Министерство образования и науки Украины

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

ГВУЗ «КРИВОРОЖСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

КРИВОРОЖСКИЙ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

по дисциплине «Альтернативные процессы производства черных металлов»

для студентов специальностей направления 6.050401 – «Металлургия»

г. Кривой Рог

2014г.

Методическое пособие для выполнения практических работ по дисциплине «Альтернативные процессы производства черных металлов» для студентов специальностей направления 6.050401 – «Металлургия»

Утверждено на заседании кафедры металлургических технологий, протокол № ______ от "____"_____________2014г.

Составила: доцент кафедры МТ, к.т.н. Сусло Н.В.

Рецензент: профессор, д.т.н. Лялюк В.П.

ВВЕДЕНИЕ

Приблизительно 30-40 лет назад учеными были составлены прогнозы по поводу объемов металлофонда, благодаря которым добытых металлов будет вполне достаточно для последующей жизнедеятельности человечества. А металлургической промышленности осталось бы многократно использовать металлолом с помощью его переплавления. По этим данным должны были решиться проблемы в области экологии, а также по сырью для металлургического производства. Но по прошествии достаточного количества времени, жизненные потребности человечества опровергли прогнозы ученых.

Производство чугунных изделий во всем мире достигло примерно 800 миллионов тонн, из чего следует, что в переработку вторичного сырья отправляется только третья часть всех ресурсов. При возросшем использовании запасных объемов металлов, использование добываемых металлов не прекратилось. И этому способствуют два обстоятельства. Главное из них — это все большая потребность в металлических изделиях. К тому же, при переплавке вторичного сырья в металле накапливаются вредные примеси, а еще его необходимо для начала рассортировать.

Из-за постоянного добывания металлической руды, запасы ее в природе неизбежно истощаются, вследствие чего возникает необходимость решения задач по сохранности природных ресурсов. Все приведенные проблемы и задачи непосредственно взаимосвязаны между собой.

В условиях постоянно нарастающего дефицита природных ресурсов особое значение обретает рациональное, комплексное и экономичное их использование. Из этого вытекает необходимость создания промышленных предприятий без выбросов отходов.

Создание промышленных предприятий без выбросов отходов предусматривает систему технологических процессов, обеспечивающих комплексное использование сырья и энергии, при котором будет возможно рационально расходовать природные ресурсы и энергию и защитить окружающую среду от загрязнения и деградации. В основу проектирования производственных предприятий такого типа заложена технология комплексной обработки сырья, предусматривающая отделение и переработку всех отходов в готовую продукцию. Создание подобных малоотходных и безотходных технологических процессов осуществляется по следующим направлениям:

1) комплексная переработка сырья;

2) разработка принципиально новых технологий, технических средств и схем получения известных видов продукции;

3) проектирование и внедрение бессточных и замкнутых систем водопотребления;

4) рекуперация промышленных отходов;

5) разработка и создание регионально-промышленных комплексов с замкнутой структурой динамичных потоков сырья и отходов.

Комплексная обработка сырья включает в себя две основные задачи: бережное расходование богатств природы и уменьшение выбросов отходов в окружающую среду.

Создаются новые эффективные технологические процессы, отличающиеся возможно меньшим числом технологических стадий и оборудования, а также совмещением операций. В черной металлургии успешно используется метод получения железа путем восстановления рудных концентратов водородом или синтез-газом, представляющим смесь Н₂ и СО. При этом исключаются стадии доменного передела, производства кокса и агломерата.

1 Процесс РОМЕЛТ (ROMELT)

Процесс создан учеными Московского государственного института стали и сплавов под руководством проф. В.А. Роменца, а конструктивное оформление этого процесса разработано ими совместно с сотрудниками Гипромеза (г. Москва). Всестороннее исследование и оценка возможностей процесса РОМЕЛТ (ROMELT) осуществлена на пилотной установке, построенной на заводской площадке Ново-Липецкого металлургического комбината.

Основные узлы оборудования технологии процесса РОМЕЛТ (ROMELT) приведены на рис. 1. Главным агрегатом этого процесса является плавильно-восстановительная камерная печь – 3 (рис.2), огнеупорная футеровка стен которой заменена панелями с испарительным охлаждением, позволяющим получать пар давлением 1,5 МПа с температурой 350 °C.

Рабочее пространство печи выполнено в форме правильного параллелепипеда. Каждая длинная стена печи оборудована двумя рядами фурм для подачи воздуха, обогащенного кислородом. В нижних частях печи на стороне коротких по ширине стен расположены сифоны, один из которых предназначен для выпуска чугуна, а второй - на противоположной стене для выпуска шлака.

Через свод печи осуществляется загрузка шихты и удаление продуктов горения топлива и компонентов реакций восстановления железорудной части шихты.

Технологический процесс относится к стационарным и характеризуется непрерывностью загрузки подготовленных по крупности железной руды, угля и флюсов. В состав шихты могут входить шламы и другие виды техногенных отходов, в том числе и содержащие до 7,6 % цинка и 0,86 % свинца, а также хлориды и оксиды щелочных элементов. Требования по гранулометрическому составу таковы: крупность железной руды - 0-20 мм, угля - 0-40 мм и извести - 0-10 мм. Содержание железа в рудах должно быть на уровне 63-65 %. Требование к углям ограничивается содержанием золы на уровне 13,5 % и летучих, которые увеличивает выход продуктов горения, что сказывается на повышенном выносе пыли, что нежелательно. Текущие запасы компонентов шихты хранятся в бункерах - 1, откуда конвейером - 2, доставляются к печи. Загружаемые составляющие шихты попадают на поверхность «кипящей» ванны с расплавом.

Рисунок 1 – Схема технологического процесса Ромелт:

1 – бункера для шихты; 2 – загрузочный конвецер; 3 – плавильно-восстановительная печь; 4 – барботажные фурмы; 5 – фурмы дожигания; 6 - котел-утилизатор; 7 – система газоочистки; 8 – эксгаустер; 9 – дымовая труба

Рисунок 2 - Схема печи Ромелт

«Кипение» создается в результате развития явлений барботажа при вводе кислородо-воздушного дутья через нижний ряд - барботажных фурм - 4, в шлаковый расплав. Тепловой энергией процесс получения чугуна обеспечивается за счет сжигания углерода угля, продуктов его термического разложения и горючих компонентов восстановительного газа, покидающего шлаковую ванну. Для организации горения на печи установлен верхний ряд фурм - фурм дожигания - 5.

Получаемый в жидком виде чугун по содержанию углерода и серы практически не отличается от доменного чугуна. Однако, в нем отсутствует кремний и другие трудно восстановимые элементы. Количество фосфора, остающегося в чугуне составляет 70-80 % от того количества, которое содержится в руде. Чугун либо используется в производстве стали, либо разливается на товарный чушковый. Производительность плавильно-восстановительной печи зависит от содержания FeO в шлаке: устойчивость в работе печи достигается при его содержании в пределах 1,5-3,0 %.

Комплекс РОМЕЛТ (ROMELT) предусматривает припечную грануляцию шлака.

Отработанный печной газ направляется в котел-утилизатор - 6, где за счет регенерации его тепловой энергии вырабатывается пар, давление которого составляет 4 МПа и температура 440 °C. Далее энергию этого пара, а также пара, получаемого в системе паро-испарительного охлаждении печи, используют в системах «паровая турбина-электрогенератор» для выработки электроэнергии.

