Бездоменное производство

В последние десятилетия в мировой металлургии наряду с действующими металлургическими интегрированными заводами (заводами с полным циклом) начали строить мини-заводы, использующие для выплавки стали металлолом. Эту тенденцию породили два обстоятельства.

1.      Накопление запасов металлолома при переходе от мартеновского к кислородно-конвертерному производству стали, при котором содержание лома в шихте по сравнению с мартеновским процессом ограничено.

2.      Развитие непрерывной разливки стали.

В результате появилась возможность создавать небольшие заводы, используя индукционные или дуговые электропечи, переплавляющие в сталь накопленные ресурсы металлолома. При этом отпадает необходимость иметь в производственном цикле добычу железорудного сырья, его обогащение и окускование, производство кокса. Инвестиционные затраты по такой схеме резко сокращаются, а себестоимость стали конкурентоспособна (с учетом экономии на транспортных расходах) со сталью интегрированных заводов. Это позволяет выходить на рынок металлопродукции сравнительно небольшим частным фирмам, производящим ограниченный сортамент металлопродукции.

1. Индукционная плавка

Происходит в индукционных печах путем нагрева металла токами, возбуждаемыми в нем переменным полем индуктора. При индукционном нагреве теплота выделяется непосредственно в нагреваемом металле, поэтому ее использование оказывается наиболее полным.

Особенности индукционной плавки:

1) индукционная плавильная печь является "чистым" агрегатом для переплавки металлов. Загружаемые металлы и добавки вступают во взаимодействие в зависимости от времени и температуры;

2) температуру и характер ее изменения можно регулировать в широких пределах;

3) интенсивное движение расплава обусловливает его глубокое перемешивание, в результате чего выравниваются состав и температура расплава;

4) температуры поверхностей расплава в режиме поддержания печи в разогретом состоянии или при подаче незначительной мощности немного ниже температуры расплава;

5) электромагнитные силы воздействуют только на металл. Нетокопроводящие включения выталкиваются, происходит самоочистка расплавленного металла;

6) отношение поверхности печи к ее общей вместимости может свободно варьировать в широких пределах.

Недостатком индукционных печей является низкая температура и активность шлака, поскольку он нагревается от металла.

Основными элементами индукционной установки являются печь с механизмом наклона и питающее электрооборудования электрооборудование (генератор повышенной частоты или трансформатор, батарея конденсаторов, щит управления и на крупных печах – автоматический регулятор электрического режима). Основные элементы печи – корпус (каркас), индуктор и огнеупорный тигель, закрываемый в больших печах крышкой.

2.Электродуговая плавка

Происходит в дуговых печах путем нагрева металла электрической дугой. Преобразование электрической энергии в тепловую происходит в электрической дуге, являющейся одной из форм разряда в газах. Для плавки чугуна применяют печи прямого нагрева (дуга горит между электродом и расплавляемым металлом), поскольку очаг высоких температур в них максимально приближен к поверхности металла, и поэтому условия передачи теплоты от дуги к металлу значительно лучше. Наиболее распространены трехфазные печи, в которых имеются рабочее пространство (собственно печь) с электродами и токоподводами и механизмы, обеспечивающие наклон печи, удержание и перемещение электродов и загрузку шихты. Расплавленный металл и шлак выпускают через желоб, наклоняя печь. Загрузку шихты производят сверху, через открытый куполообразный свод, выполненный из огнеупорных кирпичей. Огнеупорная кладка сферического пода и стен заключена в металлический кожух.

Дуговые печи выпускаются серийно, вместимостью 0,5; 1,5; 3; 6; 25; 50; 100 и 200 т. В чугунолитейном производстве применяют обычно печи вместимостью до 50 т.

ПРЯМОЕ ВОССТАНОВЛЕНИЕ ЖЕЛЕЗА

Экономика и дополнительные требования к чистоте металла снова вызвали к жизни старый, испытанный метод. Побуждающие причины достаточно очевидны:

• дефицит энергоресурсов и в частности кокса

• быстро растущая потребность в высококачественном металле.

Авиация, ракетная техника, приборостроение – вот далеко не полный перечень потребителей наиболее чистых металлов.

Метод прямого восстановления железа в наши дни по принципу остался без изменения – специально подготовленная, то есть обогащенная, руда, - концентрат, где содержится основной окисел железа восстанавливается в шахтной печи с помощью УГЛЯ, как это было в древности, или для этой цели используется КОНВЕРТИРОВАННЫЙ ГАЗ - природный метан, но преобразованный в смесь водорода и угарного газа (СО). Он оказался идеальным средством восстановления железной руды. Основной компонент природного газа – метан CH₄ разлагают окислением в присутствии катализатора в специальных аппаратах – реформерах .

Получается смесь восстановительных газов – окиси углерода и водорода. Эта смесь поступает в реактор, в который подается и железная руда. Формы и конструкции реакторов очень разнообразны. Иногда реактором служит вращающаяся трубчатая печь, типа цементной, иногда – шахтная печь, иногда – закрытая реторта. Этим и объясняется разнообразие названий способов прямого восстановления: МИДРЕКС, ПУРОФЕР, ОХАЛАТА-И-ЛАМИНА, СЛ-РН И Т.Д. Число способов уже превысило два десятка. Но суть их обычно одна и та же. Богатое железорудное сырье восстанавливается смесью окиси углерода и водорода.

Еще одним направлением развития использование АТОМНОЙ (ЯДЕРНОЙ) ЭНЕРГИИ (тепла ядер­ного реактора) в металлургии.

Современная технология получения черных металлов требует достаточно высоких темпе­ратур: выплавка чугуна - 1600 градусов, на­грев – 1400 градусов, термическая обработка прока­та — 1250 градусов.

Прямо воспользоваться атомными реакто­рами пока что нельзя, так как подобная «жара» наблюдается лишь внутри активной зоны. Перевод тепла в зону, где сравнительно спокойно, также требует особых условий. Не­обходимы металлические теплообменники, сооруженные из жаропрочных коррозионных сплавов. Ведь им надо выдержать одно­временно воздействие сильных механических нагрузок, радиации и высокой темпера­туры.

Таким образом, очевидно, что применение атомной энергии потребует принципиального изменения всей технологии черной металлур­гии.

Сейчас имеются три принципиально отли­чающихся друг от друга вида технологических процессов такого рода с участием атомной энергии.

Первый — высокотемпературное восстанов­ление. Процесс требует 1600 градусов. По­скольку атомные реакторы такой темпера­туры дать не могут, главным агрегатом слу­жит струйно-плазменный реактор, использую­щий для генерации плазмы - ядерную энер­гию.

Восстановительный газ — водород, сме­шанный или без посторонних примесей, расплавляет железо и его сплавы, восстанавли­вает, и в виде дождя жидких капель металл попадает в плавильную печь, где идут опера­ции легирования.

Существует схема среднетемпературного восстановления, когда процесс протекает при температуре 900 градусов. Восстановитель – водород или в чистом виде, или с примесью окиси углерода. Железо, естественно, находит­ся в твердом состоянии, образуя при восста­новлении своеобразную губку.

Метод позволяет полностью без промежуточных звеньев использовать атомно-энергетическую установку. Большую часть газа-восстановителя нагревают в теплообменнике атомного реактора. Правда, там температура невелика. К такому "холодно­му" газу можно подмешать более горячий, нагретый за счет электроэнергии ядерного ре­актора. Получается смесь, вполне пригодная для технологии.

Наконец, при низкотемпературном восста­новлении тепло поставляется атомным реакто­ром. Можно считать, что тут в чистом виде используется ядерная энергия.

Таковы три вида технологических процес­сов, которые, по мнению многих специалистов, имеют право на существование.

Конечным продуктом везде являются же­лезо, вода и углекислый газ, причем воду можно снова использовать для получения во­дорода и кислорода. Таким образом, появля­ются реальные возможности осуществить замкнутый цикл восстановления железа, создать безотходное производство.

Еще одним, и, конечно, наиболее интересным способом восстановления железа, является возможность – использовать ЧИСТЫЙ ВОДОРОД. Сам процесс восстановления пойдет достаточно быстро, более того, при этом не возникает лишних примесей: продукт восстановления – железо и вода. Однако получение и хранение водорода сопряжено со множеством чисто технических и экономических трудностей. Поэтому чистый водород пока что используют лишь для получения металлических порошков.

ПРЕИМУЩЕСТВА:

• высокая скорость восстановления

• безотходное производство (отсутствие получения примесей - продукт восстановления – железо и вода).

• полная экологичная безопасность

НЕДОСТАТКИ:

• высокая себестоимость водорода

Сейчас водород получают двумя испытан­ными методами — гидролизом воды и ее элек­тролитическим разложением, проще говоря, электролизом. Существует, правда, химичес­кое разложение, более выгодное, но оно не столь распространено, на что имеется ряд чи­сто технических причин. Поиск новых спосо­бов продолжается, ибо важность проблемы несомненна.

Предварительные расчеты и первые экспе­рименты показали: можно получать водород с такой низкой себестоимостью, что "водород­ная металлургия" обретет, наконец, надежную экономическую основу. А если учесть еще пол­ную экологическую безопасность водородных методик, то сомнений в том, что именно они и представляют собой будущее металлургии, ни у кого не возни­кает.

Значит, атомная металлургия сулит выигрыш по всем трем направлениям, на которых основано современное экономичное производство - минимум топлива и сырья, максимум забот об окружающей природе.

Новые технологии в металлургии:

Замена мартеновского метода производства стали на электросталеплавильный и кислородно-конвертерный методы (около 50% стали уже сейчас производится конвертерным способом).

Создание электрометаллургических комбинатов

Направлено на производство стали из металлизированных окатышей, которые получаются через прямое восстановление железа. На таких комбинатах достигаются гораздо более высокие технико-экономические показатели, чем на комбинатах, использующих традиционный способ получения металла.

Улучшение качества продукта и увеличение выпуска более эффективных его видов.

опережающий рост сырьевой базы, повышение содержания железа, марганца и хрома в концентратах, освоение технологии обогащения окисленных железных кварцитов;

изменение пропорций между способами выплавки стали в пользу кислородно-конвертерного и электросталеплавильного переделов при абсолютном сокращении мартеновского способа;

совершенствование структуры прокатного производства путем опережающего роста выпуска холоднопрокатного листа, проката с упрочняющей термической обработкой, фасонных и высокоточных профилей проката, экономичных и специальных видов стальных труб, в том числе многослойных труб для газопроводов;

применение прогрессивных технологий, особенно в связи с прямым восстановлением железа из руд, развитие порошковой металлургии, специальных переплавов и внепечной обработки стали, непрерывной разливки стали;

более полное использование лома черных металлов и металлосодержащих отходов.

4. Увеличение выпуска готового проката без роста производства чугуна, что произойдет благодаря внедрению технологий сниженной ресурсоемкости.

 

 

.