34 / 1 (59), 2011 Analysis of existing methods of ferric oxide restoration is given. А. Н. кРутилиН, М. Н. кухАРчук, о. А. СычЕВА, г. В. СтАСЕВич, БНту УДК 669.181 к воПросу восстаНовлеНия окалиНы Современный научно-технический прогресс неразрывно связан с комплексным использовани- ем вторичного сырья. На машиностроительных и металлургических предприятиях Беларуси обра- зуется большое количество железосодержащих от- ходов в виде окалины, содержащей дорогостоящие легирующие элементы, такие, как Mo, V, Co, W, Cr, Ni и т. д. Учитывая постоянный рост цен на железоруд- ное сырье, наиболее перспективным вариантом пере работки окалины является использование ее в качестве шихтовых материалов при выплавке чу- гуна и стали. Использование окалины в качестве относительно дешевого сырья для металлургиче- ского производства значительно снижает затраты на шихтовые материалы. В связи с отсутствием в Беларуси технологии и оборудования для восстановления и переработки отходы в виде окалины практически не использу- ются и при складировании оказывают вредное воз- действие на окружающую среду. Рациональное ис- пользование материальных и топливно-энерге- тических ресурсов, ужесточение природоохранно- го законодательства способствуют поиску наибо- лее экономичных способов переработки окалины. Очевидно, что в наших условиях экономически нецелесообразно централизованно перерабатывать окалину. Наиболее предпочтительным вариантом является восстановление и повторное использова- ние окалины непосредственно на предприятиях где она образуется, причем очень важно разделение окалины легированных и углеродистых сталей. Создание эффективных технологических про- цессов и небольших по габаритам высокопроизво- дительных установок для переработки окалины является важнейшей народнохозяйственной задачей. С точки зрения механизма восстановления же- леза все существующие процессы можно разде- лить на три группы. 1. Процессы восстановления твердой металло- содержащей шихты с использованием твердых (кокс, сажа) или газообразных смесей (метана, водорода или других углеводородов), а также про- дуктов их частичного сжигания (СО) и расщеп- ления аммиака. При использовании твердого углерода прямой контакт между твердым вос- становителем и металлосодержащей шихтой ограничен. Процессы науглероживания, образо- вания карбида Fe3C и другие для процесса вос- становления не существенны. Восстановление Fe3O4 с помощью СO при температуре ниже 650 °С не представляет интереса, в этом случае практически не происходят сколько-нибудь зна- чи тель ные превращения. 2. Жидкофазное восстановление происходит в шлаковом расплаве оксидов. Коэффициенты диф- фузии между двумя взаимодействующими фазами примерно на пять порядков выше, чем при восста- новлении твердым углеродом. 3. Комбинированные процессы. Понимание механизма восстановления позво- ляет грамотно подойти к вопросу рационального технологического и конструктивного решения для реализации процесса восстановления. В мировой практике известны различные спо- собы бескоксового восстановления железосодер- жащих отходов и руды, минуя наиболее распро- страненный способ переработки их в доменной печи. Развитие бескоксовых процессов обусловле- но в первую очередь экономическими соображе- ниями, возможностью удешевления используемой для получения металла энергии, а также стремле- нием к получению альтернативного металлолому железосодержащего материала. В работе [1] приведена классификация наибо- лее известных технологических процессов восста- новления железа с помощью кокса, угля и природ- ного газа. Представленные технологические про- / 35 1 (59), 2011 цессы ориентированы на переработку больших объемов железосодержащего сырья. При производстве металлизованного сырья основной статьей издержек являются затраты на восстановитель. Наиболее перспективно использо- вание в качестве восстановителя природного газа. Однако использование дорогостоящего природно- го газа существенно снижает экономическую эф- фективность процесса, а использование энергети- ческого угля ухудшает качество продукта, получае- мого в виде губки или порошка для последующей переплавки в дуговых печах. Между тем, желание вернуть в производство образующуюся на пред- приятиях Беларуси окалину, в том числе содержа- щую большое количество легирующих элементов, может принести гораздо больший экономический эффект. Среди процессов, доведенных до промышлен- ного применения, можно выделить Midrex, HYL-III, Corex, Circofer. Представляет интерес процесс HIL-III, в кото- ром первоначально для восстановления использо- вали природный газ, а позднее и другие виды то- плива – уголь, нефтяной кокс, древесный уголь. Предварительная газификация топлива позволяет использовать синтезированный газ, обогащенный водородом и содержащий монооксид углерода. Восстановление железной руды происходит в реакторе, который представляет собой шахтную печь. Реактор выполнен в виде сосуда высокого давления, изготовленного из толстолистовой угле- родистой стали, внутри он футерован изоляцион- ным бетоном и огнеупорным кирпичом. Восстано- вительный газ поступает