Несообразности металлургического цикла. Их устранение (стр. 1 )

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Уральский государственный горный университет»

НЕСООБРАЗНОСТИ

МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ЦИКЛА.

ИХ УСТРАНЕНИЕ

Научное издание

Екатеринбург – 2008

УДК 54

П 12

Рецензент: профессор, доктор химических наук , ведущий научный сотрудник Института металлургии УрО РАН.

в С. Б.,

Печатается по решению Редакционно-издательского совета

Уральского государственного горного университета

П 12 Несообразности металлургического цикла. Их устранение: Научное издание/ ; Урал. гос. горный ун-т. – Екатеринбург: Изд - во УГГУ, 2008.- 150 с.

Рассмотрены несообразности доменного процесса и, соответственно, металлургического цикла – неполное сжигание топлива, необходимость кокса, переуглероживание металла. Отмечено, что эти несообразности можно устранить, если перейти от современной совместной продувки руды и топлива к их последовательной продувке.

Книга предназначена для научных сотрудников и аспирантов, а также для дополнительного чтения студентов специальности 130405 – Обогащение полезных ископаемых, изучающих курс «Окускование и металлургия».

Рис. 8. Табл. 1. Библиогр. 32 назв.

УДК 54 ББК 24.1

Ó Уральский государственный

горный университет, 2008

Ó , 2008

ПРЕДИСЛОВИЕ

Мы стремились возможно полнее обсудить положения этой работы со специалистами теории металлургических процессов, доменного и сталеплавильного производства, рудоподготовки, обогащения полезных ископаемых и др. Для нас очень полезны были беседы с профессорами , , П, и другими. Автор благодарен также и

Обычно научно–технические вопросы излагаются строгим и «сухим» языком. В этой книге стиль изложения получился несколько более эмоциональным, близким к стилю популярных книг или полемически–дискуссионных. Дело в том, что ряд разделов здесь излагаются по материалам прошедших дискуссий, часто весьма оживленных, а также по материалам прочитанных лекций или докладов.

К тому же в книге потребовалось обсудить ломку идеологии в данной области, психологические сложности такой ломки, которые не поддаются сухому изложению. Несообразности или пороки металлургического цикла в той или иной мере осознаются, но понять их вполне и устранить мешает устоявшаяся идеология. Вопросы научной идеологии обычно не затрагиваются в работах по металлургии; между тем здесь они очень важны, поэтому в книге им отведено сравнительно много места – последняя глава 10.

Главы 8 и 9 написаны совместно с профессором

Мы были бы рады получить критические замечания или отзывы на эту книгу по адресу: E-mail: [e-mail]

ГЛАВА 1. ВВЕДЕНИЕ. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ КНИГИ

1.1. Причина несообразностей доменного процесса –

принцип совместной продувки рудо-топливной смеси

В книге рассмотрены «несообразности» или «врожденные пороки» современного металлургического цикла. Из-за них рядовая сталь оказывается, например, в 2-3 раза дороже, чем получилась бы в цикле без «несообразностей». Металлургический цикл [1-16] с его пороками сложился в донаучную эпоху, в результате многовекового стихийного развития, под воздействием многих случайностей. Основная цель книги – показать, что исходной причиной пороков цикла является принцип совместной продувки топлива и рудной компоненты при получении металла в домне; пороки можно устранить, если перейти к раздельной (последовательной) продувке компонентов, при которой газы дутья проходят сначала зону топлива, а затем зону рудной компоненты. При этом переход к последовательной продувке можно выполнить путем сравнительно небольших корректив к схеме доменного процесса, при сохранении его основных хорошо отлаженных элементов и его преимуществ.

В настоящее время основная масса черного металла (примерно 95 %) получается доменным процессом, то есть продувкой смеси кусков кокса и окатышей (или агломерата). Основную часть остальных 5-ти процентов черного металла получают процессом, идейно близким к доменному – путем продувки окатышей или кусков рудной компоненты природным газом в шахтных агрегатах типа «Мидрекс», «Хилл-3» и др. В принципе, известно много других способов получения черного металла, быстро появляются новые способы, однако, их суммарный вклад в производство незначителен. Нет способов, которые могли бы составить конкуренцию доменному процессу в получении основной массы металла. Подобная ситуация и в пирометаллургическом получении ряда цветных металлов.

