Все о металле, его обработке и переработке
Партнеры
  • .

Металлургия железа

МЕТАЛЛУРГИЯ ЖЕЛЕЗА — Часть 10

3. Протекание плавки в зоне высоких температур обеспе­чивает очень высокие скорости протекания всех процессов (подогрев шихты и плавление, прямое восстановление, взаи­модействие между чугуном и шлаком и т. д.).

4. Цинк, щелочи, мышьяк, в отличие от доменной печи, газифицируются и уносятся газом. При этом схемы, не пре­дусматривающие предварительное восстановление шихты газом (процесс ПЖВ), имеют преимущество, так как эти соединения полностью удаляются из процесса. В альтернативной схеме (предварительное восстановление шихты) эти элементы или соединения остаются в установке и, следовательно, накап­ливаются в ней.

5. Как уже сказано ранее, изменяются условия поведения серы в плавильном агрегате. Значительно большее, по срав­нению с доменной печью, количество серы топлива переходит в газ (видимо, во всех случаях > 50 %). Если газ направ­ляется на восстановление, следует считаться с накоплением серы в шихте и возвращением ее в процесс уже в виде суль­фида железа или предусмотреть операцию и устройство серо­очистки с охлаждением газа-восстановителя и последующим его нагревом и другими сложностями. В отличие от доменной печи, шлак играет скромную роль при десульфурации метал­ла, поэтому оптимизация состава шлака связана в этом слу­чае не только с удалением серы, но и с его физическими свойствами.

6. Иная конфигурация зон металла и шлака, поверхности контакта руды и топлива, металла и шлака обусловливает изменения поведения соединений марганца, кремния, хрома, ванадия и других попутных элементов. В общем случаз усло­вия их перевода в металл затрудняются, и степень восста-

23

Новления существенно снижается и зависит от температуры g плавильной печи. Можно утверждать, что в подобных агрега­тах производство литейного чугуна и доменных ферросплавов неосуществимо. Таким образом, перспективы переработки комплексных железных руд в указанных агрегатах не ясны, Следует также считаться с несколько повышенным содержа­нием FeO в шлаке, т. е. с ростом потерь железа.

7. Важным преимуществом обсуждаемой технологии являет­ся гибкое маневрирование в ходе управления процессом плавки, возможности остановок, относительно малое время запуска плавильной печи, возможность создания установок самой различной производительности и комбинаций этих установок.

Таким образом, неоднозначность оценки способов и агре­гатов, многообразие природных, производственных и эконо­мических условий в различных регионах мира не дают воз­можности дать исчерпывающую сравнительную оценку тради­ционных и новых способов получения металла. Приводимые в литературе количественные оценки (общий расход тепла, расход условного топлива и др.) условны и субъективны. Кроме того, они не учитывают экологических характеристик, безвозвратных потерь полезных ископаемых. Для каждого случая лишь конкретный всесторонний анализ может дать ответ на вопрос, какая схема производства металла пред­почтительна в реальных условиях для данного района.

Глава 2. ПРОЦЕССЫ МЕТАЛЛУРГИИ ЖЕЛЕЗА

МЕТАЛЛУРГИЯ ЖЕЛЕЗА — Часть 9

7. В отличие от доменных печей диаметр шахтных печей ограничен из-за отсутствия очагов горения (зон практичес­ки равного давления, из которых достаточно равномерно продувается все сечение шахты). Кроме того, в шахтных пе­чах подвод газа-восстановителя осуществляется в слои с периферии. Чем больше поперечный размер шахтной печи, тем труднее достичь равномерного распределения газа по сече­нию слоя и, следовательно, равномерной тепловой и восста­новительной обработки слоя, поэтому шахтные печи имеют ограничения по размеру и производительности (максималь­ная, достигнутая ныне до 800тыс. т в год).

8. Процесс получения и проплавки губчатого железа обеспечивает получение стали повышенного качества, поэто­му эта технология наиболее выгодна именно с этой целью. Таким образом, процесс получения стали из металлизованных материалов может быть осуществлен лишь при наличии опре­деленных условий: наличие легкообогатимых и не имеющих примесей железных руд; наличие недорогих источников газа-

21

Восстановителя; наличие недорогой электроэнергии; целе­сообразность строительства мини-заводов.

Получение жидкого металла из руд. Из множества пред­ложений и патентов, существующих в разных странах, в настоящее время сохраняют значение и имеют перспективы технологии, которые можно сгруппировать в три направле­ния. Первым из них является использование неподготовлен­ной руды любого размера кусков в плавильной печи с полу­чением газа, который можно использовать в других устрой­ствах как восстановитель или теплоноситель (в этом случае тепло может использоваться и в собственном агрегате).

Второе направление— плавка в печи предварительно вос­становленного рудного материала, причем восстановителем является газ, отходящий из плавильной печи. В этом случае установка состоит из двух основных агрегатов — печь пред­варительного восстановления (чаще всего шахтная печь) и плавильная печь, а руда должна быть окускованной.

Третье направление — плавка руд в печах, оборудованных плазмотронами, или источниками тепла, которыми являются атомные реакторы.

При всей условности такой классификации она позволяет рассмотреть некоторые общие вопросы перспективности полу­чения жидкого металла вне доменных печей.

Технология получения жидкого металла из руд имеет сле­дующие особенности.

