Головними недоліками загальноприйнятої схеми виробництва сталі є: двухстадийность процесу (руда -> чавун -> сталь), необхідність спеціальної підготовки шихти для доменної печі (подрібнення, збагачення та окускование руди, отримання коксу), дефіцит і висока вартість коксівного вугілля, забруднення стали сірою з коксу, шкідливі екологічні викиди коксохимзаводов, аглофабрик і доменних печей. Тому металургами багатьох країн неодноразово робилися спроби усунути частково або повністю зазначені недоліки. В цілому, розробки, спрямовані на зміну і вдосконалення класичної схеми виробництва сталі, можна розділити умовно на дві групи:
1) розробки зі створення методів прямого отримання сталі з руди, минаючи доменний процес;
2) розробки, спрямовані на отримання з руди чавуну без використання коксу, аглофабрик і доменних печей.
Д. К. Чернов припускав, що отриманий в газогенераторе відновний газ, піднімаючись назустріч опускається шихті, нагріє її і відновить залізо з руди. Отримане таким чином губчасті залізні буде опускатися в горн і там розплавлятися, і незначно науглероживается вугіллям, що подається в шахту печі. Піч Д. К. Чернова не була побудована, але вона випередила основні способи сучасної безкоксової металургії.
Малюнок 2.17 Схема печі Д.К. Чернова для отримання сталі з залізної руди
Ідея прямого отримання заліза з руди привернула увагу В. П. Реміна - наукового співробітника Уральського філії АН СРСР, а також М. Юди - норвезького металурга, який емігрував до США.
Малюнок 2.18 - Схема електропечі для отримання заліза з ру ди за методом В.П. Реміна
Восстановитель (напівкокс) подавався за допомогою пристрою 2. Ідея: спочатку розплавити, а потім відновити руду напівкоксом виявилася неспроможною через сильний спінювання шлаку, руйнування футеровки і короткого замикання електричної дуги між електродами. Зараз фахівці вважають, що вся причина в тепловому режимі роботи печі, подача надлишкового кисню в зону відновлення не допустила б спінювання шлаку, і процес проходив би нормально.
Після невдачі дослідне виробництво було повністю ліквідовано. Однак працівники заводу розробили дещо іншу технологію, що включає похилу трубчасту піч (рис. 2.19), в якій окускованного залізна руда - окатиші (мелена руда, мелений буре вугілля, бентоніт) подається через живильник 7 і відновлюється при 1000 ° С продуктами неповного згоряння бурого вугілля , а також подається в піч 2 реакційного газу з топки 3.
Гарячі металлізованние окатиші на виході з печі очищаються від золи та залишків вугілля і потрапляють в електро - дугову піч 4, в якій йде звичайний сталеплавильний процес. Установка пропрацювала більше 25 років, отримані тисячі тонн сталі високої якості (незабрудненій сірої з коксу і кольоровими металами з сталевого брухту). В цілому, здійснений бездоменной безкоксової процес.
Доля винаходу М. Юди, який працював в США, склалася приблизно також, як і доля винаходу В.П. Реміна. У 50-ті роки М. Юди підтримала фірма, що займалася стратегічними матеріалами, і створила дочірню фірму «Стратеджік Юди» в м Ніагарі-Фолі. Експерименти тривали до 1964 р коли фірма «Стратеджік Юди» була розорена і припинила своє існування.
Малюнок 2.19 - Схема трубчастої печі для відновлення в твердому стані і переплавки в електродугової печі залізорудних окатишів
У 70-ті роки СРСР закупив західнонімецьку технологію «Мідрекс» виробництва металізованих окатишів в шахтних печах (рис. 2.20).
- низька продуктивність (при підвищенні температури процесу пористі окатиші плавляться і реакції відновлення припиняються);
- неповне відновлення руди, що утрудняє подальшу переробку окатишів;
- отриманий матеріал є полупродуктом, що вимагає подальшої переробки (в парі з установкою «Мідрекс» працює електродугова піч);
- вартість стали, отриманої за схемою «Мідрекс» -> дугова піч, перевищує номінальну вартість стали, отриманої за схемою кисневий конвертер -> дугова піч або просто в дугового печі.
Малюнок 2.20 Схема отримання металізованих окатишів в шахтної печі процесу «Мілдрекс»:
1 - повітродувка; 2 - теплообмінник; 3 - змішувач газів;
4 конверсійна установка; 5 - компресор; 6 - скрубер для очищення колошникового газу; 7- шахтна піч; 8 - скрубер для очищення оборотного газу; 9 - вібраційний гуркіт
Головним достоїнством процесу є чистота окатишів по сірці, фосфору і кольорових металів. Завдяки цьому, вони знаходять застосування як частина шихти при виробництві сталей відповідального призначення.
За наявними уривчастих літературними даними американська фірма Iron Carbide Holdings, Ltd близько двох десятиліть тому почала роботи над іншою, принципово нової, технологією прямого отримання сталі з руди, минаючи доменний процес. Суть методу, захищеного низкою американських патентів, гранично проста:
- отримати з залізної руди карбід заліза за допомогою конвертованого (перетвореного) природного газу:
- використовувати карбід Fe3 З як шихти замість «брудного» сталевого брухту при виплавці сталі в кисневих конвертерах або електродугових печах.