Доменный процесс определяет общий вид современного металлургического цикла, является структурообразующим или системообразующим элементом всего цикла, хотя стоимость самого доменного процесса составляет теперь уже небольшую часть стоимости полного цикла.

Для металлургов очень важными были всегда две задачи: 1) достигнуть и поддерживать достаточно высокую температуру в доменной печи (или в горне); 2) обеспечить высокую скорость реакций между рудой и топливом. Для повышения температуры давали повышенный избыток топлива, хотя это часто нецелесообразно; наивысшая температура получается при стехиометрическом соотношении реагентов, без избытка топлива, остающегося после всех реакций. Для ускорения процессов восстановления куски руды и топлива смешивали, чтобы реагенты оказались ближе друг к другу. Сейчас вполне понятно, что нужную скорость реакций можно обеспечить и без смешивания компонентов; в этом убеждают, в частности, процессы типа «Мидрекс». Металлургический цикл сформировался в современном виде во многом потому, что получение металла практически всегда мыслили в основном как продувку рудо–топливной смеси при избытке топлива; это два основных принципа доменного процесса.

1.2. Принцип «доменный процесс незаменим!»

Исторически сравнительно быстро изменяются сталеплавильные металлургические процессы, корректирующие состав металла после доменной плавки, доводящие доменный чугун до состава стали. Быстро изменяются также процессы, предшествующие доменному (агломерация, коксование, окислительный обжиг руд, предварительный обжиг сидеритов или известняка, подготовка кусковой руды и др.), которые готовят сырье в соответствии с меняющимися требованиями доменного процесса. Изменяются подготовительные и доводочные процессы до и после доменного, но неизменным остается доменный принцип совместной продувки рудо–топливной смеси, который является основным способом получения металла на протяжении многих столетий и даже тысячелетий.

Когда резко изменялись условия производства, каждый раз торжествовал принцип «доменный процесс незаменим!». Металлурги каждый раз «не могли поступиться доменными принципами», «не соглашались» видоизменить доменный процесс получения металла соответственно новым условиям. Они скорее соглашались ввести новый дорогой передел, подготовительный или доводочный, ради того, чтобы сохранить доменный процесс неизменным.

Когда потребовалось от кусковых руд перейти на концентраты, можно было отлаживать вдувание порошка концентрата в домну, или металлизацию этого порошка и использование его в порошковой металлургии. Металлурги предпочли отладить окускование, превращающее порошок концентрата в прочные окатыши, подобные привычным кускам руды, хотя для этого пришлось преодолеть значительные трудности. Выигрыш состоял в том, что доменный процесс можно было вести по-прежнему, заменив куски руды окатышами.

Раньше, когда появился жидкий чугун, можно было убрать избыток топлива и искать такое видоизменение доменного процесса и доменной печи, при котором сталь получалась бы одним переделом. Проводились опыты по выжиганию углерода из чугуна в горне видоизмененными струями доменного дутья. Но после нескольких полуудачных и неудачных попыток в этом направлении был признан целесообразным двустадийный процесс. Предпочли сохранить традиционный вид доменного процесса, хотя ради этого потребовалось добавить в цикл новый дорогой сталеплавильный передел.

В результате сейчас металлургический цикл представляет собою довольно сложное нагромождение подготовительных и доводочных производств, «пристроек» и «приделок» к основному процессу, введенных в разное время и при разном стечении случайных обстоятельств. На пути от руды до изделия материалы проходят, например, 4-8 операций нагрева-охлаждения. В прошлом, в средневековой металлургии, продувкой руды и топлива в горне (или «домнице») получали крицу железа и затем ковали ее до изделия, периодически возвращая в горн. Весь процесс от руды до изделия укладывался в один передел, одну операцию «нагрев-охлаждение». При этом нагревали материалы до невысоких температур, порядка 800-900 0С. Современный цикл в этом плане намного расточительнее по затратам тепла. Это особенно ненормально при современном подорожании энергоресурсов и при множестве программ энергосбережения.

