Несообразности металлургического цикла. Их устранение (стр. 16 )

Известны способы металлизации, при которых слой концентрата обдувается сверху потоком газа – восстановителя, например, водорода или природного газа. Так, в 1952-1956 гг. фирма Rupablik Steel в США практиковала получение полосы железа металлизацией газом слоя богатого концентрата (2 % примесей) на ленте конвейера. От процесса пришлось отказаться из-за припекания металла к конвейеру.

В металлургии расплавов неметаллические включения всплывают в шлак; в твердотельной металлургии все минеральные примеси, содержащиеся в концентрате, попадают затем в металлоизделие. Здесь возрастает роль обогащения руды. В СССР возможности получения суперконцентратов и богатых концентратов из легкообогатимых руд оценивались в 50 млн тонн в год. С этой точки зрения до половины всех металлоизделий можно получать из металлизованных суперконцентратов, которые содержат, например, 0,3 % примесей. В ряде случаев удается снизить содержание примесей до сотых процента. Цель данной главы – показать, что многие металлоизделия можно получать и из рядовых концентратов со значительно большим содержанием примесей, например, 5 %.

Концентрат трудно металлизовать продувкой порошка, так как его малые частицы легко уносятся потоками газов. Скорость падения V малых частиц удовлетворительно описывается формулой Стокса

V = (2/9)(r•g•R2)/h

где h – вязкость газа; R – радиус частицы; r – плотность частицы. Для частиц размером 300 мкм скорость падения получается порядка 10 м/с; для самых малых при R = 3 мкм – порядка 1 см/с. Самые малые частицы концентрата попадают уже в область коллоидных размеров; они представляют собой очень тонкую пыль, которая долго может висеть в воздухе, не оседая. Потоки газа со скоростями порядка 10 м/с, которые встречаются в доменной печи, могут унести многие частицы концентрата. Можно пытаться металлизовать концентрат (или крупную техногенную пыль) во взвешенном состоянии (или в кипящем слое), если брать наиболее крупные фракции и применять лишь весьма медленные потоки газа. Другой вариант – превратить концентрат в крупку, или в гранулы с помощью окомкования, и после металлизации прессовать металлоизделия из такой крупки.

Так как металлизация концентрата продувкой затруднительна, то перспективна металлизация без продувки, за счет тепла, поступающего теплопередачей через стенку.

Такая металлизация теплопередачей имеет длинную историю. Есть сведения, что еще на заре металлургии медь получали нагреванием на костре смеси руды и угля в закрытых керамических сосудах. Были попытки построить двойную печь, в которой во внешнем пространстве идет горение топлива, тепло передается через стенку во внутреннее пространство, в котором и идет металлизация смеси. Металлизацию выполняли также в агрегатах типа коксовой батареи, причем стенки «батареи» сейчас в ряде случаев делают стальными. Давно используется способ «Хоганес», в котором смесь окалины с топливом металлизуется в закрытых керамических капсулах в нагревательной печи. Появились подобные способы со стальными капсулами, обеспечивающими более интенсивную теплопередачу. Однако несложные расчеты показывают, что лимитирующим звеном таких процессов является теплопередача в слое измельченной шихты, и можно многократно ускорить металлизацию, если перемешивать шихту.

В схеме рис. 8.1 такое перемешивание обеспечивается пересыпанием шихты во вращающейся печи. Порошок концентрата в смеси с угольной пылью металлизуется во вращающейся печи, пересыпаясь по мере вращения, это предохраняет его от спекания. Корпус печи 1 предполагается стальным, что обеспечивает высокую теплопроводность; процесс будет лимитироваться лишь тепловой мощностью печи и тем пределом температуры печных газов, который способен выдержать металлический корпус 1. Целесообразно покрытие корпуса 1, например, жаростойкой эмалью, чтобы предотвратить окисление этого корпуса печными газами снаружи и припекание порошка внутри. Внутри печи нет продувки и горения топлива, это предотвратит чрезмерный пылевынос, характерный для вращающихся печей.

Рис. 8.1. Схема вращающейся печи для металлизации порошка концентрата:

1 – стальной внутренний вращающийся корпус; 2 – внешний неподвижный корпус; 3 – факел с угольной пылью; 4 – отходящие дымовые газы; 5 – загрузка порошка концентрата с угольной пылью; 6 – выгрузка металлизированного концентрата

Топливо сжигается либо в факеле угольной пыли, как на (см. рис. 8.1), либо в угольной топке. Горячие продукты горения обогревают вращающийся корпус снаружи. Реализуется принцип противотока горячих газов (снаружи) и потока порошка внутри корпуса печи 1. В смеси 5 целесообразно использование угля с достаточной примесью углеводородов, чтобы в восстановлении участвовало больше водорода, ускоряющего процесс. Газообразные продукты металлизации, содержащие СО и Н2, выводятся из печи через торец 7 и сжигаются в факеле 6. Последний отрезок печи, в котором реакции восстановления уже практически прекращаются, может работать как накопитель, усреднитель порошка и смеситель его с вводимыми добавками.

Если полученный порошок металлизованного концентрата сразу горячим идет на прессование и спекание, то получение изделия займет один цикл нагрева – охлаждения.

