Бездоменная технология получения металла

Обновлено: 07.01.2025

Традиционная двухступенчатая схема производства железа (сталей), достигшая высокой степени совершенства благодаря использованию опыта сотен поколений металлургов, является основой сегодняшней черной металлургии - по этой схеме в мире получают около 98% сталей. Современные металлургические агрегаты - доменные печи и кислородные конвертеры обладают колоссальной производительностью - до 12-15 тысяч т металла в сутки.

Вместе с тем, этот метод содержит серьезные внутренние противоречия, так как осуществляется по принципу «два шага вперед - один назад»: на первой стадии - в ходе доменной плавки - происходит не только восстановление железа из оксидов, но и его «перевосстановление» - насыщение железа углеродом. Это вынуждает организовывать вторую стадию - удаление избытка углерода и некоторых других элементов путем окисления.

Вторым противоречием доменной плавки является то, что полученные в результате глубокого обогащения железных руд частички концентрата размером меньше 0,05 мм, способные нагреваться и восстанавливаться за сотые и тысячные доли секунды, по условиям газодинамики доменного процесса должны окусковываться - их превращают в агломерат или окатыши. При этом реакционная поверхность рудного материала уменьшается в тысячи раз, и процессы прогрева и восстановления растягиваются на несколько часов.

Следующий недостаток традиционной технологии заключается в том, что первая стадия - доменная плавка - невозможна без использования кокса. Не только у нас в стране, но и во всем мире ощущается недостаток коксующихся каменных углей. Во многих странах их вообще нет. С каждым годом становится более дорогой добыча коксующихся углей - основная масса их добывается шахтным способом, при этом глубина шахт достигает 1 км и больше.

Серьезно ухудшает экологическую обстановку вблизи металлургического завода коксохимическое производство. Несмотря на применение систем очистки газа и воды, в воздух и воду попадает много вредных для человека веществ: серы, фенолов, альдегидов, других органических соединений, обладающих канцерогенными свойствами.

При продувке чугуна кислородом в конвертерах в атмосферу выделяется большое количество тонкодисперсных частиц оксида железа, что также осложняет экологическое состояние окружающей среды.

Все эти проблемы заставляют ученых и практиков - металлургов разрабатывать новые методы получения железа, которые не имели бы доменного и коксохимического производств. Несмотря на то, что все известные способы без-доменного получения железа пока дороже традиционного - двухступенчатого, работы по их совершенствованию продолжаются.

Следует сразу отметить, что многочисленные попытки получать в массовых масштабах жидкую сталь, минуя доменный процесс, оказались безуспешными. Промышленные способы бездоменной металлургии железа представляют различные варианты восстановления железных руд с получением губчатого или кричного железа, переплавляемого потом в сталеплавильных агрегатах.

Единственный вариант бездоменного получения восстановленного железа реализован в промышленных масштабах в России на Старо-Оскольском электрометаллургическом комбинате в 1984 г.


Рис. 5.33. Технологическая схема цеха металлизации окатышей ОЭМК

На ОЭМК в качестве топлива и восстановительного газа используется природный газ после конвертирования. Во избежание выхода из строя никелевых катализаторов реформера природный газ предварительно очищается от серосодержащих компонентов вначале фильтрацией через «молекулярное сито» с помощью адсорберов, а затем химическим взаимодействием с ZnO. Окончательное содержание серы в газе 0,0001%.

Реформер природного газа представляет стальную камеру 41x11x9 м, футерованную внутри огнеупорным кирпичом. В реформере укреплены вертикально 288 реакционных труб (РТ), заполненных катализатором.

В днище между трубами расположены горелки, с помощью которых реакционные трубы нагреваются до 1100°С. Конвертированный газ, состоящий из Н2 и СО2, выходит из реформера с температурой 900°С.

Шахтная печь для металлизации окатышей работает в непрерывном режиме по схеме противотока. Сверху из бункера (Б) окисленные окатыши через труботечку с помощью специального устройства равномерно распределяются по окружности колошника диаметром 5 м. Примерно на середине печи находится фурменный пояс, через который вдувается восстановительный газ с темпера-турой около 760°С, представляющий смесь конвертированного газа с небольшой добавкой природного. Поднимаясь вверх, восстановительный газ нагревает окатыши и восстанавливает оксиды железа. Высота этой зоны восстановления около 10 м. Колошниковый газ с температурой 400°С покидает печь и направляется на участок обработки колошникового газа, где он охлаждается, очищается от пыли и воды и частично используется в качестве газообразного топлива в реформере, а остальная часть возвращается в процесс. В таблице 5.5 приведены составы восстановительного и колошникового газов.

Восстановленные окатыши из восстановительной зоны опускаются в зону охлаждения, где продуваются холодным газом, состоящим в основном из восстановительных компонентов, %: 15 СО, 30 Н2, 30 СН4 и 15 N2 Одновременно с охлаждением идет науглероживание железа. Движение окатышей в шахтной печи обеспечивается работой питателей (П), представляющих трубы, проходящие через печь, с наваренными пластинами.

Понятие металлизация. Причины недрения технологий бездоменного получения железа.

Металлизация подразумевает собой прямое восстановление оксидов железа до железа металлического из железной руды или окатышей такими газовыми восстановителями, как монооксид углерода (CO) и водород (H2), твердым углем или комбинировано газом и углем, при котором пустая порода не доводится до шлакования, а примеси не восстанавливаются, и металл получается чистым [1]. Технология также носит характерное название как бескоксовая металлургия или бездоменная плавка [2]; в англоязычной научной литературе – Direct Reduction Process (DRP) (с англ. “процесс прямого восстановления”) [3]. Конечным продуктом процессов прямого восстановления железа является Direct Reduced Iron (с англ. “железо прямого восстановления”).