В донаучную эпоху, при стихийном эмпирическом развитии металлургии, в какой-то мере было естественно прежде всего сохранять неизменным надежный, давно и хорошо отлаженный доменный процесс, даже если приходилось ради этого добавлять дорогой новый передел. При этом каждый новый передел сначала долго апробировали в небольших масштабах, и ради таких незначительных производств неразумно было пытаться предпринять глубокое и рискованное преобразование основного доменного процесса. Сейчас можно вернуться к этим вопросам на новом научно-техническом уровне, ввести в доменный процесс соответствующие коррективы, не введенные в свое время, и убрать ряд «лишних» переделов, добавленных когда-то ради сохранения доменного процесса в неизменном виде.

1.3. «Врожденные пороки» доменного процесса

Ну, это все философия…

Перечислим «пороки» доменного процесса и, соответственно, металлургического цикла. Подробнее они рассматриваются ниже.

1. В доменной печи газообразные продукты горения вплоть до колошника контактируют с коксом, горение всюду идет при избытке топлива, поэтому кокс удается сжечь в основном лишь до СО, но не до СО2. Из-за этого печь получает от горения топлива в (2-3) раза меньше тепла.

2. Приходится применять дорогой кокс, который в (2-6) раз дороже угля. Эти два порока вместе делают тепло горения топлива в доменной печи примерно в 10 раз дороже (так как (2-3) • (2-6) »10).

3. Избыток углерода топлива в доменной печи приводит к науглероживанию металла до предела растворимости или до эвтектического состава (до чугуна, с содержанием углерода 4,3 %). Поэтому для получения стали требуется выполнить еще сталеплавильный передел, который нужен в основном для того, чтобы исправить сравнительно небольшой «перебор» доменного процесса, устранить некоторое переуглероживание, перевосстановление металла, которое неизбежно получается в домне, где куски топлива смешаны с кусками рудной компоненты и процессы идут при избытке углерода топлива. Сталеплавильный процесс весьма неэкономичен по балансу тепла, по энергоэкономичности, и поэтому обычно дороже получения металла в домне.

Термины «несообразности» и «врожденные пороки металлургического цикла» мы заимствуем из [16] (стр. 247). При этом в [16] рассматриваются пороки, устраняемые переходом к металлургии твердого тела. Здесь в основном рассматривается устранение пороков в рамках металлургии расплавов.

Если мы рассматриваем лишь физико-химическую схему процесса и не обсуждаем технические сложности, то вполне ясно, что «пороки» нетрудно устранить. Так, агрегат, подобный доменной печи, но со сталеплавильной футеровкой лещади, можно заполнить одними лишь окатышами, а все топливо вводить в виде угольной пыли, вдуваемой в факелы дутья. Отходящие газы при необходимости можно дожигать подачей дополнительного дутья в верхней части печи. В зависимости от величины избытка угольной пыли по сравнению с кислородом дутья мы получим чугун, сталь или железо в соответствии с материальным балансом плавки. В этой схеме сталь получается уже в шахтной печи, без кокса, и при экономичном полном сжигании угля. Такая рядовая сталь будет стоить, например, в 2-3 раза дешевле по сравнению с аналогичным металлом, получаемым в настоящее время.

Возникающие при этом технические сложности отнюдь не являются непреодолимыми. Отладка такого процесса потребует, конечно, большой работы, но вполне реальна. Обоснование этих положений – задача последующих глав книги.

ГЛАВА 2. ПОРОКИ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ЦИКЛА

2.1. «Порок 1» – неполное сжигание топлива

Рассмотрим подробнее упомянутые пороки металлургического цикла. Первым пороком можно считать тот факт, что в домне 1), в восстановительной атмосфере, топливо удается сжечь в основном лишь по первой стадии горения, до СО, так как газы до конца своего пути, до колошника, контактируют с кусками топлива. Углерод, будучи всюду в избытке, окисляется преимущественно до СО, а не до СО2. Но теплота горения углерода по первой стадии, до СО (DН 298 = 110 кДж/моль) в 3,56 раза меньше теплоты полного горения до СО2 (DН 298=395 кДж/моль, данные термодинамических таблиц). На первой стадии горения углерода выделяется лишь 28 % тепла (110 / 395).