Охлажденный до 200 °C печной газ в системе пылеулавливания - 7, очищается от оксидов цинка, свинца и соединений щелочных элементов до содержания пыли - 50 мг/м³, после чего с помощью эксгаустера - 8, выбрасывается через дымовую трубу - 9, в атмосферу.

По высоте рабочего пространства печи (снизу вверх) выделяют 5 технологических зон.

Первая зона, температура которой составляет 1350-1400 °С, является зоной спокойного металла. В этой зоне отсутствуют барботажные явления. В ней завершаются процессы восстановления вюстита углеродом, растворенным в металле, и десульфурация сульфида железа известью, растворенной в шлаке, по реакциям:

Высота этой зоны определяется условиями выпуска металла из печи.

Вторая зона, температура которой достигает 1400-1450 °C, названа зоной спокойного шлака. В этой зоне при отсутствии барботажных явлений протекают процессы, не только характерные для первой зоны, но и формирующие конечный состав чугуна. При прохождении капель металла через слой шлака за счет реакций между металлом и шлаком происходит нагрев капель, их рафинирование и укрупнение. Высота этой зоны распространяется от верхней границы металла до среза отверстий барботажных фурм.

Третья зона, температура которой находится в пределах 1450-1500 °С, располагается над барботажными фурмами, формирующими состояние барботируемого слоя шпака при вводе кислородовоздушных струй. Барботируемый слой шлака представляет собой двухфазную систему «газ—жидкость» с исключительно развитой поверхностью раздела фаз, которая за счет движения газовых пузырей постоянно обновляется. Благодаря этой особенности в циркулирующем шлаке создаются предельно высокие объемные тепловые нагрузки, определяющие развитие тепло-массообменных процессов значительной интенсивности таких, как горение твердого топлива, обеспечивающее тепловой энергией плавление частиц руды и развитие физико-химических процессов прямого восстановления оксидов железа из жидкого шлака. He менее активно развиваются процессы десульфурации железистого расплава и окисление S из шлака кислородом дутья, насыщения металла углеродом за счет его растворения. Для этой зоны характерны процессы, протекающие по следующим реакциям:

Следует еще раз подчеркнуть, что все процессы в зоне барботируемого слоя шлака протекают с высокими скоростями за счет интенсивного перемешивания расплава и шлака, формирующего область высоких температур в пределах всей зоны и значительные постоянно обновляющиеся поверхности раздела на границе «газ-жидкость».

Четвертая зона распространяется на небольшую толщину шлакового расплава, прилегающую к его поверхностному слою. Поэтому она может быть названа поверхностной зоной. Ее, средняя по объему, температура составляет 1500-1550 °C. Поверхностный слой зоны по существу служит передатчиком тепла жидкой ванне от свода и стен, а также от продуктов горения. Столь важная роль этого слоя определяется барботажными явлениями, обеспечивающими постоянный перенос массы расплава с уровня нижнего ряда фурм на поверхность ванны и ее возвращение в нижние слои ванны, благодаря чему интенсифицируется перемешивание расплава и, как следствие, условия переноса и распределения тепла по всему объему ванны.

Наряду с описанными явлениями в этой зоне происходят процессы, которые условно можно назвать подготовительными. Прежде всего, это относится к сушке угля и руды с разложением влаги, к термическому разложению угля и его летучих с образование полукокса. Плотность кусков угля и руды значительно меньше плотности расплава. Поэтому они, плавая, остаются некоторое время на поверхности шлаковой ванны до тех пор, пока за счет либо горения для угля, либо плавления для руды их размер не уменьшится. При определенных размерах частиц, зависящих от их плотности, они вовлекаются в циркуляционный поток барботажного слоя.

Кроме расплавления железорудной части шихты, в этой зоне начинается, формирование железистого расплава, образуется также шлак из пустой породы руды и флюсов, возгоняются оксиды цинка и свинца. Эти процессы протекают одновременно с восстановлением оксидов железа и науглероживанием металлического расплава. В поверхностной зоне развиваются процессы химического взаимодействия по реакциям, свойственным этой зоне, а именно: разложение летучих угля:

окисление твердого углерода парами воды:

восстановления FeO из шлака твердым углеродом:

Кроме того, в поверхностной зоне с высокой активностью протекают и реакции, характерные для барботажной зоны (помеченные).

Таким образом, все процессы, связанные с превращением компонентов шихты в чугун и шлак, сосредоточены в барботажной и поверхностной зонах.

Пятая зона, получившая название зоны дожигания, охватывает часть рабочего пространства плавильно-восстановительной печи с диапазоном температур 1750-1850 °С. Зона располагается над поверхностной. Площадь поперечного сечения печи в зоне дожигания и выше несколько увеличена с целью обеспечения оптимальных условий сжигания горючих составляющих газов, выделяющихся из ванны, таких как CO, H2. Кроме того, сгорают и мелкие частицы угля, выносимые из ванны потоком газа. Кислород, необходимый для полного сжигания горючих компонентов, поступает в печь через фурмы дожигания с кислородо-воздушным дутьем.

Горячий газ с температурой 1500-1550 °C из поверхностной зоны, сжигаемый в потоке воздуха, обогащенного кислородом, выделяет значительное количества тепла, образуя продукты горения высокого температурного потенциала. Процессы, идущие в этой зоне по реакциям

определяют тепловой баланс зоны и, как следствие, уровень интенсивности конвективной передачи тепла от продуктов горения и передачи тепла излучением от свода и стен на поверхность ванны. Поскольку шлаковый расплав непрерывно выносится на поверхность ванны, то его тепловое состояние удается поддерживать на уровне, обеспечивающем теплом физико-химические процессы, протекающие в нижележащих зонах.

Значительная часть рабочего пространства печи под сводом остается свободной. Эта часть печи используется для гашения скорости газов, покидающих шлаковую ванну, и тем самым снижающих вынос пылевых частиц и капель шлака за пределы печного пространства.

Стабильность одностадийного процесса получения чугуна по технологии Ромелт обеспечивается организацией теплового режима, при котором поддерживаются высокие температуры в зонах барботируемого слоя шлака (не ниже 1450 °С). Устойчивость процессов получения восстановительных компонентов по реакциям (11.34), (11.36) и (11.37), процессов восстановления оксидов железа из шлака углеродом достигается, если в шлаке поддерживается содержание частиц полукокса по объему, равное 20-30 %.

Проектными организациями России разработаны модули технологии РОМЕЛТ (ROMЕLT), рассчитанные на производительность от 100 до 500 тыс. т жидкого металла в год. Сведения о потребляемых ресурсах и выходе получаемых продуктов для указанного диапазона годовой производительности содержатся в табл. 1.

Приведенные данные, наряду с описанием технологии процесса РОМЕЛТ (RОМЕЛТ), указывают на основные ее преимущества:

- использование для получения чугуна мелких железорудных материалов, мало пригодных для подготовки к доменной плавке;

- использование для получения тепловой энергии энергетических углей;

- использование плавильно-восстановительной печи для переработки техногенных отходов различного происхождения - шламов, пыли, пластмасс и пр.;

- глубокое использование физического тепла отработанных печных газов и тепла охлаждающей воды в системе пароиспарительного охлаждения для выработки электроэнергии;

- получение избыточной электрической энергии, реализуемой на сторону;

- припечная переработка шлака, не требующая шлаковозных ковшей и участков их обработки, при этом получают продукт - гранулированный шлак, обладающий потребительскими свойствами.