Существующие технологии прямого получения железа являются альтернативными методами производства железа по традиционной схеме, которая включает в себя процесс косвенного и прямого восстановления исходной руды в виде агломерата с получением жидкого чугуна в печах шахтного типа и последующее окисление этого чугуна и лома в электродуговых печах и кислородных конвертерах. Замена классической схемы производства чугуна и стали на новую схему получения железа, прежде всего, связана с необходимостью минимизации материалоемкости и энергоемкости их технологий. Такие причины обуславливаются, прежде всего, повышенной концентрацией и ростом примесей цветных металлов в исходном металлоломе, дефицитом материалов с высоким содержанием железа, и данная тенденция прослеживается еще с 1980-х годов. При этом возникает потребность в использовании наиболее экологически чистых способов переработки железорудных материалов, т.к. агломерация руды и получение угля в коксовых батареях являются источниками сброса шламов и интенсивных выбросов пылевидных отходов [4].

Получение готовой стали без предварительного приготовления жидкого чугуна начались еще 50-х годах прошлого столетия, однако первые попытки промышленно получить металл, минуя классический способ, произошли еще в 1911-ом году в Швеции. После этого был разработан ряд принципиально новых и универсальных методов, и уже начиная с 70-х годов, объемы производства металлизованного сырья неуклонно растут.

В настоящее время существует большое количество универсальных методов переработки железных руд, находящихся как на стадии разработки, так и нашедших свое промышленное применение. В большинстве своем они полностью исключают применение кокса, используя для восстановления продукты расщепления природного газа – СО и Н2, а также уголь. На рисунке 1 изображена схема классификаций этих процессов [5].

Таблица 1 – Классификация процессов металлизации

Тип восстановителя Твердофазное восстановление Жидкофазное восстановление
Газ-восстановитель Шахтные печи Midrex, HYL-III, Armco, Purofer, Arex, Ghaem Реторты HYL-I Реакторы с кипящим слоем FINMET, Fior, Spirex Вращающиеся печи FASTMET, ITmk3 Плавильный газификатор CCF ПВП-РЭП (ЭЧП) IRON DYNAMICS, FASTMELT, REDSMELT Печь с камерой сжигания Джет-процесс
Твердый уголь Вращающиеся печи SL/RN Шахтные печи BL, KINGLOR METOR, Плавильный газификатор Corex, Finex Плавка в жидкой ванне Romelt, Hismelt, TECHNORED, AusIron Плавильная камера-ДСП (ВЧ) Инред
Углерод металла Плавильный газификатор DIOS, Hismelt Индукционная печь DECU

1.1. Твердофазное восстановление железа. Процессы Midrex и HYL.

Твердофазные процессы восстановления железа происходят в твердофазной области при температурах 500-1000

К наиболее популярным методам получения железа на основе твердофазного восстановления природным газом можно отнести Midrex и HYL-процессы:

1) Процесс Midrex

Midrex – это способ прямого получения железа при низких температурах с применением печей шахтного типа, в котором в качестве восстановителя используется реформированный газ с температурой 760

1. Высокая степень металлизации (достигается до 94-96 %) [222]

2. Использование восстановительного газа при низких температурах

3. Полученное губчатое железо не склонно к пирофорности.

1. Высокие требования к содержанию сернистых соединений в природном газе;

2. Жесткие условия по холодной и горячей прочности загружаемых окатышей [. ];

3. Высокий расход природного газа на 1 тонну восстановленного железа;

4. Высокие капитальные затраты, связанные с использованием реформинга газа;

5. Необходимость в окусковании шихтовых материалов

6. Низкий тепловой КПД

2) Процесс HYL-III

HYL-III – это способ прямого получения железа в печах шахтного типа, в которых восстановление происходит за счет использования газообразного восстановителя, получаемого путем пароводяной конверсии. В 1957-ом году технология HYL была разработана мексиканской фирмой как процесс в стационарном слое: в трех ретортах происходил противоточный тепло- и массообмен между восстановительным газом и шихтовыми материалами, а четвертая использовалась для разгрузки готового продукта и следующей загрузки железорудного сырья [222]. Металлизацию железа в ретортах, работающих по технологии HYL-I, из-за относительного высокого удельного расхода энергии решено было перевести на шахтные печи, имеющие в себе усовершенствованную технологию HYL-III, при этом был сохранен способ получения газового восстановителя и восстановления в условиях высокого давления и температуры [2]. Шахтная печь металлизации поделена на три зоны, через которые проходит шихта: зона восстановления, зона давления и зона охлаждения. Продуктом металлизации является холодное железо или ГБЖ с содержанием углерода, не превышающим 4 % [2]. Конверсия природного газа осуществляется в никелевых катализаторах реформера. По технологии HYL-III производится около 25 % губчатого железа в мире.

1. Высокая степень металлизации (92-95 %)

2. Высокий уровень теплопередачи

3. Низкая температура колошникового газа (400-450

1. Необходимость в проектировании систем отмывки от CO2

2. Высокие капитальные затраты для реформинга газа-восстановителя

3. Необходимость в проектировании систем рециркуляции уходящих газов из-за большого в них содержания газа-восстановителя

1.2. Жидкофазное восстановление железа. Процессы Corex и Romelt.

Жидкофазные процессы восстановления железа совмещают в себе низкотемпературный нагрев, восстановление, высокотемпературное плавление и рафинирование продуктов плавки [2]. Такие методы получения железа все же основываются на применении дорогостоящего кокса, однако они устраняют проблему, связанную с необходимостью предварительного окускования железорудных материалов на агломерационных фабриках. При использовании угля вместо кокса возникает необходимость улавливания его летучих компонентов. Применение методов жидкофазного получения позволяет снизить концентрацию вюстита FeO до 2-4 %, восстанавливаемые углеродом при высоких температурах металлы (марганец, кремний, хром, ванадий) практически не переходят в чугун, поступающая с шихтой сера на 80-90% удаляется вместе с газом. Высокое содержание пустой породы в руде ведет к значительным перерасходам энергии на ее плавление и переработку флюса. Конечным продуктом процесса является жидкий чугун.

К наиболее популярным жидкофазным процессам восстановления железорудного сырья следует отнести процессы Corex и Romelt.

