» » Современные процессы прямого получения железа
29.04.2015

Прямое получение железа непосредственно из руд, существовавшее задолго до появления доменных печей и возникновения двухстадийной технологической схемы производства железа и стали, в последнее время вновь, но уже на современной основе, развивается во все увеличивающихся масштабах.
Особенно большое значение этому способу придается в странах с ограниченными ресурсами высококачественного металлургического сырья и топлива. Производство железа методом прямого восстановления в основном сосредоточено в Швеции (в 1956 г. было произведено 122 тыс. г). Имеются также промышленные установки в Китае, Японии, Чехословакии, Канаде, США, ФРГ и России.
Существующие способы прямого получения железа из руд в зависимости от физического состояния получаемого продукта и температуры процесса можно разделить на три группы.
1. Способы получения губчатого железа, осуществляемые при сравнительно низких температурах, при которых происходит только восстановление окислов железа без плавления пустой породы. Продукт восстановления получается в твердом виде.
2. Способы получения крицы. Температурные условия процесса значительно выше, при этом происходит расплавление пустой породы с образованием шлака, а частицы восстановленного металла свариваются между собой, образуя тестообразную крицу.
3. Способ прямого получения жидкой стали, осуществляемый при температурах выше точки плавления железа. Конечные продукты процесса — жидкий металл и шлак.
При производстве губчатого железа обычно используются богатые, чистые от вредных примесей руды или концентраты и малосернистые восстановители, так как пустая порода процесса восстановления не претерпевает никаких изменений и остается ib губчатом железе, а сера восстановителя может перейти в железо.
При производстве крицы в связи с переходом пустой породы в шлак, который затем отделяется от металла, можно использовать бедные руды и низкосортное топливо. В качестве восстановителен применяют окись углерода, водород или смеси газов, а также коксик и различные виды твердого низкосортного топлива.
Продукты восстановления в зависимости от степени чистоты используются для различных целей. Губчатое железо используется для производства железного порошка и как заменитель железного лома при выплавке высококачественной стали в кислых мартеновских и электрических печах.
Крица, обычно более загрязненная примесями, применяется в доменных печах или в качестве заменителя лома в мартеновских и электродуговых печах.
Основной недостаток всех известных способов прямого получения железа из руд — сравнительно небольшая производительность установок, что и ограничивает их распространение.
В настоящее время во многих странах, в том числе и в России, совершенствуют существующие и ищут новые, более производительные и перспективные методы получения губчатого железа или непосредственно жидкой стали из руд, минуя доменный процесс.
Производство губчатого железа

Для получения губчатого железа применяют шахтные, кольцевые, туннельные и трубчатые печи. В последнее время разработан ряд процессов получения порошка губчатого железа в кипящем слое в специальных реакторах.
В шахтных печах (метод Виберга) в качестве восстановителя используют газовую фазу из CO и H2, которая циркулирует по замкнутой системе, включающей электрогазогенератор, фильтр и собственно шахтную печь (рис. 18).
Современные процессы прямого получения железа

Газовая смесь при 950° вводится в нижнюю часть печи и при движении вверх навстречу опускающейся шихте восстанавливает окислы железа до металлического железа. Большая часть газа при 800° отводится из печи и подается в электрогазогенератор, представляющий собой довольно узкую и высокую шахту, заполненную древесным углем или коксом. В верхней и нижней части шахты расположено четыре пары электродов, служащих для нагрева столба топлива до 1100—1150 .
В электрогазогенераторе газ, который содержит примерно 25% CO2, проходя сверху вниз и омывая раскаленные куски кокса, подвергается регенерации по реакциям
CO2 + С = 2СО;
H2O + С = H2 + CO.

