Металлопрокат
Металлоконструкции
Обработка металла
В настоящее время большую часть стали получают двустадийным способом, включающим выплавку чугуна из руд и рафинирование его от углерода и других примесей в сталеплавильных агрегатах. Такой способ вытеснил (в силу ряда преимуществ) существовавший несколько веков назад одностадийный процесс производства стали, однако интерес к последнему проявлялся в течение всего периода развития и совершенствования доменного процесса.
Бескоксовая или внедоменная металлургия железа включает множество процессов, объединенных одним признаком - сталь или железо получают, минуя производство чугуна.
Процессы бескоксовой металлургии грубо можно разделить на два больших класса: жидко- и твердофазные (высоко- и низкотемпературные).
В высокотемпературных процессах восстановление окислов железа происходит при температурах выше температуры плавления окисной и металлической фазы. Продуктами здесь являются жидкий металл с различным содержанием углерода и примесей и шлак. Несмотря на кажущуюся простоту высокотемпературных способов, для многих возникающих при их внедрении задач не найдено приемлемых инженерных решений, поэтому такие процессы бескоксовой металлургии пока не вышли из опытно-промышленной стадии.
В твердофазных процессах, чаще именуемых прямым восстановлением, удаление кислорода из руды за счет твердого или газообразного восстановителя происходит при температурах ниже температуры размягчения компонентов шихты, составляющей примерно 1100°C. Получаемый продукт сохраняет внешний вид железорудных материалов и называется железным порошком, если восстановлению подвергался тонкоизмельченный рудный концентрат, или металлизованными окатышами (или металлизованной рудой), если исходным материалом были окатыши или руда с фиксированным размером куска. Чаще всего продукты восстановления называют губчатым железом, что подчеркивает его пористую структуру и развитую поверхность.
Процессы твердофазного восстановления освоены в промышленном масштабе и их продукты используются при выплавке стали в дуговых электропечах, кислородных конверторах и других сталеплавильных агрегатах.
Если не принимать во внимание процесс Хоганес, осуществленный в Швеции в 1911 г. и используемый при производстве железного порошка, наиболее старым способом получения железа прямого восстановления для выплавки стали является способ Виберга, реализованный в 1932 г. в Седефорсе (Швеция). Длительное время губчатое железо из печей Виберга производительностью от 10 до 25 тыс.т/год использовалось в этой стране при выплавке качественной стали в кислых мартеновских и индукционных печах.
Первой крупной промышленной установкой для производства металлизованной шихты стала установка фирмы "Охалата и Ламина" в Мексике мощностью 95 тыс.т/год, построенная в 1957 г. Наибольшее развитие прямое получение железа получило в 70-е годы, когда были внедрены в производство непрерывные процессы в шахтных печах Мидрекс и Пурофер с единичной мощностью 400-600 тыс.т/год.
Суммарная мощность установок прямого восстановления в мире до 1978 г. изменялась следующим образом, млн.т/год:
Оценки возможного роста мощностей установок на перспективу расходятся. Достаточно обоснованными можно считать следующие цифры: 1985 г. 50-55, 1990 г. 90 млн.т/год.
Способы прямого восстановления, применяющиеся в промышленном масштабе, по аппаратурному оформлению можно разделить на четыре группы (рис. 1).
Шахтные печи и способы прямого восстановления, основанные на их применении (рис. 1, а), с точки зрения интенсивности протекания процессов теплообмена и восстановления являются наиболее эффективными. В качестве железорудного сырья в них применяют кусковые материалы (окатыши, руду), обеспечивающие хорошую газопроницаемость шихты. Восстановление происходит за счет водорода и окиси углерода при температуре 800-900°С. Необходимые затраты тепла на нагрев шихты и восстановление покрываются за счет тепла восстановительного газа, нагреваемого до 1000-1100°С, поэтому скорость циркуляции его должна быть достаточно большой, а сопротивление столба шихты газовому потоку невысоким. Факторы, ухудшающие газопроницаемость шихты (спекание, образование мелочи), ведут к расстройству хода печи и ухудшению показателей работы, поэтому к окисленным окатышам и руде предъявляются высокие требования по прочности на раздавливание, растрескиванию при восстановлении, гранулометрическому составу.
Восстановительный газ для шахтных печей получают конверсией газообразных углеводородов. В качестве исходного сырья применяется главным образом природный газ и нефть. Возможно применение и других жидких и газообразных углеводородов. Отличительные особенности способов прямого восстановления в шахтных печах (Мидрекс, Пурофер, Армко) заключаются в технологии и аппаратурном оформлении прежде всего установок для получения восстановительного газа. Наибольшее распространение получила конверсия природного газа углекислотой и водяными парами колошникового газа в присутствии катализаторов, в меньшей степени - кислородная конверсия. В зависимости от применяемого сырья для одного и того же процесса восстановления схема получения восстановительного газа может видоизменяться.
Металлизованный продукт обычно охлаждают до 50-70°С в нижней части печи газом. В способе Пурофер губчатое железо выдается горячим, затем брикетируется и охлаждается водой или передается в нагретом состоянии в специальных емкостях для переплава в дуговых электропечах.
Способ Охалата и Ламина (ХиЛ-процесс) основан на восстановлении руды или окатышей в периодически действующих ретортах с неподвижным слоем (см. рис. 1, б). Восстановительный газ получают методом паровой конверсии природного газа, однако возможно использование других газообразных видов топлива и нефти. Восстановление ведут при температуре 870-1050°С и давлении 392 кПа. Нагрев шихты -осуществляется за счет физического тепла восстановительного газа, поступающего в реторту нагретым до 1000°C. Получаемый продукт охлаждают природным газом.