в реактор через распреде- лительный канал и выходит из него в верхней ча- сти печи по каналу с огнеупорной футеровкой, находящемуся в стороне от входа твердых частиц. Газ из газонагревателя равномерно распределяется по каналу и при температуре 930 °С поступает в реактор противотоком к движению железной руды, восстанавливает железо из оксидов, при этом часть водорода и оксида углерода окисляются до водяного пара и углекислого газа. При таком дви- жении восстановительный потенциал газа исполь- зуется максимально. Разработанный процесс по- зволяет получать конечный продукт со степенью металлизации 95% и выше. В последние годы в твердофазных процессах с шахтными печами начали использовать новые технологические решения. Процесс восстановле- ния интенсифицируют путем вдувания кислорода в восстановительный газ, идущий на металлиза- цию, что позволяет увеличить температуру восста- новительного газа. Качество восстановительного газа с кислородом ниже, однако более высокая тем- пература усиливает кинетику процессов восста- новления и увеличивает производительность печи металлизации. Нанесение защитных покрытий на окисленные окатыши с целью избежания их слипа- ния позволяет повышать температуру восстанов- ления при металлизации. Для улучшения газоди- намики в шахтных печах повышают давление. Конечный продукт в виде губчатого железа или брикетов, полученных путем деформирования в го- рячем состоянии, может использоваться при вы- плавке стали. Представляет интерес система HYTEMP iron – пневматической транспортировки горячего губча- того железа, которое при температуре ∼700 ˚С пе- ремещается в изолированные бункера с инертным газом. Такая технология позволяет не только уве- личить производительность установки на 20%, но и экономить порядка 25% электроэнергии. Среди процессов жидкофазного восстановле- ния наиболее готовыми для промышленного осво- ения являются процессы ROMELT, Ausiron, Hismelt, Dios. Различие этих процессов состоит в конструк- тивных особенностях используемых агрегатов, связанных со способами подачи углерода в жид- кую ванну, интенсивностью и способами переме- шивания ванны, составом исходных материалов. Процесс ROMELT [2] является одностадийным и осуществляется следующим образом. В шлако- вый расплав непрерывно подают шихту, включаю- щую железосодержащий материал, твердое угле- родистое топливо и флюс. Формирование шлако- вого расплава происходит в результате плавления и растворения железосодержащего сырья, золы угля и флюса при интенсивном перемешивании ванны газами. Железосодержащий материал пла- вится, содержащиеся в нем оксиды металлов пере- ходят в шлак, железо восстанавливается углеродом топлива с образованием расплава, который собира- ется на поде печи. С помощью кислородсодержа- щего дутья расплав барботируют, кислород окис- ляет часть топлива с выделением тепла. Барботаж обеспечивает необходимое замешивание подавае- мого сверху угля в шлаковую ванну и быстрое рас- творение оксидного сырья. Уголь не только выпол- няет роль восстановителя монооксида железа, но и обеспечивает генерацию тепла в самой шлаковой ванне за счет частичного его окисления до СО кис- лородом дутья. Над уровнем барботируемого рас- плава подают кислородсодержащее дутье для до- жигания выделяющихся из ванны газов, выделяю- щееся тепло служит основным источником энергии для процесса. При увеличении степени дожигания снижается расход топлива и увеличивается произ- 36 / 1 (59), 2011 водительность процесса. Кислородсодержащее ду- тье представляет собой смесь кислорода и сжатого воздуха, содержание кислорода в дутье можно ре- гулировать. Предварительный подогрев дутья по- зволяет снизить расход кислорода. Образующийся шлак и металл раздельно с помощью сифонных устройств, без напора непрерывно или периодиче- ски выпускают из печи. Шлак, содержащий 1,5– 2,55% железа, по составу близок к доменному шла- ку. Однако по сравнению с доменным процессом он может изменяться в более широком интервале основностей шлака. Металл содержит около 4,5% углерода, ввиду низкого содержания Si и Mn (до 0,15%) может быть использован в качестве жидко- го полупродукта для производства стали в кисло- родных конверторах, дуговых электропечах, уста- новках внепечного рафинирования и других агре- гатах. Высокотемпературные технологические газы являются полезным продуктом плавки, их тепло можно использовать в котле-утилизаторе для про- изводства пара. Газы имеют низкое содержание вредных примесей и после несложной очистки сбрасываются в атмосферу. Выносимая из печи пыль улавливается системой газоочистки и возвра- щается в печь. Это делает процесс практически безотходным. Основные технико-экономические преимуще- ства процесса. 1. Восстановление железа происходит из рас- плава, что открывает возможность переработки его без окускования и классификации по размерам. Это позволяет перерабатывать железорудную ме- лочь, железорудную пыль, шламы и другие низко- сортные виды сырья, в том числе руды с относи- тельно низким содержанием железа (в пределах 45–55%), что обеспечивает существенную эконо- мию капитальных и эксплуатационных затрат. За- мена кокса углем исключает капитальные затраты и текущие издержки на его производство. При этом отсутствует необходимость предварительной под- готовки железосодержащей шихты. 