Прямое восстановление железа

Прямое восстановление железа

Выплавка чугуна и способы переработки чугуна в сталь

Схема химических процессов, протекающих в доменной печи

Задача 1121.
Дать схему химических процессов, протекающих в различных частях доменной печи, для чего при выплавке чугуна к руде добавляют карбонат кальция?
Решение:
а) В нижней части доменной печи кокс сгорает, образуя СО₂, который поднимаясь вверх и проходя сквозь слои накалённого кокса, взаимодействует с ним и образует СО.

Протекаемые химические реакции в доменной печи имеют вид:

б) Образовавшийся оксид углерода и восстанавливает большую часть железной руды, переходя снова в СО_2. Процесс восстановления руды происходит главным образом в верхней части доменной шахты:

Восстановление руды протекает по стадиям в зависимости от температуры:

3). FeO + CO Fe + CO₂

в) В руде содержится пустая порода, которая состоит главным образом из диоксида кремния SiO₂. Диоксид кремния – это тугоплавкое вещество. Для превращения тугоплавких примесей в более легкоплавкие соединения к руде добавляется флюс. Обычно в качестве флюса используют карбонат кальция СаСО₃. При взаимодействии его с SiO₂ образуется CaSiO₃ легко отделяющийся в виде шлака.

Образующийся СО₂ превращается в СО, который расходуется на восстановление руды, а СаСО₃ в виде шлака выводится из доменной шахты.

Известные способы переработки чугуна в сталь

Задача 1122.
Перечислить известные вам способы переработки чугуна в сталь. Какие химические процессы протекают при этом?
Решение:
Существует несколько способов переработки чугуна в сталь. Они основаны на окислении, содержащегося в чугуне углерода и примесей, и отделении образующихся оксидов в газовую фазу или в шлак.

а) Мартеновский способ переработки чугуна в саль ведут в пламенной отражательной печи, в которую загружают чугун, металлический лом и некоторое количество руды. В печь вводятся предварительно нагретые воздух и топливо (в виде газа или расплавленной жидкости). При сгорании топлива образуется факел с температурой 1800 – 1900 0 С. Метал и руда плавятся, и в расплав вводят добавки, необходимые для получения стали заданного состава. Выгорание примесей происходит главным образом за счёт кислорода воздуха.

б) Конверторный способ (бессемеровский метод) переработки чугуна в саль состоит в продувании струи воздуха через расплавленный чугун. При этом углерод и примеси сгорают и удаляются в виде газов или переходят в шлак. Этот метод имеет ряд недостатков по сравнению с мартеновским методом. Качество бессемеровской стали ниже, чем мартеновской. Это объясняется тем, что в ходе дутья в металле растворяется много азота из воздуха, что и обусловливает склонность данной стали к старению – утрате с течением времени пластичности и возрастанию хрупкости. Качество бессемеровской стали можно улучшить, используя кислородное дутьё.

в) Способ получения стали в электрических печах. В электрических печах легко обеспечивается быстрый подъём и точное регулирование температуры; в ней можно создавать окислительную, восстановительную или нейтральную атмосферу. Это позволяет получать сталь высокого качества.

При выплавке стали протекают процессы окисления-восстановления углерода и примесей. Выгорание примесей происходит главным образом за счёт кислорода:

• Вы здесь:
• Главная
• Задачи
• Химия-Глинка
• Доменная печь. Переработка чугуна в сталь. Задачи 1121 — 1122

Прямое восстановление железа

Прямое восстановление железа — это восстановление железа из железной руды или окатышей с помощью газов (СО, Н2, NH3), твердого углерода, газов и твердого углерода совместно. Процесс ведется при температуре около 1000 °C, при которой пустая порода руды не доводится до шлакования, примеси (Si, Mn, P, S) не восстанавливаются, и металл получается чистым. В литературе также встречаются термины: металлизация (частичная металлизация) руд, прямое получение железа, бездоменная (внедоменная) металлургия железа, бескоксовая металлургия железа. Продукт процесса называют железом прямого восстановления (DRI от англ. Direct Reduced Iron).

История

Попытки получить сталь минуя доменный процесс предпринимались в СССР ещё в 1950-х годов. Промышленное производство железа непосредственно из руды, минуя доменный (с использованием кокса) процесс, появилось в 1970-х годах. Первые установки прямого восстановления железа были малопроизводительны, а конечный продукт имел сравнительно много примесей. Широкое распространение этого процесса началось в 1980-х годах, когда в горно-металлургическом комплексе началось широкое применение природного газа, который идеально подошел для прямого восстановления железной руды. Кроме того, помимо природного газа, в процессе прямого восстановления железа оказалось возможным использование продуктов газификации углей (в частности бурых), попутного газа нефтедобычи и другого топлива-восстановителя.

Технологические изменения, произошедшие в 1990-е годы, позволили значительно снизить капитало- и энергоемкость различных процессов прямого восстановления железа, в результате чего произошел новый скачок в производстве продукции DRI (от англ. Direct Reduction of Iron).

Классификация процессов

Наиболее предпочтительной, по мнению большинства специалистов, является классификация по виду получаемого продукта:

• получение частично металлизованных (степень металлизации 30—50 %) материалов для доменных печей;
• получение высокометаллизованного продукта (степень металлизации 85—95 %) в твёрдом виде (губчатого железа) для переплавки в сталеплавильных агрегатах с получением стали;
• получение металлизованного продукта в пластическом состоянии (кричного железа) для различных целей, в том числе как вариант пирометаллургического обогащения труднообогатимых, бедных и комплексных руд;
• получение жидкого металла (чугуна или полупродукта) для переплава в сталеплавильных печах.

