Процеси прямого відновлення заліза
Способи прямого відновлення заліза, характеристика продукції і сировини
Під процесами прямого відновлення заліза розуміють такі процеси, які дають можливість отримувати безпосередньо з руди металеве залізо, минаючи доменну піч. Способи прямого отримання заліза дозволяють вести процес не витрачаючи металургійний кокс, замінюючи його іншими видами палива.
Відомо, що використання заліза прямого відновлення при виплавці сталі (в основному, в електродугових печах) дозволяє виробляти найбільш високоякісний, економічно вигідний (з відносно низькою енергоємністю) і екологічно чистий метал без домішок сірки і фосфору, придатний для задоволення найвищих вимог таких галузей- споживачів, як машинобудування (авіа-, суднобудування і т. д.). В даний час запропоновано понад 20 різних способів прямого одержання заліза.
Залізо прямого відновлення (або губчасті залізні) в основному виробляють у вигляді металізованих окатишів: холодних СDRI (Сool Direct Reduced Iron) або гарячих HDRI (Hot Direct Reduced Iron), а також горячебрікетірованного заліза НBI (Hot Briquetted Iron).
Окатиші СDRI (рис. 38 а) отримують в основному в шахтних печах з охолодженням в нижній частині печі до 50º С, після чого отруюються на склад, а потім завантажуються в електропіч.
Окатиші HDRI (рис. 38 б) вивантажуються з установки прямого відновлення в гарячому стані і завантажуються в розташовану поруч електропіч при температурі 600º С і вище.
Горячебрікетірованное залізо НBI (рис. 38 в) виходить шляхом пресування брикетів розмірами 30 × 50 × 110 мм в форми у вигляді подушок з металізованого продукту, який вивантажується з печі при температурі близько 700º С.
Найбільшого поширення набули технології компанії Midrex (США). Процес протікає в шахтної печі, в верхню частину якої подаються окатиші або шматками руда. Установки Midrex діють на багатьох підприємствах найбільшої металургійної компанії ArcelorMittal, розташованих в Німеччині, Канаді, Мексиці, Тринідаді і Тобаго та ПАР.
Другий за поширеністю технологією прямого відновлення заліза є HYL / Energiron. Процес HYL був розроблений мексиканською компанією Tenova для прямого відновлення залізної руди (кусковий або окатишів) в металеве залізо за допомогою відновного газу в реакторі з рухомим шаром.
Менш відома технологія Finmet, яка дозволяє використовувати залізорудну дрібницю без попереднього окускования в процесі газового відновлення в киплячому (псевдозрідженому) шарі. За цією технологією поки діє тільки одне підприємство - Orinoco Iron в Венесуелі.
Для отримання заліза прямого відновлення також застосовується цілий ряд вугільних технологій - SL / RN, Jindal, DRC, SIIL, Tisco, Codir і ін. В основному всі вони діють на базі печей з обертовим подом з використанням вугілля або пиловугільній суміші.
Такі підприємства працюють в Індії, а також в ПАР, Китаї, Перу і в деяких інших країнах. Хоча екологічність таких виробництв і якість одержуваного металу істотно нижче, ніж у «газових» підприємств, проте вони дешевші, що і забезпечує їм значну частку в структурі світового виробництва DRI.
Існують також Рідкофазний способи прямого відновлення і альтернативні доменної печі установки для отримання чавуну.
Структура виробництва заліза прямого відновлення в світі в останні роки наведена на рис. 39.
Виробництво заліза в шахтних печах (технологія Midrex)
У шахтних печах отримують губчасті залізні газоподібними відновниками в товстому шарі залізовмісних окатишів. Схема виробництва різних видів заліза прямого відновлення з використанням шахтної печі наведена на рис. 40.
Процес виробництва заліза здійснюють в противотоке залізорудних матеріалів, що завантажуються в агрегат зверху, і нагрітих відновлювальних газів, що подаються знизу. Робота агрегату в противотоке дає можливість досягати високої продуктивності при хорошому використанні газу.
Як відновники застосовують конвертований природний газ, що складається в основному з водню (H2) і оксиду вуглецю (CO). Відновлювальний газ отримують в кисневому реакторі (реформерах), шляхом неповного спалювання природного газу в кисні. Отриманий газ, що містить 29% CO, 55% H2 і 13% окислювачів (H2 O і CO2) звільняють частково від окислювачів, потім нагрівають, до температури 1100 ... 1150 ° С і через фурми подають в піч.
