Способы прямого получения железа

–

Штирия – одна из крупнейших земель Австрии – издавна славится своими железорудными богатствами. Старинное предание повествует о том, как здесь появилась Рудная гора, которая уже много столетий служит источником железа

Когда-то в сети к рыбакам, ловившим в этих краях в озере рыбу, попался водяной. Взмолился он выпустить его обратно в озеро и пообещал за свое освобождение солидный выкуп: либо золота – на один год, либо серебра – на десять лет, либо железа – на вечные времена. Местные жители без колебания выбрали железо. А водяной, судя по всему, слово свое сдержал: железные запасы до сих пор не иссякли.

—

В настоящее время основное количество черных металлов производится по двухступенчатой схеме чугун – сталь, но все большее внимание в мире и развитие получают процессы внедоменного (бескоксового) получения металла. Причины возникновения и развития процессов внедоменного получения металла следующие:

- дефицит и дороговизна коксующихся углей, ухудшение их качества, отсутствие во многих регионах мира;

- стремление более рационально использовать топливно-энергетические ресурсы и необходимость увеличения в черной металлургии доли наиболее экономичных видов топлива – газа, нефти, некоксующихся углей;

- ограниченность ресурсов скрапа гарантированной чистоты и стабильного состава;

- постоянно растущие требования к качеству металла и возможность достижения более высокого качества стали при использовании для ее выплавки металлизированного сырья вместо скрапа вследствие повышенной чистоты металлизированного сырья по вредным примесям, и, особенно, примесям цветных металлов;

- возможность организации маломасштабной металлургии (строительство мини-заводов) и расширение экономико-географических районов рентабельного металлургического производства на основе получения и использования металлизированного сырья, что особенно важно для многих развивающихся стран;

- ужесточение требований к охране окружающей среды, которым бескоксовая металлургия удовлетворяет в большей степени, чем традиционная коксодоменная технология.

Основным продуктом прямого восстановления является железорудный материал, в котором большая часть находится в металлическом виде. При большой степени металлизации продукт прямого восстановления называется губчатым железом, при более низкой (до 90-94 % металлического железа) – металлизированным сырьем. Основным назначением металлизированного продукта является переплав в дуговых сталеплавильных печах. В качестве исходного железорудного сырья используют агломерат, окатыши, а в качестве восстановителя – твердое топливо или газ, содержащий Н₂ и СО.

В течение почти двух последних десятилетий ХХ века производство металлизированного сырья постоянно возрастало, практически удваиваясь каждые 7 лет. За период 1990 - 2000 годов оно увеличилось почти в 2,5 раза (табл. 2.9). При этом среднегодовые темпы роста составили 7,5 - 8 %, а в отдельные периоды (1993, 1994 и 2000 годы) достигали 13 – 16 %.

Крупнейшим регионом по производству металлизированного сырья является Латинская Америка, на долю которой приходится 35 – 36 % всей продукции бескоксовой металлургии. Кроме нее, крупными производителями являются Ближний Восток и Северная Африка (27-30 %), а также Азия (19-21 %). Основные страны, на долю которых приходится около 60 % общего объема производства металлизированного сырья, - Венесуэла, Мексика, Индия, Иран и Саудовская Аравия.

В России на базе прямого восстановления работает металлургический комбинат (ОЭМК) в г. Старый Оскол (ввод в эксплуатацию в 1983 г.). За это время на ОЭМК произведено 27,5 млн. т металлизованных окатышей, которые по качеству являются лучшими в мире.

Таблица 10. Производство металлизированного сырья

Таблица 11. Показатели производства металлизованных окатышей ОЭМК

Под процессами прямого получения железа понимают такие химические, электрохимические или химико-термические процессы, которые дают возможность непосредственно из руды, минуя доменную печь, получать металлическое железо в виде губки, порошка или жидкого металла.

Переход к строительству мини-заводов полного цикла на основе производства губчатого железа начался в 70-х годах ХХ века. Это объясняется тем, что схема «доменная печь – конвертер» экономически эффективна при производстве 3 млн. т стали в год, а схема «шахтная печь – электропечь» уже при 300…400 тыс. т в год: при капитальных затратах 750 и 380 долл./т соответственно. Кроме того, меньше потребность в рабочей силе (2,6 и 1,2 чел. – ч на 1т) и быстрее вводятся в действие производственные мощности (в течение 20 месяцев с начала строительства.

Процессы внедоменного получения металла разделены на два больших класса: твердофазные и жидкофазные. В твердофазных процессах удаление кислорода из руды при использовании газообразного или твердого восстановителя происходит при температурах ниже температуры размягчения компонентов шихты. Продукты восстановления называются губчатым железом или металлизированными окатышами. В высокотемпературных процессах восстановление оксидов железа частично происходит при температурах расплавления, а довосстановление – при температуре плавления оксидной и металлической фаз.

1.3.1. ПРОЦЕССЫ ТВЕРДОФАЗНОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ

Основным способом такого процесса и наиболее промышленно-освоенным в мире и в нашей стране является технология металлизации Мидрекс (рис. 2.18). Этот процесс осуществляется в невысоких шахтных печах (объем 200 м³, высота 10-14 м, диаметр 3,0 - 3,5 м) или ретортах с использованием конвертированного природного газа. В 2001 г. на установках Мидрекс было получено 26,8 млн. т металлизированного сырья, что составляет 66,2 % от мирового производства.

Конверсия природного газа состоит в превращении углеводородов путем их разложения на водород и углерод с последующим дожиганием углерода до СО при помощи углекислого газа и водяных паров по следующим реакциям:

СН₄+СО₂= 2СО+2Н₂; СН₄+Н₂О=СО+3Н₂.

В конвертер подается смесь природного и колошникового газов. Конвертер представляет собой футерованный изнутри рекуператор прямоугольной формы, в котором установлены трубы из жароупорной стали, заполненные кусковыми глиноземистыми огнеупорами, пропитанными никелевым катализатором. Снаружи трубы разогреваются сжиганием колошникового газа. В этих трубах при температуре 1000^оС природный газ при помощи СО₂ колошникового газа конвертируется в восстановительный газ, содержащий 30 % СО и 70 % Н₂. Восстановительный газ подается в шахтную печь снизу, а сверху производится загрузка железорудного материала в виде окатышей. Исходное сырье должно содержать более 66 % железа и очень мало кремнезема.

Восстановительный газ отсасывается из верхней части зоны восстановления, подвергается очистке и охлаждению в скруббере и далее треть объема этого газа поступает в конвертер для конверсии природного газа. Температура окатышей в зоне восстановления 760 ^оС, на выходе из печи 40 ^оС. Продолжительность пребывания в зоне восстановления 4 - 6 ч. Суммарная длительность пребывания окатышей в печи 8 - 12 ч.

Полученные металлизированные окатыши выгружают из печи снизу. Их хранят в бункере, заполненном инертным газом. На производство 1 т сырья расходуется 9,7 - 11 ГДж природного газа, 80-130 кВт^.ч электроэнергии. Степень металлизации составляет 93 – 96 %.

В 1980-е годы процесс Мидрекс был модернизирован. В результате этого охлаждение окатышей в печи было заменено горячим брикетированием, для чего под шахтой размещаются брикетировочные прессы и оборудование для разделения брикетов размеров 30х50х100 мм с последующим охлаждением. В отличие от металлизованных окатышей они не подвержены вторичному окислению и опасности самовозгорания. В табл. 12 приведены показатели процесса Мидрекс.

Таблица 12

Показатели процесса Мидрекс

Вдувание кислорода в поток горячего восстановительного газа приводит к значительному росту температуры газа и шихты, что приводит к росту производительности более чем на 12 %.

Технология OXY+ состоит в особом производстве восстановительного газа. Ее применение предполагает рост производительности на 21 % по сравнению с работой без применения кислорода. Пока эта технология в промышленном масштабе на установке Мидрекс не применяется. В 2001 г. в мире было произведено 7,3 млн. т брикетов или 18 % от общего объема производства.

Другим способом металлизации в шахтных печах является разработанный в Мексике на базе классического процесса ХиЛ- I в периодически действующих ретортах процесс ХиЛ-III, особенностями которого являются повышенное давление и температура восстановительного газа.

Схема установки (ХиЛ-I) показана на рис. 23 а, на которой слева расположены агрегаты для конверсии природного газа, а справа – установки для получения железа. Реторта для металлизации представлена на рис. 23 б.

После десульфурации в аппарате природный газ подвергается конверсии паром в конвертере, который представляет собой печь с трубами, заполненными керамикой с добавкой в качестве катализатора NiO. После конверсии в газе содержится 14 % СО; 58 % Н₂; 8 % Н₂О; 4 - 5 % СО₂; 15 % СН₄. Горячий газ осушают в парогенераторе, он проходит котел-утилизатор. В сухом газе возрастает количество восстановительных составляющих: Н₂ до 73 %, СО до 15 – 16 %. Установка имеет четыре реторты диаметром 5,25 м и высотой 15 м, в каждой из которых последовательно проводятся предварительное восстановление, охлаждение и науглероживание (длительность этих трех циклов 3х3=9 ч), разгрузка – загрузка – 1,5 ч. Перед каждой ретортой имеется подогреватель газа, а после нее – устройство для удаления влаги. Газ подогревают в трубчатых рекуператорах до 1100^оС. Рекуператоры отапливаются газом, выходящим из реторт.

Шихта из реторт не перегружается. Один цикл процесса следует за другим благодаря переключению клапанов и направления соответствующего газа в реторту. Готовое железо холодным выгружается из реторты на конвейерную ленту, а реторту загружают сверху свежей шихтой. Степень металлизации составляет 90 – 94 %. На производство 1т сырья расходуется 10,3 - 11 ГДж природного газа, 60 - 100 кВт^.ч электроэнергии. Показатели процесса ХиЛ-III приведены в табл. 13.

Таблица 13

Показатели процесса ХиЛ-III (для установки мощностью 1,5 млн. т/год без реформера, степень металлизации 93 %)

В 1999 г. на Лебединском ГОКе построена установка ХиЛ-III (рис. 27) мощностью ~1 млн т/год брикетов (степень металлизации 94%). Она называется установкой ГБЖ (горячего брикетирования железа) и рассчитана на работу в течение 330 суток с использованием в шихте 100% окисленных окатышей. На 1т брикетов (ГБЖ) должно расходоваться около 1,5 т окатышей, 42 кВт^.ч электроэнергии, 11,5 ГДж природного газа. Капитальные затраты составили 315 млн. долларов. В 2001 г. ЛГОК произвел около 600 тыс. т брикетов, из которых 412 тыс. т отгружено на экспорт, в основном, в Италию.

В вышеперечисленных процессах практически невозможно использовать железорудную мелочь и концентраты без предварительного окускования. Окускование усложняет технологическую схему, удорожает стоимость производства.

В настоящее время разработаны способы металлизации, применяемые в промышленном масштабе, в которых используется железорудная мелочь без окускования: ФИОР (Венесуэла), ФИНМЕТ (Австрия), Циркоред (Германия).

Чаще всего губчатое железо применяют как высокочистую добавку к стальному лому, а также для замены лома в случае его дефицита или высоких цен. Однако повышение цен на лом не является главной причиной возросшего интереса к губчатому железу. Наиболее стабильный спрос на него отмечается в странах с недостаточными мощностями доменного производства и поставками стального лома. Меньшую роль в производстве металла губчатое железо играет в промышленно развитых странах Европы, в Японии и США, где железная руда, стальной лом и твердое топливо продолжают оставаться достаточно дешевыми, что обеспечивает производство чугуна при более низких затратах, чем производство губчатого железа.

Основными процессами, используемыми на работающих, строящихся и проектных установках для производства губчатого железа, являются процессы с применением шахтных печей (главным образом процесс Midrex, ХиЛ-III) и реторт периодического действия (процессы ХиЛ-I, ХиЛ-II). Процессы с использованием вращающихся печей и твердого восстановителя (процессы SL-RN, Krupp, Kawasaki и др.) в последние годы находят промышленное применение, главным образом, при переработке металлургических отходов – пыли и шламов, которые содержат примеси цинка, свинца и др., а также железных руд (богатых титаном, хромом, марганцем), не пригодных для доменного процесса.

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.). Преимущественное развитие в мировой практике прямого восстановления процессов Мидрекс и ХиЛ обусловлено их лучшими технико-экономическими показателями (табл. 14).

Установки прямого получения железа сооружаются, в основном в развивающихся странах, с относительно малой потребностью в стали, ограниченными капиталами, малыми ресурсами лома, коксующихся углей и природного газа. Например, ЮАР не имеет газа и строит свою металлургию на собственных углях.

Другой разновидностью железа прямого восстановления является карбид железа. Он представляет собой дисперсный порошок высокой твердости с частицами размером 0,2 мм, не требующий брикетирования. Его производит американская фирма «Ньюкор» в Тринидаде. Цена этого материала с учетом затрат на транспортировку в 1,5 раза меньше стоимости 1 т металлолома. Суммарные затраты на его производство на 7,4 % выше, чем на окатыши (табл. 15).

Таблица 15

Структура себестоимости карбида железа и металлизованных окатышей

1.3.2. ПРОЦЕССЫ ЖИДКОФАЗНОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ

В этих процессах восстановление железа из руды происходит в жидкой фазе.

Процесс Корекс (Германия) находится в эксплуатации в промышленных масштабах с середины 80-х годов ХХ века. Это плавильно-восстановительный процесс получения чугуна из руды и угля с низкими затратами и минимальными выбросами в окружающую среду. Схема процесса приведена на рис. 28. Кусковую руду или агломерат, или окатыши загружают в восстановительную шахту 14, в которой они восстанавливаются газами до 90% степени металлизации. Образовавшееся губчатое железо транспортером подают в плавильную камеру, в которой происходит окончательное восстановление, плавление и нагрев расплава. Через определенные промежутки времени выпускают чугун и шлак. Для получения чугуна расходуется 1500 кг/т руды, 1200 кг/т угля, 420 кг/т флюсов и 600 м³/т кислорода. Восстановительный газ образуется в плавильной камере 20, в которой газифицируется уголь.

В газовом потоке выносится большое количество пыли, частиц железа. Мелкая пыль задерживается в циклоне 16 и возвращается обратно в плавильную камеру. Восстановительный газ подается в восстановительную шихту. Температура восстановительного газа регулируется добавкой к нему охлажденного газа 18, который получают охлаждением части восстановительного газа в скруббере 17 до 800 – 850 ^оС. Газ, выходящий из восстановительной шахты после очистки и охлаждения может использоваться как топливо в паровых котлах или в установках твердофазного восстановления.

Процесс обладает высокой гибкостью, поэтому возможна его комбинация с процессом прямого получения железа. Производимый жидкий чугун по качеству не уступает доменному, используются дешевые сырьевые материалы (некоксующийся уголь и кусковая руда).

К 1987 г. МИСиСом и НЛМК была отработана промышленная технология жидкофазового восстановления железа (Ромелт). Схема производства представлена на рис. 29. Переработке подвергаются руды, их концентраты, окалина, шлаки, стружка. Особенностью процесса является использование вместо кокса угля обыкновенного качества при большом удельном расходе кислорода (более 500 м³), что в 5 раз превышает его расход в доменных печах.

Восстановительная плавка происходит в жидкой шлаковой ванне 1, которая продувается кислородом. Шихта загружается в печь, сверху. Металл накапливается в отстойнике 2 и выпускается непрерывно или порциями из печи. Так же происходит и выпуск шлака 3. Через верхние фурмы 9 в печь подают воздушно-кислородное дутье для дожигания восстановительных газов. Тепло от сжигания газа большей частью возвращается в шлаковую ванну. Отходящие газы 7 направляют в котел-утилизатор. Наряду с производством железных сплавов в печи могут перерабатываться бытовые отходы с улавливанием вредных газов.

По сравнению с двухстадийным процессом Корекс Ромелт осуществляется в одну стадию, более простой в конструктивном исполнении, при одинаковой мощности основных агрегатов имеет более низкие (10 %) текущие издержки, требует меньших (в 2 раза) капиталовложений.

В настоящее время производство металлизованного сырья не привело к конкуренции с традиционной схемой получения металла, т.к. чугун и металлизованное сырье используется в качестве шихты в разных металлургических агрегатах для выплавки стали разного назначения и сортамента, а при их производстве применяется первичное топливо разных видов. В табл. 16 сравниваются все ранее рассмотренные технологии.

Таблица 16

Сравнительная оценка технологий

Оценка эффективности процессов внедоменного (жидкофазного восстановления) получения железа показывает, что показатели их работы на сегодняшний день, несмотря на улучшение условий труда и экологической обстановки, уступают показателям работы доменных печей, а сами установки представляют собой химико-металлургический и энергетический комплекс со сложным оборудованием.

Таким образом, в условиях дефицита шихты доменное производство и альтернативные ему способы будут дополнять друг друга. Развиваться новые способы получения чугуна будут там, где нет условий для создания доменного производства, но есть возможности выплавки без кокса.