1. Восстановление ведется в области температур, превы­шающих температуры плавления чугуна и шлака (т. е. > 1400-1500 °С). Агрегат по своему устройству аналогичен нижней части доменной печи. Для достижения высоких темпе­ратур требуется дутье, состоящее из 100% кислорода. Возможно использование некоторого количества азота и до­бавок (природный газ, водяной пар) для регулирования тем­пературы и состава образующегося газа.

2. Возможно применение любого железорудного материала. При этом, если отходящий газ (практически не содержащий окислителей) используется для предварительного восстанов­ления железорудной шихты, она должна быть окускованной, т. е. пройти стадию агломерации или производства окатышей (исключение — применение для предварительного восстанов­ления агрегатов кипящего слоя— достаточно сложных и сла­бо освоенных в металлургии). Если газ используется для 22 иных целей, шихта не ограничивается по размеру кусков. В плавильной печи имеет место исключительно прямое восста­новление оксидов. В связи с этим при использовании по­рошковой руды (предварительное восстановление отсутст­вует) расход топлива растет с ростом окисленности руды, поэтому плавка на бедных (особенно гематитовых) рудах приводит к очень высокому расходу топлива. При воплощении схемы с предварительным восстановлением целесообразно ис­пользовать легковосстановимые руды. В связи с этим все сложности, характерные для шахтных печей низкотемператур­ного восстановления, характерны и для данного способа.

МЕТАЛЛУРГИЯ ЖЕЛЕЗА — Часть 8

Расчеты и промышленный опыт технологии производства губчатого железа показывают, что для плавки в сталепла­вильных печах металлизованные материалы должны иметь сте­пень металлизации не менее 80 %, т. е. степень восстанов­ления должна быть достаточно высокой. Эффективность про­цесса восстановления в этом случае значительно зависит от метода восстановления и применяемого агрегата. Широкие промышленные исследования были проведены в агрегатах трех типов: шахтных установках непрерывного и периодического (реторты) действия; аппаратах кипящего слоя; трубчатых вращающихся печах и комбинированных установках типа кон­вейерная машина—трубчатая печь. Для первых двух методов в качестве восстановителя применяют газ — продукт конверсии природного газа или жидкого топлива или продукт газифика­ции твердого топлива. Для последнего способа характерно •совместное использование твердого и газообразного вос­становителей. К настоящему времени трубчатые печи не наш­ли широкого распространения. Основное количество губчато­го железа производят в печах шахтного типа. Различные способы получения металлизованного материала в этих агре­гатах (Мидрекс, Армко, Пурофер, ХиЛ-3 и другие) не имеют принципиальных отличий (пожалуй, кроме способов получения губчатого железа в периодически действующих ретортах — ХиЛ-1, ХиЛ-2 и др.).

К общим закономерностям процесса можно отнести следую­щее.

1. Восстановление ведется в твердофазной области. Жид­кие продукты процесса отсутствуют. Следовательно, пустая порода от металла не отделяется, и весь полученный мате­риал (вместе с пустой породой) направляют в сталеплавиль­ный агрегат (целесообразней — в электросталеплавильную

\

Печь). Исходя из условий экономичности сталеплавильного процесса (минимальное количество шлака), предъявляют жесткие требования к содержанию пустой породы в исходном железорудном сырье. Ее количество в металлизованном мате­риале не должно превышать 4,5-5 %, а следовательно, в ис­ходном окисленном материале (руде, направляемой на метал­лизацию) должно быть не более 3-3,5%. Нетрудно подсчи­тать, что содержание железа в исходном железорудном кон­центрате, например, магнетитовом, должно составлять (100-3) • 0,724«70 %, где 0,724 — содержание железа в Fe3O4 (168:232).

Таким образом, первым условием реализуемости обсуждае­мого процесса является наличие легкообогатимого железо­рудного материала, позволяющего получать концентрат, со­держащий » 69-70 % Fe.

2. При восстановлении в твердофазной области удаления вредных примесей (фосфор, мышьяк, медь и др.) практически не происходит. Между тем для качественной стали в элект­росталеплавильных печах без значительного перерасхода энергии требуются очень низкие содержания этих примесей в губчатом железе. В связи с этим вторым условием реализуе­мости процесса получения и проплавки губчатого железа является низкое содержание вредных примесей в исходном железорудном концентрате (< 0,01—0,02 %).

3. Широта ассортимента выплавляемых сталей предъявляет повышенные требования к наличию и содержанию в исходной ,руде металлов, относящихся к группе полезных примесей (никель, кобальт, хром и др.), так как для ряда сталей эти элементы являются нежелательными. В общем случае наи­более благоприятным железорудным сырьем для получения губчатого железа является богатая по железу и чистая по любым примесным элементам руда.

4. Продуктом восстановления железорудных материалов в шахтных печах является губчатое железо, названное так из — за своеобразного внешнего вида. Восстановленное при низ­ких температурах, обладающее огромной суммарной поверх­ностью, следовательно, большой избыточной поверхностной энергией, реализует эту энергию спеканием отдельных гра­нул восстанавливаемого материала с образованием гроздьев и конгломератов, что крайне отрицательно отражается на процессе в шахтных печах (главным образом, затрудняется движение шихты и газов в печи и нарушается равномерность его тепловой и восстановительной обработки). Поскольку интенсивность спекания металла растет с повышением темпе­ратуры, максимальное ее значение не должно, как правило, превышать 700-900 °С. Однако со снижением температуры и, следовательно, скоростей всех процессов ухудшаются техни — ко-экономические показатели производства.

