- •Тема 1 Современные технологические схемы, состояние производства и ресурсная база металлургии железа.
- •Основные промышленные технологии металлургии железа.
- •1.2 Ресурсные ограничения развития черной металлургии и экологические требования.
- •Ресурсная база черной металлургии.
- •Тема 3. Подготовка железных руд и техногенного железосодержащего сырья к металлургическому переделу
- •3.1 Требования к шихтовым материалам процессов выплавки чугуна и производства железа прямого получения. Технологии окускования железорудного и техногенного сырья.
- •3.2 Производство брикетов и технологии брикетирования. Углерод-железооксидные брикеты - энергетический и экологический аспекты.
- •Тема 4. Основы теории доменного процесса
- •4.1 Феноменологическое описание доменного процесса.
- •4.2 Горение топлива. Частичная замена кокса вдуваемыми топливами. Расход кокса и суммарный расход топлива в доменной плавке.
- •4.3 Теплообмен в доменной печи. Термодинамические аспекты восстановления оксидов железа в доменной печи
- •Термодинамические аспекты восстановления оксидов железа в доменной печи
- •4.4 Операционная прямая доменного процесса а. Риста
- •4.5 Формирование чугуна и шлака. Влияние их состава на технико-экономические показатели процесса.
- •4.6 Основы управления доменной плавкой. Оптимальное распределение шихты и газа в печи, условия и технические средства для его достижения.
- •4.7 Показатели работы доменных печей
- •4.8 Компьютерное моделирование и оптимизация процесса производства чугуна.
- •Тема 5 Альтернативные процессы выплавки чугуна и технологии прямого получения железа
- •Литература
Лекционный материал
И.Ф. Курунов
Главный доменщик ОАО «НЛМК»,
доктор технических наук, профессор
апрель - май 2011 г. Липецк
Тема 1 Современные технологические схемы, состояние производства и ресурсная база металлургии железа.
-
Основные промышленные технологии металлургии железа.
21 век, как и предыдущий, является веком железа. Основное количество строительных конструкций, деталей и корпусов машин и механизмов, бытовой техники изготавливается из стали или чугуна, т.е. из сплавов на основе железа, доля которых в конструкционных материалах превышает 50 %. Запасы железа на земле огромны. По распространенности в земной коре (толщина 100-130 км) железо занимает 4-е место после кислорода, кремния и алюминия. Кларк железа в земной коре составляет 4,65 % (рис.1).
Рис.1 Содержание О2, Si, Al и Fe в земной коре
В то же время, по подсчетам американского геохимика Б.Мейсона, сделанных на основе современных космогенетических гипотез и результатов сейсмических исследований, в химическом составе планеты Земля содержание железа составляет 34 % (рис.2). Основное количество железа содержится в мантии (толщина 2900 км) в виде кристаллических (из-за огромного давления) силикатов и в ядре (радиус 3500 км) в виде жидкого железоникелевого расплава.
Рис. 2 Химический состав земли
Все современные промышленные способы экстракции железа из природных железных руд и техногенных железооксидных материалов делятся на два класса:
-
Получение чугуна в жидком виде
-
Получение железа или чугуна в твердом виде.