Еще меньше эта доля для углеводородной части топлива. Если первый предельный углеводород метан СН4, горит при избытке углерода, то он окисляется лишь по первой стадии до СО и Н2, и теплота его горения составляет всего 4 % теплоты полного горения. Остальные 96 % тепла можно получить при дожигании газов, на второй стадии горения.

Поэтому вдувание в доменную печь природного газа, который состоит в основном из СН4, приводит обычно к охлаждению горна и к разогреву шахты печи, где происходит некоторое частичное горение по второй стадии. Вдувание кислорода, наоборот, разогревает горн и охлаждает шахту.

----

1)  Многие специалисты и патриоты доменного производства считают недопустимо-фамильярным писать «домна», и применяют лишь более уважительное наименование «доменная печь». Мы приносим им извинения за такую нашу вольность.

Хотя в доменной печи реализуется некоторая доля полного сжигания, колошниковые газы содержат небольшие количества СО2 и Н2О, но получаемое тепло обычно оказывается меньше половины возможного. Если, например, колошниковые газы содержат 30 % СО и 10 % СО2, то получаемое тепло горения углерода в 2,2 раза меньше возможного. Если такое соотношение СО и СО2, Н2 и Н2О получается при горении метана, то получаемое тепло почти в 4 раза меньше тепла полного горения. В целом печь получает от горения топлива в (2-3) раза меньше тепла, чем при полном сжигании топлива (подробнее об этом см. в Приложении 1). Основная часть химической энергии топлива теряется с отходящими недоокисленными колошниковыми газами, и лишь примерно треть или половина этой энергии используется печью.

Если мы перейдем к раздельной продувке топлива и окатышей, то на второй части пути печные газы движутся в слое железорудных окатышей, не контактируют с кусками топлива, и эти газы здесь можно дожечь практически полностью. Мы получим в (2-3) раза большую теплоту сгорания топлива. При контактировании газов с загруженными окатышами и высшими окислами железа Fe2О3 и Fe3О4 при температуре 400-500 0С и выше, то газы практически нацело будут окислены до СО2. Некоторые руды, особенно гематитовые, сами способны при повышенной температуре окислять отходящие газы практически полностью до СО2, если они не смешаны с кусками топлива. В других случаях полное сжигание до СО2 и Н2О при данной схеме можно достигнуть, подавая в эту часть печи дополнительное дутье для дожигания газов (схемы агрегатов рассматриваются ниже, в следующей главе 3). Такое дожигание можно реализовать уже при некотором избытке воздуха, так как здесь нет топлива, в данной зоне одни лишь железорудные окатыши (или агломерат). В такой шахтной печи можно достигнуть достаточно полного сгорания топлива до СО2 и Н2О, какое достигается в хорошей угольной топке, в паровом котле и др.

Расчетный расход углерода на получение тонны металла получается равным 600 кг/т при горении до СО, и 202 кг/т при полном горении до СО2 (Приложение 2, задачи 1 и 2)

В доменной печи горение топлива и восстановление окислов железа протекают совместно, хотя для металлизации нужна восстановительная атмосфера (избыток топлива), а для полного сжигания топлива требуется сильнооокислительная атмосфера, избыток кислорода дутья. При последовательной продувке разделены зоны горения топлива и восстановления окислов, зоны окислительной и восстановительной атмосферы, и легче создать оптимальные условия для каждого процесса.

В агрегатах Мидрекс достигается более полное использование химической энергии топлива, в частности, за счет того, что окатыши там не смешаны с твердым топливом, то есть в принципе так же, как и в предлагаемой последовательной продувке. Правда, более полное сжигание топлива в агрегатах Мидрекс достигается за счет применения ценного топлива – природного газа, который становится все более дорогим и дефицитным.

Отметим, что данная «несообразность номер один» современного получения металла (невозможность полного сжигания топлива и соответствующие потери «химического» тепла) часто остается неосознанной. Потери «химического тепла» привлекают мало внимания, мало обсуждаются. Исследователи доменного процесса затрагивают подобные вопросы, когда анализируют преимущества косвенного восстановления (газом) перед прямым восстановлением окислов углеродом, когда обсуждается известный «принцип Грюнера» и др. В других случаях потери химического тепла, видимо, осознаются, но воспринимаются как неизбежные, поэтому их обсуждение считается бесполезным.