5. Губчатое железо должно содержать не менее 1—2 % С, иначе процесс его плавки в сталеплавильной печи затруд­няется. Таким образом, наряду с восстановлением оксидов железа процесс металлизации должен выполнять требования науглероживания металла.

6. Свежевосстановленное губчатое железо реализует свою большую избыточную поверхностную энергию окислением ме­талла. 8 связи с этим металлизованные материалы обладают повышенной склонностью к окисляемости и даже к самовозго­ранию (пирофорность железа), причем чем ниже температура восстановления, тем в большей степени проявляются эти свойства. В результате при производстве губчатого железа, особенно с дальнейшей его транспортировкой, следует при­нимать специальные меры для подавления окисления и само­воспламенения его (пассивация металлизованных материа­лов),

МЕТАЛЛУРГИЯ ЖЕЛЕЗА — Часть 7

В связи с вышеизложенным можно сделать некоторые выво­ды, касающиеся перспектив развития металлургии железа в современных условиях.

1. Одним из основных моментов, стимулирующих в настоя­щее время развитие различных способов металлургии железа, является резкое сокращение запасов или полное отсутствие в различных регионах мира коксующихся углей (точнее уг­лей, из которых разными способами можно получать метал­лургический кокс). Доменное производство не может сущест­вовать без использования кокса. Таким образом, в регио­нах, лишенных возможности получать кокс, единственной возможностью получать первичный металл являются способы металлургии железа. При этом выбор способа получения ме­талла зависит от конкретных условий (наличие и качество руд, запасы и вид топлива, ассортимент металла и требуе­мые объемы производств, энергетические ресурсы и пр.).

2. В настоящее время значительно изменились требования к качеству металла. Различные технологии металлургии же­леза обеспечивают получение черных металлов различного качества. Промышленный опыт убедительно показал, что сталь, полученная в электропечах из губчатого железа, обладает лучшими свойствами (прочность, пластичность и др.). Исчерпывающих объяснений этому феномену до сих пор нет. Чаще всего основную причину видят в том, что метал — лизованные материалы, в отличие от металлического лома, практически не содержат нежелательных примесей, особенно примесей цветных металлов. В этом смысле говорят о "пер­вородных свойствах" металлизованных материалов или "пер­вородной шихте", подчеркивая, что губчатое железо не прошло ранее стадию металлургического переплава. Добавим, что металлизованные материалы практически не содержат также растворенных в металле газов и неметаллических включений.

Металл, полученный путем жидкофазного восстановления, как правило, не отличается в лучшую сторону по качеству от доменного чугуна. Чаше всего в качестве агрегата для получения жидкого металла из шихты используют аналог гор­на доменной печи. Эти конструктивные и технологические особенности определяют поведение элементов (железо, крем­ний, марганец, сера, хром, ванадий и др.) и состав чугу­на. В самом общем случае можно сказать, что отсутствие коксовой насадки, по каналам которой стекают в доменной печи жидкие металл и шлак, видимо, обусловливают отсутст­вие заметного развития восстановления марганца, ванадия, хрома, кремния и других и некоторое увеличение в шлаке содержания FeO. Существенно ухудшаются в печах жидкофаз­ного восстановления условия десульфурации чугуна шлаками (из-за отсутствия фильтрации шлаком чугуна и роста содер­жания FeO в шлаке), что предопределяет повышенное содер­жание серы в жидком металле по сравнению с доменным чугу­ном. Качество кричного металла, как правило, значительно хуже, чем полученного другими методами.

3. Технико-экономические показатели доменного произ­водства несколько улучшаются с ростом размера доменных печей. Иначе говоря, строить и эксплуатировать крупные доменные печи чаще всего выгоднее, чем маломощные. Между тем для малых и средних стран и отдельных регионов необ­ходимы небольшие заводы, которые имели бы возможность достаточно гибко и быстро менять программу производства, ассортимент сырья и металла.

Агрегаты внедоменного получения металла в большей сте­пени, чем технологическая схема доменная печь—конвертер, удовлетворяет этим требованиям. В связи с этим минизаво — ды, построенные в последние два десятилетия и характери­зующиеся объемом производства металла до 1 млн. т в год, нашли широкое распространение.

Каждый элемент в современной цепочке производства кок­сохимический цех-обогатихельная фабрика-цех окускования— 18 доменный цех—конвертерный цех является экологически опас­ным. Технология металлургии железа обеспечивает исключе­ние из этой цепи одного из наиболее вредных производств — коксохимического, обогащения и окускования. Передовые за­воды, работающие по технологии металлургии железа, прак­тически полностью безопасны для окружающей среды. Это преимущество новой технологической схемы производства является одним из основных, а на перспективу явится ре­шающим. При выборе технологии металлургии железа следует иметь в виду некоторые обстоятельства.

