Страница 15 из 15« Первая«…1112131415
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
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.
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),
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.
I. Расход углерода на восстановление и науглероживание металла:
Fe2O3 + ЗС = 2Fe + СО — 4240 кДх 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 %).
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
§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.
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.