Специалисты доменного процесса основное внимание уделяют экономии более понятного физического тепла газов; идет настойчивая борьба за каждые 10 0С повышения температуры дутья и понижения температуры отходящих газов. Увеличивается приход тепла с горячим дутьем и уменьшаются его потери с отходящими газами. В этом отношении доменный процесс доведен до весьма высоких показателей. Температура дутья уже достигает 0С, а температура колошниковых газов понижается до 150-200 0С.

В таких деталях и в частностях доменный процесс быстро совершенствуется, становится высокотехнологичным, даже высоконаучным. Программное обеспечение автоматического регулирования печей совершенствуется, например, каждые 5 лет, сами компьютеры такого управления – каждые 10 лет; конструкции механизмов механического оборудования, огнеупоры, фурмы и др. – каждые 20–40 лет. Но основной принцип процесса сохраняется «от сотворения мира», остается неэффективным, архаическим и сохраняет «врожденные пороки».

Фундаментальная наука – физхимия, применяется достаточно широко, но лишь в «периферийных» вопросах. Коренные вопросы процесса (в том числе и выбор его принципа) обычно решаются на основе очень давно установившейся идеологии, давней традиции, или же на основе чисто эмпирических обобщений. Основной принцип продувки рудотопливной смеси сохраняется тысячелетиями. Физико–химические исследования сосредотачиваются на деталях и частностях процесса, но часто не проникают в центральные вопросы. Поэтому процесс совершенствуется в частностях, но сохраняет несообразности принципа, схемы.

В новых изобретениях важно сохранить не только эффективное использование физического тепла, но и высокую производительность доменной печи, характерную для шахтных печей вообще. Весьма ценны также возможность огромной единичной мощности агрегата и большой межремонтный период, способность непрерывно работать годами без остановок на ремонт. Такие показатели позволяют патриотам доменных печей твердо верить в то, что «доменный процесс незаменим» и снисходительно–иронически относиться к попыткам создания альтернативных способов получения металла.

2.2. Необходимость кокса

Экономическая смерть ждет предприятия, которые расточительно используют энергоресурсы! И прокуратура ими займется!

Россель

Второй «несообразностью» можно считать то, что в доменной печи приходится применять прочный, высокопористый и, соответственно, дорогой кокс, но не уголь, который в (2-6) раз дешевле кокса (при больших колебаниях цен). Куски топлива в домне должны пройти всю печь (например, 30 м) при высоких механических и термических нагрузках, при пересыпаниях с кусками рудной компоненты, при истирании, горении. Как известно, куски и слои кокса разрыхляют массив шихты, обеспечивают повышенную газопроницаемость массы, прохождение газов по «коксовым карманам» в шихте. Высокопористый кокс с большой поверхностью имеет более высокую реакционную способность по сравнению с углем; кокс интенсивнее восстанавливает прогревающиеся окислы железа в нижних горизонтах печи. Если в шихте мало «разрыхляющего» кокса, то металлизованные окатыши могут дать чрезмерно прочное спекание всей массы и привести к ее «зависаниям», к затруднениям схода шихты.

При раздельной продувке процесс можно организовать так, что от топлива потребуется лишь способность гореть до СО в факеле дутья или в топливном слое, то есть лишь способность к газогенераторному процессу, в котором и используется обычно кусковой уголь или угольная пыль. Отмеченные преимущества кокса по сравнению с углем становятся несущественными при высокотемпературном газогенераторном процессе. При последовательной продувке топливная зона работает как газогенератор, а зона рудной компоненты – как агрегат «Мидрекс», хотя здесь железорудные окатыши восстанавливаются генераторным, а не природным газом.

Если топливо вводится непосредственно в зону горения горна доменной печи, в газовые потоки факелов, которые начинаются от фурм, то физические свойства топлива обычно несущественны. При температурах порядка 2000 0С быстро сгорит практически любое топливо. Известно, что здесь можно использовать природный газ, а также другой горючий газ, вдувать угольную пыль, продукты нефтепереработки, и др. Здесь преимущества кокса несущественны.