МЕТАЛЛУРГИЯ ЖЕЛЕЗА — Часть 6

I. Расход углерода на восстановление и науглероживание металла:

Fe2O3 + ЗС = 2Fe + СО — 4240 кДх</кг Fe. *

На 1 кг металлического железа 36/112 = 0,321 кг С. При содержании в жидком металле 95,5 % Fe и 4,5 % С: расход углерода на восстановление 955 • 0,321 = 307 кг; расход углерода на науглероживание металла 45 кг; суммарный рас­ход углерода 307 + 45 = 352 кг/т металла.

И. Расход тепла на восстановление и расплавление (на 1 кг металла)-.

Тепло прямого восстановления: 4240 • 0,955 = 4051 кДж; тепло жидкого металла 1176 кДж; тепло жидкого шлака (при­нята энтальпия шлака 1680 кДж/кг).

Бедная руда (окисленные кварциты, содержащие 30% Fe; 42,9 % Fe2O3; 50 % SiO8): 14

Расход руды: 95,5/30 = 3,18 кг/кг; приход SiO2: 3,18 • 0,5 = 1,59 кг/кг; количество пустой породы руды: (1 — 0,429) • 3,18 = 1,82 кг/кг; при основности шлака CaO/SiO = 1,2 добавлялся CaO 1,59 • 1,2 = 1,91 кг, выход шлака: 1,82 +1,91 = 3,73 кг/кг; тепло шлака:

1680 • 3,73 = 6266 кДж.

Богатая руда (концентрат 60 % Fe, 10 % SiO2, 82,9 % Fe3O4):

Расход руды: 955/60 = 1,59 кг/кг; приход SiO2: 1,59 • 0,1 = 0,159 кг; количество пустой породы руды (1 — 0,829) ¦ 1,59 = 0,272 кг.

При основности шлака Ca0/Si02 = l,2 добавляется CaO 0,159 • 1,2 = 0,191 кг; выход шлака: 0,272 + 0,191 = = 0,463 кг; тепло шлака: 1680 • 0,463 = 778 кДж.

Общий расход тепла для бедной руды: 4051 +1176 + + 6266 = 11493 кДж; для богатой руды 4051 + 1176 + 778 = = 6005 кДж.

III. Теплоотдача углерода, сгорающего в потоке дутья

117936 ______________________ 22 , 4_________ х

QC 12 2 • 12lw(l-/) + 0,5/1

4(1 — - ‘ко — jH!?-] -

Где ю — содержание кислорода в дутье; о» = 1,0; /- содер­жание влаги в дутье, / = 0; Wqrn — теплосодержание дутья

При заданной температуре Wta ~0; W’31 — теплосодержание

O1N H2O с д

Водяных паров при заданной температуре дутья, W ~ 0;

‘ HjO

TK tK

Г— теплосодержание колошникового газа, Jflcr = » 2201 кДж/мэ.

Q ш Jlim. _ — IM-(1 _ co)W^r « 5720 кДж/кг С. 12 2 * 12

IV. Расход углерода-теплоносителя без учета расхода на перерабатку известняка:

Для бедной руды: 11483/5720 = 2 т/т; для богатой руды 6005/5720 = 1,05 т/т.

V. Расход углерода на переработку известняка.

Принято, что на 1 кг известняка расходуется 0,25 кг

Углерода.

Для бедной руды добавляется 1,91 кг CaO. При содержа­нии в известняке 53 % CaO добавляется известняка 1,91/0,53 = 3,6 кг. Расход углерода: 3,6 • 0,25 =

= 0,9 кг/кг (т/т).

Для богатой руды добавляется 0,191кг CaO известняка: 0,191/0,053 = 0,36 кг. Расход углерода: 0,36 • 0,25 = = 0,09 кг/кг (т/т).

VI. Расход углерода-теплоносителя с учетом тепловых потерь (20%), т/т металла:

Для бедной руды (2,0 + 0,9): 0,8 = 3,63, для богатой руды (1,05 + 0,09): 1,43.

VII. Общий расход углерода на процесс (на восстановление, науглероживание и удовлетворение тепловых потребностей).

Для бедной руды 3,63 + 0,352 = 3,98. Для богатой руды 1,43 + 0,352 = 1,78.

VIII. Расход угля (80% С) на процесс получения металла.

Бедная руда 3,98:0,8 = 4,98 т/т. Богатая руда 1,78: 0,8 = 2,23 т/т.

Необходимо отметить, что очень высокие расходы топлива (даже для подготовленных руд) обусловлены высоким тепло­вым и химическим потенциалом колошникового газа (1500 °С; 100 % СО). В связи с этим перспективы развития способов получения жидкого металла, использующих недефицитное твердое топливо в качестве восстановителя и теплоносите­ля, связаны с нахождением путей использования энергии га­за. Этот газ можно использовать для максимального предва­рительного восстановления руды в отдельном агрегате (на­пример, процесс Корекс). Однако кроме усложнения схемы в этом случае возможно применение лишь кускового сырья, т. е. необходимо предварительное окускование руд (агломе­рация или производство окатышей). Возможно также частич­ное дожигание части колошникового газа над ванной металла с максимальным возвращением этого дополнительного тепла ванне (процесс ПЖВ). 16

Расчеты показали, что при дожигании 40 % СО в колошни­ковом газе при возвращении 80 % тепла ванне металла рас­ход топлива может быть снижен на 30-40 %. Приведенные упрощенные расчеты позволяют, однако, считать, что получе­ние жидкого металла связано со значительным расходом твердого топлива и целесообразно лишь при использовании богатых железорудных материалов. До настоящего времени не найден экономичный способ получения жидкого металла из бедных необогащенных руд. Отметим также, что чем выше до­ля двухвалентного железа, тем меньше расход углерода на восстановление, поэтому для жидкофазного восстановления более пригодны отходы конвертерных и прокатных цехов и другие материалы, содержащие значительную долю двух­валентного железа.

