Виталий Скляр - Прогрессивные энерго- и ресурсосберегающие металлургические технологии. Учебное пособие для обучающихся по направлению «Металлургия»

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

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

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.

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.

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.