службы гарниссажных футеровок в экстремальных условиях воздействия потоков плазмы и агрессивных расплавов,оптимизацию процессов непрерывной разливки стали,технико-экономический анализ новых плазменных и мембранных процессов.На основании выполненных исследований и разработок можно сделать следующие выводы:

1.Создание энерготехнологических комплексов,включающих, плазменный нагрев и получение восстановительных газов и газообразных топлив,вторичное использование колошниковых газов после мембранной очистки их от окислителей может решить проблемы существенного улучшения экологической обстановки в районах размещения металлургических предприятий.

2.Впервые разработана концепция применения синтез-газа,полученного на экологически чистой ТЭЦ вместе с электро- и тепловой энергией методом плазменнотермической газификации углей,в доменном производстве и процессах металлизации.

Проектные разработки Сибгипромеза показали,что в условиях Дальневосточного края и Восточной Сибири использование синтез-газа в доменной плавке уменьшит себестоимость чугуна на 3% и снизит капзатраты на 13% при уменьшении стоимости СМР на 20% по сравнению с вдуванием пылеугольного топлива.При производстве в тех же районах губчатого железа с применением синтез-газа капитальные затраты будут на 20% и в том числе СМР па 18% ниже, чем при использовании природного газа.

3.Впервые в условиях опытно-промышленного комплекса ДП2 НПО "Тулачермет" показана возможность длительной работы промышленных аппаратов мембранного газоразделения в режиме очистки доменного газа от окислителей,осуществлен выбор перспективных отечественных полимерных мембран,конструкций аппаратов и технологических схем глубокой очистки,обеспечивающих возмож-

ность утилизации СО

Сибгипромезом показана высокая эффективность применения мембранной очистки доменного газа в условиях ЗСМК в комплексе с плазменной газификацией углей дли сведения энергетического баланса комбината.

4.Определены основные технологические параметры процесса получения губчатого железа для производства железных порошков при водородном восстановлении железорудного суперконцентрата. Экспериментально показана возможность интенсификации отжига восстановленных и распыленных из чугуна и малоуглеродистой стали порошков с помощью добавок соединений щолочных металлов.В условиях цеха железных порошков установлено,что применение стимуляторов позволяет исключить стадию отжига в водороде,ограничившись отжигом в сроло доменного газа при производстве !>.«>с:уи>: марок железных порошков из распыленного чугуна.

На основании экспериментальных исследований по восстановлению титаномагнотитов и цинковистых шламов впервые предложены и защищены авторскими свидетельствами .двухстадийные щоцессы переработки комплексных руд и промотхонов,основанные на стимулирующем влиянии преднамеренно вводимых или изначально присутствующих в сырье соединений щелочных металлов,обеспечивающие :н:опомню энергоресурсов и высокий выход целевых продуктов.

5.Экспериментально показано,что при восстановлении рудных и рудноугольных окатышей продуктами плазменной кислородной конверсии метана вдвое сокращается расход природного газа и втрое - кислорода по сравнению с их расходами в конверсионных газокислородных горелках.

Экспериментально показана возможность получения легированной губки при совместном восстановлении оксидов Ее,С? -и N1 продуктами плазменной кислородной конверсии природного газа и водородом. Установлено, что присутствие в шихте углерода не является необходимым условием достижения полного восстановления всех компонентов, а при подшихтовко углерода получен металл,армированный высшим карбидом хрома.

6.На стендовых плазменных установках мощностью до 100 кВт при обработке железорудных концентратов получены следующие удельные производительности : циклонный и конверторный аппараты до 100,струйный процесс до 950 т/м3еут.,что на 2...3 порядка превышает удельную производительность агрегатов традиционной металлургии.Характерно,что при этом затраты тепла на процесс восстановления в стендовой установке имеют тот же порядок,что и

.для крупных промышленных агрегатов.

Экспериментально показано,что при температуре плазменной струи в несколько тысяч градусов и пироуглерод метана,и водород могут обеспечить организацию высокопроизводительного процесса восстановления пылевидных железных и полиметаллических руд и концентратов,включая восстановление оксидов хрома.

7.Сопоставительный анализ производства стали в плазменном реакторе методом прямого восстановления и по традиционной схеме, включающей производство кокса,агломерацию,доменную плавку и конворторн™ передел,показал,что при современном уровне цен прямое получение стали с использованием в качестве восстановителя природного газа конкурентнаспособно с традиционным производством.

Расчет капиталоемкости для рассмотренных вариантов структуры производства показал,что прямое получение ст/иш в плазменном реакторе позволит снизить капитальные затраты по сравнению с традиционной технологией.