МЕТАЛЛУРГИЯ ЖЕЛЕЗА — Часть 5

При дальнейшем росте степени металлизации шихты эффект существенно снижается.

Таким образом, целесообразность получения частично ме — таллизованных материалов для их проплавки в доменной печи связана с соотношением восстановителя, затраченного на частичную металлизацию, и кокса, сэкономленного в домен­ной печи, а также с ценами на топливо. Дать общие реко­мендации в этом случае не представляется возможным, и для различных режимов будут различными ответы на этот вопрос.

Получение губчатого железа

Губчатое железо получают, главным образом, в установ­ках шахтного типа при низких температурах (более подробно о причинах — см. далее) с использованием в качестве вос­становителя продуктов конверсии природного газа. При наи­более простых соотношениях 3Fe2Os + 9СО = 6Fe + 9С02, или 9 • 22,4/(6 • 56) = 0,6 м3/кг, или 600м3/т металлическо­го железа.

При содержании в металлизованном продукте ~80% ме­таллического железа (что соответствует содержанию пустой породы 5 %, углерода — 2 % и степени металлизации 90 %) и степени использования восстановительной способности газа — восстановителя 0,4 расход газа-восстановителя составит: 600 • 0,8/0,4 = 1200 м3/т продукта.

С учетом углекислотной или паровой конверсии, напри­мер, CH4 + CO2 = 2СО + 2Н2 1 м3 природного газа позволяет получить 4 м3 газа-восстановителя. Т. е. для удовлетворе­ния требований процесса восстановления гематитовой руды получение 1 т металлизованного продукта обеспечивает рас­ход природного газа ~ 300 м3. В ориентировочном расчете принят ряд допущений (природный газ состоит из 100 % CH4, окислители в восстановительном газе отсутствуют, коли­чеством газа, необходимого для науглероживания губки, пренебрегаем и т. д.). Однако порядок расхода газа получи­ли соответствующим практическому. Подобное количество га­за должно также обеспечить тепловые потребности процесса.

Для условий процесса "Мидрекс": температура газа — восстановителя 800 0C; температура колошникового газа 300 0C; температура металлизованного продукта после окон­чания процесса 720 0C; тепло металлизованного продукта (на 1 кг) (теплоемкость — 1,05 кДж/кг • К): 1 • 1,05х х(720-20) = 735 кДж. Тепло, оставляемое в печи газом — восстановителем (теплоемкость газа 1,5 кДж/м3 • К): (1200/1000) • 1,5(800-300) = 900 кДж.

С учетом потерь и возможного (небольшого) развития эндотермических реакций газ-восстановитель обеспечивает тепловые потребности процесса. С учетом неучитываемых в этом расчете процессов (конверсия природного газа и т. д.) можно считать, что на 1т губчатого железа расходуется 300-350 м3 природного газа.

Получение жидкого металла ‘ ‘

Эти процессы в настоящее время проходят стадию промыш­ленного освоения. Проведем ориентировочный расчет расхода топлива на процесс получения жидкого металла при исполь­зовании сырой неподготовленной мелкой руды и в качестве источника тепла и восстановителя недефицитного угля. В этом случае оксиды железа восстанавливаются только прямым путем, отходящий газ состоит только из СО (в отсутствие источников водорода). Топливо сжигается в потоке холодно­го дутья, состоящего из 100 % кислорода, температура отходящих газов 1500 0C.

МЕТАЛЛУРГИЯ ЖЕЛЕЗА — Часть 4

Также железа (в этом случае говорят об углероде — восстановителе). Однако оксиды железа можно восстанавли­вать и газом, а прямое восстановление железа (активно проявляющее себя при высоких температурах > 900-1000 0C) имеет место в основном лишь потому, что к зоне высоких температур железо не полностью восстановлено газом до металла, а частично остается в виде FeO. Для условий сов­ременной доменной плавки (сравнительно невысокий расход кокса и обусловленное этим небольшое количество газа — восстановителя — продукта неполного сгорания углерода кокса и других топлив — такое положение закономерно, сви­детельством чего является близость к равновесному состава газа по отношению к FeO в зоне температур 800—IOOO0C. В связи с этим в большинстве современных доменных печей 20-30 % железа восстанавливается углеродом кокса. Приме­нение частично металлизованных железорудных материалов позволяет снизить эту величину, а следовательно, расход углерода-восстановителя и общий расход кокса.

Для подтверждения этой мысли и количественной оценки снижения расхода кокса необходимо провести некоторые несложные расчеты. Исходные данные (выносом пыли из до­менной печи пренебрегаем): состав чугуна: [С] 4,5 %; [Mn] 0,4 %; [Si] 0,4 %; [Р] 0,05 %; базовый (исходный) расход кокса 500 кг/т чугуна; содержание углерода в коксе 85%; содержание золы в коксе 10 %; основность шлака (CaO • SiO2) 1,2; соотношение между углеродом, сжигаемым на фурмах, Сф и углеродом, расходуемым на прямое восста­новление оксидов, Cd 3:1. Тогда (расчет ведут на 1т чугуна), расход углерода на плавку составит 500 • 0,85 = 425 кг/т.

