§ 1. Актуальность проблемы

Основная масса железа, используемая человечеством, проходит через операцию восстановления из железной руды, осуществляемую в доменных печах.

В настоящее время доменная печь, как агрегат высокой производительности и весьма экономичный, не имеет конкурентов. Однако доменное производство имеет существенные недостатки: необходимость использования каменноугольного кокса; использование железорудного сырья в виде достаточно прочного кускового материала (агломерата). Таким образом, для функционирования доменного

177

производства необходимы добыча коксующихся углей, коксохимическое производство, обогащение железных руд, агломерационное производство и т.д. Все это, помимо чисто производственных затрат, связано с решением серьезных экологических проблем.

Понятно поэтому, что возможность организации рента бельного процесса прямого получения железа непосредственно из железной руды, минуя доменную печь, представляет собой заманчивую инженерную задачу. При этом необходимо принять во внимание также следующее:

развитие способов глубокого обогащения железных руд обеспечивает сегодня получение не только высокого содержания железа в концентратах, но и заметное очищение их от серы и фосфора. При обычной доменной плавке эти преимущества не могут быть использованы (особенно учитывая содержание серы в коксе);

материал, полученный непосредственно из железных руд, практически не содержит примесей цветных металлов. Так, например, из руд Лебединского месторождения (КМА) можно получить материал, содержащий <0,001 % Zn и <0,002 % РЬ.

Такие материалы незаменимы при производстве сталей ответственного назначения, требующих высокой чистоты по примесям цветных металлов.

Решение проблемы получения (в промышленных масштабах) железа, минуя доменный процесс, осуществляется, в основном, следующими способами:

1) восстановление железа из твердых железорудных мате риалов взаимодействием с твердыми или газообразными вос становителями по реакциям

Fe₂O₃ + (С; СО; Н₂; СН₄) –* Fe + (СО; СО₂; Н₂О);

2) восстановление железа в кипящем железистом шлаке (жидкофазное восстановление) по реакциям

(FeO) + (С; СО) –»► Fe + СО₂;

3) получение из чистых железных руд карбида железа по реакции 3Fe₂O₃+ 5H₂+ 2CH₄= 2Fe₃C + 9H₂O. Процесс протека ет при температуре ~ 600°С и давлении ~ 4 атм (0,4 МПа), получают зерна 0,1-1,0 мм, содержащие > 90% Fe₃C.

По первому способу в мире работает несколько десятков (общей мощностью около 30 млн.т/год); по второму – две

178

промышленных и несколько полупромышленных установок; по третьему – одна промышленная установка.

В связи с ужесточением экологического контроля за металлургическим производством и, одновременно, в связи с необходимостью иметь шихтовые материалы, чистые от примесей цветных металлов, масштабы внедоменного производства железа непрерывно растут, одновременно расширяется и фронт исследовательских работ в этом направлении.

§ 2. Процессы твердофазного восстановления железа

Процесс повышения содержания железа в железорудных материалах получил название процесса металлизации, получаемый продукт – название металлизированного, под степенью металлизации понимают обычно процент железа в продукте.

По назначению металлизированные продукты обычно делят на три группы:

1. продукт со степенью металлизации до 85 % исполь зуется в качестве шихты доменной плавки;

2. продукт со степенью металлизации 85–95 % исполь зуется в качестве шихты при выплавке стали;

3. продукт, содержащий более 98 % Fe, используют для производства железного порошка.

Процессы металлизации железорудных материалов осуществляются при температурах, не превышающих 1000–1200 °С, т.е. в условиях, когда и сырье (железная руда или железорудный концентрат), и продукт представляют собой твердую фазу, а также не происходит размягчения материалов, их слипания и налипания на стенки агрегатов. Такие процессы прямого получения железа из руд получили название процессов твердофазного восстановления. Поскольку получаемый материал напоминает пористую губку, его часто называют "губчатым железом". За рубежом принята аббревиатура DRI (англ. Direct–Reduced–Iron).

Основная масса получаемых продуктов (в мире – более 20 млн. т/год) используется в качестве шихты сталеплавильных агрегатов.

Для восстановления оксидов железа обычно используют в качестве восстановителя или уголь (твердый восстановитель), или природный газ (газообразный восстановитель). При этом предпочтительно использование не "сырого" при-

179

родного газа, а горячих восстановительных газов, так как при этом не затрачивается тепло на диссоциацию углеводо родов, а приход тепла определяется нагревом восстанови тельных газов. ₊

Восстановительные газы получают конверсией газообразных углеводородов, либо газификацией твердого топлива.

Конверсия может быть:

кислородной (воздушной) СН₄+ 1/2О₂ = СО + 2Н₂ + Q,

паровой СН₄ + Н₂О = СО + ЗН₂ - Q или

углекислотной СН₄ + СО₂ = 2СО + 2Н₂ - Q.

Паровая и углекислотная конверсии для протекания реакции требуют затрат тепла. Конверсию осуществляют в специальных аппаратах с использованием катализаторов.

Газификация твердого топлива осуществляется по следующим реакциям:

С + 1/2O₂ = CO + Q;

С + Н₂О = СО + Н₂ - Q;

С + СО₂ = 2СО - Q.

Только в 1990–1994 гг. в мире пущено более 20 установок прямого восстановления. Установки строятся, главным образом, в странах, располагающих дешевым сырьем (Индия, Мексика, Венесуэла, ЮАР).

Существует несколько десятков типов процессов и установок прямого восстановления железа (рис. 66).

