Технология получения губчатого железа

Введение

В современной металлургии доменное производство занимает значительную часть среди всех остальных ее ответвлений. Без получения качественного по химическому составу доменного чугуна невозможно изготовление качественной стали, поскольку она является одним из ведущих сплавов на рынке, а ее полупродукт всесторонне находит применение в термообработке, обработки металлов давлением, литейном производстве и т.д. Непосредственное доменное получение чугуна на протяжении многих лет сохраняла свою универсальность под влиянием научно-технического прогресса, поскольку максимальная аккумуляция энергии и простота использования продуктов горения позволяли ей занимать лидирующую позицию среди всех других металлургических производств.

Помимо нестабильной экологической ситуации, связанной с большим количеством выбросов примесей в атмосферу при использовании техногенного сырья, содержащейся в металлургической шихте, и проблемной утилизацией отходов в промышленности, в ходе которой наблюдались критические потери большей части сопутствующих элементов, одной из отрицательных сторон доменного производства является применение такого дорогостоящего твердого топлива, как коксовый углерод. Поэтому современная металлургия начала разработку и применение методов, основанных на использовании другого вида топлива для прямого получения железа и чугуна и связанных с максимальной минимизацией расхода коксового углерода.

Также столь быстрое развитие такого производства обусловлено стремлением металлургических предприятий, базирующихся на электросталеплавильных технологиях, расширить объемы использования первородного сырья в условиях недостаточного предложения высокосортного лома черных металлов. При этом необходимо заметить, что, каким бы качественным ни был лом, он все равно уступает технологии прямого получения железа из-за наличия в нем большого количества примесей, что затрудняет получение чистых сталей.

Так называемая бескоксовая металлургия, основанная на методах прямого получения железа из обогащенной руды или концентрата без использования углерода кокса для восстановления железорудных материалов, в 1960-х года начала бурно развиваться. Ее суть заключалась в получении железа путем восстановления шихтовых материалов посредствоv СО, Н2, CH4, жидкого или твердого топлива. Первые эксперименты по получению готового металлизированного железа происходили еще в 50-х годах прошлого столетия: в то время готовый продукт получался не особо качественным, а наличие примесей было чрезвычайно много. Изготовление годных материалов наступило в 80-х года, когда промышленность с широким размахом начала использовать природный газ.  

На данный момент существует более 20 методов прямого восстановления железа, однако ведущими и наиболее широко применяемыми являются Midrex, HYL III, Корекс.  

1. Продукты металлургии железа

Результатом восстановления железорудных материалов во внедоменном производстве являются метализованное или, при малой степени восстановления, частично метализованное железо (с англ. Direct Reduction Iron). Качество восстановление руды оценивается степенью металлизации:

где  – металлическое железо,  – вся доля железа, содержащаяся в руде. Зная степень металлизации и содержание общего железа, не трудно определить количество металлического железа по массе.

Завершенность металлизации определяется путем определения степени восстановления руды, характеризующего относительное количество связанного с железом кислорода, удаленного в процессе восстановления:

где  – масса удаленного при восстановлении кислорода,  – масса кислорода, связанного с железом в конечном состоянии.

При высокой степени металлизации оставшимся в продуктах оксид железа представлен в форме FeO.

По мнению таких металлургов, как Юсфин Ю.С. и Пашков Н.Ф., прямых путей получения железа не существует, поэтому термин “прямое получение железа” является некорректным, поскольку на металлургическом производстве происходит, как минимум, двухэтапные процессы.   

Существует классификация железа по виду получаемого продукта:

1) Частично металлизованное (степень металлизации 30-50%)

2) Высокометаллизированное железо или губчатое железо (степень металлизации 85-95%)

3) Металлизированное железо в пластическом состоянии или кричное железо

4) Чугун и полупродукты

 

Процесс Мидрекс

Технология Midrex является способом получения железа за счет восстановления природным газом окатышей или кусковой руды и была разработана фирмой Midland-Ross Corporation в 1966 году.

Его суть заключается в процессе восстановление гематита до железа в шахтной печи за счет водорода и монооксида углерода, после чего последующее губчатое железо науглероживается. Развитие этих процессов зависит от температуры газа-восстановителя, его состава, времени пребывания газа и шихты в печи. Значительное влияние на кинетику восстановительных процессов оказывает химический состав самой шихты, в частности содержание Fe(2+) в окисленных окатышах.

