МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

ГВУЗ «КРИВОРОЖСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

КРИВОРОЖСКИЙ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

по дисциплине «Альтернативные процессы производства черных металлов»

для студентов специальностей направления 6.050401 – «Металлургия»

г. Кривой Рог

2014г.

Методическое пособие для выполнения практических работ по дисциплине «Альтернативные процессы производства черных металлов» для студентов специальностей направления 6.050401 – «Металлургия»

Утверждено на заседании кафедры металлургических технологий, протокол № ______ от "____"_____________2014г.

Составила: доцент кафедры МТ, к.т.н. Сусло Н.В.

Рецензент: профессор, д.т.н. Лялюк В.П.

ВВЕДЕНИЕ

Приблизительно 30-40 лет назад учеными были составлены прогнозы по поводу объемов металлофонда, благодаря которым добытых металлов будет вполне достаточно для последующей жизнедеятельности человечества. А металлургической промышленности осталось бы многократно использовать металлолом с помощью его переплавления. По этим данным должны были решиться проблемы в области экологии, а также по сырью для металлургического производства. Но по прошествии достаточного количества времени, жизненные потребности человечества опровергли прогнозы ученых.

Производство чугунных изделий во всем мире достигло примерно 800 миллионов тонн, из чего следует, что в переработку вторичного сырья отправляется только третья часть всех ресурсов. При возросшем использовании запасных объемов металлов, использование добываемых металлов не прекратилось. И этому способствуют два обстоятельства. Главное из них — это все большая потребность в металлических изделиях. К тому же, при переплавке вторичного сырья в металле накапливаются вредные примеси, а еще его необходимо для начала рассортировать.

Из-за постоянного добывания металлической руды, запасы ее в природе неизбежно истощаются, вследствие чего возникает необходимость решения задач по сохранности природных ресурсов. Все приведенные проблемы и задачи непосредственно взаимосвязаны между собой.

В условиях постоянно нарастающего дефицита природных ресурсов особое значение обретает рациональное, комплексное и экономичное их использование. Из этого вытекает необходимость создания промышленных предприятий без выбросов отходов.

Создание промышленных предприятий без выбросов отходов предусматривает систему технологических процессов, обеспечивающих комплексное использование сырья и энергии, при котором будет возможно рационально расходовать природные ресурсы и энергию и защитить окружающую среду от загрязнения и деградации. В основу проектирования производственных предприятий такого типа заложена технология комплексной обработки сырья, предусматривающая отделение и переработку всех отходов в готовую продукцию. Создание подобных малоотходных и безотходных технологических процессов осуществляется по следующим направлениям:

1) комплексная переработка сырья;

2) разработка принципиально новых технологий, технических средств и схем получения известных видов продукции;

3) проектирование и внедрение бессточных и замкнутых систем водопотребления;

4) рекуперация промышленных отходов;

5) разработка и создание регионально-промышленных комплексов с замкнутой структурой динамичных потоков сырья и отходов.

Комплексная обработка сырья включает в себя две основные задачи: бережное расходование богатств природы и уменьшение выбросов отходов в окружающую среду.

Создаются новые эффективные технологические процессы, отличающиеся возможно меньшим числом технологических стадий и оборудования, а также совмещением операций. В черной металлургии успешно используется метод получения железа путем восстановления рудных концентратов водородом или синтез-газом, представляющим смесь Н₂ и СО. При этом исключаются стадии доменного передела, производства кокса и агломерата.

1 Процесс РОМЕЛТ (ROMELT)

Процесс создан учеными Московского государственного института стали и сплавов под руководством проф. В.А. Роменца, а конструктивное оформление этого процесса разработано ими совместно с сотрудниками Гипромеза (г. Москва). Всестороннее исследование и оценка возможностей процесса РОМЕЛТ (ROMELT) осуществлена на пилотной установке, построенной на заводской площадке Ново-Липецкого металлургического комбината.