1) Процесс Corex

Corex – это процесс получения жидкого чугуна по двухстадийной схеме “восстановление-плавление” с применением твердого угля как восстановителя. Технология была разработана фирмами Korf Engineering GmbH (Германия) и Voest Alpine Industrieanlagenbau AG (Австрия), а детальное ее освоение пришлось на 1980-е годы. Запуск пилотной установки Corex-1000 был осуществлен в 1989-ом году. Конструкция установки, работающей по данной технологии, представляет собой верхний и нижний реакторы: в первом восстановительном реакторе, шахтной печи, начинается процесс науглероживания железорудных материалов и их восстановление продуктами газификации твердого угля с получением губчатого железа; во втором, так называемом угольном газификаторе с вихревым слоем, происходит плавление угля в поясе кислородных фурм, регенерация восстановительного газа, т.е. газификация твердого топлива с образованием CO и H2, а также довосстановление губчатого железа уже из расплава и окончание науглероживания материала.

1. Степень металлизации рудных материалов достигает 90-93%

2. Высокий энергетический потенциал отходящих газов из восстановительного реактора

3. Уловленная в циклонных аппаратах пыль позволяет снизить расход материалов на процесс

4. Загрузка железной руды в плавильный газификатор сокращает расход твердого топлива и вдуваемого кислорода

1. Сложный по конструкции, эксплуатации и тепловой работе агрегат

2. Необходимость окускования пылеватых руд

3. Необходимость в применения систем охлаждения и очистки от пыли газов и специальной пневматической системы вдувания той же пыли и других твердых добавок

4. Производительность установки определяется температурным уровнем процесса, при этом увеличение температуры приводит к слипанию материалов и настылеобразованию

5. Высокие требования к углю

2) Процесс Romelt

Romelt – одностадийный процесс жидкофазного восстановления неподготовленных железосодержащих материалов в плавильно-восстановительной печи с использованием в качестве восстановителя энергетических углей. Технология была разработана Московским государственным институтом стали и сплавов (МИСиС) под руководством профессора В.А. Роменца. Установка металлизации поделена на четыре технологические зоны – металлическая ванна, шлаковая барботируемая ванна, зона дожигания и зона свободного пространства в верхней части печи. Шлаковая ванна, в свою очередь, делится на три теплотехнические зоны:

1) зона спокойного металла, в которой происходит накопление и формирование окончательного химического состава металла в реакции чугуна и расположенным на нем слоем относительного спокойного шлака;

2) зона спокойного шлака, под уровнем барботажных труб, в которой происходит слияние капель жидкого металла, их стекание через слой шлака в ванну и формирование окончательного состава чугуна;

3) нижняя часть зоны барботируемого слоя шлака, в которой осуществляются различные теплообменные и физико-химические процессы – восстановление железа углеродом, десульфурация металла, теплогенерация за счет сжигания горючих компонентов топлива и т.д.

4) Верхняя часть барботируемого слоя шлака, в которой происходят пиролиз угля и газификация углерода, диссоциация гематита, расплавление железорудных материалов и флюса с переводом в шлак, восстановление оксидов железа и науглероживание металла.

5) Зона дожигания, в которой осуществляется теплогенерация за счет экзотермических реакций окисления СО и водорода двухатомного и конвективный теплообмен и передача теплоты излучением от газа к шлаку.

1) Уменьшение материальных и тепловых потерь за счет наличия высокого подкупольного пространства над зоной дожигания

2) Широкие возможности утилизации металлургических и других отходов

1.3. Динамика использования процессов металлизации.

На протяжении многих лет доменный способ сохраняет свою универсальность и высокую производительность. Вместе с ним неустанно развиваются и технологии прямого получения железа.


Исходя из данного аналитического отчета, лидирующее место по выпуску DRI занимает Индия, получившая за год 28,11 млн. т, Иран – 25,75 млн. т, Россия – 7,90 млн. т, Саудовская Аравия – 6,00 млн. т, Мексика – 5,97 млн.т, Египет – свыше 5 млн. т. Большая часть приходится на холодный металлизованный продукт (CDRI), затем горячий металлизованый продукт (HDRI) и горячебрикетированное железо (HBI).

Среди вышеперечисленных стран, активно применяющих различные технологии прямого получения железа и разрабатывающих новые и усовершенствованные процессы металлизации, Российская Федерации занимает 3-е место. По мнению аналитиков компании Midrex, территория Россия имеет наиболее благоприятные условия и большие запасы природного газа для производства качественных металлизованных продуктов и их дальнейшего применения в тепловых агрегатах. Страна имеет прекрасные перспективы выпуска DRI, и уже несколько лет железо прямого восстановления производится на Лебединском ГОКе и ОЭМК [444].

Статистика произведенного металлизованного железа с 1980-го года показана на рисунке.

Рисунок – Соотношение полученного железа прямым путем различными процессами в период 1980-2018 гг.


Как видно из рисунка, лидирующим процессом по металлизации железорудного сырья является Midrex, после – HYL-III, затем идут процессы, основанные на восстановлении твердым углем, и остальные.

1.4. Восстановление железа во вращающихся печах

Большую популярность приобрели процессы металлизации во вращающихся печах. Их применение в промышленном масштабе обуславливается тем, что технологии позволяют перерабатывать различные руды по химическому и фракционному составу и применять уголь любых марок. Получение губчатого железа в ПВП достигается с использованием в качестве восстановителя твердого угля, а в качестве руды – брикетированное железорудное сырье.

На сегодняшний день металлургическое производство использует процесс SL/RN, FASTMET, ITmk3.

SL/RN – это процесс прямого восстановления железорудного сырья в виде окатышей или кусковой руды при помощи твердого угля, осуществляемый во вращающихся печах при температурах 920-1100

4) Процесс FASTMET

FASTMET – это процесс прямого получения железа с использованием природного газа и нефтепродуктов, осуществляемый на кольцевой печи с вращающимся подом. Технология базируется на процессе Heat Fast, а первые промышленные испытания с ее использованием были проведены в 1990-х годах на камерной печи. FASTMET часто применяется для утилизации и переработки отходов различных металлургических производств. Процесс позволяет проводить металлизацию отходов, содержащих оксиды железа, с получением губчатого железа для последующего производства брикетов или окатышей.