Наиболее распространенными являются способы Мидрекс (Midrex, США) и ХиЛ (HyL, по наименованию фирмы Hojalata у Lamina, Мексика). Способом Мидрекс производится примерно 2/3 всего мирового производства, способом ХиЛ– примерно 1/4. Принципиальная схема способа Мидрекс представлена на рис. 67. Главным отличием его является способ конверсии природного газа. Конверсия в этом процессе осуществляется диоксидом углерода, содержащимся в отходящем из печи газе по реакции СН₄ + СО₂ = 2СО + 2Н₂. Перед подачей отходящего газа в конверсионную установку он проходит очистку от пыли и Н₂О. Конвертированный газ, содержащий ~ 35 % СО и ~ 65 % Н₂, подают в печь при температуре

Конверсия от латинского conversio – изменение, превращение. 180

Рис. 66. Принципиальные схемы агрегатов прямого восстановления, используемые в различных процессах: а – Мидрекс; б – ХиЛ; в – Круппа.

Обозначения: О – железорудные окатыши; Р – руда; ГЖ – губчатое железо; ВГ – восстановительный газ; ОГ – отходящий газ; Т – топливо; У – уголь

Рис. 67. Принципиальная схема процесса "Мидрекс":

1 – воздуходувка; 2 – теплообменник; 3 – смеситель газов; 4 – конверсионная установка; 5 – компрессор; 6 – скруббер для колошникового газа; 7 – шахтная печь; 8 – скруббер; 9 – вибрационный грохот; 10 – брикетный пресс

181

750 °С. Кроме этого, в нижнюю часть печи подают охлажденный оборотный газ. Охлажденные окатыши содержат ~ 95 % Fe и ~ 1 % С. Содержание углерода в губке при необходимости может быть повышено.

Металлизованные охлажденные окатыши непрерывно выгружаются в бункер емкостью 5 тыс. т, где хранятся в инертной атмосфере перед плавкой в дуговых печах. Расход природного газа на процесс составляет около 350 м³ на 1т губчатого железа. Этот процесс осуществлен у нас на Оскольском электрометаллургическом комбинате.

Кроме этого, укажем на процесс восстановления в периодически действующих ретортах, известный как HyL (ХиЛ). Основная особенность процесса – применение паровой конверсии природного газа, осуществляемой в аппаратах, в которых расположена кирпичная насадка с добавкой никеля в качестве катализатора. Конверсия протекает по реакции

сн₄ + н₂о = со + зн₂.

Газ перед конверсией подвергается десульфурации. Получаемый конвертированный газ содержит около 14 % СО, 58 % Н₂, 21 % Н₂О и 4–5 % СО₂. Горячий газ проходит через котел-утилизатор и освобождается от паров воды. Сухой конвертированный газ содержит около 73 % Н₂, 15–16 % СО и 6–7 % СО₂. Он подогревается до температуры 980–1240 °С в трубчатых рекуператорах, отапливаемых газом, выходящим из агрегатов восстановления. В этих агрегатах окатыши или руда нагреваются в результате использования физического тепла восстановительного газа, и при температуре 870– 1050 °С происходит восстановление железа водородом и оксидом углерода. На первых установках в качестве агрегатов восстановления применялись реторты. На установке таких реторт четыре.

Устройство реторты показано на рис. 68. Емкость каждой реторты 100–150 г. Реторты переставляются с одной позиции на другую, что обусловливает циклический характер процесса, складывающегося из последовательных операций загрузки, нагрева и восстановления железорудной шихты, охлаждения и выгрузки губчатого железа. Реторты загружают и подают в них газ сверху. Для выгрузки готовой губки служат резец и специальные разгрузочные скребки. Губчатое железо поступает на желоб и далее на хборный конвейер, транспортирующий губку в сталеплавильный цех. На каждой установке

182

Рис. 68. Реторта для металлизации по способу ХиЛ:

1 – гидравлический цилиндр; 2 – тележка; 3 – 5 привод; 4 - кожух; 5 - крышка; 6 – загрузочная горловина; 7 – площадка для обслу- ^ живания; 8 – резец с рычагами для удаления губки; 9 – футеровка; 10 – механизм управления откидным днищем; 11 – откидное днище; 12 – разгрузочный желоб

в газовом цикле участвуют четыре реторты, в каждой из которых протекают различные процессы. В одной реторте происходит предварительный подогрев шихты и восстановление ее газом, выходящим из других реторт и прошедшим освобождение от Н₂О, и подогрев. В двух ретортах происходит довосстановление железа шихты подогретым газом, получаемым в конверсионной установке. В четвертой происходит науглероживание.

Степень восстановления железа в готовом продукте составляет 75– 92 %. На 1т продукта (губчатого железа) затрачивают 600 м³ природного газа и около 36 МДж электроэнергии. Другие способы получения губчатого железа широкого распространения не получили. Заслуживают лишь особого внимания технологии, обеспечивающие бескоксовую организацию переработки комплексных руд, содержащих помимо железа такие ценные компоненты, как ванадий, титан, никель и др. Так, например, Институт металлургии Уральского отделения РАН разработал процесс углетермического восстановления рудоугольных окатышей при высоких температурах на колосниковых установках с использованием любых некоксующихся углей в качестве твердого восстановителя.

Технологическая схема выглядит следующим образом: 1) окомкование железорудного материала с твердым топливом с получением рудоугольных окатышей; 2) обжиг окатышей на установках колосникового типа с получением высокометалли-зированного сырья; 3) использование металлизированных

183

окатышей в качестве легирующей присадки при получении стали в электропечах.