Процесс ХиЛ-III

Около 25% губчатого железа производится на установках прямого восстановления, работающих по мексиканской технологии HYL-III. Данный способ позволяет перерабатывать в качестве железосодержащего материала окатыши разного сорта и смеси окатышей и кусковой руды. 

В качестве восстановителя используется природный газ, который, будучи очищенным, пропускается через слой ZnO вместе водяным паром в соотношении 2,4 для удаления серы в заполненную никелевым катализатором трубку, в которой происходит реакцию расщепления газа на СО и водород. Тепло, необходимое для этой реакции достигается в результате сжигания природного газа в смеси с остаточным газом процесса восстановления. Энергия дымовых газов полно используется в теплообменных аппаратах и на установках предварительного нагрева газа-восстановителя.

Заключение

Поскольку такое твердое топливо, как металлургический кокс, является дефицитным, и, следовательно, дорогостоящим, современная металлургия железа и сплавов активно внедряет методы по получению восстановленного железа без его удельных затрат. Однако, как показывает практика, коэффициент полезного действия агрегатов, работающих на использовании сторонних источников получения газового восстановителя, по сравнению с доменными печами, достаточно низок. При этом их эксплуатация должна вестись при строго определенном температурном режиме: повышение температуры восстановителя, помимо непосредственного увеличения производительности шахтной печи, уменьшения расхода топлива и вероятности вторичного окисления, влечет за собой спекание шихтовых материалов. Также одним из недостатков использования таких технологий является окускование чистых по сере железорудных материалов в виде агломерата и окатышей, что ведет за собой дополнительные затраты. При этом применение кусковых руд может привести к тому, что газопроницаемость шихты резко уменьшится, что снизит качество восстановления.

Решение задач, связанных с газодинамикой газового восстановителя, также по сей день является трудновыполнимой. Распределение угарного газа и водорода внутри рабочего пространства печей носит неравномерных характер, и, следовательно, приводит к неравномерному восстановлению железа. Степень использования восстановителей сильно варьируется. Также предъявляются высокие требования к содержанию углерода после процесса восстановления материалов для дальнейшего стального передела в электрических печах.  

Восстановление шихтовых материалов по способам Мидрекс, ХиЛ-3, Корекс и др. происходит в сложнейших агрегатах, представляющих собой комплексную систему взаимосвязанных технологий, при этом установки достаточно сложны и по своему устройству, и тепловой работе, включающей в себя тонкости расчетов уравнений, описывающих процессы тепломассопереноса, газодинамики и теплогенерации.  

 

 Список литературы

1. Юсфин Ю.С., Пашков Н.Ф. Металлургия железа: учебник для вузов. – М.: ИКЦ “Академкнига”, 2007. – 464 с.: ил.

2. Улахович В.А. Выплавка чугуна в мощных доменных печах. – М.: Металлургия, 1991. – 172 с.

3. Скляр В.А. Прогрессивные энерго- и ресурсосберегающие металлургические технологии. Учебное пособие для обучающихся по направлению “Металлургия”. Изд. “Интеллектуальная система Rideo”, 2017 – 62 с.: ил.

4. Юсфин Ю. С., Гиммельфарб А. А., Пашков Н. Ф. Новые процессы производства металла. — Москва: Металлургия, 1994. — 320 с.

   

Введение

В современной металлургии доменное производство занимает значительную часть среди всех остальных ее ответвлений. Без получения качественного по химическому составу доменного чугуна невозможно изготовление качественной стали, поскольку она является одним из ведущих сплавов на рынке, а ее полупродукт всесторонне находит применение в термообработке, обработки металлов давлением, литейном производстве и т.д. Непосредственное доменное получение чугуна на протяжении многих лет сохраняла свою универсальность под влиянием научно-технического прогресса, поскольку максимальная аккумуляция энергии и простота использования продуктов горения позволяли ей занимать лидирующую позицию среди всех других металлургических производств.