1. Степень металлизации до 90%

2. Возможность использования отходов производства для получения ГБ

3. Возможность утилизации летучих компонентов (возгонов)

4. Возможность вторичного использования получаемого продукта

1. Сложная система газоотчистки и утилизации тепла отходящих газов

2. Высокие капитальные затраты на сооружение модуля FASTMET

5) Процесс ITmk3

ITmk3 (Iron-making Techology Mark 3) – это процесс восстановления рудоугольных окатышей природным газом во вращающейся печи при температуре 1350

1. Содержание FeO в шлаке не превышает 2%

2. Гибкость в выборе шихтовых материалов

3. Низкая себестоимость продукта

4. Небольшие капитальные вложения

5. За счет эффективного улавливания примесей может использоваться в странах с жесткими законами по защите окружающей среды

Бездоменный способ производства стали

Способ заключается в плавке металлизованной шихты в электропечах, минуя стадию получения чугуна.

Основные стадии процесса:

1. Получение окисленных окатышей;

2. Получение металлизованных окатышей;

3. Выплавка стали;

Для получения окисленных окатышей рудный концентрат смешивают с глинистым веществом, получают в барабанах шарики диаметром 1-2 см, сушат и обжигают в печи. Окатыши содержат более 67% Fe.

Далее окатыши поступают в шихтную печь, где встречаются на своем пути с потоком горячего восстановительного газа (CO + H2, получающийся при конверсии природного газа). Получаются металлизованные окатыши (содержание железа больше 90%).

Металлизованные окатыши переплавляют в сталь в дуговых печах и затем подвергают дополнительной выпечной обработке – вакуумирование, продувка Ar и обработка рафинирующими порошками.

Схема производства экологически чистая. У нас в стране ОЭМК – производительность 1 мин. т.

Производство стали на последнем этапе этого метода осуществляется в электрических или индукционных печах.

Схемы печей следующие

2. Индукционная печь.

Производство стали в мартеновских печах

Мартеновская печь представляет собой печь пламенного нагрева генеративного типа.

В передней части печи имеются окна для загрузки шихты, в задней – отверстия для слива стали и шлака. В нижней части имеются регенераторы для подогрева входящих газов и воздуха.

Печь выкладывается из доломитового кирпича, свод печи – из хромо-магнезитового (он выдерживает температуру до 1800°C). Топливом для мартенов служит либо мазут, либо доменный или коксовый газы.

Сырьё для приготовления шихты:

Различают следующие процессы:

  1. Рудный: плавка из чугуна 60%, скрапа 20% и руды 20%.
  2. Скрапный: скрапа 70%, чугуна 20%, руды 10%.
  3. Рудно-скрапный: чугуна 40%, скрапа 40% и руды 20%.

Во время плавки окислы железа, входящие в состав скрапа и руды, взаимодействуют с примесями чугуна, и происходит окислительная плавка:

Si + 2FeO = 2Fe + SiO2

Mn + FeO = Fe + MnO

Все эти окислы переходят в шлаки и сливаются с поверхности стали. Для окончательного удаления P и S в печь вводят известняк. Он связывает P и S в соединения CaSiO3 и CaO∙P2O5.

Процесс плавки проводят в течение 5-20 часов в зависимости от содержания в шихте примесей, подлежащих удалению.

Ускорить плавку позволяет применение кислородного дутья, что позволяет:

1. Улучшить теплотехническую работу печи (увеличить теплоту сгорания топлива);

2. Ускорить металлургический процесс (кислородом обогащают воздух до 33% или вдувают кислород в расплав);

Так как все металлургические процессы происходят в основном на границе раздела металл-шлак, то при вдувании кислорода в расплав осуществляется значительное перемешивание и ускорение процесса варки стали.

Кроме того, кислородное дутье позволяет более точно удалить примеси из расплава:

Следовательно, применение кислорода дает возможность расширить ассортимент применяемых чугунов, облегчает передел фосфоритных чугунов и дает возможность перерабатывать руды с большим содержанием фосфора.

С применением кислородного дутья в настоящее время выплавляют до 75% мартеновской стали (в капиталистических странах сталь плавят в основном таким способом). В СССР распространено и обогащение воздуха, и пламенный процесс (дутьё + обогащение воздуха), что позволяет проводить скоростные плавки.

Плазменная плавка стали

Плазменная плавка стали – это ближайшее будущее качественной электрометаллургии.

Процесс плавки заключается в следующем. В печь загружается шихта, затем включается плазмотрон (I=10 кА, U=200-500 В) и возникает плазменная дуга с температурой 15000-30000 К. Под воздействием высокой температуры компоненты шихты переходят в жидкое состояние, и происходит плавка стали. Плавка длится 2-3 часа.

Схема печи следующая

Использование плазменной плавки позволяет эффективно повысить качество стали, получать прогрессивные сплавы. Окружающая атмосфера почти не загрязняется. Уровень шума – 110 Дб (в дуговой печи – 160 Дб).

Цветная металлургия

Производство алюминия

Алюминий – самый распространённый металл в природе (общее содержание в земной коре ~8,8 %). Электрохимический способ получения алюминия открыт в 1886 году, сейчас способ тот же, но аппаратурное оформление – современное. Ежегодное производство ~3 млн. тонн. Алюминий используется в авиа- и автостроении в виде сплавов с Mn, Mg, Cu, Si, Ni, Zn, а также широко используется в электротехнической промышленности (провода). В СССР ~12 заводов по производству Al, 2 на Урале (БАЗ, УАЗ).




Сырьё для производства:

4. Каолин Al2O3 ~ 40% (также содержит SiO2) – из них выгодно сразу получать силумин (сплав Al+Si);

Электролитом для производства Al служит расплав глинозёма с криолитом Al2O3+Na3AlF6.

I. Получение глинозёма.

1) Метод Байера (из бокситов, Si< 4%).