8.Впервые в стендовых плазменных печах с полыми электродами и полупромышленной РТП с обработкой ванны расплава плаз-менно-восстановительными струями из ¿^-содержащих шламов НЛМК получен малоуглеродистый металл при содержании Fe в конечном шлаке менее 3% и удалении в возгоны до 99.1t Zn..Энергозатраты не превышали аналогичных величин для шведских процессов "Plasma Zink" и "Plasma Dust".Технико-экономические оценки показали, что плазменная переработка будет рентабельной при содержании в шламах более 3%2п для заводов,имеющих собственную ТЭЦ,а при отборе электроэнергии из "кольца" Минэнерго содержание jk в сырье должно быть не менее 1%.

На ряде заводов /Белорусский и Узбекский метзаводы,"Сарка-найс металлурге","Амурсталь"/,перерабатывающих лом со значительным содержанием 2и .концентрация этого элемента в пылях сталеплавильных цехов достигает 12...20$,а годовой выход таких пылей составляет от 4 до 12 тыс.т.В этих условиях £и--содержащие пыли можно эффективно перерабатывать в серийно выпускаемых плазменных кечах небольшой производительности,причем,являясь универсальными агрегатами,такие печи могут часть времени работать по основному назначению в качестве сталеплавильных.

9.Ш примере отечественных энергетических углей,включая канско-ачинские и высокозольные подмосковные,расчетным путем н экспериментально показана возможность получения методом паровой плазменной газификации синтез-газа,содержащего окислителей

и балласта,а также безуглеродистого металла при использовании продуктов газификации в качестве восстановителя при металлизации железорудного сирья.

10.Впервые экспериментально показана возможность 6езэро.чи-онного режима работы графитового катода,возобновляющегося из плазмообрчз.укщей смеси, на токах, до 20 Л при обдуве его смесью кислорода и природного газа.Более детально явление регенерации графитового катода при обдуве его углеводородно-окислитолышмп смесями исследовано на токах порядка 1 кЛ и получена эмпирическая зависимоеп> диаметра опорного пятна .дуги от величины тока, что позволяет обоснованно выбирать диаметр, активной вставки при конструировании катодов.Катоды,регенерируемые из плазмообразую-щих газов,удачно вписываются в технологию получения восстановительных газов для металлургических процессов методом плазменной конверсии углеводородов,поскольку не требуют специальной защиты инертным газом.На конструкции регенерируемых катодов получены авторские свидетельства.

Экспериментально показано,что при работе на водороде,азоте и воздухе применение медновольфрамовых псевдосплавов для изготовления анодов электродуговых плазмотронов уменьшает на порядок по сравнению о медью эрозию выходного электрода,что позволяет соответственно повысить общий ресурс работы плазмотрона без увеличения ого габаритов и существенно уменьшить загрязнение потока плазмы продуктами эрозии.

11.На основании комплекса теплотехнических исследований на огневых моделях получены формулы,описывающие температурные зависимости коэффициентов теплопроводности обмазок из наиболее часто применяемых огнеупоров.определены коэффициенты теплопроводности гарниссажа из железистых расплавов,показано,что коэффициент теплообмена между барботируемой ванной расплава и стенкой аппарата можно рассчитать,используя обобщенную зависимость, описывающую процесс теплообмена в прямых круглых трубах,если скорость омывания стенки расплавом принять равной .рактич<>ской скорости газа в барботируемой ванне.

В барботажных,струйных и вихревых аппаратах исследована служба гарниссажннх футеровок в условиях переработки агрессивных расплавов оксидов Ре и V .включая плазменные процессы,когда в реакционном пространстве .достигаются температуры в несколько тысяч граду сов. Показа но, что трписсаж яшшотся надежным о[ ед-ством защиты стенок аппарата от разрушения даже в этих тяжелейших условиях,а его структура такова,что внутренняя поверхность

аппарата формируется из наиболее тугоплавких соединений,что препятствует загрязнению продуктов плавки элементами и соединениями огнеупорной подложи.

12.На основании теплотехнического анализа и комплекса исследований по гидравлическому и математическому моделированию процесса непрерывной разливки стали разработаны новые конструкции разливочных устройств,определены оптимальные соотношения наружного и внутреннего диаметров полой трубной заготовки,рассчитаны радиальные и тангенциальные термоупругие напряжения в круглом слитке,что позволило предложить новую конструкцию кристаллизатора с регулируемым теплоотводом.

Результаты исследований использованы в сталеплавильном цехе НПО "Тулачермет" при освоении разливки новых профилей круглого сочения,позволив увеличить скорость разливки с 0.4 до 1.2 м/мин.

•Зкспериментально показана возможность применения плазменного обогрева металлопровода в процессе непрерывной разливки заготовок малого сечения.

Основные результаты,положения и выводы диссертации опубликованы в следующих работах:

1.Редько А„Н./Фролов В.А..Фролова И.Б. и др.Исследование на моделях процессов продувки газами жидкостей и двухфазных жидких смесей //Изв.АН СССР.-Металлы.-1966.-Л> 5.-С.42 - 50.