Виробництво заліза в періодично діючих ретортах (технологія HYL / Energiron)
Ще одним способом виробництва заліза прямого відновлення є процес в періодично діючих ретортах, використовуваних як агрегатів відновлення. На установці таких реторт чотири (рис. 41). Ємність кожної реторти 100 ... 150 т.
барабан для виробництва пари; 5 - повітряний охолоджувач; 6 - повітродувка; 7 - скрубер; 8 - повітронагрівач; 9 - завантажувальний бункер; 10 - нагрівач газу; 11 - реторти (I - IV); 12 - скрубер; 13 - конвеєр подачі руди; 14 - конвеєр прибирання губчастого заліза; 15 - збірний бункер губчастого заліза
Реторти переставляються з однієї позиції на іншу, що обумовлює циклічний характер процесу, що складається з послідовних операцій завантаження, нагріву і відновлення шихти, охолодження і вивантаження губчастого заліза. Реторти завантажують і подають газ зверху. В якості сировини використовують чисті руди, що містять не менше 60% заліза, розміром 12 ... 50 мм.
Відновлення ведеться в нерухомому шарі кусковий руди або окатишів при надмірному тиску 0,35 ... 0,4 МПа і температурі 870 ... 1040 ° С. Нагрівання руди і компенсація теплових втрат процесу здійснюють за рахунок фізичного тепла відновного газу, який нагрівають до 980 ... 1240 ° С. При витримці 4 ... 6 годин середня ступінь металізації заліза становить 85%. Вивантаження губчастого заліза виробляють знизу за допомогою спеціальних скребків. Губчасті залізні надходить на конвеєр транспортує губку в сталеплавильне відділення. На рис. 42 показана схема стаціонарної реторти з кришкою і відкидним днищем.
горловина; 7 - майданчик для обслуговування; 8 - різець з важелем
для видалення губчастого заліза; 9 - губчасті залізні; 10 - футерування; 11 - механізм управління відкидним днищем; 12 - відкидне днище; 13 - розвантажувальний жолоб
У кожній з чотирьох реторт протікають різні процеси. В одній реторти відбувається попереднє нагрівання і відновлення шихти газом, що виходить з інших реторт. У двох ретортах відбувається довосстановленіе заліза підігрітим газом, отриманим в конверсійної установці. У четвертій відбувається коксування губчастого заліза. Готове залізо надходить на конвеєр, а в звільнену реторту завантажують вихідну шихту.
До недоліків методу відносять:
- періодичність процесу;
- нерівномірність металізації по висоті;
- низький ступінь металізації в порівнянні з процесами, що здійснюються в шахтних печах.
Виробництво заліза на рухомій колосникових решітці
Процес отримання заліза на рухомій колосникових гратах (рис. 43) дещо нагадує роботу агломераційної машини. В цьому випадку конвертований газ проходить зверху вниз через шар шихти.
Існує різновид процесу отримання заліза на рухомій колосникових гратах, коли замість конвертованого газу використовують твердий відновник (кам'яне вугілля, кокс і т.д.).
В цьому випадку сирі окатиші в головній частині установки сушать реціркуліруемих газами, після чого окатиші надходять в зону випалу, де в результаті просасиванія гарячих газів відбувається нагрів і відновлення оксидів заліза. Основною перевагою цього процесу є можливість подавати в установку для відновлення незміцнене випалюванням окатиші. Недоліком цього процесу є забруднення губчастого заліза порожньою породою, сірої і фосфором твердого палива.
Виробництво заліза в обертових трубчастих печах
Іншим різновидом процесу з використанням твердого відновника є спосіб отримання заліза в обертових трубчастих печах (рис. 44).
За цим способом у обертову трубчасту піч, встановлену під невеликим кутом до горизонту, завантажується шихта, що складається з руди, твердого палива та доломіту вапняку. Доломіт і вапняк використовуються для десульфурації. Піч опалюється газоподібним або рідким паливом за допомогою пальників, встановлених на розвантажувальному кінці печі.
У міру просування шихти від завантажувального кінця печі до розвантажувального, назустріч газоподібним продуктам горіння, відбувається відновлення оксидів заліза. Відновлення протікає в основному через газову фазу за участю твердого вуглецю. На розвантажувальному кінці печі відновлений матеріал для попередження окислення охолоджується в спеціальному обертовому охолоджувачі і після дроблення і подальшого магнітного збагачення використовується в сталеплавильному виробництві.
Виробництво заліза в реакторах киплячого шару
В основу цього способу покладено ефект так званого киплячого шару, при якому створюються умови для гарного контакту дрібних залізорудних матеріалів з газоподібним відновником.