Необходимо избавиться от Fe, Si, Ti:

Часть Al уходит в осадок (побочная реакция):

Поэтому, чтобы было меньше потерь Al, перерабатывают сырьё содержащее мало SiO2. Далее:

Все процессы, кроме обжига, проводят в растворе.

2) Метод Яковкина и Линеева.

Метод применим к сырью, содержащему много SiO2. Он основан на спекании нефелина с известняком при Т = 1000-1200°С. При этом образуются NaAlO2, NaFeO2 (алюминат и феррит натрия), CaSiO3.

Эти смеси размалывают и выщелачивают, при этом в раствор переходят силикат и алюминат натрия, в отвал – Fe2O3, CaSiO3.

Добавляют известковое молоко и отводят CaO∙Al2O3∙2SiO2 в осадок.

II Получение криолита.

Его получают искусственным путём из флюоритов (CaF2+SiO2)

SiO2 + 4HF = SiF4 + H2O побочная реакция

Осадок фильтруют и сушат.




Прямое восстановление железа


Прямое восстановление железа — это восстановление железа из железной руды или окатышей с помощью газов (СО, Н2, NH3), твердого углерода, газов и твердого углерода совместно. Процесс ведется при температуре около 1000 °C, при которой пустая порода руды не доводится до шлакования, примеси (Si, Mn, P, S) не восстанавливаются, и металл получается чистым. В литературе также встречаются термины: металлизация (частичная металлизация) руд, прямое получение железа, бездоменная (внедоменная) металлургия железа, бескоксовая металлургия железа. Продукт процесса называют железом прямого восстановления (DRI от англ. Direct Reduced Iron).

История

Попытки получить сталь минуя доменный процесс предпринимались в СССР ещё в 1950-х годов. Промышленное производство железа непосредственно из руды, минуя доменный (с использованием кокса) процесс, появилось в 1970-х годах. Первые установки прямого восстановления железа были малопроизводительны, а конечный продукт имел сравнительно много примесей. Широкое распространение этого процесса началось в 1980-х годах, когда в горно-металлургическом комплексе началось широкое применение природного газа, который идеально подошел для прямого восстановления железной руды. Кроме того, помимо природного газа, в процессе прямого восстановления железа оказалось возможным использование продуктов газификации углей (в частности бурых), попутного газа нефтедобычи и другого топлива-восстановителя.

Технологические изменения, произошедшие в 1990-е годы, позволили значительно снизить капитало- и энергоемкость различных процессов прямого восстановления железа, в результате чего произошел новый скачок в производстве продукции DRI (от англ. Direct Reduction of Iron).

Классификация процессов

Наиболее предпочтительной, по мнению большинства специалистов, является классификация по виду получаемого продукта:

  • получение частично металлизованных (степень металлизации 30—50 %) материалов для доменных печей;
  • получение высокометаллизованного продукта (степень металлизации 85—95 %) в твёрдом виде (губчатого железа) для переплавки в сталеплавильных агрегатах с получением стали;
  • получение металлизованного продукта в пластическом состоянии (кричного железа) для различных целей, в том числе как вариант пирометаллургического обогащения труднообогатимых, бедных и комплексных руд;
  • получение жидкого металла (чугуна или полупродукта) для переплава в сталеплавильных печах.

Сравнение с доменным процессом

Возможности переработки бедных железных руд

Доменный процесс обеспечивает получение кондиционного чугуна из железных руд с любым содержанием железа, при этом содержание железа влияет лишь на технико-экономические показатели процесса. Металлизация бедных руд может быть эффективна лишь для получения кричного железа и жидкого металла. Частично металлизованные материалы и губчатое железо получать из бедных руд неэффективно. При получении частично металлизованных материалов из бедных руд необходимо затратить большее количество тепла на нагрев пустой породы и увеличить расход восстановителя. Производство губчатого железа из руд, содержащих более 2,5—3,0 % пустой породы, приводит к резкому росту расхода электроэнергии в процессе плавки металлизованных окатышей из-за резкого увеличения количества шлака.

Наличие примесных элементов

Доменная печь в состоянии полностью обеспечить получение кондиционного по сере чугуна. Удаление из чугуна меди, фосфора, мышьяка в доменной печи невозможно. Низкотемпературные процессы получения губчатого железа не обеспечивают удаления попутных элементов, то есть все попутные элементы, присутствующие в исходной руде, остаются в губчатом железе и попадают в сталеплавильный агрегат. Это же относится к получению кричного металла (здесь возможна некоторая степень удаления серы). Получение жидкого металла позволяет удалить из процесса летучие элементы (цинк, щелочные металлы), а степень удаления серы, мышьяка и фосфора зависит от режима процесса.

Физические свойства руды

В доменной печи перерабатывают исключительно кусковой железорудный материал, причем размер кусков не должен быть менее 3—5 мм. Отсюда вытекает необходимость процесса окускования руд. Это требование остается обязательным для процессов получения губчатого и кричного железа в шахтных и вращающихся печах. Низкотемпературная металлизация измельченных руд возможна в специальных агрегатах (например, аппараты кипящего слоя). Для большинства способов внедоменного получения жидкого металла размер кусков руды не имеет значения, поэтому возможно исключение из металлургического передела дорогостоящих процессов окускования мелких руд.

Использование недефицитных видов топлива

Современные доменные печи в качестве топлива используют только металлургический кокс. Прежде всего это связано с высокими прочностными качествами кокса, сохраняющимися при высоких температурах. Ни один из известных ныне (2007 год) видов твёрдого топлива не может в этом отношении конкурировать с коксом. Большинство известных способов и технологий металлургии железа не требуют использования кокса в качестве компонента шихты. Могут быть использованы полученные различным способом восстановительные газы (в основном при производстве губчатого железа), недефицитные виды каменного угля, бурые угли и продукты их переработки, нефтепродукты и др.

Использование новых видов энергии

Несмотря на то что использование энергии плазмы, атомной и других новых источников энергии для доменного производства не исключается, наибольший эффект от их применения наблюдается при внедоменном получении металла. Это повышает шансы новых технологий в конкуренции с доменным процессом в будущем.