2.Фролов В.А.Глубина проникновения газовой струи в жидкость при горизонтальном вдувании газа //Изв.ВУЗов.-4M.-1967.3.-С.37-40.

3.Редько А„Н..Фролов В.А...Фролова И.Б.Исследование на моделях ■ высоты подъема ванны расплава при продувке ее газами //Изв.АН СССР»-Металлы,-1968.6.-С.28 - 31.

4.Фролов В.А..Минкин В.Ш..Фролова И.Б.и др.Процессы восстановления окислов железа,хрома и никеля газами,нагретыми в электродуговом разряде //Прямое получение железа и порошковая металлургия .-Вып.4.-М.:Мет аллургия.-1978.-С.39-40.

5.Минкин В.М..Фролов В.А.,Шведов B.C. и др.Исследование кинетики слоевого восстановления железорудных окатышей продуктами кислородной конверсии метана в электролуговом разряде //Тез, докл.П Всес.симпозиума по плазмохимии.-т.1.-Рига:Зинатне.~ 1975.-Со81 - 84.

6.Фролов В.А..Алексеев Н.В..Фролова И.Б.и др.Исследование процессов восстановления окислов железа в струе продуктов конверсии углеводородов в дуговом разряде //Проблемы специальной элек-

трометаллург1ш.-1979.-1!ш(.11 .-Ки'ЧкНа.укова думка.-С.94 - 'Jb. 7„Минкин В.М..Фролов В.Л.,Шводов В.С.и др.Исаледовашю содержания окислителей в конвертированном газе на кинетику восстановления окатышей //Получение,обработка п свойства ст.чли и чугуна. -Тула: ТПИ. -1975. -С.7'.) - 73.

В.Фролова И.Б. Дружинин В.II. .Фролов В.А.Температурные напряжения в круглых слитках непрерывной разливки //Там же.-С.49 - 52. Э.Минкин В.М..Фролова И.В.,Рыкова Л.Л..Фролов В.А.Исследование восстановления смесей окислов железа,хрома и никеля газами,нагретыми в электродуговом разряде //Там же.-1977.-С.73 - 76. Ю.Минкин В.М..Фролов В.А..Добринский O.K.и др.Исследование процессов слоевого восстановления окислов железа,хрома, п никеля продуктами кислородной конверсии метана в электродуговом разряде //Топливно-плазмоннча горелки.-Киев:11аукова думка.-1977.-С.108 - 110.

11.Фролов В.А..Фридберг А.Э.,Горяев Г.А.и др.Исследовании эрозии медновольфрамового анода электродугового нагревателя .газа //Там же.-С.49 - 59.

12.Попов В.И.,Фролов В.А..Минкин Б.М.и др.Оценка экономической эффективности применения продуктов кислородной конверсии метана в электродуговом разряде при восстановлении окислов железа //Тез.докл.П Всес.совещания по плазменной технологии п ашюра-тостроению.-т.П.-М.:ИНХС АН СССР.-1977.-С.177 - 178.

13.Фролов В.А..Минкин В.М..Фридберг А.Э.и др.К вопросу об аппаратурном оформлении процессов восстановления окислов металлов газами,нагретыми в электродуговом разряде //Там же.-С.73 - 75.

14.Рыкалин H.H..Манохин А.И..Фролов В.А.Перспективы применения низкотемпературной плазмы для восстановительных процессов в черной металлургии //Сталь.-1977.-№ 11.-С.974 - 977.

15.Шишханов Т.С.,Минкин В.М..Андрюшин В.И.,Фролов В.А.Исследование и освоение процессов восстановления железорудных окатышей газами//Там же.-1978.2.-С.1071 - 1072.

16.Фролов В.А..Попов В.И..Цветков Ю.В.и др.Технико-экономическая оценка процессов получения губчатого железа в плазменной шахтной печи //Тез.докл.Ш Всес.совещания "Плазменные процессы в металлургии и технологии неорганических материалов".-!,!.: ИМЕТ.-1979.-С.5 - 6.

17.Друговский А.И..Цветков Ю.В..Фролов В.А.и др.Восстановление железорудных концентратов в почи с плазмотроном прямого действия //Там же.-С.33.

18.Фролов 1!. А.,Попов В.И. .Андреев А. А.и др.Технико-экономическая оценка плазменной подготовки восстановительных газов при металлизации железорудного сырья //Тез.докл.У всес.совещания "Плазменные процессы в металлургии и технологии неорганических материалов".-ГЛ.:Черметинформация.-1988.-ч.1.-С.106.

19.Андреев A.A..Фролов В.А..Чумаков А.Н.и др.Подготовка восстановительных газов для металлизации железорудного сырья методом плазменной кислородной конверсии метана //Там же.-С.117.

20.Волнухин В.А.,Фролов В.А..Попов В.И.Экономическая оценка некоторых вариантов использования плазменных устройств в доменном производстве //Там jko.-G.128.

