Обжиг с получением губчатого железа

Губчатое железо, предназначенное для выплавки стали, обычно получают процессами с использованием в качестве восстановителя конверсированного природного газа, что обусловлено дефицитом кокса. Наиболее распространенными такими процессами являются "Мидрекс" - 56 % и ХиЛ - 33 % от общего его производства. Процесс "Мидрекс" реализован на 12 заводах в США, ФРГ, Канаде, Венесуэле и других странах. За период после пуска первой промышленной установки диаметр печи увеличился с 3,6 до 5,5, а ее производительность возросла от 20 до 95 т/час, расход энергии природного газа на 1 т губчатого Fе снизился с 12,5 - 13,4 до 10 ГДж. Основными элементами такой установки фирмы "Гамбург штальверке" в ФРГ, производительностью 400 тыс.т/год являются двухзонная шахтная печьо бъемом 300 м³ и реформер для конверсии природного газа. Металлизации подвергаются в основном шведские окатыши. Перед загрузкой в печь из окатышей выделяют мелочь. Загружают их скиповым подъемником через герметичное загрузочное устройство. В печи окатыши проходят зону нагрева и восстановления объемом около 150 м³, где находятся 4 - 6 ч при общем времени процесса 8 - 12 ч, после чего поступают в зону охлаждения, из которой выгружаются при 310 - 330 К.Колошниковый газ с температурой 620 - 720 К охлаждается и очищается от пыли и влаги. Примерно 70 % его компримируется и подается на смешение с природным газом, смесь газов подвергается конверсии в реформе, который отапливают смесью избыточного колошникового и природного газа. Тепло дымовых газов используют в рекуператоре для нагрева воздуха, подаваемого на сжигание отопительного газа. Для охлаждения окатышей используют газ, циркулирующий по самостоятельному контуру. Температуру конвертированного газа регулируют подачей холодного газа. Давление газа, охлаждающего губчатое Fе на 20 - 30 кПа ниже восстановителя, что препятствует его проникновению в зону восстановления. Показатели работы установок приведены в таблице 31.

Таблица 31-Показатели работы установок

Установки "Мидрекс" - процесса отличает высокая технологичность, возможность использования в управлении ЭВМ, что обеспечивает высокую стабильность; так коэффициент использования оборудования выше 91 %.Основными недостатками процесса являются жесткие условия по холодной и горячей прочности окатышей (минимальная горячая не менее1000 - 1500 Н/окатыш), используемых для получения губчатого железа и постоянный рост стоимости природного газа. В СССР процесс "Мидрекс" осуществлен на Оскольском электрометаллургическом комбинате им. Л.И. Брежнева. Процесс "Армко" разработан одноименной фирмой в США и осваивается в течение длительного времени. Основной его особенностью является применение паровой каталитической конверсии природного газа при соотношении близком к стехиометрическому. Рекуперация физического тепла губчатого железа происходит в зоне охлаждения печи вследствие нагрева холодного колошникового газа, возвращаемого в процесс, а также фурменного ввода конверсированного газа в печь. Объем шахты в Хьюстоне (США) около 300 м³, диаметр основания конической шахты около 5 м. Загрузка как и в "Мидрекс" - процессе, а выгрузка через одну разгрузочную трубу. На установке смонтированы два реформера природного газа. Потребность в паре, необходимом для ведения процесса, полностью покрывается утилизацией тепла дымовых газов реформеров. Отличительной особенностью процесса также является более низкая требуемая величина прочности окатышей на раздавливание, обычно она ниже, чем для "Мидрекс" - процесса в 1,5,2 раза. Качество губчатого железа по содержанию вредных примесей несколько хуже, чем в "Мидрекс" - процессе. Основными недостатками процесса являются: неполное охлаждение материала, неравномерность металлизации, повышенное спекообразование, нестабильный ход печи. Это по - видимому связано с фурменным подводом восстановителя в сочетании с центральной разгрузкой печи. Недостаточное охлаждение материала вызвано малой зоной охлаждения.