Технология

Процессы получения губчатого железа осуществляются при умеренных температурах с использованием газообразного или твердого восстановителя в различных агрегатах: шахтных, трубчатых, туннельных, муфельных, отражательных, электронагревательных печах, ретортах периодического действия, конвейерных машинах, реакторах с кипящим слоем и др. Иногда эти агрегаты соединены в комплексы, в которых наиболее часто сочетаются с электропечью (электродоменной или дуговой) для получения жидкого металла (чугуна и стали). Чаще всего губчатое железо применяют как высокочистую добавку к стальному лому. Наиболее стабильный спрос на губчатое железо отмечается в странах с недостаточными мощностями доменного производства и поставками стального лома.

Основными процессами, используемыми на работающих, строящихся и проектных установках для производства губчатого железа, являются процессы с применением шахтных печей и реторт периодического действия. Процессы с использованием вращающихся печей и твердого восстановителя находят промышленное применение, главным образом, при переработке металлургических отходов — пылей и шламов, которые содержат примеси цинка, свинца и др., а также комплексных железных руд (богатых титаном, хромом, никелем, марганцем и др.), не пригодных для использования в доменных печах. Процессы в кипящем слое получили меньшее распространение в связи с целым рядом специфических особенностей (жесткие требования к гранулометрическому составу, газодинамические ограничения существования кипящего слоя, температурные условия и др.).

Процессы металлизации в шахтных печах во многом похожи на процессы, протекающие в шахте доменных печей в области умеренных температур. Однако имеются и значительные отличия: в шахтной печи отсутствует кокс; важную роль в процессах восстановления оксидов железа играет водород; восстановительный газ является единственным источником тепла, обеспечивающим все тепловые потребности процесса.

В процессе восстановления окатыши обжигают, и обрабатывают в шахтной печи горячими продуктами конверсии газа (твердого топлива), которые содержат водород. Водород легко восстанавливает железо:

F e 2 O 3 + 3 H 2 → 1000 ∘ C 2 F e + 3 H 2 O O_+3H_ C>> 2Fe+3H_O>>> ,

при этом не происходит загрязнения железа такими примесями как сера и фосфор, которые являются обычными примесями в каменном угле. Железо получается в твёрдом виде и в дальнейшем переплавляется в электрических печах. Для получения тонны железа прямым восстановлением из руды необходимо затратить примерно 1000 м3 водорода.

По своей сути процесс прямого восстановления железа является восстановлением железа из руд, минуя доменный процесс, то есть кокс в процессе не участвует.

Наиболее отработанным и широко распространенным процессом является процесс Midrex. С 1983 г. на Оскольском электрометаллургическом комбинате работают четыре модуля процесса металлизации Midrex общей мощностью 1700 тыс. т металлизованных окатышей в год. В состав каждого модуля входят: шахтная печь металлизации, реформер (реактор конверсии природного газа); система производства инертного газа; система аспирации. Система водного хозяйства, свеча, помещение пульта управления и электроснабжение являются общими для каждой пары модулей.

Шахтная печь для металлизации состоит из загрузочного (промежуточного) бункера; верхнего динамического затвора с загрузочным распределителем и загрузочными трубами; зоны восстановления; промежуточной зоны; зоны охлаждения; огнеупорной футеровки; постоянно действующих питателей; нижнего динамического затвора и маятникового питателя (для выгрузки готового продукта).

Продукты прямого восстановления

Губчатое железо

Губчатым железом называют продукт, который получают в результате восстановления железорудного материала без его плавления при температуре менее 1000—1200° С. В зависимости от вида исходного сырья губчатое железо представляет собой пористые куски восстановленной руды (редко агломерата) или окатыши, а в некоторых случаях — металлический порошок. Поскольку при восстановлении объемные изменения материала сравнительно невелики, плотность губчатого железа меньше плотности сырья, а пористость велика. Обычно кажущаяся плотность кускового губчатого железа 2—4 г/см3, а пористость 50—80 %.

В некоторых процессах восстановления мелкой руды, окалины или концентрата в неподвижном слое (например, в процессе Хоганес) происходит одновременное спекание исходного порошкового материала. Плотность образующегося брикета до некоторой степени зависит от температуры восстановления. Вследствие малой плотности губчатого железа насыпная масса его получается меньшей по сравнению с ломом, что приводит иногда к необходимости брикетирования (прессования) перед плавкой. Брикетирование проводят на прессах различного типа при удельных давлениях 1—3 тс/см2; при этом получают плотность брикетов до 5 г/см3.

Сильно развитая поверхность и высокая сообщающаяся пористость губчатого железа вызывают его повышенную окисляемость при хранении и транспортировке в неблагоприятных атмосферных условиях, хотя имеющиеся по этому вопросу данные противоречивы. Брикетирование уменьшает окисляемость.

Химический состав губчатого железа определяется в основном составом сырья. По сравнению с ломом оно значительно чище по содержанию примесей цветных металлов. Содержание пустой породы в нём выше, чем в исходной руде, пропорционально степени восстановления. Обычно сырьем служат богатые руды или концентраты, поэтому губчатое железо не подвергают дополнительной очистке и оно содержит все примеси пустой породы сырья. При получении губчатого железа из бедного сырья его подвергают обогащению магнитной сепарацией.

Губчатое железо используют для плавки стали (главным образом в электропечах), цементации меди (осаждения её из сернокислых растворов) и получения железного порошка.

Металлизованная шихта

Металлизованной шихтой называют частично восстановленное железорудное сырье, применяемое в доменной печи и в кислородных конвертерах для охлаждения плавки (взамен руды и лома). Степень восстановления металлизованной шихты обычно не превышает 80 %, в то время как для губчатого железа она чаще всего не бывает ниже 90 %.