21.Андреев A.A..Фролов В.А..Гурьянов А.В.и др.Исследование восстановления хрома газами,нагретыми в электропугопом разряде

//Там же.-С.122.

22.Фролов В.А.,Косач Ю.Э.,Федотов Ю.И.и др.Исследование восстановления хрома из окислов в плазменной печи с полым графитовым катодом //Там же.-С.123.

23.Фролов В.А.,Алексаночкин O.A.,Косач Ю.Э.и др.Комплексная переработка цинксодержащих шламов в плазменной печи с полым графитовым электродом //Там же.-С.109.

24.Фролов В.А..Цветков Ю.В.,Панфилов С.А.и др.Перспективы использования плазменного нагрева для комплексной переработки цинксодержащих промотходов //Там же.-С.108.

25.Фролов В.А..Алексаночкин 0.А.,Шабалина Р.И.и др.Исследование процесса комплексной переработки шламов в плазменной РТП //Там же.-С.110.

26.Андреев А.А.»Фролов В.А..Ненахова В.Н.и др.Твердофазный кар-ботермический синтез карбида хрома в атмосфере нагретых в плазмотроне восстановительных газов //Там же.-С.130.

27.Фролов В.А..Русакова А.Г..Андреев А.А.и др.Исследование восстановления титаномагнетитов водородом //Там же.-С.127.

28.Фролова И.Б..Андреев А.А....Фролов В.А.и др.Разработка процессов нанесения защитных покрытий газовоздушными плазмотронами //Там же.-С.34.

29.Фролов В.А..Цветков Ю.В.,Андреев A.A.K вопросу о создании гибких технологических систем в металлургии //Там же.-С.105.

30.'[фолов H.A..Гурьянов А.В.,Урвачев H.A.и др.О комбинировании мембранной очистки колошниковых и плазменной подготовки восстановительных газов в металлургии //Там же.-С.118.

31.Гурьянов A.B..Фролов В.А.,Русакова А.Г.и др.Интенсификация

восстановительного отжига мотшглпчоскпх порошков //Там П.-С.31.

32.Фролов U.A..Попов В.¡1..Андреев A.A.и др.Технико-экономичес-кая оценка плазменной подготовки восстановительных газов в процессах металлизации железорудного сырья //Вопросы атомной науки и техники.Сер.:Ядерная техника и технолопш.-1909.-1)ып.1.-С.82 - 88.

33.Фролова И.Б..Минкин В.М..Фролов В.А.и др.Образование гариис-сажа при высокотемпературной восстановительной планке чолпзиой руды //Огнеупоры.-197G.-ti 7.-С.42 - 45.

34.Фролов В.А.,Минкин И.И.,Фрич.берг Л.0.и др.Исследование нос-становления дисперсных окислов железа газами,нагретыми в плек-тродуговом разряде //физика и химия обработки материалов.-1978. -J6 3.-С.72 - 76.

35.Фролов В.А.,Фридберг A.D..Фролова И.Б.и др.Исследование восстановления смесей окислов железа,хрома и никеля газами,нагретыми в электро,дуговом разряде //Там же.-1977.-J£ 4.-С. 1Ь6 - 159.

36.Фролова И.Б.,Минкин В. М.,Фролов В.А.и др.Обработка дисперсных окислов железа,хрома и никеля восстановительными газами, нагретыми в электродуговом разряде //Тез.докл.П Всес.совещания "Плазменные процессы в металлургии и технологии неорганических материалов".-М.:ИМЕТ.-1976.-С.7.

37„Андреев A.A..Фролов В.А..Ненахова В.Н.и др.Твердофазный синтез карбида хрома в плазменно-дуговом реакторе //Материалы на основе карбидов.-КиевгИПМ.-1987.-С.118 - 126.

38.Фролов В.А. .Алексеев Н.В..Алексаночкин O.A.и др.Термодинамический анализ процесса утилизации цинксодержащих щламов основных переделов черной металлургии //Симпозиум по кинетике,термодинамике и механизму процессов восстановления.Тез.докл.-ч. Ш.-М.:ИМЕТ.-1986.-С.59 - 60.

39.Фролов В.А..Рабинович A.M.»Алексеев Н.В.и др.Исследовании процесса комплексной переработки цинксодержащих конверторных и доменных шламов //Там же.-ч.1.-0.89 - 90.

40.Фролов В.А..Литвинов В.К..Алексаночкин O.A.и др.О плазменной переработке цинксодержащих промотходов //Теплотехнические вопросы применения низкотемпературной плазмы в металлургии. Мэжвуз.сб.научн.тр.-Свердловск:МГМИ им.Носова.-1987.-С.20-07.

41.Фролов В.А.,Шабалина P.II.,Цветков Ю.В.и др.Исследование процессов высокотемпературной переработки цинксодержащих конверторных и лопаличх ттор //\Ъь.Ш ООС Г. Оеталлч.-1989.-7' -

С.24 - 29.