Таблица 1 – Удельные расходы материалов и выход побочной продукции

2 Процесс TEKHOPEД (TECNORED)

Процесс разработан в Бразилии. Технология этого процесса отличается от процесса РОМЕЛТ (ROMELT) устройством плавильно-восстановительной печи шахтного типа, схема которой показана на рис. 3. Печь представляет собой две шахты круглого поперечного сечения разного диаметра с общей вертикальной осью. Загрузка железорудной части шихты и кускового угля осуществляется через специальное загрузочное устройство - 1, в верхнюю шахту - 2, которая используется для подогрева загруженной шихты. Нижняя шахта - 3, предназначена для газификации топлива и металлизации рудной части шихты. Через кольцевое сечение, образованное на стыке двух шахт, твердые виды топлива загружаются в нижнюю шахту. По внутренней окружности кольца установлены верхние фурмы - 4, для подвода холодного дутья. Горячее дутье подается через кольцевой воздухопровод - 5, к нижним фурмам - 6. Получаемый металл - чугун, и шлак накапливаются в горне - 7, и через соответствующие летки, удаляются из печи. Отработанный печной газ через отвод - 5, направляется в систему очистки и далее на утилизацию тепла. Как и в других подобных процессах, твердые отходы газоочистки возвращаются в производство, а тепло отработанного печного газа утилизируется для подогрева кислородо-воздушного дутья, получения пара и электроэнергии, для сушки железорудных компонентов шихты.

Рисунок 3 – Схема плавильно-восстановительной печи процесса ТЕКНОРЕД (TECNORED):

А – устройство печи: 1 – загрузочное устройство; 2 – верхняя шахта-подогреватель; 3 – нижняя шахта-газификатор; 4 – верхние фурмы; 5 - кольцевой воздухопровод; 6 – нижние фурмы; 7 – горн; 8 – отвод дымовых газов; КУ – кусковой уголь; А – агломерат; М – металл; Ш – шлак; Б – расположение зон печи: І – зона подогрева рудной части шихты и непрямого восстановления; ІІ – зона плавления; ІІІ – зона нагрева расплава и прямого восстановления

Существуют также и некоторые особенности в организации жидкофазного восстановления. Прежде всего, это относится к подготовке шихты. Составляющими железорудной части шихты являются железорудный концентрат, мелкая железная руда, металлургические отходы - доменные и сталеплавильные шламы, прокатная окалина, отсевы окисленных и металлизованных окатышей и пр. Для изготовления рудоугольных окатышей, брикетов или агломерата применяют углеродсодержащие шламы, коксовую мелочь, шламы коксохимического производства, колошниковую пыль доменной плавки и другие подобные материалы. Связующими в этом случае выступают: известь, портланд-цемент, мелкий известняк, органические материалы (для природного сырья) и металлургические шлаки (для металлургических отходов)). Приготовленные из указанных компонентов окатыши или брикеты упрочняют безобжиговыми способами. В зависимости от применяемого связующего технология упрочнения предусматривает либо выдержку на воздухе в течение 10-28 сут., либо обработку влажным колошниковым газом в течение 30 мин.

Плавильно-восстановительная печь работает в режиме противотока. Движение материала определяется процессами горения топлива. плавления рудных составляющих и золы топлива. Основной поток восходящего восстановительного газа формируется за счет горения топлива при вводе нагретого кислородо-воздушного дутья через нижний ряд фурм. Его количество увеличивается при сжигании этого газа холодным воздухом, поступающим через верхние фурмы.

По высоте столба шихтовых материалов выделяют четыре технологические зоны:

1 - Зона подогрева рудной части шихты и непрямого восстановления. Эта зона расположена в верхней шахте печи. Подогрев шихты осуществляется за счет физического тепла восстановительного газа, поступающего из нижних горизонтов печи, и химического тепла за счет дожигания CO и H2 этого газа. Холодный воздух для дожигания поступает через верхний ряд фурм. Кроме того, если используются некоторые виды твердого топлива или отходы, то при их нагреве выделяются продукты термического разложения, которые также дожигаются в этой зоне. Такого запаса тепловой энергии оказывается достаточно для организации начала плавления рудных компонентов шихты. Образующиеся первые капли расплава стекают в нижнюю часть печи. Выше горизонта плавления температура быстро снижается, благодаря чему ограничивается развитие реакции Будуара

Последнее очень важно, т. к. появление в продуктах горения CO свидетельствует о химической неполноте горения и дополнительно загрязняющих атмосферу газовых выбросах.

По мере нагрева шихты и выхода ее к горизонту дожигания восстановительного газа развиваются процессы восстановления оксидов железа, протекающие с высокой скоростью во внутренних объемах рудоугольных компонентах шихты, чему в немалой степени способствуют наличие в них углерода.

2 - Плавильная зона охватывает область печного пространства от очагов дожигания у верхних фурм до полного расплавления рудных компонентов шихты. В отличие от процесса Ромелт плавление рудных составляющих приводит к образованию капель, которые, стекая, сливаются в струи, вновь подвергаются дроблению при движении по межкусковым каналам, обновляя непрерывно поверхностные слои капель расплава. Процессы плавления протекают в восстановительной атмосфере, что исключает окисление металлического расплава.

Особых требований технология процесса ТЕКНОРЕД (TECNORED) к качеству твердого топлива - основному источнику тепловой энергии, не предъявляет.

Железорудные составляющие шихты и топливо загружаются в печь раздельно: железорудная часть поступает в верхнюю шахту печи, а топливо - в кольцевой зазор. Смешение этих частей начинается при выходе материалов за пределы нижней границы шахты - 1.

3 - Зона нагрева расплава и прямого восстановления. В этой зоне активно взаимодействуют три фазы — твердая (топливо), жидкая (расплав) и газообразная (кислородо-воздушное дутьё и восстановительный газ).

При исследовании этого процесса выплавку чугуна производили с использованием различных видов топлива — низкопрочного кокса, высокозольного кокса, антрацита, сырого пекового кокса, древесного угля, различных смесей кокса с добавками резиновой крошки от автопокрышек, отходами пластмасс, деревянных брусков и текстильных отходов. Высокотемпературный восстановительный газ, который является продуктом горения топлива, располагает достаточным количеством тепла не только для нагрева и плавления шихты, но и для восстановления оксидов железа, кремния и марганца. Этот запас тепла обеспечивается и нагревом дутья, и обогащением его кислородом.

Очень важным для процесса ТЕКНОРЕД (TECNORED) является наличие в нижней шахте кусковой насадки. Движение расплава в форме капель и пленок значительно увеличивает поверхность контакта расплава с восстановительными газами, а высокие температуры газа и его состав, богатый оксидом углерода и водородом, предопределяют высокие скорости восстановления оксидов.

В этой зоне завершаются процессы плавления и образования шлакового расплава, восстанавливаются остаточные оксиды железа, а также оксиды кремния, происходит формирование шлака из пустой породы железорудной части шихты и золы топлива, разделение шлака и металлического расплава, сопровождающееся науглероживанием последнего.

4 - Горн печи. Эта зона наименее активна с технологической точки зрения. Горн предназначен для накопления чугуна и шлака. Попутно в горне при прохождении капель чугуна через слой шлака окончательно формируется состав чугуна. В нем появляется марганец, восстановленный из шлака, увеличивается содержание углерода и уменьшается содержание серы. В итоге - состав чугуна практически не отличается от доменного.

Поскольку все основные процессы восстановления оксидов совершаются первоначально в жидком шлаковом расплаве и завершаются в разделенных потоках чугуна и шлака, то описанный процесс отнесен к процессам жидкофазного восстановления.

