1.3.1. Процессы твердофазного восстановления

Основным способом такого процесса и наиболее промышленно-освоенным в мире и в нашей стране является технология металлизации Мидрекс (рис. 2.18). Этот процесс осуществляется в невысоких шахтных печах (объем 200 м³, высота 10-14 м, диаметр 3,0 - 3,5 м) или ретортах с использованием конвертированного природного газа. В 2001 г. на установках Мидрекс было получено 26,8 млн. т металлизированного сырья, что составляет 66,2 % от мирового производства.

Конверсия природного газа состоит в превращении углеводородов путем их разложения на водород и углерод с последующим дожиганием углерода до СО при помощи углекислого газа и водяных паров по следующим реакциям:

СН₄+СО₂= 2СО+2Н₂; СН₄+Н₂О=СО+3Н₂.

В конвертер подается смесь природного и колошникового газов. Конвертер представляет собой футерованный изнутри рекуператор прямоугольной формы, в котором установлены трубы из жароупорной стали, заполненные кусковыми глиноземистыми огнеупорами, пропитанными никелевым катализатором. Снаружи трубы разогреваются сжиганием колошникового газа. В этих трубах при температуре 1000^оС природный газ при помощи СО₂ колошникового газа конвертируется в восстановительный газ, содержащий 30 % СО и 70 % Н₂. Восстановительный газ подается в шахтную печь снизу, а сверху производится загрузка железорудного материала в виде окатышей. Исходное сырье должно содержать более 66 % железа и очень мало кремнезема.

П ечь по высоте разделена на две зоны с двумя самостоятельными оборотными циклами. Верхняя зона предназначена для восстановления железа, а нижняя – для охлаждения металлизированного продукта.

Восстановительный газ отсасывается из верхней части зоны восстановления, подвергается очистке и охлаждению в скруббере и далее треть объема этого газа поступает в конвертер для конверсии природного газа. Температура окатышей в зоне восстановления 760 ^оС, на выходе из печи 40 ^оС. Продолжительность пребывания в зоне восстановления 4 - 6 ч. Суммарная длительность пребывания окатышей в печи 8 - 12 ч.

Полученные металлизированные окатыши выгружают из печи снизу. Их хранят в бункере, заполненном инертным газом. На производство 1 т сырья расходуется 9,7 - 11 ГДж природного газа, 80-130 кВт^.ч электроэнергии. Степень металлизации составляет 93 – 96 %.

В 1980-е годы процесс Мидрекс был модернизирован. В результате этого охлаждение окатышей в печи было заменено горячим брикетированием, для чего под шахтой размещаются брикетировочные прессы и оборудование для разделения брикетов размеров 30х50х100 мм с последующим охлаждением. В отличие от металлизованных окатышей они не подвержены вторичному окислению и опасности самовозгорания. В табл. 12 приведены показатели процесса Мидрекс.

Таблица 12

Показатели процесса Мидрекс

Производительность, т/ч	Рост производительности, %	Добавка природного газа, %	Температура, оС		Удельный расход (на 1 т)
			восстановительного газа	шихты	кислорода, нм3	природного газа, нм3	электроэнергии, кВт.ч
88,8	-	4,5	780	789	-	268,6	135
100,3	13	3,5	850	814	-	262,3	120
110,2	24,1	3,5	918	834	-	257,9	109
121,5	36,8	4,5	1050	860	17,5	260,3	99
129,2	45,5	3,0	961	857	30,2	265,8	93
133,6	50,4	3,0	1050	898	41,2	264,6	90

Вдувание кислорода в поток горячего восстановительного газа приводит к значительному росту температуры газа и шихты, что приводит к росту производительности более чем на 12 %.

Технология OXY+ состоит в особом производстве восстановительного газа. Ее применение предполагает рост производительности на 21 % по сравнению с работой без применения кислорода. Пока эта технология в промышленном масштабе на установке Мидрекс не применяется. В 2001 г. в мире было произведено 7,3 млн. т брикетов или 18 % от общего объема производства.

Другим способом металлизации в шахтных печах является разработанный в Мексике на базе классического процесса ХиЛ- I в периодически действующих ретортах процесс ХиЛ-III, особенностями которого являются повышенное давление и температура восстановительного газа.

Схема установки (ХиЛ-I) показана на рис. 23 а, на которой слева расположены агрегаты для конверсии природного газа, а справа – установки для получения железа. Реторта для металлизации представлена на рис. 23 б.

После десульфурации в аппарате природный газ подвергается конверсии паром в конвертере, который представляет собой печь с трубами, заполненными керамикой с добавкой в качестве катализатора NiO. После конверсии в газе содержится 14 % СО; 58 % Н₂; 8 % Н₂О; 4 - 5 % СО₂; 15 % СН₄. Горячий газ осушают в парогенераторе, он проходит котел-утилизатор. В сухом газе возрастает количество восстановительных составляющих: Н₂ до 73 %, СО до 15 – 16 %. Установка имеет четыре реторты диаметром 5,25 м и высотой 15 м, в каждой из которых последовательно проводятся предварительное восстановление, охлаждение и науглероживание (длительность этих трех циклов 3х3=9 ч), разгрузка – загрузка – 1,5 ч. Перед каждой ретортой имеется подогреватель газа, а после нее – устройство для удаления влаги. Газ подогревают в трубчатых рекуператорах до 1100^оС. Рекуператоры отапливаются газом, выходящим из реторт.

О тходящий газ используют в качестве топлива для обогрева нагревателей, конвертера и выработки пара для турбин.

Шихта из реторт не перегружается. Один цикл процесса следует за другим благодаря переключению клапанов и направления соответствующего газа в реторту. Готовое железо холодным выгружается из реторты на конвейерную ленту, а реторту загружают сверху свежей шихтой. Степень металлизации составляет 90 – 94 %. На производство 1т сырья расходуется 10,3 - 11 ГДж природного газа, 60 - 100 кВт^.ч электроэнергии. Показатели процесса ХиЛ-III приведены в табл. 13.

