§ 3. Процессы жидкофазного восстановления (пжв)

В течение последних 10 лет особое внимание уделяется поискам оптимальных инженерных решений организации восстановления железа из руд в жидкой фазе. В ряде промышленно развитых стран действуют государственные программы исследовательских работ для решения этой проблемы. Такие программы составлены Департаментом энергетики США (ДОЕ) и Американским институтом чугуна и стали (AISI), в Японии ведутся работы по программе "Прямой процесс плавления-восстановления железной руды (DIOS)".

В первой программе разрабатывается следующая концепция процесса:

1. процесс основывается на плавке в ванне железорудных окатышей и мелкой железной руды вместе с углем, с подачей кислорода в непрерывном процессе с получением полупро дукта;

2. теплота от последующего горения выделяющихся вос становительных газов должна быть эффективно возвращена в ванну, а технологические газы утилизируются для предвари тельного подогрева и восстановления руды.

В основе японской программы DIOS:

1. использование кипящего слоя для предварительного восстановления железорудной мелочи;

2. плавление и восстановление в агрегате с получением чугуна из предварительно восстановленной железорудной ме лочи;

3. реформирование отходящих газов путем добавки уголь ной мелочи.

Программа исследований в этом направлении имеется и в России.

К настоящему времени наиболее известны два инженерных решения, доведенные до промышленного использования. Первое решение реализовано на заводе фирмы Искор в Претории (ЮАР) компанией Фест Альпине (VOEST-ALPINE). Разработчики назвали процесс COREX (англ. Coal–Reduction–Experience). Существо процесса Корекс видно из рис. 69. В восстановительную шахту 14 загружают кусковую руду (или агломерат,

184

Рис 69 Схема процесса COREX

1 – железная руда, 2 – известь, 3 – доломит, 4 – уголь, 5 – кокс, 6 – песок, 7 – осушительное устройство, 8 – грохочение, 9 – дробилка, 10 – колошниковый газ, 11 – отходящие газы, 12 – скруббер колошникового газа, 13 – система подачи угля, 14 – восстановительная шахта, 15 – восстановительный газ; 16 – циклон горячей пыли, 17 – скруббер охлаждающего газа, 18 – охлаждающий газ, 19 – продукты газификации, 20 – плавильный агрегат-газификатор, 21 – кислород, 22 – выпуск металла и шлака

или окатыши, или смесь этих компонентов). Проходя навстречу току восстановительного газа, материал восстанавливается до губчатого железа (до 90 % Fe). Затем губчатое железо шнековым транспортером подается в плавильную гази-фикационную камеру, где осуществляется окончательное восстановление, плавление и нагрев расплава. Выпуск чугуна и шлака – так же, как и в обычной доменной печи. Средний состав получаемого (в 1993 г.) чугуна, %: 4,24 С; 0,6 Si; 0,33 S; 0,16 Р; температура 1493 °С; выход шлака ~ 0,45 кг/т; расход (на 1 т чугуна): железная руда 1497 кг; уголь 1183 кг; флюсы 424 кг; кислород 588 м³.

Восстановительный газ образуется в плавильно-газификационной камере, где газифицируется уголь (газифицирующий агент – кислород). Благодаря высокой Температуре под куполом плавильной камеры-газификатора (выше 1000 °С) высшие углеводороды, выделяющиеся из угля, моментально разлагаются на оксид углервда и водород. Таким образом, в камере не образуются такие нежелательные побочные продукты, как смолы, фенолы и т.п.

185

Газ, образующийся в газификационной камере, состоит из СО и Н₂, а также содержит угольную пыль и частицы железа. Мелкая пыль, в основном, улавливается в циклоне горячей пыли 16 и возвращается в газификатор. Специальная кислородная горелка дожигает углерод в пыли до СО, а также расплавляет золу и другие элементы в пыли. Газы, выходящие из циклона 16, подаются в восстановительную камеру-шахту 14. Здесь происходит восстановительный процесс одновременно с десульфурацией газа. С учетом добавления охлаждающего газа 18 температура восстановительного газа 75 находится в оптимальном интервале 800–850 °С. Газ, выходящий из восстановительной шахты, очищается и охлаждается в скруббере 12 и затем его можно использовать или для производства электроэнергии, или на химических производствах, или на расположенных рядом агрегатах твердофазного восстановления железа; последний вариант – предпочтительней. Комбинирование процесса Корекс с прямым восстановлением позволяет получить экономичный качественный продукт.

На рис. 70 представлена схема печи ПЖВ другого типа – конструкции МИСиС, установленной «а НЛМК . Восстановительная плавка происходит в жидкой шлаковой ванне, продуваемой кислородсодержащим дутьем. Источником тепла в процессе служит энергетический уголь, он же является восстановителем. Главной особенностью процесса является одно-стадийность получения чугуна. Она обеспечивается за счет использования принципа дожигания выделяющихся из ванны восстановительных газов в одношлаковом пространстве агрегата через ряд специальных фурм. При этом происходит возвращение большей части тепла от дожигания обратно в шлаковую ванну для обеспечения протекания реакций восстановления. Физическое тепло отходящих из агрегата газов используется в котле-утилизаторе конвертерного типа, и далее охлажденные газы направляются на газоочистку.

В процессе обеспечиваются условия десульфурации, так как до 90 % всей серы шихты уносится отходящими газами в виде SO₂; SO₃; CS; CS₂; COS. Шлак в этих условиях, поглощая не более 10% S шихты, обеспечивает выплавку кондиционного по сере чугуна. При основности шлака CaO/SiO₂» 1,0

П о предложению авторов процесса для международного наименования в коммерческих целях процессу присвоен товарный знак – процесс ROMELT – Ромелт (Российская плавка).

186

Рис. 70. Схема установки ROMELT, продольный (а) и поперечный (б) разрезы: 1 – барботируемый слой шлака; 2 – металлический сифон (отстойник); 3 – шлаковый сифон (отстойник); 4 – горн с подиной; 5 – переток; б – загрузочная воронка; 7 – дымоотводящий патрубок; 8 – фурмы нижнего ряда (барботажные); 9 – фурмы верхнего ряда (для дожигания); 10 – слой спокойного шлака; 12 – водоохлаждаемые кессоны

в нем содержится ~ 2,2 % Fe. Наличие в шлаке заметного содержания оксидов железа обеспечивает удаление до 40 % Р шихты. Содержание кремния и марганца в получаемом чугуне – до 0,10 %. Преимуществом процесса является возможность использования необогащенных железных руд и дешевых энергетических углей (такие угли в 2-3 раза дешевле коксующихся). Отсутствие операций обогащения железной руды, агломерации, производства окатышей сокращает потери железа (по расчетам на 15–29 %).

Самостоятельным направлением процесса жидкофазного восстановления является комплексная переработка железосодержащих материалов с примесями ценных компонентов (цинка, свинца, ванадия, титана, благородных металлов). Например, успешно перерабатывались железосодержащие шлаки цинкового производства с получением чугуна и улавливанием цинка, шламы ванадиевого производства с получением чугуна и извлечением из него ванадия; большой интерес представляет проблема переработки шламов глиноземного производства с получением чугуна и алюминиевого сырья и т.д.

В России разработки по процессу жидкофазного восстановления ведутся в соответствии с государственной научно-технической программой "Ресурсосбережение и экологически чистые процессы в горно-металлургическом производстве".

187