Неподвижность шихты в данном способе ограничивает высоту ее слоя и степень использования газа, а также обусловливает циклический характер процесса, состоящего из операций загрузки, нагрева и восстановления шихты, охлаждения и выгрузки губчатого железа. Для выгрузки частично спекшихся, восстановленных материалов используют специальное устройство, оснащенное резцами и скребками.
Установки включают четыре - пять реторт, в каждой из которых последовательно проводятся различные операции. При классическом ХиЛ-процессе в одной из реторт ведут подогрев шихты и предварительное восстановление железа газом, отходящим из одной или двух реторт, где проводят довосстановление свежим газом из конверсионной установки. В следующей реторте идет процесс охлаждения и науглероживания железа природным газом, в последней губчатое железо выгружают и реторту заполняют шихтой.
Из процессов прямого восстановления твердым углеродом наибольшее распространение получили способы, в которых используются трубчатые печи: СЛ-РН, Круппа и др. (рис. 1, в). В качестве восстановителя, частично служащего топливом, применяются коксовая мелочь, битуминозный уголь, бурый уголь и его полукокс, антрацит и др. Для уменьшения перехода серы восстановителя и топлива в губчатое железо в шихту вводят известняк или доломит. Выходящий из печи полупродукт охлаждают, подвергают грохочению и магнитной сепарации для выделения губчатого железа, восстановителя, возвращаемого в процесс, а также золы топлива и отработанного известняка, направляемых в отвал.
Отопление печи осуществляется за счет сжигания жидкого или газообразного топлива. В зависимости от принятой системы отопления сжигание топлива производится в горелке, расположенной в разгрузочном торце печи или в горелках, установленных на ее корпусе. Из-за опасности настылеобразования, обусловленного размягчением шихтовых материалов, температуру в печи ограничивают 1000-1100°С.
Во вращающихся трубчатых печах по сравнению с шахтными печами и ретортами можно перерабатывать железорудное сырье с большим диапазоном размеров частиц - от железистых песков до кусковой руды и окатышей.
Весьма важным моментом в технологии восстановления является выбор сорта. угля, который должен обеспечивать высокую скорость восстановления (иметь высокую реакционную способность) и высокую температуру плавления золы, так как основные затруднения при восстановлении во вращающихся печах связаны с настыле-образованием.
Способы восстановления отличаются системой отопления, размерами кусков железорудного сырья (СЛ-РН, Круппа, КОДИР, процесс Механобрчермета), использованием в качестве восстановителя наряду с углем газа и жидкого топлива (AKKAP). Губчатое железо, полученное во вращающихся печах, по сравнению с продуктами восстановления, полученными в других агрегатах, отличается повышенной стойкостью против вторичного окисления на воздухе и во влажной атмосфере.
Процесс восстановления топко измельченных железорудных концентратов в реакторах кипящего слоя (рис. 1, г) представлен способами ФИОР, ХиБ. Использование принципа псевдоожиженного слоя накладывает газодинамические и температурные ограничения на скорость восстановления. Недостатком процесса является слипание частиц материала, препятствующее развитию реакций восстановления и нарушающее стабильность кипящего слоя. Для многих тонкоизмельченных материалов слипание отмечается уже при 600-700°С. Результат этого - повышенный расход тепла и низкая удельная производительность реакторов по сравнению с другими агрегатами. Ввиду низкой температуры в реакторе в качестве восстановителя применяют преимущественно водород, получаемый паровой (ХиБ) или кислородной (ФИОР) конверсией природного газа. Тепло для восстановления вносится подогретыми до рабочих температур восстановительным газом и рудой. Преимуществом способов ФИОР и ХиБ является возможность использования мелких железорудных материалов без окускования, но ввиду склонности готового продукта к окислению его приходится брикетировать.
Из способов прямого получения железа наибольшее распространение получил способ Мидрекс, занимающий первое место по суммарной мощности установок, объему производимой продукции и характеризующийся относительно низким расходом энергии (табл. 1). Несколько уступает ему по объему производства способ ХиЛ. В целом в шахтных печах и ретортах производится более 90 % губчатого железа, используемого преимущественно в сталеплавильном производстве. Установки Мидрекс и ХиЛ достаточно освоены и на них после завершения строительства быстро достигаются проектные показатели. Однако по причинам, не зависящим от технического состояния установок, мощности прямого восстановления железа в последние годы используются примерно на 55 %.
Значительная часть установок построена в развивающихся странах Латинской Америки и Ближнего Востока (табл. 2), располагающих большей частью мировых запасов природного газа и нефти. Установки ХиБ и ФИОР в Венесуэле выпускают в основном товарное губчатое железо, используемое в доменных печах внутри страны и экспортируемое в США и Европу. Большинство трубчатых печей в Японии сооружено для переработки пыли и шламов металлургического производства, характеризующихся повышенным содержанием цинка и свинца. Последние возгоняются при восстановлении; получаемое губчатое железо используется в доменных печах. В Витбанке (ЮАР) в трубчатых печах общей мощностью 1 млн.т/год перерабатываются ванадийсодержащие титаномагнетиты с последующей плавкой продукта в электродоменных печах с целью получения ванадиевого шлака - полуфабриката для производства феррованадия. Сходная схема переработки титаномагнетитовых песков для получения титанистых шлаков, но с дуговыми печами принята на заводе в Гленбруке (Новая Зеландия). Остальные из перечисленных в табл. 2 установок выпускают железо прямого восстановления, используемое большей частью в электросталеплавильных цехах, расположенных поблизости.
В России имеются полупромышленные установки прямого восстановления: шахтные печи за заводах "Запорожсталь" и Белорецком, конвейерная машина в НПО "Тулачермет", решетка - трубчатая печь на заводе "Сибэлектросталь".