2. Установка является энерготехнологическим агрегатом, в котором вся энергия расходуемого угля используется полезно для восстановления же- леза и производства энергии в виде пара или элек- троэнергии. Эта энергия полностью покрывает внутренние потребности, связанные с производ- ством кислорода. 3. В конструкции установки используется стан- дартное оборудование, широко применяемое в прак- тике металлургического производства (ленточные конвейеры, котел-утилизатор, горизонтальные фур- мы, газоочистка, дымосос и др.). В реакционной зоне взамен огнеупорной футеровки применяются медные водоохлаждаемые кессоны. К принципи- альным моментам можно также отнести использо- вание раздельных сифонных выпусков металла и шлака через отстойники, что существенно сни- жает трудоемкость обслуживания агрегата. Процесс можно использовать для переработки железосодержащих отходов, в том числе сталепла- вильных шлаков с высоким содержанием приме- сей цветных металлов, в частности цинка и свин- ца. Это практически решает проблему качества стали из-за накопления нежелательных примесей, а также создает возможность улавливания соеди- нения цветных металлов для последующего извле- чения из них первичных металлов. Производительность процесса 300–400 тыс. т в год. Агрегат жидкофазного восстановления более компактен, чем агрегат твердофазного восстанов- ления. Основными направлениями развития в жид- кофазных процессах являются повышение степени использования тепла и скорости восстановления оксидов. К недостаткам данного процесса следует отнести пониженный по сравнению с доменным процессом тепловой КПД и низкую скорость вос- становления. Кроме того, создание и монтаж но- вых установок жидкофазного восстановления тре- буют значительных первоначальных инвестиций. Среди технологий, сочетающих твердо- и жид- кофазное восстановление, необходимо выделить двухстадийный процесс Corex, разработанный в кон- це 70-х годов в Германии. Процесс восстановления происходит в две стадии в разных агрегатах, представляющих по существу шахту и горн доменной печи. В шахтную печь, подобную печи процесса Midrex, загружают подготовленное железорудное сырье в виде окис- ленных окатышей с возможным добавлением ку- сковой, богатой железом руды. Твердофазное вос- становление оксидов железа проводят на 90% восстановительным газом из реактора, в котором происходит газификация энергетического угля с помощью кислорода. В последнем агрегате про- исходит плавление губчатого железа, получаемого на первой стадии в шахтной печи, и восстановле- ние монооксида железа с получением жидкого чу- гуна, подобного по химическому составу доменно- му чугуну. Производительность установок достигает 700 тыс. т в год. Технологические особенности про- цесса обусловливают потребность в использова- нии довольно сложных вспомогательных агрегатов и механизмов, поэтому конструктивные размеры установки превышают размеры доменной печи аналогичной мощности. Из-за наличия первой ста- / 37 1 (59), 2011 дии восстановления этот процесс имеет более вы- сокий расход топлива, чем доменный процесс. Од- нако отсутствие коксохимического блока позволяет в целом сократить материальные издержки. В промышленном масштабе используется про- цесс FIOR, в котором восстановление железоруд- ной мелочи размером менее 13 мм осуществляется в четырех реакторах кипящего слоя. Восстанови- тельный газ содержит около 90% Н2, восстановле- ние проводят при температурах 700–800 ºС. Ме- таллизованный продукт подвергают горячему бри- кетированию на валковом прессе. Восстановление в кипящем слое позволяет получать металлизован- ные брикеты из мелочи железных руд без ее пред- варительного окомкования. Преимуществами комбинированных процессов являются более рациональное использование теп- ла отходящего газа и более высокая степень ис- пользования восстановителя. Возможности твердофазного углетермического восстановления далеко не исчерпаны и примени- тельно к восстановлению окалины данный процесс наиболее предпочтителен. В качестве восстанови- теля можно использовать синтезированный газ, полученный путем газификации из древесного угля. Восстановление окалины можно ускорить за счет активации диффузионных процессов. Этот процесс более гибок с точки зрения переработки сравнительно небольших объемов окалины приме- нительно к конкретным условиям производства. Литература 1. Т и м о ш п о л ь с к и й В. И., Т р у с о в а И. А., П л ю щ е в с к и й И. Н., К о р н е е в С. В. Перспективы производ- ства и использования металлизованного сырья для получения высококачественных марок стали. Сообщение 1. Анализ совре- менных схем получения металлизованного сырья // Литье и металлургия. 2009. № 1. С. 134–138. 2. Р о м а н е ц В. А. Процесс Ромелт – производство металла внедоменным и бескоксовым способом в черной металлур- гии // Фундаментальные проблемы Российской металлургии на пороге XXI в. 1998. Т. 1. С. 308–305.