Сутність явища киплячого шару полягає в наступному. Якщо через шар зернистого матеріалу пропускати висхідний потік газу, то при невеликих швидкостях газу тверді частинки будуть залишатися нерухомими. Шар буде виконувати роль фільтруючого пористого елемента.
Для створення киплячого шару під горизонтальну решітку реактора, на яку завантажують вихідний залізорудний матеріал, подається гарячий відновний газ з певною швидкістю.
Щоб запобігти спікання відновленого заліза процес ведеться при низькій температурі (близько 500 ° С). Залізо отримане при цій температурі, характеризується підвищеною пірофорність (самовозгораемостью на повітрі). Для запобігання пірофорному отримане залізо нагрівають до 820 ... 880 ° С з наступним охолодженням в відновлювальної або нейтральній атмосфері.
Агрегати FASTMET і ITmk3
сушка; 4 - брикетування; 5 - піч з обертовим подом; 6 - компресор; 7 - регенератор; 8 - повітря для пальника; 9 - паливо для пальника; 10 - газоочистка; 11 - димова труба; 12 - електросталеплавильна піч; 13 - сепаратор
Технологія отримання заліза наступна. З дрібної залізної руди після її змішування з вугіллям отримують гранули, які висушують і завантажують в піч з обертовим подом. Процес по суті виконується на великому поворотному столі, який обертається в межах тороїдального обгородженого простору.
Гранули з шихти завантажуються на обертається під печі одним або двома шарами і під час обертання нагріваються пальниками, розташованими над шаром, де також відбувається дожигание оксиду вуглецю і летючих вугілля, що виділяються при нагріванні і відновленні оксидів. Один оборот обертової печі здійснюється за 10 хв.
У разі процесу FASTMET продукцією є губчасті залізні, FASTMELT - рідка сталь, а в процесі ITmk3 дані грудки плавляться в останній зоні цього пода, тим самим отримуючи гранули чавуну і шлак. Кінцевим етапом є поділ чавунних грудок і шлаку.
Хіміко-термічний спосіб отримання заліза
Даний метод застосовується для отримання дуже чистого заліза з важкозбагачуваних рудної сировини, що містить велику кількість шкідливих домішок. Він може бути використаний також для отримання легованої залізної губки з комплексних руд.
Схема технологічного процесу отримання заліза за цим методом включає наступні операції (рис. 46).
Усереднена на рудному дворі руда надходить в дробильное відділення, а потім в піч випалу. Для прискорення процесу випалення руди проводиться з використанням твердого відновника. Для цього прийомні бункери млинів обладнуються дозаторами для приготування шихти, що складається з руди і твердого відновника.
Підготовлена шихта поставляється в піч для відновного випалу. Випал проводиться при температурі 900 ... 1000 ° С. Після випалу руда надходить в реактори розчинення руди, заповнені соляною кислотою. Початкова стадія розчинення відбувається дуже бурхливо і супроводжується виділенням водню. У міру зниження концентрації кислоти і скорочення поверхні твердої фази швидкість реакції розчинення падає. Для прискорення процесу на кінцевому етапі реакційний обсяг підігрівається парою з температурою 80 ... 90 ° С, що подається в парові сорочки реакторів.
Виділяється при розчиненні водень після очищення направляється в піч відновлення хлоридів, де використовується як газоподібний відновник. Пари соляної кислоти, сконденсувати в процесі розчинення, надходять в систему збору кислоти, звідки направляються в реактор розчинення.
Отримана в результаті розчинення пульпа подається в фільтри для відділення розчину від нерозчинного залишку. Відфільтрований розчин надходить в випарніапарати, де проводиться випарювання до насичення по хлористому залозу. Далі розчин прямує в кристалізатори, з яких суміш кристалів і розчину подається на центрифуги. З центрифуг кристали направляються в піч сушки і потім в піч відновлення хлоридів, опалюються природним газом.
Для відновлення хлоридів використовується водень. Температура відновлення становить 600 ... 700 ° С. В результаті, після відновлення, утворюється хімічно чисте залізо.
Відходить з печей газ, що містить водень і пари води, піддається висушування, очищення і використовується як відновник при відновленні хлоридів. Кислота, що утворюється в результаті охолодження і очищення газів, що відходять, надходить в систему збору соляної кислоти, звідки направляється в реактори розчинення руди.
Таким чином, процес побудований максимально раціонально, оскільки забезпечується рециркуляція всіх реагентів, що беруть участь в процесі.