Основные технико-экономические показатели технологии выплавки чугуна ТЕКНОРЕД (TECNORED) по результатам опытных плавок характеризуются сведениями, представленными в табл. 2.

По оценкам специалистов выплавляемый по технологии TEKНОРЕД (TECNORED) чугун целесообразно и наиболее эффективно использовать при выплавке стали в дуговых электропечах минизаводов в составе шихты - 35 % чугуна и 65 % металлолома, Эти условия способны оптимизировать и себестоимость стали, и сроки окупаемости затрат на строительство подобного модуля производительностью 40 т чугуна в час.

Утилизация железосодержащих и топливных отходов для производства чугуна по технологии ТЕКНОРЕД (TECNORED) отражает современные тенденции по снижению техногенного давления на окружающую среду, связанные с сохранением минеральных и топливных природных ресурсов.

Таблица 2 – Показатели работы опытной плавильно-восстановительной печи

3 Процесс Окси-Кап (Оху-Сuр)

Процесс (Оху-Сuр - Oxygen Cupola) или технология плавки в агрегате, иногда именуемым «кислородная вагранка», создан специально для переработки пыли и шламов агломерационного, доменного и сталеплавильного производства, скрапа различного происхождения, замасленной и незамасленной окалины, шламов прокатных цехов, мелкой руды, а также для плавки горячебрикетированного и губчатого железа. Основное предназначение этого процесса связано с утилизацией отходов металлургических технологий. Отличительной особенностью процесса Окси-Kan является возможность переработка отходов с высоким содержанием цинка. Такие отходы формируются в виде пыли при доменной плавке, в электросталеплавильном производстве, при разделке автомобильного лома.

Первоначально значительное внимание было уделено проблемам подготовки шихты, а именно - разработке технологии получения углесодержащих самовосстанавливающихся брикетов -С - брикетов («С - Brick»). В итоге было признано, что наиболее удачными по физическому состоянию и прочности компонентами шихты являются шестигранные брикеты высотой 110 мм. Для приготовления брикетов использовали пыли и шламы доменного производства, пыли конвертерного и электросталеплавильного производства, окалину прокатных цехов, магнитные фракции шлака после десульфурации и другие железосодержащие компоненты. В качестве восстановителя использовали уголь, коксик, антрацит, нефтяной кокс. Пластическая масса при изготовлении брикетов включала воду и цемент. После тщательного смешения всех компонентов шихты и формирования брикетов их упрочнение происходило на воздухе, т.е. безобжиговым способом.

Технологическая схема технологии Окси-Кап (Оху-Сир) приведена на рис. 4. Основной агрегат в этой технологии представлен кислородной вагранкой - 8. Загрузка шихты, состоящей из углесодержащих самовосстанавливающихся брикетов - 1, скрапа - 6, кокса и флюсующих добавок - 7, осуществляется через колошник. Отбор колошникового газа организован ниже уровня загрузки, благодаря чему снижается вынос пыли.

Рисунок 4 – Технологическая схема процесса Окси-Кап (Оху-Сuр):

1 – углеродистый самовосстанавливающийся брикет; 2 – пыли и шламы; 3 – агломерационная машина; 4 – доменная печь; 5 – конвертер; 6 – скрап; 7 – кокс и добавки; 8 - Окси-Кап (кислородная вагранка); 9 – воздушное дутье; 10 – кислород; 11 - система очистки газа; 12 – свеча; 13 – смеситель доменного и коксового газов; 14 – воздухонагреватель; 15 – воздуходувка; Ш – шлак; Ч – чугун; ВГ – ваграночный газ

Загрузка брикетов, автомобильного лома (не более 300 мм), пакетированного лома (не более 400 мм) литейного скрапа (не более 400 мм), плавильного лома (не более 1000 мм), кускового кокса и флюсующих добавок обеспечивает хорошую газопроницаемость шихты при равномерном распределении газа по поперечному сечению печи и благоприятные условия не только для газификации углесодержащих компонентов в брикетах, но и для восстановления оксидов железа и других металлов. С целью уменьшения расхода кокса плавку проводят на литейном коксе крупностью 90-150 мм.

Общее время пребывания шихты до расплавления составляет около 1,5 ч, причем большую часть этого времени затрачивается на нагрев шихты до 1000°С. Дальнейший нагрев шихты и расплавление ее металлической части требует не более 20 мин. В этом интервале температур и времени протекают все основные физикохимические процессы:

которые завершаются при температуре примерно 1450 °С. Получаемый чугун содержит углерода от 3,2 до 4,5% при среднем значении 4,0%, кремния от 0,2 до 1,2% при среднем значении 0,6% и серы от 0,05 до 0,5% при среднем значении 0,1%. Содержание этих элементов определяются химическим составом составляющих шихты, путем подбора которых можно влиять на состав чугуна. Чугун указанного состава обычно используют при производстве стали в конвертерах и дуговых электросталеплавильных печах.

Описанные условия переработки отходов обеспечиваются при подаче в вагранку воздушного дутья подогретого до 620°С в воздухонагревателе - 13, рекуперативного или регенеративного типа и кислорода. Рассматривается также возможность подогрева воздуха в плазменных генераторах. Соотношение воздушного дутья к кислороду 7:1. Применение кислорода особенно при его подаче со сверхзвуковыми скоростями позволяет создать в коксовой постели поле высоких температур, обладающего значительным запасом тепла, компенсирующего тепловые эффекты эндотермических реакций. В последнее время система подачи дутья и кислорода дополнена горелками, установленными выше воздушных фурм и использующими природный газ в смеси с воздухом. Подобная комбинация широко применяется в доменных цехах. В технологии Окси-Кап применение природного газа обеспечило энергетическую замену коксовой постели на 30%.

Наряду с выдачей горячего жидкого металла, технология Окси-Кап позволяет получать жидкий шлак и колошниковый газ.

При выплавке чугуна из отходов получают шлак следующего состава: SiO2 - 41%, CaO - 37%, Al2O3 - 11%, MgO - 6%, FeO < 1,0%. Выход шлака составляет 400-430 кг/т чугуна. Столь значительный выход шлака объясняется загрязненностью скрапа, требующего для ошлакования дополнительных флюсующих добавок и извести. При использовании в шихте горячебрикетиро- ванного железа, полученного в агрегатах прямого восстановления, выход шлака значительно уменьшается. Кроме того, чистота железа прямого восстановления по вредным примесям - сере и фосфору, позволяет получать металл лучшего качества.

Технология Окси-Кап хорошо приспособлена для удаления из металла цинковых соединений, которые попадают в печь вместе со скрапом или в составе отходов металлургических технологий. Количество цинка составляет 1-3% от веса металлической шихты. Оксиды цинка при высоких температурах восстанавливается до металлического цинка, а при температурах 1000-1500 °С цинк активно испаряется. Перемещаясь с газом пары цинка, попадая в зону низких температур, окисляются до ZnO и в виде тонкодисперсных частиц выносятся с пылью из печи. В системе газоочистки улавливают до 33,3 кг пыли на тонну металла, в которой содержание ZnO достигает 38%. Пыль с таким содержание оксида цинка представляет качественное исходное сырье для получения металлического цинка.

