Несообразности металлургического цикла. Их устранение (стр. 21 )

В рамках этого принципа доменный процесс приближается к максимально возможной эффективности. Желательно создание процессов на новых принципах при максимальном использовании тщательно отлаженных частных решений доменной печи.

10.8. Психологические сложности разработки альтернативных процессов

-- И ты всерьез думаешь, что книжка может что-то изменить?!

-- Мое дело прокукарекать, а

там хоть рассвет не вставай.

Из дискуссий

Исследователь, который займется анализом основного принципа процесса и его изменением, будет выглядеть несведущим человеком, который не понимает ситуации и по своей глубокой наивности пытается изменить все одним махом, пытается поставить под сомнение самоочевидные вещи. Такому исследователю обычно советуют бросить свои фантазии и заняться серьезным нормальным делом, то есть забросить анализ принципов и заняться деталями и частностями процесса, которыми занимаются серьезные ученые.

Обычное возражение на предлагаемые схемы процессов сводится примерно к тому, что теоретизировать легко, но пока это только предположения, а убедить может лишь успешно действующий агрегат, хотя бы опытный и малый. Это неверно, действующий опытный агрегат оказывается обычно тем фактом, или тем документом, который бессилен против идеологии. Всегда есть много возможностей сомневаться в эффективности опытного агрегата, в возможности воспроизвести его работу в большом масштабе и др. Множество опытных агрегатов были заброшены и остались неизвестными.

Как анализ альтернативных схем процесса, так и разработка изобретений, тем более их внедрение сейчас оказываются обычно робкими, непоследовательными, психологически затрудненными и легко затухают при столкновении с первыми же техническими сложностями, которые неизбежны в металлургии.

Если положения данной книги оформить в виде нескольких патентов, то они почти наверняка окажутся заживо погребенными в огромном массиве нереализованных патентов по прямому получению железа. Можно надеяться на лучший результат, если разобраться с идеологическими и психологическими основами вопроса.

Если мы преодолеваем обсуждаемый психологический барьер и начинаем свободно и много анализировать альтернативные принципы и процессы получения металла, то находятся и такие их варианты, которые легко опробовать, легко проверить в лаборатории. Так, задача главы 8 состоит в том, чтобы показать – можно получать кондиционную сталь или изделия из нее прессованием – спеканием готового металлизованного сырья, которое в настоящее время применяется в сталеплавильном процессе. Этот способ поддается несложной и полной проверке на малых образцах, например, в 100 граммов, методами порошковой металлургии.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Доменный процесс и, соответственно, металлургический цикл имеют ряд врожденных пороков или несообразностей. Из-за них рядовая сталь оказывается, например, в 2-3 раза дороже, чем была бы в цикле без несообразностей. Металлургический цикл с его пороками сложился в донаучную эпоху в результате многовекового стихийного развития под воздействием многих случайностей. Исходная причина пороков – принцип совместной продувки топлива и рудной компоненты при получении металла. Пороки можно устранить, если перейти к раздельной (последовательной) продувке компонентов.

Из-за совместной продувки доменная печь отапливается неполным сжиганием кокса; при последовательной продувке ее можно отапливать полным сжиганием угля, что примерно в 10 раз дешевле. На более простых печах (например, для обжига известняка) этот порок настолько очевиден, что выглядит уже вопиющей несообразностью, которую удается не замечать, видимо, лишь вследствие той поразительной слепоты которая встречается при господстве устаревшей идеологии.

Предложена схема агрегата «угольный Мидрекс», который отапливается факелами доменного дутья с вдуванием избытка угольной пыли, остальной объем заполняется окатышами и работает как агрегат «Мидрекс» на газогенераторном восстановительном газе. Получаемая масса металлизованных окатышей плавится на наклонном поду, а образующиеся расплавы стекают в выносной горн–отстойник. В такой шахтной печи получается рядовая сталь.

Предложен переход к последовательной продувке в доменной печи, для чего нижняя часть печи заполняется коксом, а верхняя – окатышами. Основным топливом является угольная пыль, избыток которой вдувается с дутьем или всыпается в факелы дутья через течки. При наличии течек через них можно пополнять и запас кокса в нижней части печи.

Для утилизации избытка тепла предложено вдувание с угольной пылью порошка концентрата. В принципе факел дутья с угольной пылью и с концентратом способен производить чугун уже сам по себе, без участия кусковой шихты. Столб шихты над факелом обеспечивает утилизацию физического и химического тепла отходящих газов.

Рассмотрено и проверено экспериментально получение металлоизделий прессованием-спеканием металлизованных железорудных концентратов. По этой схеме можно получать металлоизделия за один-два цикла нагрева – охлаждения материалов, тогда как в современном цикле они проходят, например, 4-8 таких циклов нагрева – охлаждения.

