Глава6. СПОСОБЫ ВНЕДОМЕННОГО (БЕСКОКСОВОГО) ПОЛУЧЕНИЯ ЖЕЛЕЗА

§ 1. АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ

Основная масса железа, используемая человечеством, про­ходит через операцию восстановления из железной руды, осуществляемую в доменных печах.

В настоящее время доменная печь, как агрегат высокой производительности и весьма экономичный, не -имеет конку­рентов. Однако доменное производство имеет сущест­венные недостатки: необходимость использо­вания каменноугольного кокса; использование железорудного сырья в виде достаточно прочного кускового материала (аг­ломерата). Таким образом, для функционирования доменного

производства необходимы добыча коксующихся углей, коксо­химическое производство, обогащение железных руд, агломе­рационное производство и т.д. Все это, помимо чисто про­изводственных затрат, связано с решением серьезных эколо­гических проблем.

Понятно поэтому, что возможность организации рента бельного процесса прямого получения железа непосредствен­но из железной руды, минуя доменную печь, представляет собой заманчивую инженерную задачу. При этом необходимо принять во внимание также следующее:

развитие способов глубокого обогащения железных руд обеспечивает сегодня получение не только высокого содер­жания железа в концентратах, но и заметное очищение их от серы и фосфора. При обычной доменной плавке эти преиму­щества не могут быть использованы (особенно учитывая со­держание серы в коксе);

материал, полученный непосредственно из железных руд, практически не содержит примесей цветных металлов. Так, например, из руд Лебединского месторождения (КМА) можно получить материал, содержащий <0,001 % Zn и <0,002 % Pb.

Такие материалы незаменимы при производстве сталей ответственного назначения, требующих высокой чистоты по примесям цветных металлов.

Решение проблемы получения (в промышленных масштабах) железа, минуя доменный процесс, осуществляется, в основ­ном, следующими способами:

1) восстановление железа из твердых железорудных мате­
риалов взаимодействием с твердыми или газообразными вос­
становителями по реакциям

Fe₂O_a + (С; СО; Н₂; СН₄) —* Fe + (СО; С0₂; Н₂0);

2) восстановление железа в кипящем железистом шлаке
(жидкофазное восстановление) по реакциям

(FeO) + (С; СО) —* Fe + С0₂;

3) получение из чистых железных руд карбида железа по
реакции 3Fe₂0₃+ 5H₂+ 2CH₄= 2Fe₃C + 9H₂0. Процесс протека­
ет при температуре ~ 600°С и давлении ~ 4 атм (0,4 МПа),
получают зерна 0,1—1,0 мм, содержащие > 90 % Fe₃C.

По первому способу в мире работает несколько десятков (общей мощностью около 30 млн.т/год); по второму — две

промышленных и несколько полупромышленных установок; по третьему — одна промышленная установка.

В связи с ужесточением экологического контроля за ме­таллургическим производством и, одновременно, в связи с необходимостью иметь шихтовые материалы, чистые от приме­сей цветных металлов, масштабы внедоменного производства железа непрерывно растут, одновременно расширяется и фронт исследовательских работ в этом направлении.

§ 2. ПРОЦЕССЫ ТВЕРДОФАЗНОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ ЖЕЛЕЗА

Процесс повышения содержания железа в железорудных мате­риалах получил название процесса металлизации, получаемый продукт — название металлизированного, под степенью металлизации понимают обычно процент железа в продукте.

По назначению металлизированные продукты обычно делят на три группы:

1) продукт со степенью металлизации до 85 % исполь­зуется в качестве шихты доменной плавки;

2) продукт со степенью металлизации 85—95 % исполь­зуется в качестве шихты при выплавке стали;

3) продукт, содержащий более 98% Fe, используют для производства железного порошка.

Процессы металлизации железорудных материалов осущест­вляются при температурах, не превышающих 1000—1200 °С, т.е. в условиях, когда и сырье (железная руда или железо­рудный концентрат), и продукт представляют собой твердую фазу, а также не происходит размягчения материалов, их слипания и налипания на стенки агрегатов. Такие процессы прямого получения железа из руд получили название процессов твердофазного восстановления. Поскольку полу­чаемый материал напоминает пористую губку, его часто на­зывают "губчатым железом". За рубежом принята аббревиату­ра DRI (англ. Direct—Reduced—Iron).

Основная масса получаемых продуктов (в мире — более 20 млн. т/год) используется в качестве шихты сталепла­вильных агрегатов.

Для восстановления оксидов железа обычно используют в качестве восстановителя или уголь (твердый восстанови­тель), или природный газ (газообразный восстановитель). При этом предпочтительно использование не "сырого" при-

родного газа, а горячих восстановительных газов, так как при этом не затрачивается тепло на диссоциацию углеводо­родов, а приход тепла определяется нагревом восстанови­тельных газов.

Восстановительные газы получают конверсией газообраз­ных углеводородов, либо газификацией твердого топлива.

Конверсия может быть:

кислородной (воздушной) СН₄ + 1/20₂ = СО + 2Н₂ + Q,

паровой СН₄ + Н₂0 = СО + ЗН₂ - Q или

углекислотной СН₄ + С0₂ = 2СО + 2Н₂ - Q.

Паровая и углекислотная конверсии для протекания реак­ции требуют затрат тепла. Конверсию осуществляют в спе­циальных аппаратах с использованием катализаторов.

Газификация твердого топлива осуществляется по следую­щим реакциям:

С + l/20₂ = CO + Q;

С + Н₂0 = СО + Н₂ - Q;

С + С0₂ = 2СО - Q.

Только в 1990—1994 гг. в мире пущено более 20 устано­вок прямого восстановления. Установки строятся, главным образом, в странах, располагающих дешевым сырьем (Индия, Мексика, Венесуэла, ЮАР).

Существует несколько десятков типов процессов и уста­новок прямого восстановления железа (рис. 66).

Наиболее распространенными являются способы Мидрекс (Midrex, США) и ХиЛ (HyL, по наименованию фирмы Hojalata у Lamina, Мексика). Способом Мидрекс производится пример­но 2/3 всего мирового производства, способом ХиЛ — при­мерно 1/4. Принципиальная схема способа Мидрекс представ­лена на рис. 67. Главным отличием его является способ конверсии природного газа. Конверсия в этом процессе осу­ществляется диоксидом углерода, содержащимся в отходящем из печи газе по реакции СН₄ + С0₂ = 2СО + 2Н₂. Перед по­дачей отходящего газа в конверсионную установку он прохо­дит очистку от пыли и Н₂0. Конвертированный газ, содержа­щий ~ 35 % СО и ~ 65 % Н₂, подают в печь при температуре

Вг

Рис.66. Принципиальные схемы агрегатов прямого восстановления, используе­мые в различных процессах: а - Мидрекс; б - ХиЛ; в - Круппа.

Обозначения: О - железорудные окатыши; Р - руда; ГЖ - губчатое железо; BI -восстановительный газ; ОГ - отходяший газ; Т - топливо, У - уголь

Колошниковый газ