В технологии процесса Окси-Kaп колошниковый газ проходит очистку от пыли. Содержание в нем пыли после очистки не превышает 10 мг/м³ газа, а содержание сернистого ангидрида менее 20 мг/м³. Этот газ, теплота сгорания которого равна 4200 КДж/м³, является топливным отходом. Частично его сжигают в топке, а тепло продуктов горения газа используют для подогрева воздушного дутья. Часть этого газа может быть использована для выработки электроэнергии. При отсутствии потребителя газ сжигают на свече - 12, так как в нем содержание оксида углерода - CO, достигает 32 %, что экологически недопустимо.

Во время пуска вагранки в эксплуатацию, при отсутствии колошникового газа для подогрева воздуха применяют смесь доменного и коксового газов, которую приготавливают в смесителе - 13.

Довольно часто «кислородную вагранку» - Окси-Кап, сравнивают с доменной печью. И та и другая являются шахтными печами с той лишь разницей, что в первой превалируют процессы плавления, а во второй процессы восстановления, главным образом, оксидов железа. Отсюда и разница в конструкциях этих печей. При одинаковой производительности (200 000 т/год) параметры вагранки и доменной печи характеризуются следующими показателями:

Если учесть и другие отличия, в частности уровень и оборудование для подачи нагрева дутья, особенности систем охлаждения, то преимущество вагранок с кислородным дутьем перед доменными печами для переработки металлургических отходов станет очевидным. К этому следует добавить, что в чугун и шлак из вагранки выдаются непрерывно в сигарообразные или обычные ковши.

Специалисты фирмы «Kuttner GmbH & Co. KG», участвующие в разработке технологии процесса Окси-Кап, приводят более детальные показатели работы печного агрегата (см. рис. 5), рассчитанного на использование углеродных самовосстанавливающихся брикетов, изготовленных из доменного шлама (35%) и пыли кислородно-конвертерного производства (65%). Анализ этих данных свидетельствует о том, что технология процесса Окси-Кап практически безотходна. Действительно все материальные отходы - шлак, шламы, фильтровальный кек, и энергетические - ваграночный газ, используются либо внутри самой технологии (подогрев дутья), либо для создания продуктов, обладающих потребительской стоимостью, таких как строительные материалы, сырье для извлечения цинка, получение электроэнергии.

Этот вывод может быть подкреплен и другими соображениями:

- технология процесса Окси-Кап не предъявляет особых требований к шихте, длительности производственного цикла, требуемых простоев. В частности, печь может работать на 100% скрапа, а ее остановка может быть проведена в течение 2 мин.

- горячий металл, выплавленный в печи Окси-Кап и чугун, полученный в доменной печи, имеют практически одинаковую, а в некоторых случаях и более низкую стоимость;

- использование дешевого скрапа с цинковым покрытием в составе шихты для Окси-Кап освобождает технологии производства стали в конвертерах и дуговых печах от этих нежелательных компонентов шихты и обеспечивает, тем самым, повышение производительности сталеплавильных агрегатов;

Рисунок 5 – Потоки шихты, продуктов плавки, материальных и энергетических отходов в технологии процесса Окси-Кап:

COD – химическое потребление кислорода; SS – твердые частицы

- технологией процесса Окси-Кап в состав шихты включают мелкие фракции агломерационных фабрик, в результате чего создаются благоприятные условия для оптимизации работы и повышении производительности этих фабрик;

- получаемая как отход производства в технологии процесса Окси-Кап пыль, богатая оксидом цинка, является ценным сырьем для получения металлического цинка;

- технико-экономические показатели процесса Окси-Кап свидетельствуют об отсутствии твердых отходов, а также о том, что концентрации загрязняющих веществ в выбросах и сбросах ниже предельно допустимых концентраций.

Таким образом, технология процесса Окси-Кап обеспечивает решение проблем утилизации отходов металлургического производства - пыли, шламов, настылей и скрапа, одновременно обеспечивая производство стали дополнительным количеством горячего металла, а цветную металлургию цинковым сырьем. Физический нагрев и химический состав горячего металла эквивалентны доменному чугуну. Таким образом, отходы различных металлургических технологий после переработки вновь возвращаются в сталеплавильное производства, но уже в новом качестве. Наиболее перспективным внедрением подобных технологий являются комбинаты с полным металлургическим циклом, формирующие отходы, которые будут полностью перерабатываться на самом предприятии.

4 Процесс ПРАЙМУ С (PRIMUS) для производства металлизованного продукта

Этот процесс, разработанный компанией Paul Wurth, осуществлен в 1990 г. Его упрощенная технологическая схема представлена на рис. 6. Процесс восстановления и металлизации происходит в многоподовой печи - 1. Руда и уголь, загружаемые сверху печи через загрузочные трубы, перемещаются вниз, пересыпаясь с одного пода на другой. Скребки вращающихся «рук» передвигают материал вдоль каждого пода многоподовой печи (рис. 7). Четыре «руки со скребками», закрепленные на вертикальном осевом валу печи над каждым подом вращаются со скоростью около 2,5 оборотов в минуту. Шихтовые материалы и газ, таким образом, движутся в основном в противотоке. Процесс не требует специальной подготовки сырьевых материалов и может перерабатывать как мелкую железную руду, крупный концентрат, так и композитные окатыши из цинкосодержащей пыли электропечей, угля и связующего вещества (бентонит и др.).

Рисунок 6 – Технологическая схема процесса ПРАЙМУС:

1 – многоподовая печь; 2 – плавильный агрегат; 3 – циклон; 4 – камеры дожигания газа; 5 - рекуператор-подогреватель воздуха горения; 6 – холодильники; 7 – тканевые фильтры; 8 – дымососы; 9 – дымовая труба; ЖР – железная руда; У – уголь; В – воздух; - Ш – шлак; ЧЧ – чушковый чугун; ЖЧ – жидкий чугун; ПГ – продукты горения; ТГ – технологический газ электропечи; АГ - аспирационные газы; ПП – пыль на рециклинг процесса ПРАЙМУС; ПЦ – пыль на производство цинка и свинца

Многоподовая печь по высоте (сверху вниз) разделена на две основные технологические зоны (рис. 7):

- окислительную, в которой происходит подогрев материалов и выделение летучих угля вследствие его термического разложения. Тепло для этих целей получают за счет сжигания угля и его летучих компонентов. Подогретый воздух горения инжектируется в свободное рабочее пространство печи над каждым подом, При избытке кислорода в этой зоне, обеспечивающего окислительную атмосферу, образуются оксиды цинка и свинца, выделяя при этом дополнительное количество тепла. Эта технологическая операции необходима для последующего осаждения этих соединений на фильтре;

- восстановительную, предназначенную, как следует из названия этой зоны, для восстановления оксидов железа, цинка и свинца. Необходимое количество тепловой энергии для создания требуемой по составу атмосферы и осуществления процессов металлизации, а также возгонки цинка и свинца получают при сжигании углерода коксового остатка угля в условиях недостатка воздуха. Подача этого воздуха организуется так же, как и для окислительной зоны. Для обеспечения технологического процесса металлизации и возгонки дополнительным количеством тепла, необходимого для полноты протекания всех эндотермических реакций, прибегают к ин-жекции пылеугольного топлива в свободное пространство печи. Положение и диаметр насадок для ввода воздуха в печь выбирается с учетом поддержания восстановительной атмосферы на поверхности материала.

