Николай Мезенин - Занимательно о железе
У человека появляется выход: ускорять и направлять течение геохимических процессов, искусственно создавать в земной коре месторождения полезных ископаемых. Пока круг подобных искусственных месторождений еще очень узок и охватывает прежде всего соли: поваренную — минерал галит и сульфат натрия — мирабилит. Но уже появилась новая отрасль техники, использующая возможности регуляции процессов, идущих в земной коре и на земной поверхности — геотехнология.
Таким образом, в ходе развития НТР человечество всегда будет обеспечивать себя надежной сырьевой базой, используя для этого различные источники и способы в зависимости от достигнутого уровня науки и техники.
Атомная металлургия
Наряду с сырьевой проблемой немалую озабоченность вызывает энергетическое обеспечение металлургических процессов. Некоторые ученые считают, что “узким местом” в производстве металла является не природное сырье, а прежде всего энергетические мощности, поставленные на службу общества. По мере увеличения выработки энергии и совершенствования химической технологии меняется само понятие о природе сырья. Важнейшие материалы в любом количестве можно получать из самых обыкновенных горных пород. Например, известно предложение академика Д.И. Щербакова о базальтовой металлургии. Однако экономичность при этом обеспечивается лишь при наличии большого количества дешевой энергии.
Потребность в большом количестве энергии в век НТР резко возрастает: на Земле она удваивается каждые 8–9 лет. Надежда на атомную энергию, которая сможет удовлетворить требования, предъявляемые общим ростом производительных сил, предоставить неограниченные источники энергии.
На вопрос, каковы основные черты атомного века, связанные с атомной энергетикой, но выходящие за ее пределы, профессор Б.Г. Кузнецов отвечает, что для промышленной технологии и для связи “резонансный эффект” атомной энергетики состоит в широком использовании квантовой электроники и в особенности лазеров. Можно предположить, что в 2000 году, когда атомная энергетика станет основной составляющей баланса электроэнергии, квантовая электроника станет главным орудием технологического воздействия на материал, будет создавать сверхтвердые поверхности, преобразовывать структуру кристаллической решетки, а может быть обеспечивать также гораздо более экономичные методы преобразования и передачи энергии.
В своих прогнозах специалисты исходят из предположения, что стоимость тепла, полученного в высокотемпературных ядерных реакторах с газовым охлаждением, будет более низкая, чем стоимость тепла, получаемого при сжигании химического топлива, а стоимость электроэнергии ядерной энергетической установки (ЯЭУ) будет составлять все меньшую часть стоимости электроэнергии обычных электростанций, работающих на угле или мазуте.
Как показывают расчеты, преобразование тепловой энергии в электрическую, а затем снова в тепловую в металлургическом производстве приводит к потере 60–70% первичной энергии. Вот, чем оправдано стремление к непосредственному использованию выделяемой в атомном реакторе энергии в ее первичном виде. Препятствием служит то, что в реакторе с газовым охлаждением можно рассчитывать на температуру охладителя 500–750°С, что весьма ограничивает его применение в металлургии. Для восстановления железа температура газа должна быть не ниже 1000°С.
Последние достижения в области разработки высокотемпературных реакторов в СССР и за рубежом позволяют уже в настоящее время расширить диапазон температур, получаемых в результате применения ЯЭУ, до 1200–1600°С. Не исключается в дальнейшем возможность применения в реакторе такого типа в качестве размножителя ядерного топлива с временем удвоения около трех лет, что создает новые предпосылки для снижения стоимости тепла и электроэнергии, получаемых с ЯЭУ.
В ФРГ испытывался небольшой опытный реактор, в котором для охлаждения использовался гелий при давлении 3–4 МПа и достигалась температура охладителя до 850°С. Была даже достигнута кратковременная пиковая температура охладителя 1000°С и предполагают, что можно ее поднять до 1200°С и даже до температур, превосходящих температуру плавления чугуна и стали.
