5.3.4 Прямое получение железа
Современная технология получения железа по схеме чугун-сталь имеет кардинальный недостаток – двухстадийность. На первой стадии (в доменной печи) железо, восстанавливается из его оксидов науглероживается, образуя чугун. Последний сталеплавильный период необходим для удаления углерода из чугуна. Недостатком этой схемы является дефицитность коксующихся углей, высокая степень загрязнения окружающей среды продуктами коксования, поэтому в последние десятилетия интенсивно развиваются способы получения железа непосредственно из руд, называемые «бескоксовой металлургией».
Применяемые в промышленных масштабах методы прямого получения железа из руд в зависимости от физического состава получаемого продукта и температуры процесса можно разделить на три группы.
1 Способы получения губчатого железа и металлизованых окатышей, реализуемых при относительно низких температурах, при которых происходит только восстановление железа без плавления пустой породы. Продукт восстановления получают в твердом виде и переплавляют далее в электропечах.
2 Способы получения крицы, в которых температурные условия значительно выше, что обеспечивает восстановление оксидов железа и расплавление пустой породы с образованием шлака. Частицы восстановленного железа свариваются между собой, образуя тестообразную крицу, которую переплавляют в электропечах.
3 Способы жидкофазного восстановления железа, осуществляемые при температуре выше точки его плавления (1537°C). Конечные продукты процесса – жидкий металл (готовый продукт), который можно применять как стальной лом в других сталеплавильных процессах, для переработки в железный порошок (губчатое железо), в доменных печах (крица).
Особенности методов прямого получения железа обусловливают разные требования к исходному металлургическому сырью и восстановителям. Для производства губчатого железа и металлизированных окатышей используют богатые, не содержащие вредных примесей руды или концентраты и малосернистые восстановители. Это объясняется тем, что пустая порода исходных материалов остается в восстановленном продукте и при последующей плавке может вызвать повышенный выход шлака, что делает процесс неэкономичным, а сера и другие примеси загрязняют металл.
При производстве крицы вследствие перехода пустой породы в шлак, отделяемый от металла, возможно применение бедных руд и низкосортного топлива. При получении жидкой стали целесообразна переработка богатых руд и концентратов, а также брикетов и окатышей В качестве восстановителя во всех методах используют оксид углерода, водород, их смеси, коксик, низкосортное твердое углеродистое топливо.
В настоящее время наибольшее распространение имеют способы производства губчатого железа (15%) и металлизированных окатышей (80%). В 1998 г. их мировой выпуск оценивался примерно в 40 млн. т. Быстрыми темпами в данной группе развиваются способы, реализуемые в шахтных печах (технология Мидрекс).
Мидрекс – процесс (20 млн. т/год) разработан в США. В России по этой технологии работает Оскольский электрометаллургический комбинат (ОЭМК), производящий 1,7 млн. т/г металлизированных окатышей в четырех шахтных печах. Схема комбината включает получение окатышей из богатых концентратов КМА, их загрузку сверху в печь и восстановление при 900°C конверсированным природным газом (около 65% H2 и 35% CO).
Окатыши содержат до 95% Fе и 1,5–2,0% углерода. На одну тонну металлизированного сырья расходуется 300 м3 природного газа и 115 кВт-час электроэнергии.
Кричное железо производят преимущественно во вращающихся печах, используя низкосортное топливо (коксовую и угольную мелочь, буроугольный полукокс). На разгрузочном конце печи температура достигает 1270–1300°C. Продукт после охлаждения состоит из внешне тестообразного шлака с включением криц размером 5–30 мм. Его дробят и подвергают магнитной сепарации с выделением крицы для последующей переработки в доменном и сталеплавильном производствах.
Процессы жидкофазного восстановления имеют ряд преимуществ перед твердофазными или кричными: не требуется окускование железорудных материалов, не нужен кокс, резко возрастает скорость процесса. В последнее время это направление интенсивно развивается, особенно "Корекс - процесс" и плавка в жидкой ванне (ПЖВ).
"Корекс - процесс" двухстадиен. Вначале проводят твердофазное восстановление руды газом в шахтной печи, а затем расплавление и довосстановление полученного продукта углем в расположенной ниже ванне и получают чугун. Температура поддерживается за счет сгорания угля, загружаемого вверху плавильной печи, перед кислородными фурмами, расположенными над расплавом. Расход энергетического угля – 1050–1100 кт, кислорода – 580 м3 на 1т чугуна.
Следует отметить, что «Корекс - процесс» выдает в качестве конечного продукта чугун, что является недостатком, который имеет существенные преимущества перед доменной плавкой. т.к. позволяет исключить окускование, коксохимическое производство и, в ряде случаев, обогащение железорудного сырья (рисунок 5.7).
Рисунок 5.7 – Сравнение процессов доменного и Корекс