Рисунок 7 – Внутреннее устройство многоподовой печи

Процесс осуществляется при давлении, близком к атмосферному. Температура в межподовом пространстве достигает 1100 °С. Материал выгружается из печи при температуре около 1050-1080 °С. Температура продуктов горения, покидающих рабочее пространство печи, составляет около 1050 °C. Благодаря высокой температуре и малому размеру частиц все процессы как нагрева, так и окислительно-восстановительные осуществляется достаточно быстро и время пребывания компонентов шихты в печи составляет 30-40 мин. На пилотной установке при работе на хорошем концентрате была достигнута степень металлизации, превышающая 92 %. Содержание углерода в металлизованном продукте достаточно низкое и сопоставимо с содержанием углерода в металлизованном продукте вращающихся печей - около 0,5 %.

Продукты горения после очистки в циклоне - 3, и дожигания в специальной топке - 4, используется для подогрева воздуха горения в рекуператоре - 5. Осаждаемая в циклоне пыль возвращается в многоподовую печь. После охлаждения в холодильнике - 6, и очистки от пыли в тканевом фильтре - 7, продукты горения удаляются через дымовую трубу - 9, в атмосферу. Компенсация всех потерь при движении продуктов горения по дымовым каналам и агрегатам - циклону, камере дожигания, рекуператору и пр. обеспечивается работой дымососа - 8.

Дожигание газа диктуется двумя соображениями: во-первых, целесообразно использовать химическое тепло этого газа для подъема температуры на входе в рекуператор для подогрева воздуха горения и, во-вторых, не менее целесообразно, исключить выбросы CO в атмосферу, переведя это соединение в CO₂. Возможна также утилизация физического и химического тепла отходящего газа для производства пара и электроэнергии.

В случае переработки цинкосодержащей пыли электропечей, оксиды цинка и свинца восстанавливаются в многоподовой печи при температуре свыше 800 °C, после чего и цинк, и свинец переходят в газообразное состояние и уносятся из печи. При охлаждении отходящего газа вне печи данные металлы опять окисляются переходят в твердое состояние в виде мелкодисперсных оксидов цинка и свинца, которые улавливаются в рукавных фильтрах - 7. В дальнейшем пыль, осаждаемая в тканевых фильтрах и содержащая оксиды железа, цинка и свинца, поступает на производство цинка и свинца.

Выгружаемый продукт может быть направлен на брикетирование для производства ГБЖ или загружаться в горячем состоянии в электропечь - 2, для выплавки чугуна.

При работе комплекса «многоподовая печь - плавильная электропечь», образующийся в электропечи технологический газ дожигается в специальной топке - 4, и после охлаждения в холодильнике - 5, и осаждения пыли в тканевом фильтре - 6, выбрасывается дымососом - 8, через дымовую трубу в атмосферу. Уловленная пыль используется в производстве цинка и свинца. Технологией процесса ПРИМУС (PRIMUS) также предусматривается охлаждение аспирационных выбросов от мест выпуска жидких продуктов плавки - чугуна и шлака, с последующей их очисткой в тканевом фильтре - 7.

Расход угля на тонну металлизованного продукта при использовании качественной железной руды составляет около 550-650 кг или около 15,5 19,5 ГДж/т металлизованного продукта. При переработке композитных цинксодержащих окатышей (содержание цинка до 55 %) расход угля возрастает до 1150 кг/т чугуна.

В технологии процесса ПРАЙМУС (PRIMUS) движение потоков шихты и газа в многоподовой печи, работа систем дожигания газа и улавливания пылевых частиц хорошо организована, благодаря чему техногенное давление на окружающую природную среду минимизировано.

В настоящее время в мире работают две установки по технологии процесса ПРАЙМУС (PRIMUS): одна в Люксембурге, единичной мощностью 85000 т/год перерабатываемых отходов металлургического производства и вторая - на Тайване мощностью до 120000 т/год загружаемых материалов. Для такой производительности создана установка, которая при диаметре 8 м имеет 8 подов. Максимальная проектная единичная мощность многоподовой печи, работающей на первородной руде, составляет 300000 т/год металлизованного продукта.

5 Технология процесса KOPEKC (COREX)

Эта технология в настоящее время получила наибольшее распространение. Её технологическая схема приведена на рис. 8. Для этого процесса на первой его стадии - восстановления, использована восстановительная шахта-реактор - 4, которая по своему устройству аналогична, применяемой в процессе МИДРЕКС, но отличающаяся отсутствием зоны охлаждения, т. к. металлизованное сырье, вовлекаемое во вторую стадию процесса, должно оставаться горячим. На второй стадии процесса -плавления, используется плавильная печь-газификатор - 5, для реализации технологических операций получения восстановительного газа, плавления металлизованного продукта и получения чугуна.

В технологическом процессе KOPEKC (COREX) железорудная часть шихты представлена окатышами, кусковой рудой, рудной мелочью или их смесью. В качестве добавок используется известняк и доломит. На тонну чугуна расходуется 1480 кг окатышей или эквивалентной по содержанию железа смеси окатышей и железной руды, 112 кг известняка и 130 кг доломита.

Доля железной руды достигает 12 %. После загрузки шихтовых материалов (кроме угля и железной руды в случаях ее использования) через шлюзовые затворы - 3, которые обеспечивают герметизацию рабочего пространства шахтной печи-реактора, шихта обрабатывается в противотоке восстановительным газом при температуре 800-850 °C по реакциям, описанным ранее. Восстановление оксидов железа протекает при высоком давлении газа, состоящего из CO и H2. Время восстановления в пределах 7-9 ч устанавливается таким, чтобы на выходе из реактора степень металлизации получаемого продукта составляла 90-93 %. Металлизованный продукт шнековыми питателями перегружается в плавильную печь-газификатор.

В плавильную печь-газификатор из бункеров - 1, с помощью шнековых питателей - 2, также загружается топливо - уголь, и железная руда в количестве 10-12 % от общей массы железорудных материалов.

Рисунок 8 – Упрощенная технологическая схема процесса КОРЕКС:

1 – бункер для угля; 2 – шнековый питатель; 3 – загрузка руды и флюсов; 4 – восстановительная шахта-реактор; 5 – плавильная печь-газификатор; 6 – циклон горячего газа; 7 – скрубберы; 8 – компрессор; 9 – шламовый отстойник; М – металл; Ш – шлак; ВГ – восстановительный газ; ВГО – то же, охлажденный; ОПГ – отработанный печной газ; П – пыль; Шл – шлам; В – вода; О₂ – кислород; КУ – котел-утилизатор

Загружаемая в печь-газификатор вместе с углем железная руда вносит дополнительный кислород, что снижает удельный расход газообразного потребляемого кислорода, сокращает удельный расход топлива. При добавке 10-15 % кокса к углю отмечено увеличение производительности агрегата за счет увеличения зоны горения и интенсификации процессов теплоотдачи от горячих газов шлаку и металлу.

Для обеспечения устойчивой работы этого агрегата к качеству углей предъявляются следующие требования:

Соблюдение этих требований благоприятно сказывается на устойчивости процесса газификации, равномерности всех процессов по объему слоя в печи-газификаторе и, в конечном итоге, на технико-экономических показателях по производительности, по удельным расходам угля и кислорода и пр.

После загрузки в печь-газификатор топлива, железной руды и металлизованного железа в ней образуется из этих компонентов движущийся слой твердых материалов. Под влиянием высоких температур железорудная часть шихты плавится, образуя шлаковый расплав, который каплями, сливающимися в струйки, стекает по угольно-коксовой насадке, при этом происходит довосстановление оксидов железа, разделение металла и шлака и накопление этих продуктов в горне. Выпуск чугуна и шлака, условия горения топлива определяют скорость движения слоя, его режим работы по принципу противотока.

