Способы прямого восстановления железа, характеристика продукции и сырья

Под процессами прямого восстановления железа понимают такие процессы, которые дают возможность получать непосредственно из руды металлическое железо, минуя доменную печь. Способы прямого получения железа позволяют вести процесс, не расходуя металлургический кокс, заменяя его другими видами топлива. Известно, что использование железа прямого восстановления при выплавке стали (в основном, в электродуговых печах)82позволяет производить наиболее высококачественный, экономически выгодный (с относительно низкой энергоемкостью) и экологически чистый металл без примесей серы и фосфора, пригодный для удовлетворения самых высоких требований таких отраслей-потребителей, как машиностроение (авиа-, судостроение и т. д.). В настоящее время предложено более 20 различных способов прямого получения железа. Железо прямого восстановления (или губчатое железо) в основном производят в виде металлизированных окатышей: холодных СDRI (Сool Direct Reduced Iron) или горячих HDRI (Hot Direct Reduced Iron), а также горячебрикетированного железа НBI (Hot Briquetted Iron)

Окатыши СDRI получают в основном в шахтных печах с охлаждением в нижней части печи до 50º С, после чего отравляются на склад, а затем загружаются в электропечь.

Окатыши HDRI выгружаются из установки прямого восстановления в горячем состоянии и загружаются в расположен-ную рядом электропечь при температуре 600º С и выше.

Горячебрикетированное железо НBI получается путем прессования брикетов размерами 30х50х110 мм в формы в виде подушек из металлизированного продукта, который выгружается из печи при температуре около 700 ºС. Наибольшее распространение получили технологии компании Midrex (США). Процесс протекает в шахтной печи, в верхнюю часть которой подаются окатыши или кусковая руда. Уста-новки Midrex действуют на многих предприятиях крупнейшей металлургической компании ArcelorMittal, расположенных в Германии, Канаде, Мексике, Тринидаде и Тобаго и ЮАР. Второй по распространенности технологией прямого восстановления железа является HYL/Energiron. Процесс HYL (ХИЛЛ) был разработан мексиканской компанией Tenova для прямого восстановления железной руды (кусковой или окатышей) в металлическое железо с помощью восстановительного газа в реакторе с подвижным слоем. Менее известна технология Finmet, которая позволяет ис-пользовать железорудную мелочь без предварительного окускования в процессе газового восстановления в кипящем (псевдосжиженном) слое. По этой технологии пока действует только одно предприятие - Orinoco Iron в Венесуэле. Для получения железа прямого восстановления также при-меняется целый ряд угольных технологий - SL/RN, Jindal, DRC,SIIL, Tisco, Codir и др. В основном все они действуют на базе печей с вращающимся подом с использованием угля или пыле-угольной смеси. Такие предприятия работают в Индии, а также в ЮАР, Китае, Перу и в некоторых других странах. Хотя экологичность таких производств и качество получаемого металла существенно ниже, чем у «газовых» предприятий, однако они дешевле, что и обеспечивает им значительную долю в структуре мирового производства DRI. Существуют также жидкофазные способы прямого восстановления и альтернативные доменной печи установки для получения чугуна.

Производство железа в шахтных печах (технология Midrex)

В шахтных печахполучают губчатое железо газообразными восстановителями в толстом слое железосодержащих окатышей. Процесс производства железа осуществляют в противотоке железорудных материалов, загружаемых в агрегат сверху, и нагретых восстановительных газов, подаваемых снизу. Работа агрегата в противотоке дает возможность достигать высокой производительности при хорошем использовании газа. В качестве восстановителей применяют конвертированный природный газ, состоящий в основном из водорода (H2) и оксида углерода (CO). Восстановительный газ получают в кислородном реакторе (реформере), путем неполного сжигания природного газа в кислороде. Полученный газ, содержащий 29% CO, 55% H₂ и 13% окислителей (H₂O и CO₂) освобождают частично от окислителей, затем нагревают, до температуры 1100–1150 °С и через фурмы подают в печь.

Добытую руду обогащают и получают окатыши. Окатыши из бункера загружают в шахтную печь, работающую по принципу противотока. Для восстановления железа из окатышей в среднюю часть печи по трубопроводу подают конвертированный природный газ. В восстановительной зоне печи создается температура 1000–1100 °C, при которой Н₂ и СО восстанавливают железную руду в окатышах до твёрдого губчатого железа. Содержание железа в окатышах достигает 90–95%. Для охлаждения железных окатышей, снизу печи в зону охлаждения печи подают воздух. Охлаждённые окатыши выдаются на конвейер и поступают на выплавку стали в электропечах. Если производятся горячие окатыши или горячебрикетированное железо, то охлаждение восстановленного железа в нижней зоне печи не производится

Производство железа в периодически действующих ретортах (технология HYL/Energiron)

Еще одним способом производства железа прямого восстановления является процесс в периодически действующих ретортах, используемых в качестве агрегатов восстановления. На установке таких реторт четыре. Емкость каждой реторты 100–150 т. Реторты переставляются с одной позиции на другую, что обуславливает циклический характер процесса, состоящего из последовательных операций загрузки, нагрева и восстановления шихты, охлаждения и выгрузки губчатого железа. Реторты загружают и подают газ сверху. В качестве сырья используют чистые руды, содержащие не менее 60% железа, крупностью 12–50 мм. Восстановление ведется в неподвижном слое кусковой руды или окатышей при избыточном давлении 0,35–0,4 МПа и температуре 870–1040 °С. Нагрев руды и компенсация тепловых потерь процесса осуществляют за счет физического тепла восстановительного газа, который нагревают до 980–1240 °С. При выдержке 4–6 часов средняя степень металлизации железа составляет 85 %. Выгрузку губчатого железа производят снизу с помощью специальных скребков. Губчатое железо поступает на конвейер транспортирующий губку в сталеплавильное отделение. В каждой из четырех реторт протекают различные процессы. В одной реторте происходит предварительный нагрев и восстановление шихты газом, выходящим из других реторт. В двух ретортах происходит довосстановление железа подогретым газом, получаемым в конверсионной установке. В четвертой происходит науглероживание губчатого железа. Готовое железо поступает на конвейер, а в освобожденную реторту загружают исходную шихту. К недостаткам метода относят:

- периодичность процесса;

- неравномерность металлизации по высоте;

- низкая степень металлизации в сравнении с процессами, осуществляемыми в шахтных печах.