42.Фролов В.Л.,Алексаночкин O.A..Рабинович А.М.и др.Перспективы комплексной утилизации цинксодержащих шламов основных переделов черной металлургии в плазменных печах //Сталь.-1991.-J6 7. -С.80 - 84.

43.Аяексаночкин O.A..Фролов В.А..Андреев А.А.и др.Комплексная утилизация цинксодержащих шламов основных переделов черной металлургии //Гез.докл.мсжнународного симпозиума "Проблемы экологии в металлургическом производстве - 90".-М.:Чорметинформа-ция.-1990.-С.64 - 66.

44.Андреев А.А.,Фролов В.А..Ноздренко Г.В.и др.Применение в энорготохнологическом комплексе металлургического завода водо-родсодержащих газов,по.лученннх плазменной газификацией углей на экологически чистой ТЭЦ //Там же.-С.59 - 62.

45.Гурьянов A.B..Фролов В.А.Дрвачев Н.А.и др.Мембранная очистка доменного газа от окислителей с целью вторичного использования его п доменной плавке //Там же.-С.62 - 64.

46.Фролов В.А.,Минкин В.М.,Шишханов Т.С.и др.Исследование кинетики восстановления рудных окатышей водородом //Атомно-водородная энергетика и технология.-1982.-Вып.3 /13/.-М.:ИАЭ.-С.59-61. 47.1Пишханов Т.С.,Фролов В.А„,Минкин В.М.и др.Исследование кинетики восстановления рудных окатышей //Физика и химия обработки материалов.-1983.-Я 5.-С.132 - 135.

48.Фролов В.А..Русакова А.Г.,Минкин В.М.и др.Некоторые особенности восстановления магнетита водородом //Теория и практика прямого получения железа.-М.:Наука.-1986.-С.154 - 156.

49.Фролов В.А.,Русакова А.Г..Фролова И.Б.и др.Исследование восстановления смесей железа,хрома и никеля водородом //Там же,-0.168 - 169.

50.Фролов В.Л»,Русакова А„Г„,Андреев А.А.Исследование совместного восстановления окислов железа,хрома и никеля водородом,нагретым в элекгродуговом разряде //Тез.докл.1Y Всос.симпозиума по плазмохимии.-т.1.-Днепропетровск.-1984.-С.204 - 205.

51.Мизин В.Г.,Фролов В„А.,Минкин В.М.и др.Исследование совместного восстановления смесей окислов металлов и природнолегиро-ванных руд водородом //Вопросы атомной науки и техники.Сер.: Атомно-водородная энергетика и технология.-Вып.3 /19/.-М.: Атомннформ.-1984.-С.62 - 64.

52.Фролов Ti.А.,Русакова А.Г..Андреев А.А.и др.Об экономии энергоресурсов при восстановлении металлов за счот использования стимуляторов процесса //Тез.научн.-техн.конф."Создание и совершенствование энергосберегающих технологий в пирометаллургии".-

ч. 1.-Караганда: АН КазССР.-1988.-С.73 - 7<1.

53.Фролов В.А.»Русакова А.Г..Фролова И.Б.и др.К вопросу о совместном восстановлении окислов железа,хрома и никеля водородом, нагретым в электродуговом разряде //'Роз.докл.1У Всос.совещания "Плазменные процессы в металлургии и технологии неорганических материалов".-И. :ПМПГГ.-19ЯЗ.-С. 116 - 117.

54.Андреев A.A. .Чумаков А. Н. .Фролов В.А.и др.Исслецовшш'.' плазмотронов для конверсии природного газа //Там же.-С.И - 12.

55.Фролов В.А..Фролова И.Б.,Попов В.И.и др.Технико-экономическая оценка применения различных плазмообразующих газон м процессах нанесения защитных, покрытий //Там же.-С.83.

56.Frolov V.,Tßvelko^ Yu.,Donilovich Yu.et al.Experimental Researches on Hydrogen Reduction of Iron and Naturally Alloyed Ores, Concentrates arid Industrial iVpoteo/YHydroi^en Energy Procrees. Proc.7th Y/orld Hydrogen Knergy Gonf.-Itoscow 25 - 29 September

1988.-vol.3.-Per^cmon Presa.-Г.1293 -1302.

57.Фролов В.А..Резниченко В.A.,Исакова А.Г.и др.Исследование восстановления титаномагыетита водородом//Вопросы атомной науки и техники.Сер.:Атомно-водороднан энергетика и технология.-1937. -Вып.1.-С.11 - 13.

58.Попов В.И..Фролова И.Б..Фролов В.А.и др.Технико-экономическая оценка вариантов структуры металлургического производства //Там же.-1981.-Вып.2/9/.-С.74 - 76.