Основные узлы оборудования технологии процесса РОМЕЛТ (ROMELT) приведены на рис. 1. Главным агрегатом этого процесса является плавильно-восстановительная камерная печь – 3 (рис.2), огнеупорная футеровка стен которой заменена панелями с испарительным охлаждением, позволяющим получать пар давлением 1,5 МПа с температурой 350 °C.

Рабочее пространство печи выполнено в форме правильного параллелепипеда. Каждая длинная стена печи оборудована двумя рядами фурм для подачи воздуха, обогащенного кислородом. В нижних частях печи на стороне коротких по ширине стен расположены сифоны, один из которых предназначен для выпуска чугуна, а второй - на противоположной стене для выпуска шлака.

Через свод печи осуществляется загрузка шихты и удаление продуктов горения топлива и компонентов реакций восстановления железорудной части шихты.

Технологический процесс относится к стационарным и характеризуется непрерывностью загрузки подготовленных по крупности железной руды, угля и флюсов. В состав шихты могут входить шламы и другие виды техногенных отходов, в том числе и содержащие до 7,6 % цинка и 0,86 % свинца, а также хлориды и оксиды щелочных элементов. Требования по гранулометрическому составу таковы: крупность железной руды - 0-20 мм, угля - 0-40 мм и извести - 0-10 мм. Содержание железа в рудах должно быть на уровне 63-65 %. Требование к углям ограничивается содержанием золы на уровне 13,5 % и летучих, которые увеличивает выход продуктов горения, что сказывается на повышенном выносе пыли, что нежелательно. Текущие запасы компонентов шихты хранятся в бункерах - 1, откуда конвейером - 2, доставляются к печи. Загружаемые составляющие шихты попадают на поверхность «кипящей» ванны с расплавом.

Рисунок 1 – Схема технологического процесса Ромелт:

1 – бункера для шихты; 2 – загрузочный конвецер; 3 – плавильно-восстановительная печь; 4 – барботажные фурмы; 5 – фурмы дожигания; 6 - котел-утилизатор; 7 – система газоочистки; 8 – эксгаустер; 9 – дымовая труба

Рисунок 2 - Схема печи Ромелт

«Кипение» создается в результате развития явлений барботажа при вводе кислородо-воздушного дутья через нижний ряд - барботажных фурм - 4, в шлаковый расплав. Тепловой энергией процесс получения чугуна обеспечивается за счет сжигания углерода угля, продуктов его термического разложения и горючих компонентов восстановительного газа, покидающего шлаковую ванну. Для организации горения на печи установлен верхний ряд фурм - фурм дожигания - 5.

Получаемый в жидком виде чугун по содержанию углерода и серы практически не отличается от доменного чугуна. Однако, в нем отсутствует кремний и другие трудно восстановимые элементы. Количество фосфора, остающегося в чугуне составляет 70-80 % от того количества, которое содержится в руде. Чугун либо используется в производстве стали, либо разливается на товарный чушковый. Производительность плавильно-восстановительной печи зависит от содержания FeO в шлаке: устойчивость в работе печи достигается при его содержании в пределах 1,5-3,0 %.

Комплекс РОМЕЛТ (ROMELT) предусматривает припечную грануляцию шлака.

Отработанный печной газ направляется в котел-утилизатор - 6, где за счет регенерации его тепловой энергии вырабатывается пар, давление которого составляет 4 МПа и температура 440 °C. Далее энергию этого пара, а также пара, получаемого в системе паро-испарительного охлаждении печи, используют в системах «паровая турбина-электрогенератор» для выработки электроэнергии.

Охлажденный до 200 °C печной газ в системе пылеулавливания - 7, очищается от оксидов цинка, свинца и соединений щелочных элементов до содержания пыли - 50 мг/м³, после чего с помощью эксгаустера - 8, выбрасывается через дымовую трубу - 9, в атмосферу.

По высоте рабочего пространства печи (снизу вверх) выделяют 5 технологических зон.

