Раздел 2. Производство чугуна и железа

 

Цель раздела:

Ознакомиться с современными технологиями доменного производства металла

 

План раздела.

2.1. Технологии доменного процесса

2.2. Показатели работы доменных печей

2.3. Способы внедоменного (бескоксового) получения железа

 

2.3. Способы внедоменного (бескоксового) получения железа

 

В настоящее время предложено более 20 различных способов прямого получения железа!

Способы прямого получения железа

1.     Производство железа в шахтных печах (технология Midrex)

2.     Производство железа в периодически действующих ретортах (технология HYL/Energiron)

3.     Производство железа на движущейся колосниковой решетке

4.     Производство железа во вращающихся трубчатых печах

5.     Производство железа в реакторах кипящего слоя

6.     Агрегаты FASTMET и ITmk3

7.     Химико-термический способ получения железа

Производство железа в шахтных печах (технология Midrex)

Наибольшее распространение получили технологии компании Midrex (США). Процесс протекает в шахтной печи, в верхнюю часть которой подаются окатыши или кусковая руда. Установки Midrex действуют на многих предприятиях крупнейшей металлургической компании ArcelorMittal, расположенных в Германии, Канаде, Мексике, Тринидаде и Тобаго и ЮАР.

Процесс производства железа осуществляют в противотоке железорудных материалов, загружаемых в агрегат сверху, и нагретых восстановительных газов, подаваемых снизу (рис.). Работа агрегата в противотоке дает возможность достигать высокой производительности при хорошем использовании газа. В качестве восстановителей применяют конвертированный природный газ, состоящий в основном из водорода (H2) и оксида углерода (CO). Восстановительный газ получают в кислородном реакторе (реформере), путем неполного сжигания природного газа в кислороде. Полученный газ, содержащий 29% CO, 55% H2 и 13% окислителей (H2O и CO2) освобождают частично от окислителей, затем нагревают, до температуры 1100-1150 °С и через фурмы подают в печь.

Если производятся горячие окатыши или горячебрикетированное железо, то охлаждение восстановленного железа в нижней зоне печи не производится.

 

Производство железа в периодически действующих ретортах (технология HYL/Energiron)

Второй по распространенности технологией прямого восстановления железа является HYL/Energiron. Процесс HYL был разработан мексиканской компанией Tenova для прямого восстановления железной руды (кусковой или окатышей) в металлическое железо с помощью восстановительного газа в реакторе с подвижным слоем.

Процесс проходит в периодически действующих ретортах, используемых в качестве агрегатов восстановления. На установке таких реторт четыре. Емкость каждой реторты 100-150 т.

К недостаткам метода относят:

- периодичность процесса;

- неравномерность металлизации по высоте;

- низкая степень металлизации в сравнении с процессами, осуществляемыми в шахтных печах.

 

Производство железа на движущейся колосниковой решетке

Процесс получения железа на движущейся колосниковой решетке несколько напоминает работу агломерационной машины. В этом случае конвертируемый газ проходит сверху вниз через слой шихты.

Существует разновидность процесса получения железа на движущейся колосниковой решетке, когда вместо конвертированного газа используют твердый восстановитель (каменный уголь, кокс и т.д.).

Недостатком этого процесса является загрязнение губчатого железа пустой породой, серой и фосфором твердоготоплива.

 

Производство железа во вращающихся трубчатых печах

Другой разновидностью процесса с использованием твердого восстановителя является способ получения железа во вращающихся трубчатых печах.

По этому способу во вращающуюся трубчатую печь, установленную под небольшим углом к горизонту, загружается шихта, состоящая из руды, твердого топлива и доломита или известняка. Доломит и известняк используются для десульфурации. Печь отапливается газообразным или жидким топливом при помощи горелок, установленных на разгрузочном конце печи.

 

Агрегаты FASTMET и ITmk3

В данных агрегатах осуществляется получение железа из руды и некосующегося угля. В агрегатах FASTMET также могут утилизироваться побочные продукты (пыли и шламы), содержащие железо, которые образуются на заводах с полным металлургическим циклом. Развитие этой технологии привело к созданию в 1996 г. процесса ITmk3 производства «передельного чугуна высшего качества» из окатышей или брикетов, схема процессов приведена на рис.

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

 

Химико-термический способ получения железа

Данный метод применяется для получения очень чистого железа из труднообогатимого рудного сырья, содержащего большое количество вредных примесей. Он может быть использован также для получения легированной железной губки из комплексных руд.

Процесс построен максимально рационально, поскольку обеспечивается рециркуляция всех реагентов, участвующих в процессе.

 

Существуют также жидкофазные способы прямого восстановления и альтернативные доменной печи установки для получения чугуна.

 

Восстановление железа из чистого водорода

Преимущества процесса:

Ø процесс восстановления проходит достаточно быстро;

Ø не возникает лишних примесей: продукт восстановления – железо и вода.

Недостатки:

Ø водород – дорогостоящий продукт;

Ø получение и хранение водорода сопряжено со множеством чисто технических и экономических трудностей;

Ø этот способ используют только для получения металлических порошков.

 

Виды технологических процессов с участием атомной энергии

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

Первый – высокотемпературное восстанов­ление. Процесс требует 1600 °С. 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 °С. 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. Но это не беда. 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.