Кричное железо

Кричное железо, производимое сейчас, отличается от той крицы, которую несколько веков назад получали в кричных горнах в виде больших кусков и проковывали непосредственно в изделия. Кричное железо в настоящее время производят в трубчатых вращающихся печах из бедных железных и железо-никелевых руд восстановлением их при 1100—1200 °С. Оно представляет собой довольно мелкие (крупностью 1—15 мм) металлические частицы с механическими примесями и включениями шлака. Количество шлаковых примесей в зависимости от схемы измельчения и магнитной сепарации промежуточного продукта составляет 10—25 %. При переработке хромо-никелевых руд получаемая крица содержит никель. Обычно крица имеет также высокое содержание фосфора и серы. Как правило, крицу используют в доменных печах, а в некоторых странах — в электропечах для выплавки стали или ферроникеля.

Чугун или углеродистый полупродукт

Чугун или углеродистый полупродукт получают во вращающихся печах или в электропечах, прямо связанных с печью восстановления, где восстановителем является твердое топливо. Чугун, полученный внедоменными методами, не отличается от обычного доменного; в ряде случаев получают полупродукт с меньшим содержанием некоторых примесей, чем в чугуне. Передел чугуна и полупродукта на сталь производится в известных сталеплавильных агрегатах без затруднений, а в случае полупродукта — с несколько меньшими затратами, чем передел доменного чугуна.

Бездоменное производство

В последние десятилетия в мировой металлургии наряду с действующими металлургическими интегрированными заводами (заводами с полным циклом) начали строить мини-заводы, использующие для выплавки стали металлолом. Эту тенденцию породили два обстоятельства.

1. Накопление запасов металлолома при переходе от мартеновского к кислородно-конвертерному производству стали, при котором содержание лома в шихте по сравнению с мартеновским процессом ограничено.

2. Развитие непрерывной разливки стали.

В результате появилась возможность создавать небольшие заводы, используя индукционные или дуговые электропечи, переплавляющие в сталь накопленные ресурсы металлолома. При этом отпадает необходимость иметь в производственном цикле добычу железорудного сырья, его обогащение и окускование, производство кокса. Инвестиционные затраты по такой схеме резко сокращаются, а себестоимость стали конкурентоспособна (с учетом экономии на транспортных расходах) со сталью интегрированных заводов. Это позволяет выходить на рынок металлопродукции сравнительно небольшим частным фирмам, производящим ограниченный сортамент металлопродукции.

1. Индукционная плавка

Происходит в индукционных печах путем нагрева металла токами, возбуждаемыми в нем переменным полем индуктора. При индукционном нагреве теплота выделяется непосредственно в нагреваемом металле, поэтому ее использование оказывается наиболее полным.

Особенности индукционной плавки:

1) индукционная плавильная печь является "чистым" агрегатом для переплавки металлов. Загружаемые металлы и добавки вступают во взаимодействие в зависимости от времени и температуры;

2) температуру и характер ее изменения можно регулировать в широких пределах;

3) интенсивное движение расплава обусловливает его глубокое перемешивание, в результате чего выравниваются состав и температура расплава;

4) температуры поверхностей расплава в режиме поддержания печи в разогретом состоянии или при подаче незначительной мощности немного ниже температуры расплава;

5) электромагнитные силы воздействуют только на металл. Нетокопроводящие включения выталкиваются, происходит самоочистка расплавленного металла;

6) отношение поверхности печи к ее общей вместимости может свободно варьировать в широких пределах.

Недостатком индукционных печей является низкая температура и активность шлака, поскольку он нагревается от металла.

Основными элементами индукционной установки являются печь с механизмом наклона и питающее электрооборудования электрооборудование (генератор повышенной частоты или трансформатор, батарея конденсаторов, щит управления и на крупных печах – автоматический регулятор электрического режима). Основные элементы печи – корпус (каркас), индуктор и огнеупорный тигель, закрываемый в больших печах крышкой.

2.Электродуговая плавка

Происходит в дуговых печах путем нагрева металла электрической дугой. Преобразование электрической энергии в тепловую происходит в электрической дуге, являющейся одной из форм разряда в газах. Для плавки чугуна применяют печи прямого нагрева (дуга горит между электродом и расплавляемым металлом), поскольку очаг высоких температур в них максимально приближен к поверхности металла, и поэтому условия передачи теплоты от дуги к металлу значительно лучше. Наиболее распространены трехфазные печи, в которых имеются рабочее пространство (собственно печь) с электродами и токоподводами и механизмы, обеспечивающие наклон печи, удержание и перемещение электродов и загрузку шихты. Расплавленный металл и шлак выпускают через желоб, наклоняя печь. Загрузку шихты производят сверху, через открытый куполообразный свод, выполненный из огнеупорных кирпичей. Огнеупорная кладка сферического пода и стен заключена в металлический кожух.

Дуговые печи выпускаются серийно, вместимостью 0,5; 1,5; 3; 6; 25; 50; 100 и 200 т. В чугунолитейном производстве применяют обычно печи вместимостью до 50 т.

ПРЯМОЕ ВОССТАНОВЛЕНИЕ ЖЕЛЕЗА

Экономика и дополнительные требования к чистоте металла снова вызвали к жизни старый, испытанный метод. Побуждающие причины достаточно очевидны:

дефицит энергоресурсов и в частности кокса

быстро растущая потребность в высококачественном металле.

Авиация, ракетная техника, приборостроение – вот далеко не полный перечень потребителей наиболее чистых металлов.

Метод прямого восстановления железа в наши дни по принципу остался без изменения – специально подготовленная, то есть обогащенная, руда, - концентрат, где содержится основной окисел железа восстанавливается в шахтной печи с помощью УГЛЯ, как это было в древности, или для этой цели используется КОНВЕРТИРОВАННЫЙ ГАЗ - природный метан, но преобразованный в смесь водорода и угарного газа (СО). Он оказался идеальным средством восстановления железной руды. Основной компонент природного газа – метан CH4 разлагают окислением в присутствии катализатора в специальных аппаратах – реформерах .