Таким образом, при стационарном режиме работы комплекса KOPEKC (COREX) в печи-газификаторе формируется движущийся слой угля, орошаемый шлаковым расплавом и плавающий на поверхности жидкого шлака. По высоте слоя угля снизу вверх по аналогии с газогенераторным процессом выделяются четыре зоны: окислительная, восстановительная, термического разложения угля, сушки. В кислородной зоне происходит горение угля в атмосфере кислорода преимущественно с образованием CO₂, сопровождающееся выделением тепла. Удельный расход кислорода на тонну угля в этой зоне составляет 550 м³. При наличии в газе водяных паров их взаимодействие с твердым углеродом приводит к образованию и CO, и H₂. Температура газа в кислородной зоне при использовании кислородного дутья достигает 2500 °С. По мере расходования кислорода дутья, в слое топлива развиваются процессы, связанные с восстановлением CO₂ до CO, отсюда и название восстановительной зоны. Следует отметить, что источниками образования CO₂ является как горение топлива, так и процессы восстановления оксидов железа. В этой зоне не только завершаются процессы восстановления оксидов железа, но и активно происходит плавление шихты. Процесс регенерации CO₂ требует для своего развития значительных затрат тепловой энергии, также, как и процесс плавления. Пока в генерируемом (восстановительном) газе есть запас тепла, образование оксида углерода продолжается и на выходе из этой зоны содержание CO₂ становится незначительным. В зоне термического разложения угля выделяются смолы и летучие вещества, которые в условиях высоких температур разлагаются с образованием CO и Н₂. Эти компоненты обогащают газ. Оставшийся твердый продукт представляет собой полукокс, состоящий практически из твердого углерода и золы. В самой верхней зоне - сушки, удаляется влага. Представленная схема формирования восстановительного газа из угля и кислорода достаточно условна: в реальном слое угля зоны проникают одна в другую или совмещаются друг с другом.

Образующийся технологический, восстановительный газ содержит 90-95 % CO и H₂, а также 1-5 % CO₂ при отношении (Н₂/СО₂) ~ 0,3 и немного азота. Этот газ практически идеален для восстановления оксидов железа, т. к. не содержит балластных компонентов. Восстановительный газ этого состава и используется при металлизации в восстановительной шахте комплекса KOPEKC (COREX). В результате затрат тепла на плавление компонентов шихты и процессы жидкофазного восстановления газ охлаждается до 1000 °С, после чего направляется в циклон - 6. Осажденная пыль, состоящая из угля и железосодержащих компонентов шихты, возвращается в печь-газификатор.

Требуемая технологией металлизации температура газа на входе в восстановительную шахту - 800-850 °С, корректируется вводом в этот поток охлажденной части восстановительного газа. Для этого после циклона поток газа разделяется. Одна из его частей направляется в скруббер - 7, где одновременно с охлаждением газа улучшается его состав за счет удаления водяных паров. Далее этот охлажденный поток смешивается с горячим технологическим газом и через фурмы вводится компрессором - 8, в шахту-реактор. При избытке этого газа некоторое его количество может быть передано в поток отработанного печного газа.

Отработанный печной (колошниковый) газ, содержащий 43 % CO, 20 % H₂ и 32 % CO₂ подвергается очистке в скруббере - 7, после чего направляется в котел-утилизатор для последующей выработки электроэнергии.

Загрязненная пылью вода от скрубберов осветляется в шламовом отстойнике - 9, и возвращается в систему оборотного водоснабжения. Шламы от скрубберов после обезвоживания утилизируются.

Получение чугуна связано с науглероживанием металла. Начинается этот процесс на первой стадии технологии, т. е. в восстановительной шахте-реак-торе, а его завершение происходит в печи-газификаторе. По своему составу чугун, выплавленный по технологии KOPEKC (COREX), практически не отличается от чугуна доменной плавки. Об этом свидетельствуют данные табл. 3, отражающие работу завода фирмы «Posco».

Таблица 3 – Характеристика чугунов, выплавляемых по традиционной технологии и технологии КОРЕКС

Различия, на которые следует обратить внимание, заключаются в том, что:

- чугун бескоксовой плавки является «химически» более горячим, т. к. в нем содержание кремния достигает 1,31 %, что является следствием более высоких температур на фурмах при сжигании угля в атмосфере кислорода;

- выход шлака при удельных расходах окатышей, угля и флюсующих на выплавку 1 т чугуна выше, чем в доменной плавке. Однако этот продукт не является отходом, он подвергается грануляции и в таком состоянии поступает к потребителям.

Опыт эксплуатации технологических комплексов KOPEKC (COREX) показал, что расход топлива на выплавку чугуна зависит не только от качества угля и железорудного сырья, но и от производительности агрегата. При ее изменении в пределах 1800-2400 т чуг. в сутки расход угля изменялся от 900 до 1200 кг/т чуг. Естественно, что подобные колебания сказываются на себестоимости чугуна, которая по оценкам специалистов завода выше себестоимости чугуна, выплавляемого на доменных печах большого объема и ниже таковой при выплавке чугуна на доменных печах малого объема. Улучшение экономических показателей очевидно: это использование в шихте дешевых видов топлива и различных отходов -замасленной окалины, угольной мелочи, пластмассы, органических отходов. При расчете шихты следует ограничивать поступление цинка в плавильный агрегат, т. к. этот элемент только частично выводится из процесса. Оставшийся в металле цинк значительно снижает качество чугуна.

Комплексы по технологии KOPEKC (COREX) работают с 1989 г. на заводе фирмы «Iscor» в ЮАР, с 1995 г. на заводе «Pohang Works» фирмы «Posco» в Корее, с 1999 г. на заводе «JINDAL VIJAYANAGAR STEEL» в Индии. Общий годовой объем выплавки чугуна на этих заводах составляет 2,25 млн т. Опыт эксплуатации заводов показал, что при проектировании нового комплекса производительностью 2000 т чугуна в сутки капитальные затраты на его строительство могут быть снижены на 20 % за счет комбинации процессов МИДРЕКС и KOPEKC (MIDREX, COREX), оптимизации состава шихты, технологии процесса и оборудования для его реализации, совершенствования систем, обслуживающих основные агрегаты и пр.

Определенную роль в снижении себестоимости получаемого чугуна может сыграть утилизация вторичных энергетических ресурсов, которые появляются в технологии KOPEKC (COREX). Энергетический потенциал отработанного печного газа шахтного реактора довольно значителен. Часть этого газа, как следует из описания технологии возвращается в процесс. Избыточная же его часть может быть использована на самом предприятии, например, для обжига окатышей, выработки электроэнергии, количество которой способно удовлетворить и потребности технологии производства чугуна, включая получение кислорода, и других потребителей при продаже электроэнергии. Если в комплексе отсутствует тепловая электрическая станция, то отработанный печной газ, теплота сгорания которого составляет около 12 МДж/м³, может быть продан на сторону как топливный.

Совершенствование технологии получения жидкого металла комбинированными методами с использованием двухстадийных процессов развивается по пути замены подготовленного железорудного сырья (окатыши) неподготовленным (мелкие железные руды).