Сравнение с доменным процессом

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 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 затратить большее количество тепла на нагрев пустой породы и увеличить расход восстановителя. Производство губчатого железа из руд, содержащих более 2,5—3,0 % пустой породы, приводит к резкому росту расхода электроэнергии в процессе плавки металлизованных окатышей из-за резкого увеличения количества шлака.

Наличие примесных элементов

Доменная печь в состоянии полностью обеспечить получение кондиционного по сере чугуна. Удаление из чугуна меди, фосфора, мышьяка в доменной печи невозможно. Низкотемпературные процессы получения губчатого железа не обеспечивают удаления попутных элементов, то есть 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 летучие элементы (цинк, щелочные металлы), а степень удаления серы, мышьяка и фосфора зависит от режима процесса.

Физические свойства руды

В доменной печи перерабатывают исключительно кусковой железорудный материал, причем размер кусков не должен быть менее 3—5 мм. Отсюда вытекает необходимость процесса окускования руд. 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, поэтому возможно исключение из металлургического передела дорогостоящих процессов окускования мелких руд.

Использование недефицитных видов топлива

Современные доменные печи в качестве топлива используют только металлургический кокс. Прежде всего это связано с высокими прочностными качествами кокса, сохраняющимися при высоких температурах. Ни один из известных ныне (2007 год) видов твёрдого топлива не может в этом отношении конкурировать с коксом. Большинство известных способов и технологий металлургии железа не требуют использования кокса в качестве компонента шихты. Могут быть использованы полученные различным способом восстановительные газы (в основном при производстве губчатого железа), недефицитные виды каменного угля, бурые угли и продукты их переработки, нефтепродукты и др.

Читать статью Восстановление в доменной печи окислов марганца, кремния, фосфора и других элементов

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 наблюдается при внедоменном получении металла. Это повышает шансы новых технологий в конкуренции с доменным процессом в будущем.

Технология

Процессы получения губчатого железа осуществляются при умеренных температурах с использованием газообразного или твердого восстановителя в различных агрегатах: шахтных, трубчатых, туннельных, муфельных, отражательных, электронагревательных печах, ретортах периодического действия, конвейерных машинах, реакторах с кипящим слоем и др. Иногда эти агрегаты соединены в комплексы, в которых наиболее часто сочетаются с электропечью (электродоменной или дуговой) для получения жидкого металла (чугуна и стали). Чаще всего губчатое железо применяют как высокочистую добавку к стальному лому. Наиболее стабильный спрос на губчатое железо отмечается в странах с недостаточными мощностями доменного производства и поставками стального лома.

Основными процессами, используемыми на работающих, строящихся и проектных установках для производства губчатого железа, являются процессы с применением шахтных печей и реторт периодического действия. Процессы с использованием вращающихся печей и твердого восстановителя находят промышленное применение, главным образом, при переработке металлургических отходов — пылей и шламов, которые содержат примеси цинка, свинца и др., а также комплексных железных руд (богатых титаном, хромом, никелем, марганцем и др.), не пригодных для использования в доменных печах. Процессы в кипящем слое получили меньшее распространение в связи с целым рядом специфических особенностей (жесткие требования к гранулометрическому составу, газодинамические ограничения существования кипящего слоя, температурные условия и др.).

Процессы металлизации в шахтных печах во многом похожи на процессы, протекающие в шахте доменных печей в области умеренных температур. Однако имеются и значительные отличия: в шахтной печи отсутствует кокс; важную роль в процессах восстановления оксидов железа играет водород; восстановительный газ является единственным источником тепла, обеспечивающим все тепловые потребности процесса.

В процессе восстановления окатыши обжигают, и обрабатывают в шахтной печи горячими продуктами конверсии газа (твердого топлива), которые содержат водород. Водород легко восстанавливает железо:

F e 2 O 3 + 3 H 2 → 1000 ∘ C 2 F e + 3 H 2 O O_+3H_ C>> 2Fe+3H_O>>> ,

при этом не происходит загрязнения железа такими примесями как сера и фосфор, которые являются обычными примесями в каменном угле. Железо получается в твёрдом виде и в дальнейшем переплавляется в электрических печах. Для получения тонны железа прямым восстановлением из руды необходимо затратить примерно 1000 м3 водорода.

По своей сути процесс прямого восстановления железа является восстановлением железа из руд, минуя доменный процесс, то есть кокс в процессе не участвует.

Наиболее отработанным и широко распространенным процессом является процесс Midrex. С 1983 г. на Оскольском электрометаллургическом комбинате работают четыре модуля процесса металлизации Midrex общей мощностью 1700 тыс. т металлизованных окатышей в год. В состав каждого модуля входят: шахтная печь металлизации, реформер (реактор конверсии природного газа); система производства инертного газа; система аспирации. Система водного хозяйства, свеча, помещение пульта управления и электроснабжение являются общими для каждой пары модулей.

Шахтная печь для металлизации состоит из загрузочного (промежуточного) бункера; верхнего динамического затвора с загрузочным распределителем и загрузочными трубами; зоны восстановления; промежуточной зоны; зоны охлаждения; огнеупорной футеровки; постоянно действующих питателей; нижнего динамического затвора и маятникового питателя (для выгрузки готового продукта).