59.Фролов В.А..Андреев A.A..Фролова И.Б.и др.Разработка процессов непрерывного получения жидкого металлического полупродукта из твердых железосодержащих материалов в плазменных агрегатах //Тез.докл.Всес.научн.-техн.конф."Непрерывные металлургические процессы "Fy.ua,лом - металлопрокат".-М„:Чорметинформация.-1989. -С.18 - 19.

60.Фролов В.А..Цветков Ю.В..Андреев А.А.Гибкие технологические системы в плазменной металлургии//УП Всес.конф.по физике низкотемпературной плазмы.То з.докл.-ч.П.-Ташкент:Фан.-1987.-С. У7 Ü -271.

61.Ненахова ß.H.«Ибраев Ш.Ш.....Фролов В.А.Исследование восстановления магнетита продуктами высокотемпературной газификации углей//Физика и химия обработки материалов.-1989.-Jé 5.-С.57-61.

62.Волнухин В.А..Попов В.И.,Фролов В.А.Экономическая оценка некоторых вариантов использования плазменных устройств в доменном производстве//Перспективы применения плазменной техники и технологии в металлургии и машиностроенпи.Тез.докл.-Чолябинок: ИМЕГ им.Байкова,Л1Ц All СССР.-1938.-С.3.

63-Prolov V. ,Pukhov A. .Tseitlin M.et al.Metallurgical Application of Hydrogen-Containing Gases Produced by Plasma Coul Gasi fication Process at on Environmentalу Clean Thermal Power Sta-tion//Hydrogen Energy Progress.Proc.8th World Hydrogen Energy Conf.-Honolulu 22 - 27 July 1990.-vol.З.-Pcrgsmon Press.-P.155 1569.

64.Фролов В.А..Ноздренко Г.В.Доркишко Г.С.и др.О применении продуктов плазменной газификации углей в доменном производ-стве//Генераторы низкотемпературной плазмы.Тез.докл.XI Всес. конференции по генераторам низкотемпературной плазмч.-ч.П.-Но во с ибирс к:ИТФ СО АН СССР.-1989.-С.260 - 261.

65.Фролов В.А..Ноздренко Г.В.Доркишко Г.С.Перспективы создания экологически чистых энерготехнологических комплексов в металлургии/ /Сталь.-1990.9.-С.42 - 46.

66.Фролов В.А.Доркишко Г.С..Ноздренко Г.С.и др.О получении восстановительных газов методами плазменной газификации углей на экологически чистой ТЭЦ металлургического завода/Тез.докл. заседаний научн.совета ГКНТ СССР "Новые процессы в черной металлургии '.'-М. :Черметинформация.-1990.-С.11.

67.Фролов В.,А., Русанов В.Д.Дретяк А0А.и др.Мембранная очистка доменного газа от диоксида углерода//Там же.-С.12.

68.Frolov V..Pukhov A..Tseitlin M.et al.Development of Ecologically Clean Methods for Plasma rnd Membrane Processing Reductic Gases in Metallurgy//10th International Symposium on Р1авта Che mistry.-Bochum Germany August 4-9 1991 .-Symposium Proceedinge vol.2.-P.1.5 - 16 1-6..

6g.Frolov V..Pukhov A.,Tseitlin M.et al.Development of Ecologically Clean Methods for Plasma rind Membrane Processing Reductic Gases in Metallurgy// Международный симпозиум по теоретической и прикладной плазмохимии.Рига 24 -27 сентября 1991 г.Тез.докл. -Рига.-1991.-С.430 - 431.

70.Фролов В.А.,1Урьянов А.В.Доркишко Г.С.и др.Разработка экологически чистых способов плазменного и мембранного получения восстановительных газов в металлургии//Физика низкотемпературной плазмы.Материалы УШ Всес.конференции.-ч.Ш.-Минск:ИТМ0 им. А.В.Лыкова.-1991.-С.172 - 174.

71.Фролов В.А..Пухов А.П..Цейтлин М.А.и др.Разработка экологически чистых способов плазменного и мембранного получения восстановительных газов в металлургии//Фундаменталыше основы экологически чистых технологий.Сб.инф.материалов научн.-техн. семинара "Техноэкология-91".-Донецк 24 - 28.09.91 г.- Донецк:

Инж.акад.СССР.-1991.-С.43 - 44.

72.Фролов В.А.,Пухов А.П..Ноздренко Г.В.и др.Применение в энерготехнологическом комплексе металлургического завода водородсодер-жащих газов,полученных плазменной газификацией углей на экологически чистойТЭЦ//Вопроси атомной науки и техники.Сор.:Ядерная техника и технология.-1991.-Вып.1.-С.50 - 58. 73 Фролов В.Л.,Пухов А.П.,Гурьянов А.В.и др.Мембранная очистка доменного газа от окислителей с целью вторичного использования его в доменной плавке//Там же.-С.22 - 29.