Количество углерода, расходуемого на тепловые и вос­становительные процессы (т. е. общий расход углерода за вычетом переходящего в чугун): 425 — 45 = 380 кг/т.

Количество углерода, расходуемого на восстановление: 380 • 0,25 = 95 кг/т.

Из этого количества на восстановление марганца, крем­ния и фосфора расходуется:

Следовательно, на прямое восстановление железа идет 95 — 4,8 = 90,2 кг/т. При степени металлизации доменной шихты т)мет = 40 %, предполагая (с небольшой погреш­ностью), что снижение расхода углерода, идущего на прямое восстановление оксидов железа, пропорционально степени металлизации шихты, получаем уменьшение расхода углерода: 90,2 • 0,4 = 36,1 кг/т и экономия углерода (или что то же — кокса) составит (36,1/425) • 100 = 8,5 %.

Наряду с этим имеет место экономия тепла за счет сок­ращения эндотермического эффекта реакции восстановления низшего оксида железа углеродом (принимаем условно вос­становление свободного оксида железа), т. е. FeO + С = Fe + СО — 152,67 МДж или 12,72 МДж/кг С. При снижении расхода углерода на 36,1 кг/т экономия тепла составит: 12,72 • 36,1 • 0,001 = 459 кДж/кг чугуна.

В обычных условиях доменной плавки расход тепла (рас­считанный с учетом подлинных затрат тепла на процесс) ко­леблется в пределах 5,5-6,7 МДж/кг. Принимая среднее зна­чение — 6,1 МДж/кг, получаем экономию тепла: (459/6100) • 100 = 7,5 %. Наконец, имеется еще одна зна­чительная причина снижения расхода кокса — уменьшение вы­хода шлака за счет снижения прихода золы с коксом. Итого­вая экономия кокса пока неизвестна. Задав ориентировочную величину экономии 15 %, получаем снижение прихода золы в печь: 500 • 0,15 • 0,1 = 7,5 кг/т. Кроме того, не тре­буется вводить флюс на ошлакование этого количества золы: 7,5 • 1,2 = 9 кг/т. Получаем общее снижение выхода шлака: 7,5 + 9 = 16,5 кг/т.

Обычно считают, что каждый дополнительный 1 кг шлака требует перерасхода кокса в размере 0,2 кг. Тогда эконо­мия кокса за счет уменьшения выхода шлака составит: 16,5 • 0,2 = 3,3 кг/т и относительная экономия

(3,3/500) • 100 = 0,7 %.

Итак, суммарная экономия кокса составит: 8,5 + 7,5 + 0,7 = 16,7%, или, как принято считать, 4,2% на каждые 10 % металлизации шихты. Приведенный расчет является, конечно, приближенным и позволяет получить лишь порядок искомой величины, однако он хорошо совпадает с данными промышленных плавок (4-7 % на каждые 10 % метал­лизации шихты при общей степени металлизации 10-50 %).

МЕТАЛЛУРГИЯ ЖЕЛЕЗА — Часть 3

Возможности переработки бедных железных руд ‘ "

Доменный процесс обеспечивает получение кондиционного чугуна из железных руд с любым содержанием железа. При этом содержание железа влияет лишь на технико — экономические показатели процесса. Металлизация бедных руд (применение для этих целей металлургии железа) может быть эффективна лишь для получения кричного железа и жид­кого металла. Частично металлизованные материалы и губ­чатое железо получать из бедных руд неэффективно. При получении частично металлизованных материалов из бедных руд необходимо ббльшее количество тепла на нагрев пустой породы и ббльший расход восстановителя, обусловленный диффузионными затруднениями при восстановлении оксидов железа. При производстве губчатого железа содержание в руде пустой породы в количестве > 2,5—3,0 % приводит к резкому росту расхода электроэнергии в электросталепла­вильных печах, обусловленному увеличением количества шла-

Наличие примесей других элементов

Доменная печь обеспечивает получение кондиционного по сере чугуна. Удаление из чугуна меди, фосфора, мышьяка невозможно. Низкотемпературные процессы внедоменного вос­становления не обеспечивают удаления практически ни одно­го попутного элемента кроме серы, степень удаления кото­рой в шахтных печах составляет 30 %. Иначе говоря, все попутные элементы, присутствующие в исходной руде, остаются в губчатом железе и попадают в сталеплавильный агрегат. Это же относится к получению кричного металла (здесь возможна некоторая степень удаления серы). Получе­ние жидкого металла позволяет удалить из процесса цинк, щелочи, а степень десульфурации и удаление мышьяке и — возможно, фосфора зависят от режима процесса.

Физические свойства руды

В доменной печи перерабатывают исключительно кусковый железорудный материал, причем размер кусков не должен быть меньше 3-5 мм. Отсюда вытекает необходимость процес­са окускования руд (агломерация, производство окатышей). Это требование остается обязательным для процессов полу­чения губчатого и кричного железа в шахтных и вращающихся печах. Низкотемпературная металлизация измельченных руд возможна в специальных агрегатах (например, аппараты ки­пящего слоя). Для большинства способов внедоменного полу­чения жидкого металла размер кусков руды не имеет значе­ния, что исключает из металлургического передела дорого­стоящие процессы окускования мелких руд.