Продукты прямого восстановления

Губчатое железо

Губчатым железом называют продукт, который получают в результате восстановления железорудного материала без его плавления при температуре менее 1000—1200° С. В зависимости от вида исходного сырья губчатое железо представляет собой пористые куски восстановленной руды (редко агломерата) или окатыши, а в некоторых случаях — металлический порошок. Поскольку при восстановлении объемные изменения материала сравнительно невелики, плотность губчатого железа меньше плотности сырья, а пористость велика. Обычно кажущаяся плотность кускового губчатого железа 2—4 г/см3, а пористость 50—80 %.

В некоторых процессах восстановления мелкой руды, окалины или концентрата в неподвижном слое (например, в процессе Хоганес) происходит одновременное спекание исходного порошкового материала. Плотность образующегося брикета до некоторой степени зависит от температуры восстановления. Вследствие малой плотности губчатого железа насыпная масса его получается меньшей по сравнению с ломом, что приводит иногда к необходимости брикетирования (прессования) перед плавкой. Брикетирование проводят на прессах различного типа при удельных давлениях 1—3 тс/см2; при этом получают плотность брикетов до 5 г/см3.

Сильно развитая поверхность и высокая сообщающаяся пористость губчатого железа вызывают его повышенную окисляемость при хранении и транспортировке в неблагоприятных атмосферных условиях, хотя имеющиеся по этому вопросу данные противоречивы. Брикетирование уменьшает окисляемость.

Химический состав губчатого железа определяется в основном составом сырья. По сравнению с ломом оно значительно чище по содержанию примесей цветных металлов. Содержание пустой породы в нём выше, чем в исходной руде, пропорционально степени восстановления. Обычно сырьем служат богатые руды или концентраты, поэтому губчатое железо не подвергают дополнительной очистке и оно содержит все примеси пустой породы сырья. При получении губчатого железа из бедного сырья его подвергают обогащению магнитной сепарацией.

Губчатое железо используют для плавки стали (главным образом в электропечах), цементации меди (осаждения её из сернокислых растворов) и получения железного порошка.

Металлизованная шихта

Металлизованной шихтой называют частично восстановленное железорудное сырье, применяемое в доменной печи и в кислородных конвертерах для охлаждения плавки (взамен руды и лома). Степень восстановления металлизованной шихты обычно не превышает 80 %, в то время как для губчатого железа она чаще всего не бывает ниже 90 %.

Кричное железо

Кричное железо, производимое сейчас, отличается от той крицы, которую несколько веков назад получали в кричных горнах в виде больших кусков и проковывали непосредственно в изделия. Кричное железо в настоящее время производят в трубчатых вращающихся печах из бедных железных и железо-никелевых руд восстановлением их при 1100—1200 °С. Оно представляет собой довольно мелкие (крупностью 1—15 мм) металлические частицы с механическими примесями и включениями шлака. Количество шлаковых примесей в зависимости от схемы измельчения и магнитной сепарации промежуточного продукта составляет 10—25 %. При переработке хромо-никелевых руд получаемая крица содержит никель. Обычно крица имеет также высокое содержание фосфора и серы. Как правило, крицу используют в доменных печах, а в некоторых странах — в электропечах для выплавки стали или ферроникеля.

Чугун или углеродистый полупродукт

Чугун или углеродистый полупродукт получают во вращающихся печах или в электропечах, прямо связанных с печью восстановления, где восстановителем является твердое топливо. Чугун, полученный внедоменными методами, не отличается от обычного доменного; в ряде случаев получают полупродукт с меньшим содержанием некоторых примесей, чем в чугуне. Передел чугуна и полупродукта на сталь производится в известных сталеплавильных агрегатах без затруднений, а в случае полупродукта — с несколько меньшими затратами, чем передел доменного чугуна.

Реализованные на практике процессы и их агрегаты

• Сырьё (Окисленные окатыши и кусковая руда) → Шахтные печи (Purofer, Midrex, Arex, Hyl III, Hyl ZR)
• Сырьё (Окисленные окатыши и кусковая руда) → Реторты (Hyl I)
• Сырьё (Рудная мелочь, отходы) → Реакторы с кипящим слоем (Fior, Finmet, Cincored, Spirex, Iron Carbide)

• Трубчатые печи (OSI, TDR, DRC,Ghaem, SL/RN, Jindal, Siil,Codir)
• Печи с вращающимся подом (Comet, Fastmet, Inmetco, Dry Iron, Iron Dinamics)
• Реактор с кипящим слоем (Circofer)
• Многоподовая вращающаяся печь (Primus)

• Процессы с плавильным генератором (Corex, Finex)
• Процессы в жидкой ванне (DIOS, Romelt (также известен как процесс ПЖВ), Hismelt, AusIron, Tecnored, AISI Direct, Ironmaking, CCF)
• Струйно-эмиссионные процессы (ИРСИД, БИСРА, СЭР)

• Доред, Krupp-Renn, Экеторп-Валлак, способ Буше, процесс в кипящем шлаковом слое Кавасаки, COIN

Основные процессы доменной печи. Особенности производства чугуна

Схема доменного процесса
1 — железная руда + известняк; 2 — кокс; 3 — лента конвейера; 4 — колошник с аппаратом, предотвращающим уход доменного газа в атмосферу; 5 — слой кокса; 6 — слои известняка, оксида железа, руды; 7 — горячий воздух (с температурой около 1200 °C); 8 — шлак; 9 — жидкий передельный чугун; 10 — шлаковый ковш; 11 — чугуновоз; 12 — циклон для очистки доменного газа от пыли перед сжиганием его в регенераторах (13); 13 — регенераторы (кауперы); 14 — дымовая труба; 15 — подача воздуха в регенераторы (кауперы); 16 — порошок угля; 17 — коксовая печь; 18 — резервуар для кокса; 19 — газоотвод для горячего колошникового газа.