Отмечено, что при изменении условий производства в металлургии скорее вводили новый передел, чем изменяли доменный процесс соответственно новым условиям. Так при появлении чугуна ввели сталеплавильный передел, при переходе на железорудные концентраты ввели окомкование и агломерацию. Рассмотрены соответствующие сведения из истории металлургии. Теперь можно снова вернуться к этим вопросам на современном уровне, ввести соответствующие коррективы в доменный процесс и убрать в ряде случаев лишние переделы.

Технические сложности, которые потребуется преодолеть, не являются непреодолимыми или чрезмерно большими. При последовательной работе по отладке новых элементов вполне можно освоить, внедрить предлагаемые процессы. Основные трудности – психологические, связанные с господством традиционной доменной идеологии. Рассмотрены примеры подобного преодоления устаревшей идеологии и сделан вывод, что подобное преодоление вполне возможно и здесь.

Затраты внедрения процесса по новому принципу, хотя и значительны, но они невелики по сравнению с величиной тех потерь, к которым приводят отмеченные выше несообразности и врожденные пороки современного металлургического цикла.

Общие затраты на производство чугуна в большой доменной печи (5000 м3) достигают 500 млн долларов в год, и потери из-за несообразностей процесса составляют сотни млн долларов. Между тем 1 млн долларов достаточно для того, чтобы построить и отладить небольшой экспериментальный агрегат на одном из предлагаемых принципов. После этого задача внедрения нового способа свелась бы в основном к наращиванию размеров агрегатов.

Фирма, которая отладила бы новый процесс, а затем проконтролировала его распространение, смогла бы получить прибыль, соответствующую огромным масштабам этой отрасли.

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение 1. Коэффициент занижения теплоты горения из-за неполного сжигания топлива

Если углерод горит не только по первой, но в какой-то части и по второй стадии, получается некоторое количество СО2, тогда коэффициент занижения теплоты N будет равен

N = (n1СО2 + n2СО) / (n1СО2 + (n2СО / 3,56)) ( П.1.1 )

где n1 – содержание СО2 ,%; n2 - содержание СО, %.

В доменных печах в ряде случаев достигается существенная доля косвенного восстановления окислов, то есть колошниковые газы содержат значительные количества СО2. Так, у печи 1, рассматриваемой [6] колошниковый газ содержал 10,8 % СО2 и 29,9 % СО. Согласно формуле (П.1.1) при полном дожигании горение углерода в печи дало бы в этом случае в N = 2,1 раза больше тепла. В другом примере, стр 71, горение до СО дает тепла 8000 Дж/кг, а до СО2 – 3390 Дж/кг. При полном окислении газов углерод дал бы тепла больше в (8000•3,56+3390)/(8000+3390)=2,7 раза. Более высокое содержание СО2 в колошниковых газах наблюдалось в печах, исследованных Уральским институтом металлов в 1987 г. На исследованной доменной печи в Череповце было 17 % СО2, 24 % СО, в Магнитогорске – 19 % СО2 и 23 % СО. В этих случаях полное окисление газов дало бы тепла в N = 1,75 и в N = 1,65 раза больше.

Для углеводородов теплота горения на первой стадии (до СО и Н2) меньше, чем для углерода, а коэффициент занижения теплоты процесса больше, чем для углерода. Так, у метана СН4 (основного компонента природного газа) теплота горения на первой стадии от полной теплоты сгорания составляет лишь 4 % ( у углерода – 28 %). Если реализуется лишь первая стадия горения, то у метана теплота горения занижается в N = 25 раз (у углерода – в 3,56 раз). Если горение метана дает газы с обычным соотношением 1:3 СО2 и СО, Н2О и Н2В, то получаемое тепло горения почти в 4 раза меньше возможного.

В горне доменной печи в условиях избытка топлива протекает практически только первая стадия горения природного газа до СО и Н2, которая почти не дает тепла. Поэтому вдувание природного газа обычно охлаждает горн, хотя в целом газ более калориен по сравнению с углем, и в шахте температура может повышаться от его вдувания.

Отметим, что часть углекислоты СО2 в колошниковых газах может происходить не от горения топлива, а от разложения добавляемого в шихту известняка (СаСО3 = СаО + СО2) и от разложения других карбонатов.

В целом учет влияния карбонатов и углеводородов увеличивает значения коэффициента занижения теплоты горения N , или коэффициента потерь химического тепла. Можно принять, что теплоту горения топлива в доменной печи за счет более полного окисления газов можно увеличить в N = (2-3) раза.

Приложение 2. Расчеты расхода топлива, теоретической температуры горения

Если анализируются физико-химические схемы процессов, их варианты, то очень важно иметь быстрый способ оценки расхода топлива по данной схеме, или теоретической температуры горения и других теплотехнических величин. Часто важно не столько получить точные значения расхода топлива, сколько соотношение этих величин в разных вариантах процесса. В обычных способах подобных расчетов часто содержится много допущений. Много данных и много времени требуется, чтобы учесть температурную зависимость теплоемкостей. В результате часто расчет выполняется формально по какой-то компьютерной программе, которая действует как не очень понятный черный ящик, преобразующий одни данные в другие. Физическая суть результатов остается не вполне ясной.