Лекционный материал

И.Ф. Курунов

Главный доменщик ОАО «НЛМК»,

доктор технических наук, профессор

апрель - май 2011 г. Липецк

Тема 1 Современные технологические схемы, состояние производства и ресурсная база металлургии железа.

1. Основные промышленные технологии металлургии железа.

21 век, как и предыдущий, является веком железа. Основное количество строительных конструкций, деталей и корпусов машин и механизмов, бытовой техники изготавливается из стали или чугуна, т.е. из сплавов на основе железа, доля которых в конструкционных материалах превышает 50 %. Запасы железа на земле огромны. По распространенности в земной коре (толщина 100-130 км) железо занимает 4-е место после кислорода, кремния и алюминия. Кларк железа в земной коре составляет 4,65 % (рис.1).

Рис.1 Содержание О₂, Si, Al и Fe в земной коре

В то же время, по подсчетам американского геохимика Б.Мейсона, сделанных на основе современных космогенетических гипотез и результатов сейсмических исследований, в химическом составе планеты Земля содержание железа составляет 34 % (рис.2). Основное количество железа содержится в мантии (толщина 2900 км) в виде кристаллических (из-за огромного давления) силикатов и в ядре (радиус 3500 км) в виде жидкого железоникелевого расплава.

Рис. 2 Химический состав земли

Все современные промышленные способы экстракции железа из природных железных руд и техногенных железооксидных материалов делятся на два класса:

1. Получение чугуна в жидком виде

2. Получение железа или чугуна в твердом виде.

К первому классу относятся технологические процессы производство чугуна из природных железорудных окускованных или не окускованных железорудных материалов (Таблица 1) и из техногенных окускованных или не окускованных железосодержащих материалов (Таблица 2)

Таблица 1. Промышленные и пилотные* процессы производства чугуна из природного сырья

Название процесса	Физико-химическая сущность процесса	Применяемый агрегат	Используе-мое топливо
Доменный	Восстановление газом в противотоке +жидкофазное восстановление углеродом	Шахтная печь	Кокс + вдуваемое топливо
Corex,	Восстановление газом в противотоке +жидкофазное восстановление углеродом	Шахтный реактор+ плавильная печь	Уголь + кокс
Finex	Восстановление газом в кипящем слое + жидкофазное восстановление углеродом	3-4 реактора с кипящим слоем + плавильная печь	Уголь + кокс
Hismelt	Жидкофазное восстановление углеродом	Плавильная печь типа конвертера	Уголь
Ромелт	Жидкофазное восстановление углеродом	Плавильная печь	Уголь
Technored	Комбинированное восстановление	Низкошахная печь	Уголь
AusIron (Ausmelt) *	Жидкофазное восстановление углеродом	Плавильная печь	Уголь
- DIOS *	Жидкофазное восстановление углеродом	Плавильная печь	Уголь
ССF *	Газовое восстановление + жидкофазное восстановление углеродом	Плавильная печь типа конвертер-циклон	Уголь

Таблица 2. Промышленные и пилотные* процессы производства чугуна из техногенного сырья

Название процесса	Физико-химическая сущность процесса	Применяемый агрегат	Используе-мое топливо
PRIMUS	Комбинированное восстановление + жидкофазное восстановление углеродом	Многоподовая шахтная печь+ дуговая электропечь	Уголь
Ромелт*	Жидкофазное восстановление углеродом	Плавильная печь	Уголь
FASTMELT,	Комбинированное восстановление + жидкофазное восстановление углеродом	Камерная печь с вращающимся подом +дуговая электропечь	Уголь
IRON DYNAMICS	Комбинированное восстановление + жидкофазное восстановление углеродом	Камерная печь с вращающимся подом+дуговая электропечь	Уголь
REDSMELT	Комбинированное восстановление + жидкофазное восстановление углеродом	Камерная печь с вращающимся подом+дуговая электропечь	Уголь

Ко второму классу относятся так называемые процессы прямого получения железа, т.е. получения железа (или его сплава с углеродом) в твердом виде непосредственно из руды или подготовленных железорудных материалов, минуя стадию чугуна. Продуктом этих процессов является «железо прямого получения». К нему относятся:

• - металлизованные окатыши или губчатое железо (ГЖ);

• - горячебрикетированное железо (ГБЖ), получаемое из металлизованных окатышей или металлизованной мелкой железной руды;

• - крица;

• - фасолевидные чугунные гранулы (наггетсы).

В англоязычной литературе этот продукт получил название DRI (Direct Reduction Iron). Используемое иногда в русской литературе словосочетание «железо прямого восстановления» появилось в результате дословного перевода термина DRI без учета его смыслового значения - железо прямого получения, т.е. железо, полученное непосредственно из руды, минуя чугун. Словосочетание «железо прямого восстановления» в литературе по металлургии чугуна (как в русскоязычной, так и в англо – и немецкоязычной) используется для обозначения железа, восстановленного углеродом, а не газом.