Читать статью Железо. Свойства железа и его соединений

До́менный проце́сс

(доменная плавка) — процесс получения чугуна в доменной печи[1][2].

Представляет собой совокупность ряда самостоятельных физикохимических явлений, к которым относятся процессы восстановления оксидов и сложных соединений, разложения гидратов и солей, горения твердого, жидкого и газообразного горючего, твердофазные и гетерогенные химические реакции, теплообмен, движение твердых, жидких и газообразных составляющих и др.[1]

Специфика агрегата

Рассмотрим особенности устройства, его предназначение. Основные процессы доменной печи связаны с плавкой кокса. Он представляет собой пористый материал, который спекается из массы углерода, получаемой путем прокаливания каменного угля без присутствия кислорода воздуха.

Читайте также: Как закалить губки для тисков

Доменная печь – это мощный и высокопроизводительный агрегат, где расходуется существенное количество дутья и шихты.

Литература[ | ]

• Вегман Е. Ф., Жеребин Б. Н., Похвиснев А. Н. и др.
  Металлургия чугуна : Учебник для вузов / под ред. Ю. С. Юсфина. — 3-е издание, переработанное и дополненное. — М. : ИКЦ «Академкнига», 2004. — 774 с. — 2000 экз. — ISBN 5-94628-120-8.
• Дмитриев А. Н. и др.
  Основы теории и технологии доменной плавки. — Екатеринбург: УрО РАН, 2005. — 545 с. — ISBN 5-7691-1588-2.
• Готлиб А. Д.
  Доменный процесс. — Москва: Металлургия, 1966. — 503 с.
• Линчевский Б. В., Соболевский А. Л., Кальменев А. А.
  Металлургия черных металлов. — Москва: Металлургия, 1986. — 360 с.
• Рамм А. Н.
  Современный доменный процесс. — Москва: Металлургия, 1980. — 303 с.
• Бабарыкин Н. Н.
  Теория и технология доменного процесса. — Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2009. — С. 15. — 257 с.
• Газалиев А. М., Акбердин А. А., Сарекенов К. З., Конуров У.К.
  Компьютерное моделирование процессов доменной плавки. — Караганды: Издательство КарГТУ, 2015. — 169 с. — ISBN 978-601-296-868-2.

Загрузка сырья

Современная доменная печь предполагает нахождение в ней материалов в течение 4-6 часов, газообразных веществ – 3-12 секунд. Если газы будут полностью распределены по сечению печи, можно рассчитывать на высокие показатели плавки, идет производство чугуна. Доменный процесс предполагает учет движения газов по зонам, имеющим меньшее сопротивление шихты. Поэтому при ее загрузке в печь осуществляется регулировка, перераспределение кокса и агломерата по сечению печи так, чтобы они отличались по газопроницаемости. В противном случае больший процент газов будет уходить из печи со значительной температурой, что негативно отразится на применении тепловой энергии, доменный процесс будет не в полной мере эффективным.

На тех участках, которые имеют большое сопротивление, шихта газов будет проходить незначительно нагретой, потребуется дополнительный расход тепла в нижней части печи, в результате существенно возрастет расход сырья.

Какие еще особенности важно учитывать при загрузке? Доменный процесс получения чугуна – энергоемкое производство. Именно поэтому у стен печи используют слой менее газопроницаемого агломерата, в центре – увеличивают слой кокса, благодаря чему перераспределяется поток газа к центру. Материалы по окружности располагают равномерно.

Загрузка шихты осуществляется отдельными порциями – подачами. Одна порция состоит из нескольких скипов, рудной части (агломерата), кокса. Соотношение исходных ингредиентов определяют специалисты.

Доменный процесс допускает совместную подачу сырья, при которой скипы кокса и агломерата скапливают на большом конусе, а затем его загружают в печь.

Доменный процесс предполагает учет определенных закономерностей внесения сыпучих материалов:

• укладка сырья, падающего с большого конуса, на колошнике с возвышением – гребнем;
• у гребня (в месте падения) шихты накапливается мелочь, крупные куски скатываются к подножию гребня, поэтому в этой зоне газопроницаемость шихты больше;
• на гребень влияет уровень засыпки на колошнике, а также расстояние с большим конусом;
• большой конус опускается не полностью, благодаря чему на периферию попадают мелкие куски кокса.

В большей части в центр печи попадает материал из скипов подачи, которые последними загружались в большой конус. Если изменить порядок загрузки, то можно добиться перераспределения материалов по сечению колошника.

Для регулирования процесса распределения по объему печи используемой шихты применяют два конусных аппарата. В последнее время некоторые доменные печи оснащаются подвижными плитами у стенок колошника, позволяющие менять угол наклона, перемещать их по горизонтальной плоскости.

Куски шихты, которые падают на плиты, отражаются от них, что позволяет направлять сырье в определенные зоны колошника.