Наиболее удовлетворительные результаты возможны в случае, когда атомную энергию удастся применить в виде тепловой и одновременно электрической, получаемой от использования в тепловых процессах ресурсов энергии.
В металлургии тепло охлаждающего реактор газа может быть использовано для получения восстановительной газовой смеси газификацией твердого топлива или конвертированием (изменение состава) природного газа либо жидкого топлива, а также как источник тепла для производства губчатого железа, агломерации руд, производства окатышей, нагрева дутья. Электроэнергию, полученную в реакторе, можно использовать в электропечном производстве ферросплавов или для получения стали из губчатого железа, производства кислорода и восстановителей.
В промышленно развитых странах — СССР, Японии, ФРГ, Англии — в разработанных проектах рассматривают два основных технологических комплекса с применением ЯЭУ: доменная печь — конвертор; установка прямого восстановления железа — электропечь.
В одном из вариантов компоновки ядерного реактора с доменной печью для приготовления восстановительного газа рекомендуют использовать доменный газ, который поступает в теплообменник и нагревается до 1300°С теплом гелия, охлаждающего ядерный реактор. Из теплообменника охлажденный гелий возвращается в ядерный реактор, а нагретый доменный газ направляется в камеру приготовления восстановительного газа. Здесь доменный газ проходит через слой низкокачественного угля. В результате реакции образуется восстановительный газ, вдуваемый затем в доменную печь. Предполагают, что один реактор сможет при этом обеспечить теплом 2–3 доменные печи. Вырабатываемую им электроэнергию можно будет использовать на том же металлургическом заводе для производства кислорода, в электропечах, прокатных цехах. Применение восстановительного газа, нагретого теплом ядерного реактора до высокой температуры, позволит, по предварительным расчетам, снизить наполовину удельный расход кокса в доменной печи.
Вышеописанное вполне осуществимо в текущем столетии, а в более далекой перспективе использование ЯЭУ вероятнее в производстве губчатого железа. При этом установки для производства губчатого железа и выработки электроэнергии, а также ядерный реактор представят единый производственный комплекс. Температура гелия на выходе из реактора при восстановлении природным газом должна составить 900°С, а при твердом восстановителе (кокс, каменный уголь, бурый уголь) 1200°С. Тепло от ядерного реактора используется для конверсии природного газа, нагрева восстановительного газа, производства пара. В этих проектах предполагается выплавлять сталь в электропечах и опять-таки с использованием электроэнергии, полученной в ядерном реакторе.
Несмотря на встретившиеся трудности, комплексное изучение проблемы применения ядерной энергетической установки в черной металлургии показывает, что разработка и расширение видов технологии, которые могут быть переведены на ядерную энергию, являются одним из важных направлений научно-технического прогресса в металлургии на длительную перспективу.
Солнечная металлургия
Жолио-Кюри считал, что проблема использования лучистой энергии Солнца более важна, чем даже освоение атомной энергии. Солнечная энергетика — реальность наших дней.
В настоящее время, когда технический прогресс требует новых источников энергии и когда остро стоит вопрос экономии природных энергетических ресурсов, большое значение придается использованию солнечной энергии. Уже сейчас области ее применения достаточно широки: от нагревательных приборов до опреснительных установок и электростанций. Однако бесплатная солнечная энергия пока еще дорого стоит. Слишком сложны гелиоустановки, мал их к.п.д.
И тем не менее установки появляются.
А каковы перспективы гелиотехники в металлургии?
Современная солнечная печь — это гелиоустановка, предназначенная для плавки и термической обработки материалов. Рабочие температуры в ней 2300–3000°С. Применяют ее при обработке материалов в особо стерильных условиях, исключающих внесение примесей в обрабатываемый материал.
Одна из наиболее крупных солнечных печей мощностью 1200 кВт построена во Франции в Одийло. Похожие на отполированные щиты 63 плоских гелиостата-отражателя направляют солнечные лучи к зеркалу печи. Диаметр зеркала равен высоте 18-этажного дома! Неудивительно, что в фокусе такого зеркала можно получить температуру свыше 3000°С.