Процессы прямого получения железа также разделяются на два подкласса по виду используемого топлива: газовые процессы прямого получения железа (Таблица 3) и угольные процессы прямого получения железа (Таблица 4).

Таблица 3. Газовые процессы прямого получения железа

Название процесса	Физико-химическая сущность процесса	Применяемый агрегат	Используемое топливо	Продукт
Midrex	Восстановление газом в противотоке	Шахтный реактор	Природный газ1	ГЖ, ГБЖ
HyL	Восстановление газом в противотоке	Шахтный реактор	Природный газ1	ГЖ, ГБЖ
Danarex,	Восстановление газом в противотоке	Шахтный реактор	Природный газ1	ГЖ, ГБЖ
GHAEM	Восстановление газом в противотоке	Шахтный реактор	Природный газ1	ГЖ, ГБЖ
Fior	Восстановление газом в кипящем слое	3-4 реактора с кипящим слоем	Природный газ1	ГБЖ
Finemet	Восстановление газом в кипящем слое	3-4 реактора с кипящим слоем	Природный газ1	ГБЖ

Примечание: 1- Во всех процессах может использоваться синтез-газ из угля;

Таблица 4. Промышленные и пилотные * угольные процессы прямого получения железа

Название процесса	Физико-химическая сущность процесса	Применяемый агрегат	Используемое топливо	Продукт
KINGLOR METOR	Комбинированное восстановление	Шахтная печь с электронагревом	Уголь	ГЖ
SL/RN	Комбинированное восстановление	Вращающаяся трубчатая печь	Уголь	Крица
Grate-Car	Комбинированное восстановление	Решетка-трубчатая печь	Уголь	ГЖ
Fastmet	Комбинированное восстановление	Камерная печь с вращающимся подом	Уголь	ГЖ
ITmk3	Комбинированное восстановление	Камерная печь с вращающимся подом	Уголь	Чугунные гранулы
DRyIron	Комбинированное восстановление	Камерная печь с вращающимся подом	Уголь	ГЖ
Comet*	Комбинированное восстановление	Камерная печь с вращающимся подом	Уголь	ГБЖ
Inmetco*	Комбинированное восстановление	Камерная печь с вращающимся подом	Уголь	ГБЖ

За прошедшее столетие выплавка стали в мире выросла в 29,5 раз - с 28,5 млн.т в 1900 году до 843 млн.т в 2000 году. Наиболее интенсивный рост выплавки стали (с 200 до 700 млн.т. стали) происходил с середины 50-х до середины 70-х годов и снова продолжился с конца 90-х годов по настоящее время (рис.3).

Рис.3 Изменение выплавки стали и чугуна в период с 1910 по 2010 гг.

Основное количество стали производится кислородно-конвертерным процессом, ведущая роль которого сохранится и в обозримом будущем, несмотря на рост доли электростали в странах, обладающих большим металлофондом (США) или имеющих развитое производство железа прямого получения (Индия). В этих странах отношение количеств производимых чугуна и стали существенно ниже среднемирового отношения (рис.4).

Рис.4 Отношение чугун/сталь (слайд 11).

Замедление ежегодного прироста выплавки стали ожидается во 2-й декаде 21 века, к концу которого производство стали превысит 2 млрд. т., а производство чугуна – 1,3 млрд.т. Отношение объемов производимого чугуна и стали в мире при этом сократится лишь до 0,65 (рис. 5).

Рис. 5. Изменение и прогноз выплавки стали и чугуна в период с 1910 по 2030 гг.

Т.о. и в 21 веке жидкий чугун остается основным и главным компонентом металлошихты при выплавке стали. Производство чугуна растет в соответствии с ростом производства стали, его доля в общей массе железа, получаемого из железорудного сырья, сохраняется стабильной, а руда и уголь продолжают быть основными сырьевыми материалами в экстрактивной металлургии железа.

В последние два десятилетия прошлого века производство железа прямого получения (DRI, металлизованные окатыши, ГЖ, ГБЖ, крица) росло с тем же темпом, что и производство чугуна. Однако доля этого продукта в общем производстве первородного железа (5-6 %) практически не изменялась. С начала 21 века темп роста выплавки чугуна, за счет интенсивного и масштабного роста доменного производства в Китае, опережает темп роста производства железа прямого получения. Прогресс в технологиях прямого получения железа не может повлиять на доминирующую роль доменного процесса в экстрактивной металлургии железа, прежде всего из-за ограниченного масштаба потребления в сталеплавильном производстве твердой металлошихты, частью, которой являются ГЖ, ГБЖ, крица и твердый чугун (чугунные фасолевидные гранулы-наггетсы – продукт процесса ITmk3).