Примечания[ | ]

1. ↑ 123
   Вегман и др., 2004, с. 216.
2. Дмитриев, 2005, с. 26.
3. Линчевский, 1986, с. 8—9.
4. Линчевский, 1986, с. 9.
5. Линчевский, 1986, с. 9—10.
6. Дмитриев, 2005, с. 26—27.
7. Готлиб, 1966, с. 90.
8. Сибагатуллин С. К., Гущин Д. Н., Харченко А. С., Гостенин В. А., Сенькин К. В.
   Повышение содержания железа в агломерате изменением соотношения кон и Лебединского ГОК по лабораторным исследованиям (рус.) // Теория и технология металлургического производства. — 2014. — Т. 14, № 1. — С. 12—15.
9. Линчевский, 1986, с. 64—65.
10. Линчевский, 1986, с. 80—82.
11. Линчевский, 1986, с. 81.
12. Вегман и др., 2004, с. 361.
13. Дмитриев, 2005, с. 208—209.
14. Готлиб, 1966, с. 359.
15. Дмитриев, 2005, с. 41—55.
16. Вегман и др., 2004, с. 217.
17. Линчевский, 1986, с. 69—75.
18. Вегман и др., 2004, с. 219—220.
19. Вегман и др., 2004, с. 222.
20. Вегман и др., 2004, с. 273.
21. Вегман и др., 2004, с. 273—274.
22. Дмитриев, 2005, с. 134—138.
23. Бабарыкин, 2009, с. 39.
24. Вегман и др., 2004, с. 292—296.
25. Захаров А. Ф., Вечер Н. А., Леконцев А. Н. и др.
    Качканарский ванадий / под. ред. В. И. Довгопола и Н. Ф. Дуброва. — Свердловск: Средне-Уральское книжное издательство, 1964. — С. 102. — 303 с.
26. Дмитриев, 2005, с. 172—173.
27. Д. Э. Манзор, Б. С. Тлеугабулов.
    Разработка технологии комплексной переработки ванадийсодержащих титаномагнетитов (рус.) // Technical science. — 2021. — Т. 1, № 1. — С. 13—15.
28. Вегман и др., 2004, с. 479—515.
29. Дмитриев, 2005, с. 295—344.
30. Вегман и др., 2004, с. 757.
31. Вегман и др., 2004, с. 758.
32. Вегман и др., 2004, с. 764.
33. Вегман и др., 2004, с. 766.
34. Казармщиков И. Т.
    Производство основных конструкционных материалов. — Оренбург: ГОУ ОГУ, 2008. — С. 122. — 279 с.
35. ↑ 12
    Автоматизация металлургических печей / Каганов В. Ю. [и др.] — М.: Металлургия, 1975. — с. 274.
36. Климовицкий М. Д., Копелович А. П. Автоматический контроль и регулирование в чёрной металлургии. М., «Металлургия», 1967. с. 260

Цикл загрузки

Под ним принято называть повторяющееся количество порций шихтовых материалов. Максимальную порцию определяют по объему шлюзового бункера засыпного механизма. Количество порций в одном цикле может составлять от 5 до 14. Как получить в полном объеме продукты доменного процесса? Для того чтобы ответить на этот вопрос, подробнее рассмотрим суть процесса. При повышенном содержании в смеси углекислого газа низкая температура способствует полноте протекания теплообменных и химических процессов в доменной печи. Чтобы аппарат работал экономично и интенсивно, количественное содержание углекислого газа по оси и на периферии печи должно быть пониженным, а на высоте одного-двух метров от стен – повышенным.

Контроль температур в новых печах осуществляется путем введения через отверстия в кожухе зондов. Обязательным для всех процессов является контроль уровня засыпки на колошнике.

Среди новаций – применение бесконтактных способов измерения уровня, основанных на показаниях микроволновых, инфракрасных датчиков.

Критика и эффективность доменного процесса[ | ]

Доменные печи выплавляют основное количество первичного металла (в 2002 г. — более 95 %). Доменный процесс исторически подвергался критике. Только во второй половине XX столетия были по крайней мере две волны критики, предсказывавшие исчезновение доменного производства как самостоятельного металлургического передела. В 1960 годы это было связано с вовлечением в мировое хозяйство крупнейших месторождений нефти и газа. По прогнозам многих специалистов того времени, доля первичного металла, получаемого новыми альтернативными доменному способами производства, должна была достичь 40 % к 2000 году. Вторая волна критики относится к 1980 годам. Это было связано с точкой зрения негативного влияния металлургии на экологию. Лишь после появления в периодической печати серьёзных аналитических публикаций о роли различных отраслей народного хозяйства в изменении состояния окружающей природной среды отношение к металлургической промышленности изменилось в лучшую сторону[30].

Читать статью Производство железа: особенности выплавки и добычи сырья

Читайте также: Индукционные вакуумные и индукционные тигельные плавильные печи – в чем разница?

В XX веке традиционная схема получения черных металлов (подготовка сырья — доменное производство — получение стали в конвертерах) абсолютно доминировала в мировой промышленности. В 1990-е годы ежегодное мировое производство чугуна поддерживается на уровне 550—650 млн тонн, мировое производство железной руды — 960—980 млн тонн, окатышей — 230—240 млн тонн. Расчет на традиционную металлургическую схему характерен и для стран, быстрыми темпами развивающих металлургическую промышленность (Тайвань, Республика Корея и др.). Доля этих стран в мировом производстве черных металлов в начале 2000-х достигла 20 %. В 1990 г. 12,5 % общего мирового производства чугуна относилось к доменным печам, срок эксплуатации которых составил менее 10 лет[31].