Получается смесь восстановительных газов – окиси углерода и водорода. Эта смесь поступает в реактор, в который подается и железная руда. Формы и конструкции реакторов очень разнообразны. Иногда реактором служит вращающаяся трубчатая печь, типа цементной, иногда – шахтная печь, иногда – закрытая реторта. Этим и объясняется разнообразие названий способов прямого восстановления: МИДРЕКС, ПУРОФЕР, ОХАЛАТА-И-ЛАМИНА, СЛ-РН И Т.Д. Число способов уже превысило два десятка. Но суть их обычно одна и та же. Богатое железорудное сырье восстанавливается смесью окиси углерода и водорода.

Еще одним направлением развития использование АТОМНОЙ (ЯДЕРНОЙ) ЭНЕРГИИ (тепла ядер­ного реактора) в металлургии.

Современная технология получения черных металлов требует достаточно высоких темпе­ратур: выплавка чугуна - 1600 градусов, на­грев – 1400 градусов, термическая обработка прока­та — 1250 градусов.

Прямо воспользоваться атомными реакто­рами пока что нельзя, так как подобная «жара» наблюдается лишь внутри активной зоны. Перевод тепла в зону, где сравнительно спокойно, также требует особых условий. Не­обходимы металлические теплообменники, сооруженные из жаропрочных коррозионных сплавов. Ведь им надо выдержать одно­временно воздействие сильных механических нагрузок, радиации и высокой темпера­туры.

Таким образом, очевидно, что применение атомной энергии потребует принципиального изменения всей технологии черной металлур­гии.

Сейчас имеются три принципиально отли­чающихся друг от друга вида технологических процессов такого рода с участием атомной энергии.

Первый — высокотемпературное восстанов­ление. Процесс требует 1600 градусов. По­скольку атомные реакторы такой темпера­туры дать не могут, главным агрегатом слу­жит струйно-плазменный реактор, использую­щий для генерации плазмы - ядерную энер­гию.

Восстановительный газ — водород, сме­шанный или без посторонних примесей, расплавляет железо и его сплавы, восстанавли­вает, и в виде дождя жидких капель металл попадает в плавильную печь, где идут опера­ции легирования.

Существует схема среднетемпературного восстановления, когда процесс протекает при температуре 900 градусов. Восстановитель – водород или в чистом виде, или с примесью окиси углерода. Железо, естественно, находит­ся в твердом состоянии, образуя при восста­новлении своеобразную губку.

Метод позволяет полностью без промежуточных звеньев использовать атомно-энергетическую установку. Большую часть газа-восстановителя нагревают в теплообменнике атомного реактора. Правда, там температура невелика. К такому "холодно­му" газу можно подмешать более горячий, нагретый за счет электроэнергии ядерного ре­актора. Получается смесь, вполне пригодная для технологии.

Наконец, при низкотемпературном восста­новлении тепло поставляется атомным реакто­ром. Можно считать, что тут в чистом виде используется ядерная энергия.

Таковы три вида технологических процес­сов, которые, по мнению многих специалистов, имеют право на существование.

Конечным продуктом везде являются же­лезо, вода и углекислый газ, причем воду можно снова использовать для получения во­дорода и кислорода. Таким образом, появля­ются реальные возможности осуществить замкнутый цикл восстановления железа, создать безотходное производство.

Еще одним, и, конечно, наиболее интересным способом восстановления железа, является возможность – использовать ЧИСТЫЙ ВОДОРОД. Сам процесс восстановления пойдет достаточно быстро, более того, при этом не возникает лишних примесей: продукт восстановления – железо и вода. Однако получение и хранение водорода сопряжено со множеством чисто технических и экономических трудностей. Поэтому чистый водород пока что используют лишь для получения металлических порошков.

высокая скорость восстановления

безотходное производство (отсутствие получения примесей - продукт восстановления – железо и вода).

полная экологичная безопасность

высокая себестоимость водорода

Сейчас водород получают двумя испытан­ными методами — гидролизом воды и ее элек­тролитическим разложением, проще говоря, электролизом. Существует, правда, химичес­кое разложение, более выгодное, но оно не столь распространено, на что имеется ряд чи­сто технических причин. Поиск новых спосо­бов продолжается, ибо важность проблемы несомненна.

Предварительные расчеты и первые экспе­рименты показали: можно получать водород с такой низкой себестоимостью, что "водород­ная металлургия" обретет, наконец, надежную экономическую основу. А если учесть еще пол­ную экологическую безопасность водородных методик, то сомнений в том, что именно они и представляют собой будущее металлургии, ни у кого не возни­кает.

Значит, атомная металлургия сулит выигрыш по всем трем направлениям, на которых основано современное экономичное производство - минимум топлива и сырья, максимум забот об окружающей природе.

Новые технологии в металлургии:

Замена мартеновского метода производства стали на электросталеплавильный и кислородно-конвертерный методы (около 50% стали уже сейчас производится конвертерным способом).

Создание электрометаллургических комбинатов

Направлено на производство стали из металлизированных окатышей, которые получаются через прямое восстановление железа. На таких комбинатах достигаются гораздо более высокие технико-экономические показатели, чем на комбинатах, использующих традиционный способ получения металла.

Улучшение качества продукта и увеличение выпуска более эффективных его видов.

опережающий рост сырьевой базы, повышение содержания железа, марганца и хрома в концентратах, освоение технологии обогащения окисленных железных кварцитов;

изменение пропорций между способами выплавки стали в пользу кислородно-конвертерного и электросталеплавильного переделов при абсолютном сокращении мартеновского способа;

совершенствование структуры прокатного производства путем опережающего роста выпуска холоднопрокатного листа, проката с упрочняющей термической обработкой, фасонных и высокоточных профилей проката, экономичных и специальных видов стальных труб, в том числе многослойных труб для газопроводов;

применение прогрессивных технологий, особенно в связи с прямым восстановлением железа из руд, развитие порошковой металлургии, специальных переплавов и внепечной обработки стали, непрерывной разливки стали;

более полное использование лома черных металлов и металлосодержащих отходов.

4. Увеличение выпуска готового проката без роста производства чугуна, что произойдет благодаря внедрению технологий сниженной ресурсоемкости.

Читайте также: