3. Ресурсо- и энергосбережение при производстве чугуна, технологии прямого восстановления железа
§1. Производство агломерата и окатышей
Окускование руды является необходимой операцией перед загрузкой ее в шахтную печь, которая обеспечивает требуемую проницаемость столба шихты и прочность материала. Для доменной печи используется агломерат и/или окатыши, а для шахтных печей прямого восстановления только окатыши.
Агломерацией называется процесс спекания шитовых материалов на движущейся колосниковой решетке агломерационной машины. Для спекания к руде добавляют кокс, известняк и другие материалы, смешивают, смачивают водой, окомковывают и загружают на колосниковую решетку, которая последовательно проходит через всю агломерационную машину как конвейер. После прохождения зоны сушки поджигается кокс, находящийся в агломерате и в результате его горения происходит спекание шихтовых материалов в прочные куски и частичное восстановление оксидов железа.
Добиться снижения расхода энергии в агломерационном производстве можно:
– стабилизацией фракционного и химического состава шихтовых материалов;
– заменой известняка на известь;
– использованием ВЭР – тепла агломерационных газов и самого агломерата;
– предварительным подогревом шихтовых материалов;
– увеличением высоты слоя шихты, загружаемой на колосниковую решетку;
– использованием дополнительного источника тепла для спекания агломерата (экономия дорогого кокса);
– заменой кокса на уголь, антрацит, торф;
Для производства окатышей измельченный рудный концентрат смешивают с известняком и флюсовыми материалами, смачивают водой и окомковывают на барабанах в шарики диаметром 1…30 мм. Полученные окатыши загружают в обжиговую машину, где производится их обжиг для упрочнения. Само производство окатышей менее энергоемко чем производство агломерата.
Добиться снижения расхода энергии в производстве окатышей можно:
– использованием ВЭР
– путем направления нагретых газов из зоны спекания в зону сушки;
– добавлением в окатыши пылеугольного топлива;
– увеличением площади спекания обжиговых машин;
– увеличением высоты слоя окатышей, загружаемых на колосник.
§2. Доменное производство
Доменные печи являются основным агрегатом для переработки железной руды, хотя количество разнообразных агрегатов для прямого восстановления железа постоянно растет. В доменной печи из руды, которую подвергают окускованию (агломерация или производство окатышей), производят жидкий чугун и побочный продукт – шлак.
Упрощенно технологию доменной плавки можно описать следующим образом. Шихта, в составе которой присутствует железорудная часть (окатыши, агломерат), кокс, известняк и флюсы, загружается по скиповому подъемнику (в современных печах по ленточному транспортеру) и через засыпной аппарат сверху подается в шахту печи.
В нижнюю часть печи (горн) через фурмы подают подогретый воздух для горения и заменители кокса. Возле фурм происходит горение кокса с выделением угарного газа – СО, который поднимаясь вверх по столбу шихты восстанавливает оксиды железа, содержащиеся в рудной части. По мере опускания шихты вниз происходит ее нагрев и расплавление. Жидкий чугун сливается через чугунную летку в чугуновоз и направляется в сталеплавильный цех.
Как уже отмечалось в предыдущей главе, доменное производство занимает первое место по затратам энергии среди других металлургических производств. В себестоимости чугуна около 50% всех затрат приходится на стоимость энергоносителей, превалирующую часть которых составляет кокс. Вследствие чего, основным энергосберегающим мероприятием при производстве чугуна является снижение расхода кокса.
Снизить расход кокса можно как за счет различных технологических мероприятий, непосредственно направленных на снижение расхода, так и за счет замены кокса на другие виды топлива, в частности природный газ.
Основные пути снижения расхода кокса следующие:
– повышение качественных характеристик кокса: повышение прочности, снижение количества мелочи, влажности, золы и содержания серы и щелочных соединений, что обеспечит более ровный ход печи и повышение эффективности процесса;
– повышение содержания железа в шихте на 1% дает экономию кокса до 1,5%, этого можно добиться за счет более глубокого обогащения руды;
– применение заменителей кокса: пылеугольное топливо (ПУТ), природный газ, мазут, восстановительные газы СО и Н2, древесный уголь. Добавление в шихту продуктов пиролиза древесины или антрацита. Эти мероприятия позволяют снизить расход дорогостоящего кокса в перспективе до 30…50%. Расход ПУТ в мире составляет 250…280 кг/т, а, например, на Донецком металлургическом заводе – 125 кг/т, природный газ 50…100 м3/т, мазут 40…60 кг/т;
– обеспечение постоянства свойств шихты (усреднение);
– улучшение конструкции засыпных агрегатов, применение бесконусных лотковых или роторных засыпных устройств, оптимизация порядка подачи материалов в печь, повышение давления на колошнике;
– повышение температуры воздуха для дутья до 1400 °С (воздухонагреватели Калугина), а природного газа до 600 °С;
– сокращение выхода шлака до 250…300 кг/т чугуна;
– увеличение объема доменных печей;
– увеличение длительности кампаний доменной печи;
– применение разнообразных средств автоматизации и контроля.
В качестве ресурсосберегающих мероприятий используется добавка в шихту различных видов отходов: шламов, пыли, окалины.
Сотрудниками Московского института стали и сплавов создан специальный процесс, который предполагает использование в качестве железосодержащего сырья различных отходов, а в качестве топлива низкокалорийных марок углей, который получил название Ромелт.
Также в доменном производстве в качестве горючего и ВЭР избыточного давления используется доменный газ, тепло воды из системы охлаждения, тепло шлака и т. д.
§3. Способы прямого восстановления железа, характеристика продукции и сырья
Процесс прямого восстановления железа является альтернативой доменному процессу. В этом случае из железной руды получают сразу металлическое железо, а не чугун. Таким образом отпадает необходимость в использовании металлургического кокса, и соответственно, в цехах или предприятиях по его производству, что может значительно уменьшить стоимость предприятия, которое строится с нуля.
Также одной из причин, повлекших распространение способов прямого восстановления железа является возможность использования в качестве восстановителя различных видов топлива, как газообразного, так и жидкого, и твердого. Поэтому в настоящее время существует более 20 самых разнообразных технологий прямого восстановления железа, которые принципиально отличаются друг от друга.
В результате большинства процессов прямого восстановления железа получают так называемое губчатое железо.
Наиболее распространенным конечным продуктом прямого восстановления являются металлизованные окатыши – DRI (Direct Reduced Iron) или горячебрикетированное железо НBI (Hot Briquetted Iron).
Окатыши СDRI получают в основном в шахтных печах с охлаждением в нижней части печи до 50º С, после чего отравляются на склад, а затем загружаются в электропечь.
Окатыши HDRI выгружаются из установки прямого восстановления в горячем состоянии и загружаются в расположенную рядом электропечь при температуре 600º С и выше.
Горячебрикетированное железо НBI получается путем прессования брикетов на специальном прессе в формы в виде подушек из металлизированного продукта, который выгружается из печи при температуре около 700º С.
Технологии прямого восстановления железа можно различить по виду восстановителя – газообразный или твердый, а также по фазовому состоянию рудного материала – твердофазные и жидкофазные. Доля различных способов производства железа прямого восстановления в мире в последние годы приведена на рисунке 3.1.
Самым распространенным является процесс твердофазного восстановления руды газообразным восстановителем в шахтной печи Midrex (США). Аналогичный по сути процесс HYL/Energiron предлагает компания Tenova, однако он имеет определённые отличия.
В отличие от технологий Midrex и HYL/Energiron, которые предполагают предварительное окускование сырья в виде окатышей, технология Finmet позволяет использовать рудную мелочь, а восстановление железа происходит в так называемом кипящем слое.
Распространение также получили и технологии, которые используют твердый восстановитель (в основном уголь). К ним относятся такие технологии как SL/RN, ITmK3 и др.
Используются также жидкофазные способы прямого восстановления которые в отличие от твердофазных предполагают выпуск уже жидкой стали или чугуна. Их распространение существенно меньше и во многих случаях эти установки носят экспериментальный характер или имеют небольшую производительность К таким процессам относятся КР, Элред, Инред и др.
Рисунок 3.1 – Распределение технологий производства железа прямого восстановления
§4. Технология Midrex
Процесс Midrex используется с 1969 года, с тех пор построено более 70 печей в 21 стране мира.
Данная технология предполагает восстановление железорудных окатышей в шахтной печи. Обожжённые окатыши загружаются в такую печь сверху, а в среднюю часть печи подается горячий восстановительный газ (рисунок 3.2). Таким образом, по схеме движения рудных материалов и восстановительных газов процесс аналогичен доменной печи. По мере опускания происходит нагрев и металлизация окатышей, которые выгружаются с нижней части печи в холодном (после охлаждения) или в горячем виде.
В основном восстановительный газ получают из природного газа на установке называемой реформером. В реформере происходит конверсия природного газа при его реакции с водяным паром (который специально подают в реформер) и с диоксидом углерода (который находится в оборотном газе из печи). В результате химических реакций протекающих при температуре 900 °С с участием никелевого катализатора получают восстановительный газ состоящий из CO и H2.
Разработан также новый вид высокопроизводительного реформера, существуют варианты с использованием косового газа или продуктов газификации угля.
Восстановление железа происходит в печи при температуре 1100…1150 °С.
Содержание железа в металлизованных окатышах составляет 90…95%.
В России технология Midrex используется на Оскольском электрометаллургическом комбинате ОЭМК (г. Старый Оскол) где установлено четыре печи, которые производят CDRI. И на Лебединском ГОКе где установлено две печи для производства НBI.
Рисунок 3.2 – Схема процесса Midrex: 1 – рекуператор, 2 – компрессор, 3 – газоочистка, 4 – реформер, 5 – устройство загрузки окатышей, 6 – шахтная печь, 7 – устройство выгрузки окатышей
§5. Технология HYL и ее разновидности
В настоящее время существует несколько видов процесса HYL. Процессы HYL – I и HYL – II предусматривали прямое восстановление железа в периодически действующих ретортах емкостью 100…150 т. Загруженный в реторту шихтовый материал продувался сверху восстановительным газом в течении 4…6 часов, после чего выгружался специальным устройством. Однако такой процесс имеет низкую производительность и степень металлизации, последняя к тому же переменная по высоте реторты.
Для устранения этих недостатков был разработан процесс HYL – III, который похож по основному принципу с процессом Midrex. Отличительной особенностью процесса являются повышенное давление (до 0,55 МПа) и температура (до 900—950° С) восстановительного газа, который подается в печь.
Самый современный вариант технологии – HYL/Energiron позволяет использовать различные варианты газообразного топлива (природный, коксовый, синтез-газ, полученный из угля или древесины) и не нуждается в реформере, так как процесс разложения газа происходит в рабочем объеме печи, за счет его частичного сжигания, для чего в печь подается и кислород. Уровень металлизации продукта составляет более 93%.
В России используется только одна установка HYL/Energiron на Лебединском ГОКе.
§6. Производство железа в реакторах кипящего слоя
Агрегат Finmet работает по принципу кипящего слоя и его преимуществом является возможность использования неокускованного сырья.
Агрегат состоит из четырех восстановительных реакторов кипящего слоя, каждый из которых последовательно проходит шихта, состоящая из железорудной мелочи (фракции менее 12 мм). По мере передачи от первого реактора к последнему степень металлизации увеличивается до 91…92%.
Для создания кипящего слоя в реактор подают горячий восстановительный газ с определенной скоростью. Температура восстановления не высока – 500 °С, чтобы исключить спекание железнорудной мелочи. Однако полученное губчатое железо при такой температуре отличается повышенной пирофорностью (самовозгораемостью на воздухе). Поэтому полученное железо необходимо нагревать до температур 820…880 °С а затем охлаждать в среде нейтральных газов.
По этой технологии пока действует только одно предприятие – Orinoco Iron в Венесуэле.
§7. Агрегаты FASTMET и ITmk3
Эти технологии предусматривает получение железа прямого восстановления в печах с вращающимся подом с участием твердого восстановителя – угля. В качестве железосодержащих материалов могут использоваться железная руда, а также железосодержащие пыли и шламы.
Схема процессов приведена на рисунке 3.3.
Рисунок 3.3 – Схема процессов FASTMET, FAST MELT и ITmk3: 1 – агрегат окомкования, 2 – печь с вращающимся подом, 3 – комперссор, 4 – регенератор
Технология получения железа прямого восстановления следующая. Из мелкой железной руды после ее смешивания с углем получают гранулы, которые высушивают и загружают в печь с вращающимся подом.
Гранулы во время вращения нагреваются горелками, расположенными над слоем, где также происходит дожигание оксида углерода и летучих угля, выделяющихся при нагреве и восстановлении оксидов. Один оборот вращающейся печи осуществляется за 10 мин.
В случае процесса FASTMET продукцией является губчатое железо, FASTMELT – жидкая сталь, а в процессе ITmk3 данные комки плавятся в последней зоне этого пода, тем самым получая гранулы чугуна и шлак. Конечным этапом является разделение чугунных комков и шлака. Такая технология в России используется на Дальневосточном металлургическом комбинате (г. Петропавловск).
Вопросы для самоконтроля
1. Приведите основные пути снижения расхода кокса, назовите его заменители.
2. Что такое железо прямого восстановления? В каком виде оно выпускается?
3. Приведите способы прямого получения железа и дайте их описание.