Доменный процесс — один из немногих промышленных процессов, сохранивших свою сущность и значимость при всех технических революциях. Противоточный принцип процесса, осуществляемого в закрытом агрегате шахтного типа, обеспечивает максимальную утилизацию подводимой энергии в самом процессе и простоту использования отводимых продуктов. В современных доменных печах восстановительный потенциал отходящих газов приближается к термодинамически предельному, а температура колошникового газа становится менее 100 °С. Наличие углеродистой насадки обеспечивает уникальную, характерную только для доменной печи, особенность совмещения в одном агрегате трёх фазовых состояний шихты (твердого, жидкого и размягчённого), находящейся в противотоке с газовым потоком. Вместе с тем ход плавки в современных агрегатах характеризуется высокой устойчивостью при долговременно-непрерывном режиме работы. Это достигнуто длительным эволюционным развитием процесса с закреплением преимуществ, присущих шахтному противотоку. Результаты эволюции выразились в формировании уникальных свойств доменной печи, обеспечивающих устойчивое протекание процессов при высокой их эффективности[32].

Эволюционное развитие доменного процесса идет по пути сокращения расхода кокса. Доменные печи, работающие по современным технологиям на подготовленной шихте с низкой теплопотребностью, имеют суммарный расход энергоносителей в пределах 480—500 кг/т. Расход кускового кокса в этом случае составляет менее 300 кг/т, остальное топливо представлено некондиционным коксом, загружаемым сверху, пылевидным топливом, мазутом или природным газом, вдуваемым в горн доменной печи. Теоретические расчеты показывают, что суммарный расход энергоносителей может быть доведен до 350—400 кг/т[33].

Важнейшими показателями работы доменных печей являются среднесуточная производительность и расход кокса на единицу выплавляемого чугуна. Максимальная производительность доменных печей с применением приёмов интенсификации процесса плавки составляет 12000 т/сутки, а удельный расход кокса на лучших печах составляет 0,4 т/т чугуна. Для сравнительной оценки производительности доменных печей пользуются коэффициентом использования полезного объёма печи (КИПО), представляющим собой отношение величины полезного объёма печи к её среднесуточной производительности. В 2000-е годы рекордный коэффициент использования полезного объёма составлял 0,35 м3 × т / сутки[34].

Особенности распределения температур

Кроме тепла, которое вносится нагретым дутьем, в качестве основного источника тепла для нагревания газов и шихты, проведения восстановления и компенсации теплопотерь, компенсировать потери можно теплом, что выделяется при сгорании топлива в верхней части горна. По мере движения газообразных продуктов из горна вверх тепло опускается к шихтовым холодным материалам, происходит теплообмен. Подобный процесс объясняет понижение с 1400 до 200 градусов температуры на выходе из печного колошника.

Выведение избыточной влаги

Рассмотрим основные физические и химические процессы в доменной печи. В шихте, которая загружается в доменную печь, имеется гигроскопическая влага. К примеру, в составе кокса ее содержание может составлять до пяти процентов. Влага быстро испаряется на колошнике, поэтому для ее устранения требуется дополнительное тепло.

Появляется гидратная влага при загрузке в доменную печь бурого железняка, а также каолина. Для решения проблемы в современном производстве чугуна практически не применяют в качестве сырья данные руды.

Автоматизация доменного процесса[ | ]

Основными направлениями технического прогресса в доменном производстве являются улучшение подготовки сырых материалов, совершенствование технологии доменного процесса, строительство доменных печей большой мощности, механизация и автоматизация управления доменным процессом. Выделить следующие основные направления автоматического контроля:

1. Химический состав и физические свойства шихтовых материалов.
2. Загрузка шихтовых материалов.
3. Состояние колошника.
4. Состояние шахты печи.
5. Параметры комбинированного дутья.
6. Состояние горна.
7. Технико-экономические показатели плавки.
8. Работа воздухонагревателей[35].

Локальные системы стабилизации отдельных параметров доменного процесса[ | ]

Внедрение локальных систем стабилизации отдельных параметров доменного процесса явилось одним из первых этапов автоматизации доменного производства. Локальная система стабилизации расхода, температуры и влажности горячего дутья, давления колошникового газа, нагрева воздухонагревателей позволяет повысить производительность доменных печей и снизить потребление кокса. А внедрение систем автоматического управления подачей шихты, распределения горячего дутья и природного газа по фурмам доменной печи, автоматический перевод и управление нагревом воздухонагревателей, как правило, даёт дополнительный экономический эффект[36].

Локальные системы управления доменного процесса[ | ]

Системы автоматического управления отдельными режимами работы доменной печи называются локальными системами управления или подсистемами комплексного управления. На вход таких систем поступает информация, характеризующая соответствующий режим, а выходом системы является управления задатчиками локальных систем стабилизации, обслуживающих данный комплекс параметров. Основными локальными системами управления доменного процесса являются:

1. Система управления шихтовки и шихтоподачи.
2. Система управления теплового режима.
3. Система управления распределения газового потока.
4. Система управления хода доменной печи[35].