Таблица 13

Показатели процесса ХиЛ-III (для установки мощностью 1,5 млн. т/год без реформера, степень металлизации 93 %)

Показатели	Холодная выгрузка		Брикеты	Горячая выгрузка
Температура на выгрузке, оС	40	40	700	700	700
Содержание углерода, %	4,3	2,5	2,5	4,3	2,5
Расходные показатели (на 1 т):
- железорудное сырье, т	1,36	1,39	1,41	1,36	1,39
- природный газ, ГДж/т	9,36	9,11	9,28	9,74	9,32
- электроэнергия, кВт.ч	65	65	80	65	65
- кислород, нм3	42	53	53	48	53
- азот, м3	12	12	19	18	18
- вода, м3	0,8	0,8	1,1	0,8	0,8
- трудозатраты, чел.ч	0,11	0,11	0,13	0,12	0,12
Текущий ремонт, долл./т	3,3	3,3	3,3	3,65	3,65
Брикетирование, долл./т			3,0

В 1999 г. на Лебединском ГОКе построена установка ХиЛ-III (рис. 27) мощностью ~1 млн т/год брикетов (степень металлизации 94%). Она называется установкой ГБЖ (горячего брикетирования железа) и рассчитана на работу в течение 330 суток с использованием в шихте 100% окисленных окатышей. На 1т брикетов (ГБЖ) должно расходоваться около 1,5 т окатышей, 42 кВт^.ч электроэнергии, 11,5 ГДж природного газа. Капитальные затраты составили 315 млн. долларов. В 2001 г. ЛГОК произвел около 600 тыс. т брикетов, из которых 412 тыс. т отгружено на экспорт, в основном, в Италию.

В вышеперечисленных процессах практически невозможно использовать железорудную мелочь и концентраты без предварительного окускования. Окускование усложняет технологическую схему, удорожает стоимость производства.

В настоящее время разработаны способы металлизации, применяемые в промышленном масштабе, в которых используется железорудная мелочь без окускования: ФИОР (Венесуэла), ФИНМЕТ (Австрия), Циркоред (Германия).

Чаще всего губчатое железо применяют как высокочистую добавку к стальному лому, а также для замены лома в случае его дефицита или высоких цен. Однако повышение цен на лом не является главной причиной возросшего интереса к губчатому железу. Наиболее стабильный спрос на него отмечается в странах с недостаточными мощностями доменного производства и поставками стального лома. Меньшую роль в производстве металла губчатое железо играет в промышленно развитых странах Европы, в Японии и США, где железная руда, стальной лом и твердое топливо продолжают оставаться достаточно дешевыми, что обеспечивает производство чугуна при более низких затратах, чем производство губчатого железа.

Основными процессами, используемыми на работающих, строящихся и проектных установках для производства губчатого железа, являются процессы с применением шахтных печей (главным образом процесс Midrex, ХиЛ-III) и реторт периодического действия (процессы ХиЛ-I, ХиЛ-II). Процессы с использованием вращающихся печей и твердого восстановителя (процессы SL-RN, Krupp, Kawasaki и др.) в последние годы находят промышленное применение, главным образом, при переработке металлургических отходов – пыли и шламов, которые содержат примеси цинка, свинца и др., а также железных руд (богатых титаном, хромом, марганцем), не пригодных для доменного процесса.

Процессы в кипящем слое получили меньшее распространение в связи с целым рядом специфических особенностей (жесткие требования к гранулометрическому составу, газодинамические ограничения существования кипящего слоя, температурные условия и др.). Преимущественное развитие в мировой практике прямого восстановления процессов Мидрекс и ХиЛ обусловлено их лучшими технико-экономическими показателями (табл. 14).

Установки прямого получения железа сооружаются, в основном в развивающихся странах, с относительно малой потребностью в стали, ограниченными капиталами, малыми ресурсами лома, коксующихся углей и природного газа. Например, ЮАР не имеет газа и строит свою металлургию на собственных углях.

Другой разновидностью железа прямого восстановления является карбид железа. Он представляет собой дисперсный порошок высокой твердости с частицами размером 0,2 мм, не требующий брикетирования. Его производит американская фирма «Ньюкор» в Тринидаде. Цена этого материала с учетом затрат на транспортировку в 1,5 раза меньше стоимости 1 т металлолома. Суммарные затраты на его производство на 7,4 % выше, чем на окатыши (табл. 15).

Таблица 15

Структура себестоимости карбида железа и металлизованных окатышей

Показатели	Цена долл.	Расход на 1 т
		Карбида железа			Металлизованных окатышей
		Количество	Стоимость		Количество	Стоимость
			долл.	%		долл.	%
Мелкая железная руда, т	23	1,4	32,2	27,2	-	-	-
Окатыши окисленные, т	30	-	-	-	1375	41,2	26,5
Природный газ, 1000 м3	90	0,375	33,8	28,5	0,35	31,5	20,3
Электроэнергия, МВт.ч	20	0,23	4,6	3,9	0,15	3	1,9
Трудозатраты	-	-	2,9	2,4	-	5,1	3,2
Амортизация	-	-	28,6	24,1	-	48,3	31,2
Прочие расходы	-	-	16,5	13,9	-	25,9	16,8
Итого	-	-	118,6	100	-	155	100
Расход энергии, МДж:
на сырье	-	2800	-	14,4	3300	-	18,2
природный газ	-	14100	-	72,3	13160	-	72,5
Электроэнергия	-	2587	-	13,3	1687	-	9,3
Итого	-	19487	-	100	18147	-	100