Основной вопрос состоит в следующем: как, минуя шахту печи, доставить все топливо непосредственно в зону горения? Если мы отлаживаем такую доставку топлива прямо в газовые потоки факелов, то тем самым реализуется последовательная продувка топлива и рудной компоненты, становится возможным не только использование любого топлива, но и дожигание отходящих газов и полное использование в печи их химической энергии. В настоящее время, насколько нам известно, эта возможность остается неосознанной. Доменный процесс обычно воспринимается как незаменимый, и, соответственно, незаменимой воспринимается и загрузка кускового топлива сверху, в смеси с рудной компонентой. В этом случае практически незаменим и кокс.

Ниже рассмотрен ряд способов доставить кусковой уголь непосредственно в газовые потоки факелов. Еще одна возможность состоит в том, чтобы все топливо вдувать в печь через фурмы в виде угольной пыли. В небольших количествах такое вдувание пыли широко практикуется, и предлагаемое изменение состоит в том, чтобы вводить этим способом все топливо, а сверху загружать лишь окатыши.

При вдувании угольной пыли достигается высокая скорость горения и газификации топлива благодаря высокоразвитой поверхности реагирования. В этом случае «топливную зону» печи или ее «газогенератор» можно уменьшить до размеров факелов, а все остальное пространство печи использовать как рудную зону, подобную агрегату Мидрекс. Так можно получить более полное использование химической энергии топлива, которое в агрегатах Мидрекс достигается ценой перехода на более дорогое и дефицитное топливо – природный газ.

Две перечисленные несообразности (неполное горение топлива и необходимость кокса, но не угля) делают тепло горения топлива в доменной печи примерно в 10 раз более дорогим по сравнению с хорошей угольной топкой или паровым котлом, то есть по сравнению с такими агрегатами, где, во-первых, топливо сгорает практически полностью (до СО2, Н2О), и, во-вторых, где используется сравнительно дешевый уголь, но не кокс.

Конечно, часть «химического тепла», не полученного в доменной печи, можно получить при дожигании доменного газа в каком-то другом агрегате, например, в скруббере, и использовать в следующем цикле на нагрев дутья. Однако образующийся недостаток тепла в самой печи приходится компенсировать неполным сжиганием дополнительного дорогого кокса, что в 10 раз дороже. Недостаток тепла приходится «оплачивать в десятикратном размере».

2.3. Несообразности печей обжига

Но разве могут такие очевидные вещи

оставаться неосознанными?!

Обсуждаемые несообразности еще яснее видны в случае более простых печей, например, у шахтных печей для обжига руды, сидерита, известняка и др. Такие печи созданы по образцу домны и унаследовали ее пороки. Печь загружается, например, смесью кусков известняка и кокса и отапливается, как и домна, неполным сжиганием кокса. Как и домны, эти печи можно отапливать в 10 раз дешевле полным сжиганием угля, в частности, сжиганием угольной пыли в факелах дутья. В таких печах, в отличие от домны, всюду допустима окислительная атмосфера, поэтому угольную пыль можно уже прямо в факелах сжигать с избытком воздуха, то есть до СО2. Не требуется подавать дополнительное дутье на дожигание газов. Правда, в таких печах температура ниже, чем в домне, и, видимо, потребуется применять более тонкую угольную пыль. Далее, убирая кокс из шахты печи, мы немного уменьшим утилизацию физического тепла отходящих газов, однако соответствующие потери невелики.

В схеме процесса факелы с угольной пылью при недостатке воздуха эквивалентны газогенератору, а при избытке воздуха – угольной топке. Если обогревать такую печь, вдувая в нее горячие продукты горения из угольной топки, то и это отопление будет примерно в 10 раз дешевле современного.

Например, в печи обжига карбоната требуется лишь прогреть шихту до температуры разложения порядка 800 0С. Здесь необходимость кокса нельзя обосновать его прочностью, пористостью, реакционной способностью, противодействием спеканию, разрыхлением шихты и другими аргументами, которые обычно приводятся в пользу кокса, все эти качества в данном процессе несущественны.

Если при обжиге карбонатов (сидерита, известняка и др.) горение идет лишь до СО, и выделяемая карбонатом углекислота СО2 при избытке углерода еще проходит газификацию (С + СО2 = 2СО), то получается еще дополнительное поглощение тепла (175 кДж/моль) и углерода на газификацию. Поэтому в таких процессах «порок 1» (неполное сжигание топлива) приводит к еще большим потерям, чем в домне. При горении до СО2 расчетный расход углерода топлива составляет 130 кг на тонну извести, а при неполном горении до СО – 1180 кг на тонну, в 9 раз больше. (Приложение 2, задача 7).