В связи с большой конкуренцией со стороны процессов "Мидрекс" и ХиЛ фирма не предполагает строительство новых установок. Процесс "Пурофер" разработан в ФРГ фирмой "Тиссен Пурофер" и получил промышленную реализацию в Бразилии и Иране. Особенностью процесса является отсутствие зоны охлаждения и выдача горячегогубчатого железа, а также применение для конверсии природного газа регенеративных реформеров с насадкой. Расход природного газа при конверсии колошниковыми газами уменьшается на 25 - 30 %.Шахтная печь имеет прямоугольное сечение с закругленными углами и опирается на водоохлаждаемую металлическую платформу. Загружают печь через двухконусный засыпной аппарат. Выгружают губчатое железо с температурой 1020 - 1070 К гидротолкателями. Подают восстановительный газ от реформеров к печи газопроводом, который переходит в охватывающий печь четырехугольный газопровод. Металлизованный продукт выгружают в контейнеры, которые в течение 25 - 40 ч охлаждают в бассейне с водой. Основными недостатками являются конструктивные сложности, связанные с разгрузкой железа при высокой температуре, однако оно содержит меньшее количество С. Кроме названных процессов существует еще множество других с различной стадией освоения, а рассмотренные можно также сопоставить по одному из важнейших показателей - затратам тепла. В этом плане наиболее экономичен "Мидрекс/ процесс. Основные направления в улучшении работы шахтных реакторов следующие: увеличение температуры газа, повышение давления в рабочем пространстве. Процесс Охалата и Ламина (ХиЛ), осуществляемый в ретортах периодического действия, является широко освоенным. В конце 1980 г. по способу ХиЛ было произведено более 3,8 млн. т губчатого железа на 10 установках. Следует отметить, что действующие установки превысили проектную мощность. Технология заключается в восстановлении газом неподвижного слоя шихты при давлении 0,49 мПа и 1070 - 1310 К. Нагревают руду и покрывают тепловые потери физическим теплом восстановительного газа, нагреваемого до 1250 - 1520 К. Восстановление в стационарном слое требует применения в одной установке нескольких реторт (для сокращения расхода тепла и топлива). Восстановительный газ получают паровой каталитической конверсией. Конвертированный газ проходит последовательно через три реторты, в которых осуществляется: охлаждение и науглероживание продукта, нагрев и предварительное восстановление, окончательное восстановление сырья. Перед каждой ретортой находится газоподогреватель, а на выходе - скруббер - охладитель. Нагревают газ в рекуператорах до 980 - 1090К,а затем в специальных устройствах путем сжигания части газа воздухом предварительно нагретым в тех же рекуператорах, что и газ. Отходящий газ после прохождения реторты конечного восстановления добавляют к природному газу и используют в качестве топлива для покрытия тепловых затрат процесса, Разгружают реторты откатыванием нижней их части. Основным достоинством процесса является низкая пирофорность губчатого железа. Главным недостатком является высокая степень неоднородности и неполнота металл из в нижней части реторты степень металлизации по высоте меняется от 80 - 82 до 92 - 94 %. Кроме того процесс периодический, велик расход энергии. Проведенное в последнее время совершенствование процесса позволило снизить расход природного газа более чем в два раза и довести его до 380 - 400 м3/т губчатого железа. Полное само обеспечение установок ХиЛ электроэнергией; возможность регулирования конечного содержания С от 0,1 до 2,5 %, низкие эксплуатационные расходы способствуют широкому развитию процесса, В разработанном недавно его варианте (ХиЛ I II) металлизация происходит не в ретортах, а в шахтных печах под давлением 0,45 МПа. Предполагается, что к концу 1983 г. суммарная мощность установок ХиЛ III составит 5 млн.т/год губчатого железа .Способ СЛ - РН позволяет перерабатывать как кусковые руды и окатыши, так и не окускованный железорудный концентрат во вращающихся печах с использованием дешевых некоксующихся углей. Основной особенностью процесса является частое настылеобразование, потому что для получения малосернистой губки в шихту добавляют известняк. Степень металлизации не более 90 %. С целью улучшения использования восстановителя крупные куски угля загружают с окатышами, а его тонкие фракции вдувают через воздушные фурмы (до 25 %).Наиболее крупная установка СЛ - РН введена в эксплуатацию в 1975 г.в Канаде. В состав ее входят: система подготовки шихты, вращающаяся печь, трубчатый охладитель, системы очистки материала и отходящих газов. По длине; печи установлено 15 фурм из нержавеющей стали, через которые подают воздух, при необходимости (в пусковом режиме и др.)через них предусмотрена подача природного газа. Способ завода "Сибэлектросталь" предусматривает подачу обожженных окатышей непосредственно с конвейерной машины при 1070 - 1520 К с последующим восстановлением во вращающейся печи и загрузку металлизованного продукта в электропечь при 1270 - 1320 К, что позволяет сократить расход электроэнергии и повысить производительность электропечей. Как видно из приведенных данных, за истекшее пятилетие в мире достигнут значительный прогресс в развитии технологии и оборудования процессов прямого получения железа. С 1976 по 1980 гг. построены 22 установки для производства губчатого железа суммарной проектной мощностью около 11 млн.т/год, в том числе 8 установок "Мидрекс"' и 4 установки ХиЛ суммарной проектной мощностью 4825 и 4500 тыс.т/год соответственно. К концу 1980Т. общие мощности производства губчатогоFе в мире составляли свыше 17 млн.т/год. Производимый продукт используют преимущественно для выплавки стали в дуговых печах. Однако фактическая производительность некоторых установок была значительно ниже проектной, а часть их выведена из эксплуатации, поэтому производство губчатого железа для выплавки стали в 1980 г. составило всего лишь 7,13 млн. т. 95 % его получено процессами с использованием в качестве восстановителя конверсированного природного газа, в том числе56 % процессом "Мидрекс" и 33 % процессом ХиЛ, и только 5 % - процессами, базирующимися на твердом топливе. Процессы восстановления мелких руд и концентратов в кипящем слое
не получили широкого распространения. В промышленном масштабе
реализованы только два процесса - ХИБ и ФИОР (по одной установке).При их освоении встретились значительные трудности, некоторые из них не преодолены до настоящего времени. Доля процессов, базирующихся на твердом топливе, невелика. Относительно широкое применение получило производство губчатого Fе во вращающихся трубчатых печах. К концу 1980 г за рубежом насчитывалось 17 таких промышленных установок общей проектной мощностью около 3 млн.т/год, из которых наиболее стабильно работают установки для металлизации комплексного железорудного сырья. За рубежом продолжают исследования и ведут разработки жидкофазного восстановления железных руд или концентратов с использованием некоксующихся углей. В СССР также ведут работы по применению процессов бескоксовой металлургии.