74.Бортничук Н.И..Чумаков А.Н..Фролов В.А.и др.Исследование подготовки восстановительных газов для получения железа//Сб.тр. ВШИЭТО:Исследование и разработка печей для специальной металлургии.-М.-1983.-С. 118 - 126.

75.Фролов В.А..Андреев A.A..Гурьянов А.В.и др.О перспективах применения электродугового разряда для нагрева и подготовки восстановительных газов в черной металлургии//Теплотехнические вопросы применения низкотемпературной плазмы в металлургии /Иежвуз. сб./.-Свердловск:ШЖ им.Г.И.Носова.-1985.-С.27 - 33.

76.Фролов В.А..Фролова И.Б.,Андреев А.А.Перспективы применения плазменно-восстановительных процессов в специальной электрометаллургии железа и стали//100-летие изобретения электросварки

по методу Н.Г.Славянова и современные проблемы развития сварочного производства//Тез.докл.Всес.научн.-техн.конф.14 - 16.09.88 г. -ч.2.-ПермыПерм.политехи.ин-т.-1988.-С.11 - 12. 77.Чумаков А.Н..Бортничук Н.И.,...Фролов В.А.и др.Экспериментальное исследование гранитового катода в режиме регенерации//Гоне-раторы низкотемпературной плазмы.Тезисы докл.Х Всес.конф.по генераторам низкотемпературной плазмы.Каунас 16 - 18.09.86 г.-ч.1.-Минск:ИТМ0 им.Лыкова.-1986.-С.99 - 100.

78.Андреев A.A..Гурьянов A.B.,...Фролов В.А.и др.Нагрев газокислородной смеси в электродуговом разряде//Там же.-ч.П.-С.47 - 48.

79.Анынаков А.С.,Дуков М.Ф.,...Фролов В.А.и др.Эрозия модноволь-фрамовых анодов в линейных плазмотронах//Изв.С0 АН СССР.Сер.техн. наук.-1981.3.-Вып.1.-С.68 -70.

80.Фролов В.А..Фролова И.Б..Гельтман И.С„и др.Оценка текущих затрат на технологические газы при организации нанесения защитных покрытий плазмотронами повышенной мощности/Д'ез.докл.Всес.научн. техн.совещания "Применение покрытий методом газотермического напыления для упрочнения и восстановления деталей".-М.:Чермстинфор-мация.-1981.-С.35 - 36.

81.Фролова И.Б..Андреев A.A..Фролов В.А.Применение плазмотронов

для нанесения защитных покрытий на детали металлургического обо-рудования//Металлург.-1986.-.№ 2.-С. 17 - 18.

82.Фролова И.Б..Бородин С.М..Фролов В.Л.и др.Разработка и освоение плазмотронов для нанесения защитных покрытий,работающих на продуктах сгорания//Применение плазменных процессов и порошковых покрытий в промышленности/Тез.докл./.-Свердловск:ИМЕГ УНЦ АН СССР.-1986.-С.16 - 17.

83.Фролов В.А..Андреев А.А.,Фролойа И.Б.и др.Технико-экономическая оценка перспективности применения плазмотронов,работающих на продуктах сгорания,для нанесения защитных покрытий //Там же.-С.66 - 68.

84.Андреев А.А..Нетяженко В,И.....Фролов В.А.и др.Газовоздушный плазмотрон//Материалн Всес.научн.-техн.копр."Восстановле^-ние и упрочнение деталей машин и оборудования газотермическим напылением и плазменной наплавкой".-Тула:Минмет СССР,АН СССР, НПО "Тулачермет".-1989.-С.17.

85.Фролов В.А..Фролова И.Б.Теплопроводность огнеупорной обмазки на основе плавленного магнезита//0гнеупоры.-1972.-.'Е' 3.-С.51 - 53.

86.Фролова И.Б..Фролов В.А.Теплопроводность корундовой,хромо-магнезитовой и периклазошпинелидной обмазок/УТам же.-1973.-Jfc

4.-С.27 - 28.

87.Фролова И.Б..Фролов В.А.Исследование образования гарниссажа железистых расплавов на огнеупорной подложке//Там же.-1974.

5.-С.44 - 47.

88.Фролов В.А.,Фролова И.Б.Теплообмен между барботируемой ванной и футеровкой конвертера//Изв.АН СССР.Металлы.-1974.-Jfc 1.-С.16 - 17.

89.Фролова И.Б..Фролов В.А..Казанский В.В.и др.Служба комбинированной -футеровки барботируемой шлакометаллической ванпы//0г-неупоры.-1979.-№ 6.-С.20 - 23.

90.Фролова И.Б.,Рыжов 0.А.....Фролов В.А.и др.Плавка ванадий-содержащих железистых шлаков в водоохлаждаемой печи с погруженным факелом//Тезисы докл.Ш Всес.совещания в г.Качканаре /19 -21 июня 1979 г./"Химия,технология и применение ванадиевых соединений". -Свердловск. -1979. -ч. 1. -С. 51.