Процессы разложения карбонатов

Соли угольной кислоты могут поступать в доменную печь. По мере их нагревания происходит их разложение на оксиды кальция и углерода, а процесс сопровождается выделением достаточного количества энергии.

В последнее время в доменные печи почти не загружают руды. Какова роль флюсов в доменном процессе? Они повышают его эффективность, позволяют снижать затраты на производство. Благодаря использованию офлюсованного агломерата, полному выведению из доменной шихты известняка можно добиться существенной экономии кокса. Процесс разложения известняка при агломерации обеспечивается сгоранием топлива низкого сорта.

Восстановление железа

Железо вводится в доменную печь в виде оксидов. Основной задачей процесса является максимальное извлечение железа из оксидов путем восстановления. Суть процесса состоит в удалении кислорода, для этого используется углерод, угарный газ, водород. Восстановление углеродом называют прямым процессом, а реакцию с газообразными веществами именуют косвенным взаимодействием. Каковы их отличительные особенности? При прямой реакции расходуется углерод, в результате чего существенно сокращается его количество. Для второго вида восстановления железа из оксидов требуется избыточное количество водорода.

В ходе процесса образуется твердое железо. Степень восстановления в чугун составляет 99,8 %. Таким образом, только 0,2 -1 % превращаются в шлак.

Выплавка марганцовистых чугунов

В процессе выплавки переделываемых чугунов в доменную печь марганец попадает в виде агломерата. В некоторых количествах марганцевые руды в виде силикатов марганца способствуют получению марганцовистого чугуна.

Читайте также: Как узнать размер цепей для бензопилы: таблица маркировок

Восстановление из оксидов марганца происходит ступенчато. Для того чтобы полностью провести процесс, в горне должны быть установлены высокие температуры. Процесс выплавки передельных чугунов сопровождается восстановлением марганца только в соотношении 55-65 %. В настоящее время из-за дефицитности марганцевых руд и марганца в технологической цепочке стали использовать незначительное количество марганцовистых чугунов. При переходе на маломарганцовистые чугуны можно экономить не только сам марганец, но и кокс, так как будет снижаться его расход на прямое восстановление металла.

Похожие записи:

1. Процессы разложения и восстановления шихтовых материалов по высоте доменной печи
2. Теплотехника доменного процесса китаев
3. Доменная печь: что такое, как появилась, как работает
4. Доменная печь: устройство доменной печи и схема доменного производства

Прямое восстановление железа

Прямо́е восстановле́ние желе́за — это восстановление железа из железной руды или окатышей с помощью газов (СО, Н₂, NH₃), твёрдого углерода, газов и твёрдого углерода совместно. Процесс ведётся при температуре около 1000 °C, при которой пустая порода руды не доводится до шлакования, примеси (Si, Mn, P, S) не восстанавливаются, и металл получается чистым [1] . В литературе также встречаются термины: металлизация (частичная металлизация) руд, прямое получение железа, бездоменная (внедоменная) металлургия железа, бескоксовая металлургия железа [2] . Продукт процесса называют железом прямого восстановления (DRI от англ. Direct Reduced Iron ).

История

Попытки получить сталь минуя доменный процесс предпринимались в СССР ещё с 1950-х годов [3] . Промышленное производство железа непосредственно из руды, минуя доменный (с использованием кокса) процесс, появилось в 1970-х годах. Первые установки прямого восстановления железа были малопроизводительны, а конечный продукт имел сравнительно много примесей. Широкое распространение этого процесса началось в 1980-х годах, когда в горно-металлургическом комплексе началось широкое применение природного газа, который идеально подошёл для прямого восстановления железной руды. Кроме того, помимо природного газа, в процессе прямого восстановления железа оказалось возможным использование продуктов газификации углей (в частности бурых), попутного газа нефтедобычи и другого топлива-восстановителя.

Технологические изменения, произошедшие в 1990-е годы, позволили значительно снизить капитало- и энергоёмкость различных процессов прямого восстановления железа, в результате чего произошёл новый скачок в производстве продукции DRI (от англ. Direct Reduction of Iron ) [4] .

Классификация процессов

Доля сталеплавильных процессов в мире: жёлтый — бессемеровский; зелёный — мартеновский; синий — кислородные конвертера; красный — электропечи; розовый — прямое восстановление железа

Схема процесса прямого восстановления железа Krupp-Renn

Схема процесса Midrex

Наиболее предпочтительной, по мнению большинства специалистов, является классификация по виду получаемого продукта:

• получение частично металлизованных (степень металлизации 30—50 %) материалов для доменных печей;
• получение высокометаллизованного продукта (степень металлизации 85—95 %) в твёрдом виде (губчатого железа) для переплавки в сталеплавильных агрегатах с получением стали;
• получение металлизованного продукта в пластическом состоянии (кричного железа) для различных целей, в том числе как вариант пирометаллургического обогащения труднообогатимых, бедных и комплексных руд;
• получение жидкого металла (чугуна или полупродукта) для переплава в сталеплавильных печах [5] .

Сравнение с доменным процессом

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 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 затратить большее количество тепла на нагрев пустой породы и увеличить расход восстановителя. Производство губчатого железа из руд, содержащих более 2,5—3,0 % пустой породы, приводит к резкому росту расхода электроэнергии в процессе плавки металлизованных окатышей из-за резкого увеличения количества шлака [5] .