Первая зона, температура которой составляет 1350-1400 °С, является зоной спокойного металла. В этой зоне отсутствуют барботажные явления. В ней завершаются процессы восстановления вюстита углеродом, растворенным в металле, и десульфурация сульфида железа известью, растворенной в шлаке, по реакциям:

Высота этой зоны определяется условиями выпуска металла из печи.

Вторая зона, температура которой достигает 1400-1450 °C, названа зоной спокойного шлака. В этой зоне при отсутствии барботажных явлений протекают процессы, не только характерные для первой зоны, но и формирующие конечный состав чугуна. При прохождении капель металла через слой шлака за счет реакций между металлом и шлаком происходит нагрев капель, их рафинирование и укрупнение. Высота этой зоны распространяется от верхней границы металла до среза отверстий барботажных фурм.

Третья зона, температура которой находится в пределах 1450-1500 °С, располагается над барботажными фурмами, формирующими состояние барботируемого слоя шпака при вводе кислородовоздушных струй. Барботируемый слой шлака представляет собой двухфазную систему «газ—жидкость» с исключительно развитой поверхностью раздела фаз, которая за счет движения газовых пузырей постоянно обновляется. Благодаря этой особенности в циркулирующем шлаке создаются предельно высокие объемные тепловые нагрузки, определяющие развитие тепло-массообменных процессов значительной интенсивности таких, как горение твердого топлива, обеспечивающее тепловой энергией плавление частиц руды и развитие физико-химических процессов прямого восстановления оксидов железа из жидкого шлака. He менее активно развиваются процессы десульфурации железистого расплава и окисление S из шлака кислородом дутья, насыщения металла углеродом за счет его растворения. Для этой зоны характерны процессы, протекающие по следующим реакциям:

Следует еще раз подчеркнуть, что все процессы в зоне барботируемого слоя шлака протекают с высокими скоростями за счет интенсивного перемешивания расплава и шлака, формирующего область высоких температур в пределах всей зоны и значительные постоянно обновляющиеся поверхности раздела на границе «газ-жидкость».

Четвертая зона распространяется на небольшую толщину шлакового расплава, прилегающую к его поверхностному слою. Поэтому она может быть названа поверхностной зоной. Ее, средняя по объему, температура составляет 1500-1550 °C. Поверхностный слой зоны по существу служит передатчиком тепла жидкой ванне от свода и стен, а также от продуктов горения. Столь важная роль этого слоя определяется барботажными явлениями, обеспечивающими постоянный перенос массы расплава с уровня нижнего ряда фурм на поверхность ванны и ее возвращение в нижние слои ванны, благодаря чему интенсифицируется перемешивание расплава и, как следствие, условия переноса и распределения тепла по всему объему ванны.

Наряду с описанными явлениями в этой зоне происходят процессы, которые условно можно назвать подготовительными. Прежде всего, это относится к сушке угля и руды с разложением влаги, к термическому разложению угля и его летучих с образование полукокса. Плотность кусков угля и руды значительно меньше плотности расплава. Поэтому они, плавая, остаются некоторое время на поверхности шлаковой ванны до тех пор, пока за счет либо горения для угля, либо плавления для руды их размер не уменьшится. При определенных размерах частиц, зависящих от их плотности, они вовлекаются в циркуляционный поток барботажного слоя.

Кроме расплавления железорудной части шихты, в этой зоне начинается, формирование железистого расплава, образуется также шлак из пустой породы руды и флюсов, возгоняются оксиды цинка и свинца. Эти процессы протекают одновременно с восстановлением оксидов железа и науглероживанием металлического расплава. В поверхностной зоне развиваются процессы химического взаимодействия по реакциям, свойственным этой зоне, а именно: разложение летучих угля:

окисление твердого углерода парами воды:

восстановления FeO из шлака твердым углеродом:

Кроме того, в поверхностной зоне с высокой активностью протекают и реакции, характерные для барботажной зоны (помеченные).

Таким образом, все процессы, связанные с превращением компонентов шихты в чугун и шлак, сосредоточены в барботажной и поверхностной зонах.

Пятая зона, получившая название зоны дожигания, охватывает часть рабочего пространства плавильно-восстановительной печи с диапазоном температур 1750-1850 °С. Зона располагается над поверхностной. Площадь поперечного сечения печи в зоне дожигания и выше несколько увеличена с целью обеспечения оптимальных условий сжигания горючих составляющих газов, выделяющихся из ванны, таких как CO, H2. Кроме того, сгорают и мелкие частицы угля, выносимые из ванны потоком газа. Кислород, необходимый для полного сжигания горючих компонентов, поступает в печь через фурмы дожигания с кислородо-воздушным дутьем.

Горячий газ с температурой 1500-1550 °C из поверхностной зоны, сжигаемый в потоке воздуха, обогащенного кислородом, выделяет значительное количества тепла, образуя продукты горения высокого температурного потенциала. Процессы, идущие в этой зоне по реакциям

определяют тепловой баланс зоны и, как следствие, уровень интенсивности конвективной передачи тепла от продуктов горения и передачи тепла излучением от свода и стен на поверхность ванны. Поскольку шлаковый расплав непрерывно выносится на поверхность ванны, то его тепловое состояние удается поддерживать на уровне, обеспечивающем теплом физико-химические процессы, протекающие в нижележащих зонах.

Значительная часть рабочего пространства печи под сводом остается свободной. Эта часть печи используется для гашения скорости газов, покидающих шлаковую ванну, и тем самым снижающих вынос пылевых частиц и капель шлака за пределы печного пространства.

Стабильность одностадийного процесса получения чугуна по технологии Ромелт обеспечивается организацией теплового режима, при котором поддерживаются высокие температуры в зонах барботируемого слоя шлака (не ниже 1450 °С). Устойчивость процессов получения восстановительных компонентов по реакциям (11.34), (11.36) и (11.37), процессов восстановления оксидов железа из шлака углеродом достигается, если в шлаке поддерживается содержание частиц полукокса по объему, равное 20-30 %.

Проектными организациями России разработаны модули технологии РОМЕЛТ (ROMЕLT), рассчитанные на производительность от 100 до 500 тыс. т жидкого металла в год. Сведения о потребляемых ресурсах и выходе получаемых продуктов для указанного диапазона годовой производительности содержатся в табл. 1.

Приведенные данные, наряду с описанием технологии процесса РОМЕЛТ (RОМЕЛТ), указывают на основные ее преимущества:

- использование для получения чугуна мелких железорудных материалов, мало пригодных для подготовки к доменной плавке;

- использование для получения тепловой энергии энергетических углей;

- использование плавильно-восстановительной печи для переработки техногенных отходов различного происхождения - шламов, пыли, пластмасс и пр.;

- глубокое использование физического тепла отработанных печных газов и тепла охлаждающей воды в системе пароиспарительного охлаждения для выработки электроэнергии;

- получение избыточной электрической энергии, реализуемой на сторону;

- припечная переработка шлака, не требующая шлаковозных ковшей и участков их обработки, при этом получают продукт - гранулированный шлак, обладающий потребительскими свойствами.

Таблица 1 – Удельные расходы материалов и выход побочной продукции

2 Процесс tekhopeд (tecnored)