91.Русакова А.Г..Фролов В.А..Волков С.С.и др.Исследование продуктов плавки ванадийсодержащих железистых шлаков в печи с погруженным факелом//Там же.-С.50.

92.Фролова И.Б..Мартынов 0.В..Фролов В.А.и др.Гидравлическое моделирование подвода металла в кристаллизатор при отливке по-

лых круглых заготовок//Бюлл.ЦИИНЧМ. -1972. -.Ф 7 /675/.-С.46 - 47.

93.Фролова И.Б..Мартынов 0.В..Фролов В.Л.и др.Совершенствование cnocoia подвода металла в кристаллизатор УПРС//Там жо.-197:!.-.(<" 13 /681/.-С.38 - 39.

94.'Фролова И. Б. .Мартынов 0J3. .Фролов В.Л.Оптимальные jmM")4i полой трубной заготовки//Там же.-1972.-'i 20 /688/.-С.34.

95.Фролов В.А..Дружинин В.И..Соловьев B.C.и др.Исследование обогрева сталеразливочного стакана с помощью лугового нагревателя газа// Сталь.-1978.5.-С.426 - 428.

96.Фролов В. А. .Урвачев Н. А0. Гурьянов А.В.и др.Мембранная очистка доменного газа от циоксида углорода//'Гам же.-1990.-L" 7.-С. 108 - 111.

97.Фролов В.А. .Гурьянов A.B..Поправки« II.А.Горный к.лпглат (Создает установка//Металлург.-1991.-Ji> 4.-С.28 - 31.

По материалам диссертации получены авторские св.чД'П'олвства на изобретения:

98.А.с.В-1857 /СССР/Способ и устройство для прямого получения жидкого металла из пылевидного кош^птрата/Рлскобойникон И. Г., Редько А.Н.г..Фролов В. А. и др.

99. А.с.384378 /СССР/Стапоп.павильный копвертор/Фролон В. Д., ьроло-ва И.В.,Казанский В.В.и др.- БИ.-1973.-й 25.

100.А.с.678735 /СССР/Электродуговой испаритель/Фролов В.Л.,Го-ряев Г.А..Добринский Э.К.и др.-БИ.-1979.-№ 29.

101.А.с.684883 /СССР/Способ получения губчатого железа/Фролов В.А.,Андрюшин В.И..Шишханов Т.С.и др.

102.А.с.710255/СССР/11лазмонно-дуговая печь/Фролов В.А..Фролова И.Б..Минкин В.М.и др.

103.А.с.1001816/СССР/Катод для плазменных процессов/Чу [лаков

A.Н..Андреев A.A.,...Фролов В.А.и др.

104.А.с.891209 /СССР/Способ вторичного охлаждения слитка/Фролов

B.А.,Жеребцов Ю.К..Дружинин В.Б.и др.-БИ.-1981.-„!Р 47.

105.А.с.1293237 /СССР/Способ переработки отходов металлургического производства/Фролов В.Л..Алексапочкин O.A./Фролова И.В.

и др.-ВИ.-1987.-1 8.

106.А.с.1297358 /СССР/Составной катод для плазменной обработки /Чумаков А.Н..Аникин Л.Т.,...Фролов В.А.и др.

107.А.с.1378405 /СССР/Печь для переработки отходов металлургического производства/Фролов Ü. А. .Данилович П. А..Мочев ВЛ.и др.

108.А.с.1356465 /СССР/Способ восстановления окислов металлов /Фролов В.А..Акименко В.В..Русакова А.Г.и др.

109.A.c.282218 /СССР/Способ получения карбида хрома/Андреев

A.A.,Фролов В.А.,Спиртус Г.А.и др.

110.А.с.1417780 /СССР/Злектродуговой плазмотрон для обработки дисперсных материалов/Чумаков A.II. ,Бортничук Н.П.....Фролов

B. А. п др.

111.Решение о выдаче а.с. по заявке № 4727731"Способ переработки железотитановнх руд и конпонтратов/Фролов H.A..Русакова Л.Г., Цветков 10. Б.и др.

Диссертант благодарит за сотрудничество коллег-соавторов из НПО "Гулачермет",ИМЕГ им.А.А.Байкова.ИАЭ им.И.В.Курчатова, ЦШШЧМ, Гипромеза. и Сибгипромеза, НЗТИ, ВНИИЭТО, ГНИИХТЭОС,Гинцвет-мета,КазНИИЭ,ИГФ и ИЭиОПП СО АН СССР.Гипроникеля.НИИХИШАШа, АССОД.ПО "ЦЭДГ,М1Ш,ИГ АН Украины,принимавших на разных этапах участие в совместных исследованиях и разработках,а также сотрудников каредр руднотермических процессов,металлургии стали, теории металлургических процессов и электрометаллургии МИСиС за ценные замечания,высказанные при обсуждении диссертации на стадии подготовки ее к защите.