Использование недефицитных видов топлива

Для современных доменных печей невозможно использова­ние другого вида топлива, кроме металлургического кокса. Это прежде всего связано с высокими прочностными качест­вами кокса, сохраняющимися при высоких температурах. Ни одинг из известных ныне видов твердого топлива не может в этом отношении конкурировать с коксом. Можно определенно утверждать, что отсутствие или исчезновение источников получения кокса будет означать конец доменного способа производства металла.

В настоящее время большинство известных способов и технологий металлургии железа не требует использования в качестве компонента шихты кокса. Применяют полученные различным способом восстановительные газы (в основном при производстве губчатого железа), недефицитные виды каменного угля, бурые угли и продукты их переработки, нефтепродукты и др. Выбор топлива в этом случае в основ­ном связан с экономической конъюнктурой в данном регионе.

Использование новых видов энергии

Несмотря на то, что использование энергии плазмы, атомной и других новых источников энергии для доменного производства не исключается, наибольший эффект от их при­менения соответствует внедоменному получению металла. Это повышает шансы новых технологий в конкуренции с доменным процессом в обозримом будущем.

Основным вопросом, который определяет и в будущем будет пределять преимущество того или иного способа полу­чения металла, является расход энергии на процесс. В упрощенном виде его можно свести к расходу тепла (или источника тепла) на единицу получаемого продукта. Остав­ляя временно в стороне другие важные показатели техноло­гий (качество продукта, требования к шихтовым материалам и др.), попытаемся приближенно оценить эти величины для различных методов металлургии железа.

Получение и проплавка в доменных печах частично металлизованных материалов. Проплавка металлизованных железорудных материалов в доменных печах должна снижать расход углерода-восстановителя за счет уменьшения коли­чества углерода, идущего на прямое восстановление оксидов железа, в результате чего уменьшается расход тепла на этот процесс. Известно, что кроме удовлетворения потреб­ностей доменной плавки в тепле (в этом случае говорят, что кокс является источником углерода-теплоносителя), кокс выполняет и другую ответственную роль — участвует в формировании чугуна, т. е. восстанавливает трудновосстано­вимые (практически не восстанавливаемые газом — восстановителем) оксиды кремния, марганца и другие, а 10

МЕТАЛЛУРГИЯ ЖЕЛЕЗА — Часть 2

§1. КЛАССИФИКАЦИЯ ВНЕДОМЕННЫХ МЕТОДОВ ПОЛУЧЕНИЯ ЖЕЛЕЗА. НЕКОТОРЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

(1)

(2)

Восстановление железорудных материалов вне доменной печи проводят с разными целями. Иногда этот процесс назы­вают предварительным восстановлением, а материалы, полу­ченные таким образом, предварительно восстановленными. Эта терминология не точна. Для дальнейшего использования этих материалов (в любых металлургических агрегатах) основное значение имеет, сколько металла образовалось при восстановлении руды. Между тем величина степени восста­новления не точно характеризует количество металлического железа, образовавшегося при восстановлении. В связи с этим более правильно называть восстановленные руды метал — лизованными (или частично металлизованными, если степень восстановления не велика), а их качество оценивать спе­циальной величиной— степенью металлизации, которая пред­ставляет отношение содержания металлического железа в материале к общему (т. е. сумме окисленного и металличес­кого железа) содержанию железа в нем, %:

Tfwer = (Рвмет/^общ) ‘ 10°-

Зная содержание общего железа и степень металлизации, можно определить количество металлического железа (по массе), поступающего в агрегат. Имеется предложение ис­пользовать понятие эффективной степени металлизации, т. е.

Где [С] — содержание углерода в металлизованном материа­ле, %.

Формула (2) получена эмпирически, но смысл ее вполне ясен. Углерод, присутствующий в металлизованном материа­ле, в ходе переплава может отнимать оставшийся кислород оксидов железа: FeO + С = Fe + СО, причем на 1 кг железа требуется 12/56 = 0,214 кг углерода. Считая (с небольшой 6 погрешностью), что содержание общего железа в металлизо — ванном материале близко 100%, можно принять, что каждые пять частей углерода дают один дополнительный процент ме­таллизации. Впредь также под термином "руда" необходимо понимать любой железорудный материал — руду, агломерат, окатыши, концентрат и т. д.

Следует остановить внимание на использовании ряда тер­минов, характеризующих новые способы производства метал­ла. В литературе встречаются такие наименования, как металлизация сырья, прямое получение железа, бездоменная (внедоменная) металлургия железа, бескоксовая металлургия железа. На наш взгляд, ни один из них полностью не охва­тывает существа технологий и процессов, поэтому не имеет явных преимуществ. Особенно неточен термин "прямое полу­чение железа", поскольку по смыслу это не может быть ничем иным, как получением конечной стали из исходной ру­ды в одном агрегате. Более чем за двухтысячелетнюю исто­рию металлургии таким агрегатом был лишь сыродутный горн, наименее эффективный из всех известных металлургический агрегат. Даже старый, сопряженной с большими потерями же­леза способ передела чугуна в кричных горнах оказался более выгодным, чем сыродутный процесс.