К первому классу относятся технологические процессы производство чугуна из природных железорудных окускованных или не окускованных железорудных материалов (Таблица 1) и из техногенных окускованных или не окускованных железосодержащих материалов (Таблица 2)
Таблица 1. Промышленные и пилотные* процессы производства чугуна из природного сырья
Название процесса |
Физико-химическая сущность процесса |
Применяемый агрегат |
Используе-мое топливо |
Доменный |
Восстановление газом в противотоке +жидкофазное восстановление углеродом |
Шахтная печь |
Кокс + вдуваемое топливо |
Corex, |
Восстановление газом в противотоке +жидкофазное восстановление углеродом |
Шахтный реактор+ плавильная печь |
Уголь + кокс |
Finex |
Восстановление газом в кипящем слое + жидкофазное восстановление углеродом |
3-4 реактора с кипящим слоем + плавильная печь |
Уголь + кокс |
Hismelt |
Жидкофазное восстановление углеродом |
Плавильная печь типа конвертера |
Уголь |
Ромелт |
Жидкофазное восстановление углеродом |
Плавильная печь |
Уголь |
Technored |
Комбинированное восстановление |
Низкошахная печь |
Уголь |
AusIron (Ausmelt) * |
Жидкофазное восстановление углеродом |
Плавильная печь |
Уголь |
- DIOS * |
Жидкофазное восстановление углеродом |
Плавильная печь |
Уголь |
ССF * |
Газовое восстановление + жидкофазное восстановление углеродом |
Плавильная печь типа конвертер-циклон |
Уголь |
Таблица 2. Промышленные и пилотные* процессы производства чугуна из техногенного сырья
Название процесса |
Физико-химическая сущность процесса |
Применяемый агрегат |
Используе-мое топливо |
PRIMUS |
Комбинированное восстановление + жидкофазное восстановление углеродом |
Многоподовая шахтная печь+ дуговая электропечь |
Уголь |
Ромелт* |
Жидкофазное восстановление углеродом |
Плавильная печь |
Уголь |
FASTMELT, |
Комбинированное восстановление + жидкофазное восстановление углеродом |
Камерная печь с вращающимся подом +дуговая электропечь |
Уголь |
IRON DYNAMICS |
Комбинированное восстановление + жидкофазное восстановление углеродом |
Камерная печь с вращающимся подом+дуговая электропечь |
Уголь |
REDSMELT |
Комбинированное восстановление + жидкофазное восстановление углеродом |
Камерная печь с вращающимся подом+дуговая электропечь |
Уголь |
Ко второму классу относятся так называемые процессы прямого получения железа, т.е. получения железа (или его сплава с углеродом) в твердом виде непосредственно из руды или подготовленных железорудных материалов, минуя стадию чугуна. Продуктом этих процессов является «железо прямого получения». К нему относятся:
-
- металлизованные окатыши или губчатое железо (ГЖ);
-
- горячебрикетированное железо (ГБЖ), получаемое из металлизованных окатышей или металлизованной мелкой железной руды;
-
- крица;
-
- фасолевидные чугунные гранулы (наггетсы).
В англоязычной литературе этот продукт получил название DRI (Direct Reduction Iron). Используемое иногда в русской литературе словосочетание «железо прямого восстановления» появилось в результате дословного перевода термина DRI без учета его смыслового значения - железо прямого получения, т.е. железо, полученное непосредственно из руды, минуя чугун. Словосочетание «железо прямого восстановления» в литературе по металлургии чугуна (как в русскоязычной, так и в англо – и немецкоязычной) используется для обозначения железа, восстановленного углеродом, а не газом.
Процессы прямого получения железа также разделяются на два подкласса по виду используемого топлива: газовые процессы прямого получения железа (Таблица 3) и угольные процессы прямого получения железа (Таблица 4).