6 Технология процесса ФАЙНЕКС (FINEX)

Технология разработана совместными усилиями фирм Posco и VAI. Эта технология относится к двухстадийным. Для ее реализации выбраны агрегаты, которые хорошо себя оправдали в действующих производствах, созданных этими фирмами в прошлом, а именно: на первой стадии реакторы с кипящим слоем, на второй - плавильная печь-газификатор (процесс KOPEKC (COREX)). Технологическая схема процесса ФАЙНЕКС (FINEX) представлена на рис. 9. Эта технология в отличие от технологии KOPEKC (COREX) предусматривает на первой стадии получение металлизованного продукта из железных руд мелких фракций, крупность частиц которых не превышает 8 мм. Восстановление руды происходит в реакторах с кипящим слоем. Этот продукт получают после загрузки из бункеров - 1, железной руды в реакторах 2.R3, 2.R2 и 2R1 осуществляется металлизация железа. Полученный продукт поступает в бункер - 5. Далее восстановленное железо перед его загрузкой в плавильную печь-газификатор - 7, подвергается брикетированию на прессе - 6. Благодаря такой подготовке минимизируется вынос железосодержащей пыли из печи-газификатора и облегчается работа циклона - 9. Тепловая работа печи-газификатора, связанная с получением технологического (восстановительного) газа, плавлением металлизованного продукта и его довосстановлением в жидкой фазе, обеспечивается некоксующимся углем, поступление которого организовано по двум каналам: первый - предусматривает загрузку мелкого угля после его брикетирования на прессе - 8, в верхнюю часть печи-газификатора, второй - инжекцию угольной пыли из бункеров - 10, вместе с кислородом дутья через фурмы в нижние горизонты печи-газификатора. Получение кислорода организовано на кислородной станции - 14. Процессы, протекающие в слое топлива при его газификации, а также те, которые формируют чугун и шлак в печи-газификаторе, раскрыты при описании процесса КОРЕКС (COREX).

В технологической схеме восстановления оксидов железа реализован принцип противотока. Восстановительный газ, образующийся в печи-газификаторе, очищается в циклоне - 9, из которого железорудная и угольная пыль возвращается в газификатор. Восстановительный газ после очистки с температурой 780-850 °C поступает в первый реактор - 2.R1. Осуществив работу по металлизации железа, восстановительный газ очищается от пыли в циклоне - 4, после чего направляется в следующий реактор. Пыль из циклона возвращается в реактор. Эта технология повторяется и в реакторах 2.R2 и 2.R3. Последний реактор - 2.R4, используют, как отмечено выше, для нагрева железной руды. Необходимое тепло получают за счет сжигания части восстановительного газа, применяя для этой цели воздух, обогащенный кислородом.

Для улучшения восстановительного потенциала отработанного печного газа его охлаждают для удаления водяных паров в холодильнике — 3. Далее поток газа разделяется на 2 части: первая - пройдя систему очистки газа от CO₂ - 12, возвращается в технологический процесс. Удаление CO₂ за счет его отмывки также способствует облагораживанию состава газа. Вторая часть восстановительного газа, богатого горючими составляющими, используется на тепловой электрической станции - 13, для производства электроэнергии, которая расходуется на кислородной станции - 14, для получения кислорода, необходимого в процессе ФАЙНЕКС (FINEX). Избыток электроэнергии используется в других целях.

Рисунок 9 – Схема технологического процесса ФАЙНЕКС:

1 – бункер железной руды; 2 – реакторы с кипящим слоем R₁, R₂, R₃, R₄; 3 – холодильник; 4 – циклоны; 5 – загрузочный бункер металлизованного железа; 6 – пресс для брикетирования металлизованного железа; 7 – плавильная печь-газификатор; 8 – пресс для брикетированного угля; 9 – циклон; 10 – бункера угольной пыли; 11 – компрессор; 12 – система очистки газов от СО; 13 - производство электроэнергии; 14 – кислородная станция; ЖР – железная руда; НК – неокусковавшийся уголь; О₂ – кислород; ОПГ – отработанный печной газ

Транспорт газа по технологическим звеньям процесса ФАЙНЕКС (FINEX) обеспечивается компрессором - 11.

Авторы этого проекта отрабатывали детали разработанной технологии на пилотных установках с использованием в качестве восстановительного газа конвертерный газ, богатый оксидом углерода, а также газ из плавильно-восстановительной печи процесса KOPEKC (COREX). Полученные ими результаты с учетом расчетного анализа, который показал преимущества проекта ФАЙНЕКС (FINEX) перед проектом KOPEKC (COREX), были положены в основу разработки масштабных проектов.

Металлургия железа интенсивно развивается. Об этом свидетельствуют возникшие в последнее время особенно в 90-е годы XX века и в начале XXI века технологии производства металлизованного сырья с различной степенью готовности к широкомасштабному внедрению. Востребованность на рынке качественных сталей, выплавленных из первородного сырья, не загрязненных примесями, стимулирует создание новых процессов прямого получения губчатого железа и чугуна. Конечно, по доли производства металла новые процессы в соревновании с технологией «доменная печь - конвертер» пока уступают. Однако, следует помнить, что для достижения высоких технико-экономических показателей современному доменному процессу, как и конвертерному потребовалось более 100 лет. При тех темпах развития металлургии железа, с которыми происходит становление этой молодой отрасли металлургии черных металлов, можно ожидать существенный рост выплавки стали из первородной шихты в ближайшие десятилетия. Каким альтернативным технологиям прямого получения железа и чугуна следует отдавать предпочтение? На этот вопрос однозначный ответ пока отсутствует.

Выбор способа получения металлизованного железа определяется, прежде всего, потребностью в стали, выплавленной из первородной шихты для данного региона. Далее следует учитывать цены на топливо - природный газ или уголь, цены на железорудное сырье и затраты на его подготовку. При наличии дешевого природного газа и возможностей производства окатышей в качестве процессов бескоксовой металлургии могут быть использованы процессы МИДРЕКС (MIDREX) и ХИЛ (HIL), как наиболее изученные к настоящему времени. При отсутствии природного газа или его высокой стоимости производство металлизованного железа может быть организовано с использованием угля. Способы, в которых основным энергоносителем и источником восстановительного газа является твердое топливо, в последнее время активно развиваются. Перспективным в этом направлении являются технологии, реализованные в кольцевых печах с вращающимся подом.

Особое место в металлургии железа занимают технологии производства чугуна. Они базируются либо на технологиях жидкофазного восстановления - РОМЕЛТ (ROMELT) и ТЕКНОРЕД (TECHNORED), либо на использовании комбинированных методов - KOPEKC (COREX) и ФАЙНЕКС (FINEX). Мировая практика не ограничиваются этими технологиями. Появляются новые технологии, отличающиеся друг от друга схемами подготовки угля и рудных составляющих к плавке, конструкциями плавильно-восстановительных печей, способами ввода в рабочее пространство мелкого угля, мелкой руды, воздуха, обогащенного кислородом, или технического кислорода и пр. Производство чугуна с использованием процессов бескоксовой металлургии несомненно будет развиваться. Эта тенденция, как отмечает проф. И.Ф Курунов, в будущем обеспечит решение следующих задач:

— вовлечение неподготовленного железорудного сырья и дешевых углей для выплавки с минимальными затратами первородного металла с последующим его использованием для получения качественных сталей в электропечах или конвертерах;

— вовлечение мелких железных руд или хвостов обогащения железных руд, которые неэффективно и экономически невыгодно подвергать окускованию и в дальнейшем использовать в доменном плавке;

— переработку различных металлургических отходов на металлургических предприятиях полного металлургического цикла, т. е. в месте их образования, с целью их утилизации и извлечения примесей цветных металлов, особенно цинка.

Дата добавления: 2015-08-29