Процесс разработан в Бразилии. Технология этого процесса отличается от процесса РОМЕЛТ (ROMELT) устройством плавильно-восстановительной печи шахтного типа, схема которой показана на рис. 3. Печь представляет собой две шахты круглого поперечного сечения разного диаметра с общей вертикальной осью. Загрузка железорудной части шихты и кускового угля осуществляется через специальное загрузочное устройство - 1, в верхнюю шахту - 2, которая используется для подогрева загруженной шихты. Нижняя шахта - 3, предназначена для газификации топлива и металлизации рудной части шихты. Через кольцевое сечение, образованное на стыке двух шахт, твердые виды топлива загружаются в нижнюю шахту. По внутренней окружности кольца установлены верхние фурмы - 4, для подвода холодного дутья. Горячее дутье подается через кольцевой воздухопровод - 5, к нижним фурмам - 6. Получаемый металл - чугун, и шлак накапливаются в горне - 7, и через соответствующие летки, удаляются из печи. Отработанный печной газ через отвод - 5, направляется в систему очистки и далее на утилизацию тепла. Как и в других подобных процессах, твердые отходы газоочистки возвращаются в производство, а тепло отработанного печного газа утилизируется для подогрева кислородо-воздушного дутья, получения пара и электроэнергии, для сушки железорудных компонентов шихты.

Рисунок 3 – Схема плавильно-восстановительной печи процесса ТЕКНОРЕД (TECNORED):

А – устройство печи: 1 – загрузочное устройство; 2 – верхняя шахта-подогреватель; 3 – нижняя шахта-газификатор; 4 – верхние фурмы; 5 - кольцевой воздухопровод; 6 – нижние фурмы; 7 – горн; 8 – отвод дымовых газов; КУ – кусковой уголь; А – агломерат; М – металл; Ш – шлак; Б – расположение зон печи: І – зона подогрева рудной части шихты и непрямого восстановления; ІІ – зона плавления; ІІІ – зона нагрева расплава и прямого восстановления

Существуют также и некоторые особенности в организации жидкофазного восстановления. Прежде всего, это относится к подготовке шихты. Составляющими железорудной части шихты являются железорудный концентрат, мелкая железная руда, металлургические отходы - доменные и сталеплавильные шламы, прокатная окалина, отсевы окисленных и металлизованных окатышей и пр. Для изготовления рудоугольных окатышей, брикетов или агломерата применяют углеродсодержащие шламы, коксовую мелочь, шламы коксохимического производства, колошниковую пыль доменной плавки и другие подобные материалы. Связующими в этом случае выступают: известь, портланд-цемент, мелкий известняк, органические материалы (для природного сырья) и металлургические шлаки (для металлургических отходов)). Приготовленные из указанных компонентов окатыши или брикеты упрочняют безобжиговыми способами. В зависимости от применяемого связующего технология упрочнения предусматривает либо выдержку на воздухе в течение 10-28 сут., либо обработку влажным колошниковым газом в течение 30 мин.

Плавильно-восстановительная печь работает в режиме противотока. Движение материала определяется процессами горения топлива. плавления рудных составляющих и золы топлива. Основной поток восходящего восстановительного газа формируется за счет горения топлива при вводе нагретого кислородо-воздушного дутья через нижний ряд фурм. Его количество увеличивается при сжигании этого газа холодным воздухом, поступающим через верхние фурмы.

По высоте столба шихтовых материалов выделяют четыре технологические зоны:

1 - Зона подогрева рудной части шихты и непрямого восстановления. Эта зона расположена в верхней шахте печи. Подогрев шихты осуществляется за счет физического тепла восстановительного газа, поступающего из нижних горизонтов печи, и химического тепла за счет дожигания CO и H2 этого газа. Холодный воздух для дожигания поступает через верхний ряд фурм. Кроме того, если используются некоторые виды твердого топлива или отходы, то при их нагреве выделяются продукты термического разложения, которые также дожигаются в этой зоне. Такого запаса тепловой энергии оказывается достаточно для организации начала плавления рудных компонентов шихты. Образующиеся первые капли расплава стекают в нижнюю часть печи. Выше горизонта плавления температура быстро снижается, благодаря чему ограничивается развитие реакции Будуара

Последнее очень важно, т. к. появление в продуктах горения CO свидетельствует о химической неполноте горения и дополнительно загрязняющих атмосферу газовых выбросах.

По мере нагрева шихты и выхода ее к горизонту дожигания восстановительного газа развиваются процессы восстановления оксидов железа, протекающие с высокой скоростью во внутренних объемах рудоугольных компонентах шихты, чему в немалой степени способствуют наличие в них углерода.