На выходе газ состоит в основном из окиси углерода, 20—30% H2 и 3—5% CO2.
Для обогащения газа водородом в электрогазогенератор подается водяной пар или природный газ Природный газ, реагируя с поступающим газом по реакции
CH4 + CO2 = 2СО + 2Н2,

улучшает его состав.
По пути к шахтной печи газ проходит через фильтр с доломитом, где поглощается содержащаяся в нем сера. Циркуляция газа через систему осуществляется вентилятором.
В качестве сырья используются обогащенные окатыши, окомкованные железорудные концентраты с содержанием 64—67% Fe.
Губчатое железо обычно содержит не менее 90% Fe, 0,005% S, 0,005% P и используется для производства высококачественных сталей.
Способ получения губчатого железа в тиглях (метод Хагенес) предусматривает использование твердого восстановителя.
В огнеупорные тигли чередующимися слоями загружают тонкоизмельченный богатый железом концентрат или окалину и смесь коксика с известняком. Коксовую мелочь дают в избытке, чтобы предотвратить окисление железа при охлаждении. Известняк необходим для поглощения серы коксика.
Тигли помещает в печь периодического действия, кольцевую или туннельную, где нагревают до 1100—1200° и выдерживают 50—60 час. Весь процесс, включая нагрев и охлаждение в печи объемом 3000 м3, вмещающей 35 000 тиглей, длится 180 час.
При применении очень чистой руды или концентратов получается высокого качества губчатое железо, в котором содержание пустой породы не превышает 0,5%, 0,1% С и менее 0,02% S.
Губчатое железо используют для получения железного порошка и производства высококачественных сталей. Установки этого типа имеют производительность 15—30 тыс. т в год. Таким способом получают железо в Швеции, Канаде, США и других странах, в том числе в России.
При производстве губчатого железа во вращающихся печах в трубчатую наклонную печь загружают смесь руды (концентрата или агломерата) с коксовой мелочью (или другим низкосортным углем). В печи поддерживается температура не выше 1000—1100° во избежание образования настылей на футеровке печи и сваривания частиц восстановленного железа. При вращении печи шихта непрерывно перемешивается и передвигается к разгрузочному концу.
Избыток углерода в шихте создает восстановительные условия и обеспечивает примерно 90% восстановления окислов железа. Конечный продукт охлаждают и при необходимости дробят. Железо отделяют от остатка восстановителя магнитной сепарацией.
Этот способ не нашел широкого распространения: имеются только полупромышленные установки в Швеции, США и Японии.
Более перспективны для получения губчатого железа процессы прямого восстановления железных руд в кипящем слое водородом или смесью водорода и окиси углерода.
Современные процессы прямого получения железа

Разработано несколько процессов, которые основаны на принципе восстановления окислов во взвешенном состоянии в специальном реакторе. Восходящий поток газа-восстановителя поддерживает частицы измельченной руды в псевдожидком состоянии; в то же время он разобщает их, обеспечивая хороший контакт с газовой фазой, а значит и высокие скорости реакций восстановления. Отличаются эти процессы друг от друга температурными условиями (от 480 до 900°), давлением вое становительного газа (от атмосферного до 28 ати) и составом газовой фазы. Конечный продукт получается обычно в виде порошка железа: возможно также получение цементита при применении в качестве восстановительного газа окиси углерода. Считается наиболее перспективным для внедрения в промышленное производство Н-процесс, разработанный в США. Отличительные особенности этого процесса — относительно низкие температуры (540—480°) и повышенное давление (17—28 ати) восстановительного газа-водорода.
При умеренных температурах процесса предотвращается слипание частиц восстановленного железа и не требуется применение дорогостоящих огнеупорных материалов, а при высоком давлении водорода ускоряется процесс восстановления, устраняется возможность зарастания реактора настылями и, кроме того, облегчается и удешевляется сушка отводимого из реактора увлажненного водорода.
На рис. 19 приведена принципиальная схема Н-процесса. Тонкоизмельченная руда (до 20 меш), предварительно подогретая в шахтной или вращающейся печи, пневматическим транспортом (инертным газом) через промежуточный и разгрузочный бункеры подается в реактор, где осуществляется процесс восстановления.
Реактор представляет собой цилиндрический сосуд с одной или двумя подовыми решетками. При наличии двух подов на верхнем происходит предварительное восстановление высших окислов железа до закиси, на нижнем получается металлическое железо. Снизу в реактор под давлением 17—28 aти компрессором непрерывно подается сухой и нагретый до 540° водород. Процесс кипения регулируется толщиной слоя руды и скоростью подачи водорода таким образом, чтобы рудные частицы, подпираемые струями газа, были в непрерывном движении, но не уносились восходящим потоком газа.
После окончания процесса восстановления порошок железа выгружают пневмотранспортом (водородом) из реактора в разгрузочный бункер, а в реактор подают очередную порцию руды.
Ввиду пирофорности порошка его или брикетируют в горячем состоянии, или охлаждают в специальном контейнере для предотвращения окисления. Продолжительность одного цикла при весе порции руды 5 т от 8 до 12 час.
Восстановленное железо содержит в зависимости от состава применяемой руды до 95% Fe, 0,039—0,048% P и менее 0,01% S.
Производство крицы