Практические все используемые в настоящее время в про­мышленности или проходящие промышленную проверку процессы являются двухэтапными (получение первичного металла или Полупродукта и переплав затем в сталеплавильных печах). Подобного рода упреки можно легко адресовать и другим терминам. Видимо, по аналогии с понятиями металлургии чу­гуна и металлургии стали новое направление можно было бы назвать металлургией железа. Впрочем, и в наш адрес могут поступить в этом случае критические заме­чания.

Большое число предложенных способов, посвященных ме­таллургии железа, делает необходимым провести их класси­фикацию. Наиболее предпочтительной, по мнению большинства специалистов, является классификация по виду получаемого продукта, т. е.:

Получение частично металлизованных материалов для до­менных печей;

Получение металлизованного продукта в твердом виде для переплавки в сталеплавильных агрегатах с получением стали (получение губчатого железа) (температуры 500-1000 0C);

Получение металлизованного продукта в пластическом состоянии (получение кричного железа) для различных це­лей, в том числе как вариант пирометаллургического обога­щения труднообогатимых, бедных и комплексных руд (темпе­ратуры 1100-1400 0C);

Получение жидкого металла (чугуна или полупродукта) для переплава в сталеплавильных печах (температуры выше 1200-1400 0C).

§ 2. СРАВНЕНИЕ НЕКОТОРЫХ ХАРАКТЕРИСТИК МЕТАЛЛУРГИИ ЧУГУНА И МЕТАЛЛУРГИИ ЖЕЛЕЗА. ПРИЧИНЫ РАЗВИТИЯ МЕТАЛЛУРГИИ ЖЕЛЕЗА

Оценка перспектив развития металлургии железа требует сравнения основных характеристик металлургии чугуна и ме­таллургии железа.

МЕТАЛЛУРГИЯ ЖЕЛЕЗА — Часть 1

TOC \o "1-3" \h \z

До настоящего времени основное количество черных ме­таллов (более 98 %) получают по двухступенчатой схеме чугун-сталь. По этой схеме железо из руды в ходе доменной плавки практически полностью переходит в чугун, а сталь производят из чугуна в конвертерах или сталеплавильных печах. При этом не имеет значения, как отмечал А. Н.Пох — виснев, с какой долей скрапа (вплоть до 100 %) была по­лучена сталь, так как скрап, в свою очередь, был получен из чугуна.

Двухстадийный процесс, несмотря на кажущуюся сложность по сравнению с непосредственным производством стали из руды, имеет следующие преимущества: возможность получать металл заданной марки из любого железорудного материала, высокую единичную производительность агрегата, сравни­тельно низкий уровень материальных и энергетических затрат и др. До последнего времени ни один из способов прямого получения стали из руды не выдерживал конкуренции с двухступенчатой схемой.

Во второй половине XX в. ситуация в промышленности резко изменилась. Возникшие дефициты источников энергии, территории, распространение производства металла в раз­вивающихся странах, резкий рост требований к качеству ме­талла и возросшие требования экологии заставили пере­смотреть критерии успеха при получении черных металлов. Оказалось, например, что максимальная производительность труда, характерная для наиболее мощных доменных печей и конвертеров, и низкий уровень энергетических затрат в них не являются сами по себе доказательствами преимущества этих агрегатов, так как это может не соответствовать ко­нечным народнохозяйственным критериям эффективности. Существенно выросло значение фактора "комфортности" чело­века на производстве, уровня интеллектуального взноса при участии его в производственном процессе. Вероятно, что эти факторы еще не очень осознанно, но все более мощно влияют на структуру производства и его содержание. Не 4 случайно именно во второй половине XX в. в металлурги­ческой промышленности начали активно проявлять себя не­традиционные методы производства металла. Эти способы часто объединяют одним названием "прямое получение желе­за", хотя это не очень точно, о чем будет более подробно сказано далее.

Новые схемы производства металла развиваются во всех регионах мира, как в передовых, так и в развивающихся странах. В нашей стране с начала 80-х годов функционирует Оскольский электрометаллургический комбинат, не имеющий доменных печей и являющийся одним из наиболее крупных подобных заводов в мире. Намечается строительство ана­логичных производств в других районах страны. Произ­водство первичного металла в агрегатах бездоменной метал­лургии отличается рядом особенностей, не позволяющих использовать книги по доменному производству в качестве учебников для новых технологий.

Настоящий учебник является одним из первых учебников, посвященных анализу бездоменной технологии производства металла из руд. Он создан на основе многолетнего чтения разделов специальных курсов и целиком новых специальных дисциплин в Московском институте стали и сплавов и Днеп­ропетровском металлургическом институте. Авторы стреми­лись при подготовке учебника использовать весь экспери­ментальный и производственный материал, накопленный в промышленности и научных исследованиях с учетом новейших достижений физической химии, теплофизики и теплоэнерге­тики, газодинамики и других фундаментальных дисциплин. Выбор наиболее важных и общих закономерностей из большого фактического материала, относящегося как к крупномасштаб­ным, используемым в промышленности технологиям, так и к перспективным, но еще проходящим стадию проверки процес­сам, представил основную трудность для авторов и вероятно привел к некоторой субъективности их позиции, что харак­терно для многих книг и авторов. Поэтому авторы с благо­дарностью примут замечания читателей этой книги.