2 - Плавильная зона охватывает область печного пространства от очагов дожигания у верхних фурм до полного расплавления рудных компонентов шихты. В отличие от процесса Ромелт плавление рудных составляющих приводит к образованию капель, которые, стекая, сливаются в струи, вновь подвергаются дроблению при движении по межкусковым каналам, обновляя непрерывно поверхностные слои капель расплава. Процессы плавления протекают в восстановительной атмосфере, что исключает окисление металлического расплава.

Особых требований технология процесса ТЕКНОРЕД (TECNORED) к качеству твердого топлива - основному источнику тепловой энергии, не предъявляет.

Железорудные составляющие шихты и топливо загружаются в печь раздельно: железорудная часть поступает в верхнюю шахту печи, а топливо - в кольцевой зазор. Смешение этих частей начинается при выходе материалов за пределы нижней границы шахты - 1.

3 - Зона нагрева расплава и прямого восстановления. В этой зоне активно взаимодействуют три фазы — твердая (топливо), жидкая (расплав) и газообразная (кислородо-воздушное дутьё и восстановительный газ).

При исследовании этого процесса выплавку чугуна производили с использованием различных видов топлива — низкопрочного кокса, высокозольного кокса, антрацита, сырого пекового кокса, древесного угля, различных смесей кокса с добавками резиновой крошки от автопокрышек, отходами пластмасс, деревянных брусков и текстильных отходов. Высокотемпературный восстановительный газ, который является продуктом горения топлива, располагает достаточным количеством тепла не только для нагрева и плавления шихты, но и для восстановления оксидов железа, кремния и марганца. Этот запас тепла обеспечивается и нагревом дутья, и обогащением его кислородом.

Очень важным для процесса ТЕКНОРЕД (TECNORED) является наличие в нижней шахте кусковой насадки. Движение расплава в форме капель и пленок значительно увеличивает поверхность контакта расплава с восстановительными газами, а высокие температуры газа и его состав, богатый оксидом углерода и водородом, предопределяют высокие скорости восстановления оксидов.

В этой зоне завершаются процессы плавления и образования шлакового расплава, восстанавливаются остаточные оксиды железа, а также оксиды кремния, происходит формирование шлака из пустой породы железорудной части шихты и золы топлива, разделение шлака и металлического расплава, сопровождающееся науглероживанием последнего.

4 - Горн печи. Эта зона наименее активна с технологической точки зрения. Горн предназначен для накопления чугуна и шлака. Попутно в горне при прохождении капель чугуна через слой шлака окончательно формируется состав чугуна. В нем появляется марганец, восстановленный из шлака, увеличивается содержание углерода и уменьшается содержание серы. В итоге - состав чугуна практически не отличается от доменного.

Поскольку все основные процессы восстановления оксидов совершаются первоначально в жидком шлаковом расплаве и завершаются в разделенных потоках чугуна и шлака, то описанный процесс отнесен к процессам жидкофазного восстановления.

Основные технико-экономические показатели технологии выплавки чугуна ТЕКНОРЕД (TECNORED) по результатам опытных плавок характеризуются сведениями, представленными в табл. 2.

По оценкам специалистов выплавляемый по технологии TEKНОРЕД (TECNORED) чугун целесообразно и наиболее эффективно использовать при выплавке стали в дуговых электропечах минизаводов в составе шихты - 35 % чугуна и 65 % металлолома, Эти условия способны оптимизировать и себестоимость стали, и сроки окупаемости затрат на строительство подобного модуля производительностью 40 т чугуна в час.

Утилизация железосодержащих и топливных отходов для производства чугуна по технологии ТЕКНОРЕД (TECNORED) отражает современные тенденции по снижению техногенного давления на окружающую среду, связанные с сохранением минеральных и топливных природных ресурсов.

Таблица 2 – Показатели работы опытной плавильно-восстановительной печи