Кричное железо в настоящее время получают преимущественно во вращающихся течах.
Промышленные установки (рис. 20) для производства крицы, кроме вращающейся печи, включают устройства для хранения и загрузки шихтовых материалов, выгрузки и охлаждения продуктов процесса и оборудование для отделения крицы от шлака.
Во вращающихся печах возможна переработка различного железосодержащего сырья, в том числе высококремнеземистых и комплексных руд, пиритных огарков, колошниковой пыли, шлаков. Эти материалы, предварительно измельченные, смешивают с восстановителем и флюсами и непрерывно подают во вращающуюся наклонную печь. В качестве восстановителя можно использовать коксовую и угольную мелочь, буроугольный полукокс и другие виды низкосортного топлива.
Наклон и вращение печи способствуют перемешиванию и продвижению шихты к разгрузочному концу навстречу потоку горячих газов.
Современные процессы прямого получения железа

При движении материалов в печи сначала они нагреваются до 600°; нагрев сопровождается удалением влаги и летучих. Затем в средней части печи при 700—1000° протекают процессы прямого восстановления окислов железа до металлического железа. Образующаяся при этом окись углерода создает как бы защитный слой от окисления и, сгорая, нагревает стенки печи.
В так называемой кричной зоне, расположенной на разгрузочном конце печи, восстановленные частицы железа свариваются и образуют крицы размером от 5 до 30 мм. При этом образуется и шлак, состав и вязкость которого сильно влияют на ход процесса. Для хорошего крице-образования температура в этой зоне должна быть порядка 1270—1300°; она регулируется при помощи горелок, установленных у разгрузочного окна.
Продукт, состоящий из тестообразного шлака и включенных в него криц, охлаждают водой на ленте, дробят, сортируют и подвергают магнитной сепарации для отделения крицы. Содержание в крице углерода зависит от хода процесса, содержание серы и фосфора — от состава применяемых руд и топлива. В ходе процесса в крицу переходит до 30% серы шихты и до 80% фосфора. Выход железа составляет 90—95%.
Вращающиеся печи на одном из заводов в ГДР длиной 60 м и диаметром 3,6 м имели суточную производительность 100—125 т крицы или 300—435 т руды.
В настоящее время производство кричного железа развито в ГДР, Чехословакии, Китае, КНДР, Японии. У нас на Орско-Халиловском комбинате во вращающейся печи получают железоникелевую крицу из природно-легированных руд.
Прямое получение жидкой стали

Процесс получения жидкой стали непосредственно из руд пока еще косит опытный характер. Процесс «Циклосталь», разрабатываемый в Англии, а также и другие энергометаллургические схемы основаны на принципе восстановления железной руды во взвешенном состоянии, но эти процессы осуществляются при столь высоких температурах, что продукты — металл и шлак — получаются в расплавленном состоянии.
В процессе «Циклосталь» (рис. 21) предварительно подогретая и частично восстановленная порошкообразная руда поступает в водоохлаждаемый реактор, куда одновременно через другое отверстие подается угольная пыль и кислород. В реакторе одновременно протекают следующие процессы горение, плавление, распыление частиц руды газообразными продуктами горения и восстановление окислов железа с образованием жидкого металла и шлака. Несмотря на теоретическое обоснование, эти процессы непосредственного получения жидкого металла из руд не отработаны конструктивно я пока еще не имеют промышленного применения.
Современные процессы прямого получения железа