В обычном варианте процесса обсуждаемый порок выглядит уже прямо-таки вопиющей несообразностью, которая настолько очевидна, что бросается в глаза, но, тем не менее, столетиями остается неисправленной, а обычно и неосознанной, в основном по идеологическим и психологическим причинам, из-за давления очень давней традиции. Мы проявляем поразительную слепоту по отношению к таким несообразностям.

Лишь в последнее время, трудно, медленно и с большими колебаниями начинается работа по частичной замене кокса углем в таких процессах (см. [25, 26]), и в некоторых печах планируется полная замена кокса углем (см. патент [32]). Другими словами, робко и непоследовательно начинается работа по устранению порока 2, но остается нетронутым порок 1 – неполное сжигание твердого топлива.

Пока внутри России природный газ сравнительно дешев, целесообразным оказывается и переход на отопление обсуждаемых печей обжига газом. Но в перспективе и в печах обжига отопление газом должно уступать место отоплению углем, подобно тому, как это происходит в теплоэнергетике. Как известно, принята широкая программа Правительства РФ по замене газа углем на теплоэлектростанциях, предусмотрены крупные капиталовложения - десятки миллиардов долларов.

Обсуждаемые вопросы весьма важны, так как хороший тепловой баланс является решающим условием успеха предлагаемых агрегатов для получения металла. Расчетный расход углерода на получение тонны стали составляет 202 кг/т при полном горении топлива до СО2 и 600 кг/т при горении до СО (Приложение 2 задачи 1, 2). Если же в агрегате нет утилизации тепла отходящих газов (а значит, нет подогрева шихты, поступающей в зону реакций), то при горении до СО расчетный расход углерода возрастает уже до 1750 кг/т. Таковы условия в агрегатах типа «Циклон». Отметим, что обычно интенсивность продувки остается примерно постоянной, поэтому увеличение удельного расхода топлива одновременно означает еще и уменьшение производительности агрегата. Если нет еще и подогрева дутья, то расчетная температура горения составляет лишь 930 0С, и получение жидкого металла становится вообще невозможным, сколько бы топлива мы ни сожгли (Приложение 2, задачи 3, 5). Поэтому процесс Рюмина (получение стали из руды в агрегате типа мартеновской печи) практически был обречен на неудачу с самого начала. Уже простой короткий расчет (в одно действие) типа тех, что выполняются в Приложении 2, может выявить неэффективность ряда предлагаемых процессов.

Упомянутая «поразительная слепота» по отношению к фактам, которые противоречат господствующей социальной идеологии, отмечена социологами [12, 19]. Такие факты часто не проникают в сознание, остаются неосознанными, «попадают в уши, но не проникают дальше». С этим столкнулся, в частности, , когда в 60-70-е годы высказывал положения, противоречащие идеологии того времени (сейчас подобные положения часто выглядят настолько очевидными, что они даже неинтересны; спрос на такие книги сейчас невелик). В нашем случае подобная «поразительная слепота» проявляется под давлением устаревшей господствующей технической идеологии. Мы удивительным образом столетиями не замечаем явную «вопиющую несообразность» – отапливание перечисленных шахтных печей неполным сжиганием кокса, в то время как их можно отапливать в 10 раз дешевле полным сжиганием угля. Эта несообразность тоже, если и «попадает в уши» нам, то «не проникает дальше», в сознание.

В дискуссиях по подобным вопросам часто говорят, что, раз очевидные, казалось бы, улучшения не делаются, то, значит, какие-то Большие Специалисты знают, что этого нельзя делать по тем или иным причинам; вероятно, кто-то обсуждаемые изменения опробовал, и убедился, что они непригодны; если бы улучшения были так просты, их бы давно сделали и др. Но в действительности мы просто не решаемся нарушить традиции совместной продувки компонентов, которые установились в древности, и очень укоренились за прошедшие столетия и тысячелетия. Когда же наконец осмелились начать замену кокса коксоподобным углем (сначала на несколько процентов), то выяснилось, что ничего страшного при этом не происходит.