Таблица 3. Газовые процессы прямого получения железа
Название процесса |
Физико-химическая сущность процесса |
Применяемый агрегат |
Используемое топливо |
Продукт |
Midrex |
Восстановление газом в противотоке |
Шахтный реактор |
Природный газ1 |
ГЖ, ГБЖ |
HyL |
Восстановление газом в противотоке |
Шахтный реактор |
Природный газ1 |
ГЖ, ГБЖ |
Danarex, |
Восстановление газом в противотоке |
Шахтный реактор |
Природный газ1 |
ГЖ, ГБЖ |
GHAEM |
Восстановление газом в противотоке |
Шахтный реактор |
Природный газ1 |
ГЖ, ГБЖ |
Fior |
Восстановление газом в кипящем слое |
3-4 реактора с кипящим слоем |
Природный газ1 |
ГБЖ |
Finemet |
Восстановление газом в кипящем слое |
3-4 реактора с кипящим слоем |
Природный газ1 |
ГБЖ |
Примечание: 1- Во всех процессах может использоваться синтез-газ из угля;
Таблица 4. Промышленные и пилотные * угольные процессы прямого получения железа
Название процесса |
Физико-химическая сущность процесса |
Применяемый агрегат |
Используемое топливо |
Продукт |
KINGLOR METOR |
Комбинированное восстановление |
Шахтная печь с электронагревом |
Уголь |
ГЖ |
SL/RN |
Комбинированное восстановление |
Вращающаяся трубчатая печь |
Уголь |
Крица |
Grate-Car |
Комбинированное восстановление |
Решетка-трубчатая печь |
Уголь |
ГЖ |
Fastmet |
Комбинированное восстановление |
Камерная печь с вращающимся подом |
Уголь |
ГЖ |
ITmk3 |
Комбинированное восстановление |
Камерная печь с вращающимся подом |
Уголь |
Чугунные гранулы |
DRyIron |
Комбинированное восстановление |
Камерная печь с вращающимся подом |
Уголь |
ГЖ |
Comet* |
Комбинированное восстановление |
Камерная печь с вращающимся подом |
Уголь |
ГБЖ |
Inmetco*
|
Комбинированное восстановление |
Камерная печь с вращающимся подом |
Уголь |
ГБЖ |
За прошедшее столетие выплавка стали в мире выросла в 29,5 раз - с 28,5 млн.т в 1900 году до 843 млн.т в 2000 году. Наиболее интенсивный рост выплавки стали (с 200 до 700 млн.т. стали) происходил с середины 50-х до середины 70-х годов и снова продолжился с конца 90-х годов по настоящее время (рис.3).
Рис.3 Изменение выплавки стали и чугуна в период с 1910 по 2010 гг.
Основное количество стали производится кислородно-конвертерным процессом, ведущая роль которого сохранится и в обозримом будущем, несмотря на рост доли электростали в странах, обладающих большим металлофондом (США) или имеющих развитое производство железа прямого получения (Индия). В этих странах отношение количеств производимых чугуна и стали существенно ниже среднемирового отношения (рис.4).
Рис.4 Отношение чугун/сталь (слайд 11).
Замедление ежегодного прироста выплавки стали ожидается во 2-й декаде 21 века, к концу которого производство стали превысит 2 млрд. т., а производство чугуна – 1,3 млрд.т. Отношение объемов производимого чугуна и стали в мире при этом сократится лишь до 0,65 (рис. 5).
Рис. 5. Изменение и прогноз выплавки стали и чугуна в период с 1910 по 2030 гг.
Т.о. и в 21 веке жидкий чугун остается основным и главным компонентом металлошихты при выплавке стали. Производство чугуна растет в соответствии с ростом производства стали, его доля в общей массе железа, получаемого из железорудного сырья, сохраняется стабильной, а руда и уголь продолжают быть основными сырьевыми материалами в экстрактивной металлургии железа.
В последние два десятилетия прошлого века производство железа прямого получения (DRI, металлизованные окатыши, ГЖ, ГБЖ, крица) росло с тем же темпом, что и производство чугуна. Однако доля этого продукта в общем производстве первородного железа (5-6 %) практически не изменялась. С начала 21 века темп роста выплавки чугуна, за счет интенсивного и масштабного роста доменного производства в Китае, опережает темп роста производства железа прямого получения. Прогресс в технологиях прямого получения железа не может повлиять на доминирующую роль доменного процесса в экстрактивной металлургии железа, прежде всего из-за ограниченного масштаба потребления в сталеплавильном производстве твердой металлошихты, частью, которой являются ГЖ, ГБЖ, крица и твердый чугун (чугунные фасолевидные гранулы-наггетсы – продукт процесса ITmk3).