Памяти нашего учителя

Анатолия Николаевича ПОХВИСНЕВА

ПРЕДИСЛОВИЕ

До настоящего времени основное количество черных ме­ таллов (более 98 %) получают по двухступенчатой схеме чугун—сталь. По этой схеме железо из руды в ходе доменной плавки практически полностью переходит в чугун, а сталь производят из чугуна в конвертерах или сталеплавильных печах. При этом не имеет значения, как отмечал А.Н.Похвиснев, с какой долей скрапа (вплоть до 100 %) была по­ лучена сталь, так как скрап, в свою очередь, был получен

из чугуна.

Двухстадийный процесс, несмотря на кажущуюся сложность, по сравнению с непосредственным производством стали из руды, имеет следующие преимущества: возможность получать металл заданной марки из любого железорудного материала, высокую единичную производительность агрегата, сравни­ тельно низкий уровень материальных и энергетических •затрат и др. До последнего времени ни один из способов прямого получения стали из руды не выдерживал конкуренции с двухступенчатой схемой.

Во второй половине XX в. ситуация в промышленности резко изменилась. Возникшие дефициты источников энергии, территории, распространение производства металла в раз­ вивающихся странах, резкий рост требований к качеству ме­ талла и возросшие требования экологии заставили пере­ смотреть критерии успеха при получении черных металлов. Оказалось, например, что максимальная производительность труда, характерная для наиболее мощных доменных печей и

этих агрегатов, так как это может не соответствовать ко­ нечным народнохозяйственным критериям эффективности. Существенно выросло значение фактора "комфортности" чело­ века на производстве, уровня интеллектуального взноса при

традиционные методы производства металла. Эти способы часто объединяют одним названием "прямое получение желе­ за", хотя это не очень точно, о чем будет более подробно сказано далее.

Новые схемы производства металла развиваются во всех регионах мира, как в передовых, так и в развивающихся странах. В нашей стране с начала 80-х годов функционирует Оскольский электрометаллургический комбинат, не имеющий доменных печей и являющийся одним из наиболее крупных подобных заводов в мире. Намечается строительство ана­ логичных производств в других районах страны. Произ­ водство первичного металла в агрегатах бездоменной метал­ лургии отличается рядом особенностей, не позволяющих использовать книги по доменному производству в качестве учебников для новых технологий.

Настоящий учебник является одним из первых учебников, посвященных анализу бездоменной технологии производства металла из руд. Он создан на основе многолетнего чтения разделов специальных курсов и целиком новых специальных дисциплин в Московском институте стали и сплавов и Днеп­ ропетровском металлургическом институте. Авторы стреми­ лись при подготовке учебника использовать весь экспери­ ментальный и производственный материал, накопленный в промышленности и научных исследованиях с учетом новейших достижений физической химии, теплофизики и теплоэнерге­ тики, газодинамики и других фундаментальных дисциплин. Выбор наиболее важных и общих закономерностей из большого фактического материала, относящегося как к крупномасштаб­ ным, используемым в промышленности технологиям, так и к перспективным, но еще проходящим стадию проверки процес­ сам, представил основную трудность для авторов и вероятно привел к некоторой субъективности их позиции, что харак­ терно для многих книг и авторов. Поэтому авторы с благо­ дарностью примут замечания читателей этой книги.

погрешностью), что содержание общего железа в металлизованном материале близко 100%, можно принять, что каждые пять частей углерода дают один дополнительный процент ме­ таллизации. Впредь также под термином "руда" необходимо понимать любой железорудный материал — руду, агломерат, окатыши, концентрат и т.д.

Следует остановить внимание на использовании ряда тер­ минов, характеризующих новые способы производства метал­ ла. В литературе встречаются такие наименования, как металлизация сырья, прямое получение железа, бездоменная (внедоменная) металлургия железа, бескоксовая металлургия железа. На наш взгляд, ни один из них полностью не охва­ тывает существа технологий и процессов, поэтому не имеет явных преимуществ. Особенно неточен термин "прямое полу­ чение железа", поскольку по смыслу это не может быть ничем иным, как получением конечной стали из исходной ру­ ды в одном агрегате. Более чем за двухтысячелетнюю исто­ рию металлургии таким агрегатом был лишь сыродутный горн, наименее эффективный из всех известных металлургический агрегат. Даже старый, сопряженной с большими потерями же­ леза способ передела чугуна в кричных горнах оказался более выгодным, чем сыродутный процесс.

Практические все используемые в настоящее время в про­ мышленности или проходящие промышленную проверку процессы являются двухэтапными (получение первичного металла или полупродукта и переплав затем в сталеплавильных печах). Подобного рода упреки можно легко адресовать и другим терминам. Видимо, по аналогии с понятиями металлургии чу­ гуна и металлургии стали новое направление можно было бы назвать м е т а л л у р г и е й ж е л е з а . Впрочем,, и в наш адрес могут поступить в этом случае критические заме­ чания.

Большое число предложенных способов, посвященных ме­ таллургии железа, делает необходимым провести их класси­ фикацию. Наиболее предпочтительной, по мнению большинства специалистов, является классификация по виду получаемого продукта, т.е.:

получение частично металлизованных материалов для до­ менных печей;

получение металлизованного продукта в твердом виде для

переплавки в сталеплавильных агрегатах с получением стали (получение губчатого железа) (температуры 500—1000 °С);

получение металлизованного продукта в пластическом состоянии (получение кричного железа) для различных це­ лей, в том числе как вариант пирометаллургического обога­ щения труднообогатимых, бедных и комплексных руд (темпе­ ратуры 1100—1400 °С);

получение жидкого металла (чугуна или полупродукта) для переплава в сталеплавильных печах (температуры выше 1200-1400 °С).

§2. СРАВНЕНИЕ НЕКОТОРЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

МЕТАЛЛУРГИИ ЧУГУНА И МЕТАЛЛУРГИИ ЖЕЛЕЗА.

ПРИЧИНЫ РАЗВИТИЯ МЕТАЛЛУРГИИ ЖЕЛЕЗА

Оценка перспектив развития металлургии железа требует сравнения основных характеристик металлургии чугуна и ме­ таллургии железа.

Возможности переработки бедных железных руд

Доменный процесс обеспечивает получение кондиционного чугуна из железных руд с любым содержанием железа. При этом содержание железа влияет лишь на технико­ экономические показатели процесса. Металлизация бедных руд (применение для этих целей металлургии железа) может быть эффективна лишь для получения кричного железа и жид­ кого металла. Частично металлизованные материалы и губ­ чатое железо получать из бедных руд неэффективно. При получении частично металлизованных материалов из бедных руд необходимо ббльшее количество тепла на нагрев пустой породы и бблыиий расход восстановителя, обусловленный диффузионными затруднениями при восстановлении оксидов

вильных печах, обусловленному увеличением количества шла­ ка.

Доменная печь обеспечивает получение кондиционного по сере чугуна. Удаление из чугуна меди, фосфора, мышьяка невозможно. Низкотемпературные процессы внедоменного вос­

рой в шахтных печах составляет 30 %. Иначе говоря, все попутные элементы, присутствующие в исходной руде, остаются в губчатом железе и попадают в сталеплавильный агрегат. Это же относится к получению кричного металла (здесь возможна некоторая степень удаления серы). Получе­ ние жидкого металла позволяет удалить из процесса цинк,

Это требование остается обязательным для процессов полу­ чения губчатого и кричного железа в шахтных и вращающихся печах. Низкотемпературная металлизация измельченных руд возможна в специальных агрегатах (например, аппараты ки­ пящего слоя). Для большинства способов внедоменного полу­ чения жидкого металла размер кусков руды не имеет значе­ ния, что исключает из металлургического передела дорого­ стоящие процессы окускования мелких руд.

Использование недефицитных видов топлива

Для современных доменных печей невозможно использова­ ние другого вида топлива, кроме металлургического кокса. Это прежде всего связано с высокими прочностными качест­ вами кокса, сохраняющимися при высоких температурах. Ни один из известных ныне видов твердого топлива не может в этом отношении конкурировать с коксом. Можно определенно утверждать, что отсутствие или исчезновение источников

получения кокса будет означать конец доменного способа

производства металла.

В настоящее время большинство известных способов и технологий металлургии железа не требует использования в качестве компонента шихты кокса. Применяют полученные различным способом восстановительные газы (в основном при производстве губчатого железа), недефицитные виды каменного угля, бурые угли и продукты их переработки, нефтепродукты и др. Выбор топлива в этом случае в основ­ ном связан с экономической конъюнктурой в данном регионе.

Использование новых видов энергии

Несмотря на то, что использование энергии плазмы, атомной и других новых источников энергии для доменного производства не исключается, наибольший эффект от их при­ менения соответствует внедоменному получению металла. Это повышает шансы новых технологий в конкуренции с доменным процессом в обозримом будущем.

Основным вопросом, который определяет и в будущем будет пределять преимущество того или иного способа полу­ чения металла, является расход энергии на процесс. В упрощенном виде его можно свести к расходу тепла (или

и др.), попытаемся приближенно оценить эти величины для различных методов металлургии железа.

Получение и проплавка в доменных печах частично металлизованных материалов. Проплавка металлизованных железорудных материалов в доменных печах должна снижать расход углерода-восстановителя за счет уменьшения коли­ чества углерода, идущего на прямое восстановление оксидов железа, в результате чего уменьшается расход тепла на этот процесс. Известно, что кроме удовлетворения потреб­

формировании чугуна, т.е. восстанавливает трудновосстано­