Карбід заліза отримують з подрібненої залізної руди в реакторах (печах киплячого шару) шляхом продувки через руду конвертованого природного газу (рис. 2.21). Температура процесу - 590 ° С, продуктивність реактора, що має діаметр 12,25 м, близько 40 т / год карбіду заліза. Карбід заліза на виході з реактора має температуру близько 550 ° С.
Малюнок 2.21 Схема печі киплячого шару для отримання карбіду заліза:
1 - реактор; 2 - подрібнена залізна руда; 3 - пористе днище; 4 - конвертований відновний газ
Витрати первинної енергії на отримання карбіду заліза складають в два рази нижче витрат на отримання передільного чавуну.
У порівнянні з традиційною двухстадийной коксової технологією карбід-процес має ряд переваг:
- відпадає необхідність в огрудкуванні і спіканні руди, тобто в аглофабрике;
- відпадає необхідність в коксових батареях і доменних печах;
- енергія, витрачена на отримання карбіду, частково повертається в сталеплавильної печі в результаті згоряння вуглецю;
- замість дорогого і дефіцитного коксу використовується дешевий природний газ;
- процес отримання карбіду повністю автоматизований.
Сталеплавильна компанія США Nucor Corpo-ration запропонувала рідиннофазної процес отримання низьколегованої сталі, минаючи доменний процес, використовуючи в якості шихти карбід заліза. Продуктивність установки - 50 т / год стали з температурою 1630 ° С. Установка (рис. 2.22) складається з двох конвертерів. У перший, який має ширину 2 м, довжину 5 м, висоту 4 м і округлене днище, безперервно подаються: нагрітий до 500 ° С карбід заліза, кисень, природний газ і вапно. Висота металевої ванни становить 0,7 м, висота шлаку - 1,8 м. Карбід заліза подається через спеціальну фурму в розплавлений метал. Кисень і природний газ подається через 6 занурених в метал фурм.
Малюнок 2.22 - Схема сталеплавильної установки безперервної дії:
1 підігрівач карбіду заліза; 2 - перший конвертер;
3 - рідкий метал; 4 - шлак; 5 - гази; 6 - жолоб; 7 - другий конвертер; 8 - киснева фурма; 9 - жолоб для випуску сталі; 10 - ківш
Московським інститутом сталі і сплавів в 1979 році запропонований процес отримання чавуну шляхом відновної плавки залізовмісних матеріалів в барботируемом шлаковой ванні - процес жидкофазного відновлення (ПЖВ). Головними перевагами процесу є: використання залізорудної сировини без підготовки Кускування при широкому діапазоні вмісту заліза, а також використання енергетичного вугілля без попередньої підготовки (без помелу).
Шихта (пилоподібна і шматками руда, залізовмісні шлами, вугілля і флюс) завантажуються зверху через патрубок 6 (рис. 2.23) і потрапляють на барботируемом за допомогою фурм 8 шар шлаку 1. В результаті піролізу (розкладання) і неповного згоряння вугілля утворюються відновні гази СО і Н2. які відновлюють залізо з його оксидів з відомих реакцій.
Малюнок 2.23 Схема печі ПЖВ:
а - поздовжній розріз; б - поперечний розріз
Відновлене залізо науглероживается в барботируемом шарі
проходить через шар спокійного шлаку 10 та утворює металеву ванну 11 на подине печі 4.
Фурми 9 верхнього ряду використовуються для подачі кисню, дожигания СО і Н2 і підвищення температури у верхній частині печі до 1500 - 1600 ° С.
З горна (подини) печі чавун і шлак через перетікання 5 надходять в металевий сифон 2 і шлаковий сифон 3, з яких випускаються через чавунну і шлакову льотки. Зсередини піч футерована водоохолоджуваними кесонами 12, на яких в процесі роботи намерзає шар шлаку і захищає їх від руйнування. Відходять через патрубок 7 пічні гази можуть використовуватися для підігріву повітряного дуття або в котлах-утилізаторах для отримання пари або гарячої води.
рідкий і твердий передільний чавун,
залізо прямого відновлення.
Останнє поділяється на губчаста, горячебрікетірованное (ГБЖ), карбід заліза і ін.
Найбільш перспективні з них - технології прямого відновлення заліза (Direct Reduced Iron, DRI). Яопнская компанія Kobe Steel запустила в США перший в світі завод з випуску DRI. Надалі компанія планує розвивати нові проекти в Північній Америці, В'єтнамі, Індії, Австралії.
В основі виробництва брикетів - пряме відновлення при взаємодії потоків реформованого природного газу і залізорудних окатишів, що відбувається при температурі близько 900 ° С. Вихідна сировина для ГБЖ - офлюсовані окатиші з масовою часткою заліза більше 66,5%, отримані з дозбагаченого концентрату.
Хороші Перспетиви має виробництва заліза прямого відновлення в Україні. Певною мірою це пов'язано з величезними запасами окислених руд Криворізького гірничо-збагачувального комбінату, які в даний час практично не використовуються, а для способу DRI і розвиток цього процесу-технологія ITmk3, це не замінні сировину. Готовий продукт - чавун з 96 - 98% заліза. Перевага технології - різке скорочення споживання газу і можливість використання рядових марок вугілля.