Главная задача сейчас состоит в том, чтобы осмелиться внести дальнейшие улучшения и в схему отопления печей обжига, и в схему доменного процесса; главные трудности здесь – психологические.

2.4. Переуглероживание металла

«Порок 3» доменной плавки состоит в том, что печь выдает не сталь, а чугун. В процессе плавки смеси кусков топлива и металлизованных окатышей (или агломерата), при избытке топлива первичным продуктом плавления является эвтектический расплав системы железо – углерод с температурой плавления около 1140 0С и содержанием углерода примерно 4,3 %, то есть чугун.

Некоторый избыток кокса приводит к образованию в горне «коксовой насадки», слоя кусков кокса, оставшихся излишними после реакций. Расплавы, образующиеся выше, фильтруются через эту «насадку», через слой кокса, и, при избытке углерода, металл несколько переуглероживается, и перевосстанавливается в том смысле, что концентрация растворенного кислорода в жидком металле становится очень низкой. Поэтому для получения конечного продукта, стали с содержанием углерода обычно менее 2 %, приходится выполнять еще один дополнительный (доводочный) сталеплавильный передел. При этом выполняется сравнительно небольшое обратное окисление металла, обратное обезуглероживание его на (2-4) %. Тепло в сталеплавильных агрегатах обходится намного дороже, чем в доменной печи, и этот передел обычно дороже самого доменного процесса получения металла. Отметим, что если в домне металл перевосстанавливается, обедняется растворенным кислородом, то в сталеплавильном агрегате он несколько пересыщается кислородом, переокисляется «по инерции». Приходится выполнять еще одно небольшое коррекционное обратное изменение состава – раскислять сталь.

Этот «порок 3» металлургического цикла, в отличие от «порока 1», обсуждается сравнительно широко, и имеется множество нереализованных изобретений по устранению такого порока, по прямому получению железа. Достаточно полный обзор изобретений и патентов по способам прямого получения железа потребовал бы больше времени и сил, чем, например, написание данной книги. Известно, в частности, высказывание по этому вопросу: «Я полагаю, что придет со временем пора искать способы прямого получения железа и стали из руд, минуя чугун» (1899 г.).

В литературе можно найти также много различных разрозненных высказываний по тем или иным обсуждаемым порокам цикла и их полный обзор также был бы весьма трудоемким. В частности, вопросы более полного использования химической энергии топлива, принцип Грюнера и др. затрагивались во время известной дискуссии 70-х годов в журнале «Сталь» с участием виднейших специалистов доменного производства - и других.

В прошлом попытки получать сталь непосредственно в шахтной печи оказались неудачными; при совместной продувке рудо-топливной смеси эта задача достаточно трудна.

При раздельной продувке можно плавить получаемую массу металлизованных окатышей без избытка углерода топлива, а при необходимости – даже без их контакта с твердым топливом, подавая в массу окатышей лишь горячие газы из газогенератора или из топливной зоны, из факела дутья с угольной пылью. Это открывает возможность не переуглероживать металл при его получении, а сразу в шахтной печи получить расплав с нужным содержанием углерода, то есть сталь.

2.5. Психологические сложности

Развитье здесь идет не по спирали,

а вкривь и вкось, вразрез-наперерез.

В. Высоцкий

Интересно, что отмеченные пороки цикла нередко в той или иной мере осознаются специалистами, или же их нетрудно осознать при желании. Этого, однако, не удается сделать в полной мере из-за психологических трудностей. Здесь создается интересная и парадоксальная ситуация: «пороки» в определенной мере понятны, их можно устранить несложными изменениями схемы процесса, но в то же время очень трудно убедить кого-либо в том, что устранение пороков вполне реально, этим можно и нужно заниматься. Уже при первых обсуждениях вопроса со специалистами часто возникает недоверие или даже резкое неприятие. Вполне ясно, что «это никто не будет делать!». Не только на заводах, но и в НИИ предложения устранить пороки воспринимаются как проявление глубокой наивности людей, совершенно оторванных от действительности, и др. Создается впечатление, что современный цикл может продержаться еще несколько столетий за счет одной лишь инерции, одних лишь психологических причин, несмотря на его очевидные и даже «вопиющие» несообразности.