Помимо нестабильной экологической ситуации, связанной с большим количеством выбросов примесей в атмосферу при использовании техногенного сырья, содержащейся в металлургической шихте, и проблемной утилизацией отходов в промышленности, в ходе которой наблюдались критические потери большей части сопутствующих элементов, одной из отрицательных сторон доменного производства является применение такого дорогостоящего твердого топлива, как коксовый углерод. Поэтому современная металлургия начала разработку и применение методов, основанных на использовании другого вида топлива для прямого получения железа и чугуна и связанных с максимальной минимизацией расхода коксового углерода.

Также столь быстрое развитие такого производства обусловлено стремлением металлургических предприятий, базирующихся на электросталеплавильных технологиях, расширить объемы использования первородного сырья в условиях недостаточного предложения высокосортного лома черных металлов. При этом необходимо заметить, что, каким бы качественным ни был лом, он все равно уступает технологии прямого получения железа из-за наличия в нем большого количества примесей, что затрудняет получение чистых сталей.

Так называемая бескоксовая металлургия, основанная на методах прямого получения железа из обогащенной руды или концентрата без использования углерода кокса для восстановления железорудных материалов, в 1960-х года начала бурно развиваться. Ее суть заключалась в получении железа путем восстановления шихтовых материалов посредствоv СО, Н2, CH4, жидкого или твердого топлива. Первые эксперименты по получению готового металлизированного железа происходили еще в 50-х годах прошлого столетия: в то время готовый продукт получался не особо качественным, а наличие примесей было чрезвычайно много. Изготовление годных материалов наступило в 80-х года, когда промышленность с широким размахом начала использовать природный газ.  

На данный момент существует более 20 методов прямого восстановления железа, однако ведущими и наиболее широко применяемыми являются Midrex, HYL III, Корекс.  

1. Продукты металлургии железа

Результатом восстановления железорудных материалов во внедоменном производстве являются метализованное или, при малой степени восстановления, частично метализованное железо (с англ. Direct Reduction Iron). Качество восстановление руды оценивается степенью металлизации:

где  – металлическое железо,  – вся доля железа, содержащаяся в руде. Зная степень металлизации и содержание общего железа, не трудно определить количество металлического железа по массе.

Завершенность металлизации определяется путем определения степени восстановления руды, характеризующего относительное количество связанного с железом кислорода, удаленного в процессе восстановления:

где  – масса удаленного при восстановлении кислорода,  – масса кислорода, связанного с железом в конечном состоянии.

При высокой степени металлизации оставшимся в продуктах оксид железа представлен в форме FeO.

По мнению таких металлургов, как Юсфин Ю.С. и Пашков Н.Ф., прямых путей получения железа не существует, поэтому термин “прямое получение железа” является некорректным, поскольку на металлургическом производстве происходит, как минимум, двухэтапные процессы.   

Существует классификация железа по виду получаемого продукта:

1) Частично металлизованное (степень металлизации 30-50%)

2) Высокометаллизированное железо или губчатое железо (степень металлизации 85-95%)

3) Металлизированное железо в пластическом состоянии или кричное железо

4) Чугун и полупродукты

 

Технология получения губчатого железа

Губчатым железом является высокопористый продукт восстановления железорудных материалов при низкотемпературных процессах (при температурах 1000-1200, без плавления). Одним из недостатков такого продукта является его высокая пористость, а, следовательно, наличие большой суммарной поверхности, склонной к окислению металла. 

Получение губчатого железа достигается, главным образом, с применением шахтных печей, где в качестве восстановителя используется природный газ, в этом случае, водород является единственны источником тепла, обеспечивающим все тепловые потребности процесса. Основными процессами, протекающими внутри печи, являются теплообмен конвекцией между восстановителем и восстанавливаемым материалом, восстановление железорудного материала и его взаимодействие с поднимающимся вверх восстановительным газом.

Наиболее известными способами безкоксового производства в шахтной печи являются процессы Мидрекс и ХиЛ-3.

Процесс Мидрекс

Технология Midrex является способом получения железа за счет восстановления природным газом окатышей или кусковой руды и была разработана фирмой Midland-Ross Corporation в 1966 году.

Его суть заключается в процессе восстановление гематита до железа в шахтной печи за счет водорода и монооксида углерода, после чего последующее губчатое железо науглероживается. Развитие этих процессов зависит от температуры газа-восстановителя, его состава, времени пребывания газа и шихты в печи. Значительное влияние на кинетику восстановительных процессов оказывает химический состав самой шихты, в частности содержание Fe(2+) в окисленных окатышах.