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  с использованием газообразного восстановителя и отсутствием жидкой фазы [6]. При этом, такие процессы требуют строгое содержание пустой породы в исходной руде, а концентрация примесей не должна превышать 0,01-0,02% [2]. Использование газового восстановителя требует применение специально подготовленного кускового шихтового материала с определенной газопроницаемостью и дисперсностью, т.к. чем меньше крупность частиц руды, тем больше вероятность того, что они будут спекаться на внутренней стенке печи. При использовании твердого восстановителя – угля – необходимо в дальнейшем магнитная сепарация с целью отделения его мелких частиц от металлизованного железа. Особенность таких процессов заключается в исключении из производственной цепочки стадии, отвечающей за производство и переработку углей на коксохимических предприятиях. Конечным продуктом процесса является губчатое железо.. Основными процессами, протекающими внутри печи, являются теплообмен конвекцией между восстановителем и восстанавливаемым материалом, восстановление железорудного материала и его взаимодействие с поднимающимся вверх восстановительным газом.

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 . Технология была разработана американской фирмой Midland Ross Corp. в 1960-х годах. В 1971-ом году в США и Германии были введены в эксплуатацию первые шахтные печи с годовой мощностью 400 тыс. т, работающие по этой технологии [6]. Восстановление окисленных окатышей происходит в шахтной печи, которая поделена на три зоны: зона восстановления, промежуточная зона, в которой осуществляется довосстановление и науглероживание, и зона охлаждения [???]. Металлизованный продукт выгружается в горячем состоянии и подается в брикетированную машину либо выгружается маятниковым питателем на конвейер [7]. Реформинг газообразного восстановителя осуществляется путем конверсии природного газа и технологического в никелевых катализаторах. С 1983-го года на ОЭМК работают 4 модуля Midrex общей производительностью 1,7 млн. т металлизованного сырья в год [6].

Преимущества процесса:

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

2. Использование восстановительного газа при низких температурах

3. Полученное губчатое железо не склонно к пирофорности.

Недостатки процесса:

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.

Преимущества процесса:

1. Высокая степень металлизации (92-95 %)

2. Высокий уровень теплопередачи

3. Низкая температура колошникового газа (400-450 )

Недостатки процесса:

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.

Преимущества процесса:

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

Недостатки процесса:

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.

Преимущества процесса:

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

2) Широкие возможности утилизации металлургических и других отходов

3)

Недостатки процесса:   

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.

Ниже приведена статистика процентного соотношения произведенного метализованного железа за 2018-й год:

Рисунок – Мировое производство железа прямого восстановления за 2018-й год

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.

3) Процесс SL/RN

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 . Процесс был разработан компанией Lurgi 1960-х годах. Теплогенерация внутри рабочего пространства происходит путем сжигания горючих компонентов угля и избытка угарного газа. Полученное железо и немагнитая фракция после охлаждения разделяются при помощи магнитной сепарации. Отходящие газы используются для остальных производственных нужд [333].  

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.  

Преимущества процесса:

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

Недостатки процесса:

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  с получением чугунных гранул. Технология была разработана фирмами Midrex Kobe Steel Itd. на основе FASTMET, а ее отличиями от предшественницы являются температурный режим металлизации и вид получаемого продукта. Железосодержащая руда восстанавливается внутри рабочего пространства в печи и науглероживается до содержания углерода 2,5-3%, затем расплавляется, после чего образуются фасолевидные корольки чугуна. После охлаждения они отделяются от шлака при помощи магнитной сепарации. Содержание железа в чугуне по этой технологии составляет 95-97%, углерода – 2,5-4,3%.

Преимущества процесса:

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

Недостатки процесса:

1. Высокие потери с отходящими газами

Высокие требования к содержанию серы в угле