8.6. Психологические сложности по отношению к данным порошковым процессам

Получение металлоизделий из концентрата по схеме металли-зация-спекание имеет очевидные преимущества перед обычным способом. При использовании металлизованных окатышей процесс содержит 2 цикла нагрева-охлаждения без расплавлений, тогда как обычный процесс содержит 4-8 циклов нагрева-охлаждения с двумя энергоемкими расплавлениями. Металлоизделия получаются из рядового металлизованного концентрата теми же операциями, как из железного порошка, но металлизованный концентрат, например, в 3-5 раз дешевле стандартного порошка железа.

Растворимость примесей в жидком металле в десятки (или даже в сотни) раз больше, чем в твердом. Основную массу вредных примесей (S, P и др.) металл поглощает в результате расплавления.

Когда обсуждаются коррективы к доменному процессу, агрегат «угольный Мидрекс» и др., то обычное возражение состоит в том, что это все рассуждения, теории, не проверенные на деле. При спекании металлизованных концентратов предлагаемые процессы поддаются проверке на деле, в лаборатории, на малых образцах. В лаборатории получены образцы металла таким способом, а также простые изделия, например, мелющие тела. Имеется много изделий, к которым предъявляются еще меньшие требования, такие изделия производятся миллионами тонн. Предельным случаем подобных изделий с минимальными требованиями по прочности и точности формы являются различные грузы – противовесы.

Вполне ясно, что спеканием металлизованного концентрата такие изделия можно получать за 1-2 цикла нагрева–охлаждения, намного дешевле, чем традиционными методами, например, вырубкой из проката с последующей обработкой давлением или же литьем. Но при попытках внедрения таких способов возникают те же психологические проблемы, как и при попытках внедрения элементов последовательной продувки. Становится ясно, что главным препятствием для внедрения является не возможность проверки процесса «на деле», но психологические и идеологические сложности.

В данном вопросе идеологические сложности состоят еще и в том, что приемы порошковой металлургии по традиции не идут в крупнотоннажное массовое производство из дешевых порошков. Это не делается сейчас в основном по психологическим и историческим причинам, не делается просто потому, что «так сложилось». Большая металлургия давно уже мыслится почти исключительно как металлургия расплавов.

Порошковая металлургия по традиции тяготеет к чистым дорогим порошкам, небольшим изделиям сложной формы, для которых достаточны небольшие лабораторные прессы, а экономия получается не на материале, а на обработке. Одна из первых задач, решенных порошковой металлургией, состояла в спекании платиновой пыли в монеты. К малым точным и сравнительно дорогим изделиям тяготеет порошковая металлургия и сейчас. Стандартный порошок железа проходит обычно довосстановление водородом, а также ряд дополнительных обработок по улучшению его физических свойств: текучести, прессуемости, спекаемости и др. Для многих массовых металлоизделий эти улучшения порошка необязательны, достаточен рядовой металлизованный концентрат. Если преодолеть эти психологические сложности, выйти за пределы отмеченных традиций, то можно применить в крупнотоннажном массовом производстве металла и металлоизделий богатый опыт, накопленный порошковой металлургией; многие отработанные здесь приемы можно применить к рядовым металлизованным концентратам. Такие предложения также часто воспринимаются как «слишком революционные», «авантюристические, странные» и др.

ГЛАВА 9. СВЕДЕНИЯ ИЗ ИСТОРИИ

МЕТАЛЛУРГИИ

(Совместно с )

Две последние главы 9 и 10 имеют целью обсудить психологические и идеологические трудности, возникающие при обсуждении отмеченных новых методов в металлургии. В данной главе 9 рассматриваются соответствующие сведения из истории металлургии, помогающие понять как сложились те традиции, которые затрудняют восприятие новых методов. В следующей главе 10 обсуждаются закономерности ломки идеологии. Для внедрения предлагаемых методов необходима такая ломка.

9.1. Древность

Согласно данным археологических раскопок, железо, видимо, впервые было получено сыродутным процессом в державе древних хеттов, в центральной Малой Азии, в горах Антитавра [5]. Появившееся новое железное оружие оказалось намного более эффективным, и железо стало тогда ценным и дефицитным военно-стратегическим сырьем, примерно как ядерные материалы в настоящее время. Сохранились послания, в которых могущественные фараоны Египта и владыки великой Ассирии просили царя хеттов дать им железа. В парижском музее Лувр хранятся крицы хеттского железа, найденные при раскопках ассирийской столицы Ниневии.

Начало металлургии железа (как и начало металлургии меди) было, конечно, не одним актом, но заняло целую эпоху. После появления железа потребовалось еще целых пять столетий для того, чтобы его получение было усовершенствовано, хорошо отлажено и широко распространилось, чтобы железо стало основным металлом древнего мира. Бронзовый век истории человечества сменился веком железа в передовых странах примерно за тысячу лет до нашей эры. К этому времени не только держава древних хеттов, но и сам этот народ давно уже «рассыпался розно» и исчез. Однако установленный ими основной принцип черной металлургии – принцип продувки рудотопливной смеси – оказался очень живучим, и остается основным способом и сейчас.