Наличие примесных элементов

Доменная печь в состоянии полностью обеспечить получение кондиционного по сере чугуна. Удаление из чугуна меди, фосфора, мышьяка в доменной печи невозможно. Низкотемпературные процессы получения губчатого железа не обеспечивают удаления попутных элементов, то есть 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 летучие элементы (цинк, щелочные металлы), а степень удаления серы, мышьяка и фосфора зависит от режима процесса [6] .

Физические свойства руды

В доменной печи перерабатывают исключительно кусковой железорудный материал, причём размер кусков не должен быть менее 3—5 мм. Отсюда вытекает необходимость процесса окускования руд. Это требование остаётся обязательным для процессов получения губчатого и кричного железа в шахтных и вращающихся печах. Низкотемпературная металлизация измельчённых руд возможна в специальных агрегатах (например, аппараты кипящего слоя). Для большинства способов внедоменного получения жидкого металла размер кусков руды не имеет значения, поэтому возможно исключение из металлургического передела дорогостоящих процессов окускования мелких руд [7] .

Использование недефицитных видов топлива

Современные доменные печи в качестве топлива используют только металлургический кокс. Прежде всего это связано с высокими прочностными качествами кокса, сохраняющимися при высоких температурах. Ни один из известных ныне (2007 год) видов твёрдого топлива не может в этом отношении конкурировать с коксом. Большинство известных способов и технологий металлургии железа не требуют использования кокса в качестве компонента шихты. Могут быть использованы полученные различным способом восстановительные газы (в основном при производстве губчатого железа), недефицитные виды каменного угля, бурые угли и продукты их переработки, нефтепродукты и др. [7]

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 наблюдается при внедоменном получении металла. Это повышает шансы новых технологий в конкуренции с доменным процессом в будущем [8] .

Технология

Процессы получения губчатого железа осуществляются при умеренных температурах с использованием газообразного или твёрдого восстановителя в различных агрегатах: шахтных, трубчатых, туннельных, муфельных, отражательных, электронагревательных печах, ретортах периодического действия, конвейерных машинах, реакторах с кипящим слоем и др. Иногда эти агрегаты соединены в комплексы, в которых наиболее часто сочетаются с электропечью (электродоменной или дуговой) для получения жидкого металла (чугуна и стали). Чаще всего губчатое железо применяют как высокочистую добавку к стальному лому. Наиболее стабильный спрос на губчатое железо отмечается в странах с недостаточными мощностями доменного производства и поставками стального лома.

Основными процессами, используемыми на работающих, строящихся и проектных установках для производства губчатого железа, являются процессы с применением шахтных печей и реторт периодического действия. Процессы с использованием вращающихся печей и твёрдого восстановителя находят промышленное применение, главным образом, при переработке металлургических отходов — пылей и шламов, которые содержат примеси цинка, свинца и др., а также комплексных железных руд (богатых титаном, хромом, никелем, марганцем и др.), не пригодных для использования в доменных печах. Процессы в кипящем слое получили меньшее распространение в связи с целым рядом специфических особенностей (жёсткие требования к гранулометрическому составу, газодинамические ограничения существования кипящего слоя, температурные условия и др.).

Процессы металлизации в шахтных печах во многом похожи на процессы, протекающие в шахте доменных печей в области умеренных температур. Однако имеются и значительные отличия: в шахтной печи отсутствует кокс; важную роль в процессах восстановления оксидов железа играет водород; восстановительный газ является единственным источником тепла, обеспечивающим все тепловые потребности процесса.

В процессе восстановления окатыши обжигают, и обрабатывают в шахтной печи горячими продуктами конверсии газа (твёрдого топлива), которые содержат водород. Водород легко восстанавливает железо:

при этом не происходит загрязнения железа такими примесями как сера и фосфор, которые являются обычными примесями в каменном угле. Железо получается в твёрдом виде и в дальнейшем переплавляется в электрических печах. Для получения тонны железа прямым восстановлением из руды необходимо затратить примерно 1000 м 3 водорода.

По своей сути процесс прямого восстановления железа является восстановлением железа из руд, минуя доменный процесс, то есть кокс в процессе не участвует.

Наиболее отработанным и широко распространённым процессом является процесс Midrex. С 1983 года на Оскольском электрометаллургическом комбинате работают четыре модуля процесса металлизации Midrex общей мощностью 1700 тыс. т металлизованных окатышей в год. В состав каждого модуля входят: шахтная печь металлизации, реформер (реактор конверсии природного газа); система производства инертного газа; система аспирации. Система водного хозяйства, свеча, помещение пульта управления и электроснабжение являются общими для каждой пары модулей.

Шахтная печь для металлизации состоит из загрузочного (промежуточного) бункера; верхнего динамического затвора с загрузочным распределителем и загрузочными трубами; зоны восстановления; промежуточной зоны; зоны охлаждения; огнеупорной футеровки; постоянно действующих питателей; нижнего динамического затвора и маятникового питателя (для выгрузки готового продукта) [9] .

Источник https://serkits.ru/domennyj-process/pryamoe-vosstanovlenie-zheleza/

Источник https://xn--h1ajim.xn--p1ai/%D0%9F%D1%80%D1%8F%D0%BC%D0%BE%D0%B5_%D0%B2%D0%BE%D1%81%D1%81%D1%82%D0%B0%D0%BD%D0%BE%D0%B2%D0%BB%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5_%D0%B6%D0%B5%D0%BB%D0%B5%D0%B7%D0%B0