Бескоксовая металлургия
/Rusmet.ru, Ольга Фомина/ Нарастающий дефицит и постоянное удорожание коксующихся углей может стать сегодня мощным стимулом к развитию бескоксовой металлургии – направления, связанного с разработкой новых способов получения железа из руд, исключающих использование кокса. Суть их состоит в том, что обогащенная руда или концентрат восстанавливается в печи с помощью твердого топлива либо конвертированного газа – природного метана, преобразованного в смесь водорода и угарного газа (СО). Всего в мире методами бескоксовой металлургии было произведено в прошлом году, примерно, 65 млн. т стали.
Назад в прошлое
Бескоксовая металлургия берет свое начало в древности, с момента самого зарождения металлургии вообще. Тогда железные изделия производили путем восстановления руды углем в примитивных печах с последующей ковкой получаемого губчатого железа или крицы непосредственно в изделия. Далее, с повышением высоты печей, в них происходило науглероживание железа и получался чугун. Так постепенно появился двухстадийный процесс получения стали, который дожил до наших дней и сейчас является основой современной металлургии.
Исторически сложившийся способ производства железа и его сплавов из железных руд включает две основные стадии: получение чугуна в доменных печах с последующим рафинированием чугуна от примесей и выплавка стали. Для производства чугуна в доменных печах требуется кокс, для изготовления которого необходимы дефицитные коксующиеся угли. Аглококсодоменное производство весьма капиталоемкое и характеризуется большими выбросами поллютантов в окружающую среду. Часто возникают сложности с хранением шламов. Чугун содержит большое количество серы, от которой надо избавляться при последующих переделах.
Недостатки традиционного способа получения черных металлов стали причиной поиска новых методов его производства и возврата в XX веке к кричной металлургии. Промышленное применение процессов прямого восстановления железа было начато в Швеции. Отсутствие в стране коксующихся углей побудило шведских металлургов активно разрабатывать способы производства железа прямого восстановления (губчатого железа). Уже в 1911 году в Швеции заработала первая промышленная установка прямого восстановления железа. Там использовался способ восстановления железа из руды с помощью мелкоистолченного древесного угля в глиняных тиглях.
Позже в разных странах начали появляться другие установки, но все они были малопроизводительными, а конечный продукт имел сравнительно много примесей. Широкое же распространение процесса промышленного производства железа непосредственно из руды, минуя доменный процесс, началось в 80-е годы, когда в горно-металлургическом комплексе началось повсеместное применение природного газа, который идеально подошел для прямого восстановления железной руды. Кроме того, помимо природного газа, в процессе прямого восстановления железа оказалось возможным использование продуктов газификации углей (в частности бурых), попутного газа нефтедобычи и другого топлива-восстановителя.
Технологические изменения, происшедшие в 90-е годы, позволили значительно снизить капитало- и энергоемкость различных процессов прямого восстановления железа, в результате чего произошел новый скачок в бескоксовом производстве металла, который продолжается до сих пор.
Технологии
К настоящему времени имеется значительное число технологий бескоксового производства металла, получивших промышленное распространение. Все их можно классифицировать следующим образом:
· процессы жидкофазного восстановления,
· процессы твердофазного восстановления,
· комбинированные процессы.
Процессы жидкофазного восстановления пока не получили значительного распространения, однако имеют неплохие перспективы. Среди процессов жидкофазного восстановления выделяется процесс «Ромелт», разработанный в Московском институте стали и сплавов (МИСиС) под руководством профессора В. А. Роменца и реализованный в 1985 году на полупромышленной установке в Липецке. Одностадийный процесс жидкофазного восстановления «Ромелт» обеспечивает переработку железосодержащих материалов (в виде пыли железной руды, шлаков, шламов) с применением некоксующихся углей.
Разработанная технология позволяет получить чугун, отличающийся от доменного пониженным содержанием кремния и марганца (0,05-0,15%). Она не требует применения кокса и позволяет использовать в качестве основного топлива неподготовленные энергетические угли с различным содержанием летучих веществ (до 35-40%), дает возможность перерабатывать любые виды мелкого (не более 20 мм) железосодержащего сырья (руду, концентрат, пыль, шлам, окалину, стружку) без предварительного окускования и при относительно низком содержании железа.
Производительность процесса достигает 300-400 тыс. т в год, что позволяет использовать его в условиях малого производства. Агрегат жидкофазного восстановления более компактен, чем агрегат твердофазного восстановления. К недостаткам данного процесса следует отнести пониженный по сравнению с доменным процессом тепловой КПД и низкую скорость восстановления.
Среди процессов твердофазного восстановления следует особо отметить процесс Midrex, разработанный в 1965-1967 годах американской компанией Midland Ross. Первые две шахтные печи производительностью по 200 тыс. т в год были запущены в 1969 году в Портланде (США). В 80-е годы на ОЭМК (Россия) был построен крупнейший в Европе цех с 4 печами Midrex с проектной производительностью 1,7 млн. т в год. В качестве железорудного материала здесь используется кусковая руда, окатыши или агломерат, а в качестве восстановителя – природный газ.
Преимуществом данного процесса является повышенная чистота окатышей по сере, фосфору и пониженное содержание углерода в окатышах. Производительность достигает 4 млн. т в год. Весь цикл восстановления занимает 8-12 часов.
Среди комбинированных процессов следует выделить процесс Соrех, разработанный германской фирмой Korf Stahl в 1976 году. Он сочетает в себе твердофазное и жидкофазное восстановление. В нем используются отдельные реакторы для восстановительной и плавильной стадий. Полупромышленное опробование на разных видах сырья и топлива было проведено с 1981 по 1987 годы на установке производительностью 60 тыс. т чугуна в год в Кельне (Германия). В дальнейшем технологию приобрела австрийская фирма Voest Alpine.
В основе процессов Соrех лежит концепция доменной печи, модифицированная для обеспечения возможности прямого применения некоксующихся углей для восстановления железа из кусковой руды, окатышей и агломерата.
Производительность установок достигает 700 тыс. т в год. Из-за наличия первой стадии предварительного высокого восстановления этот процесс имеет более высокий расход топлива, чем доменный. Преимущества этого и других комбинированных процессов заключаются в более рациональном использовании тепла отходящего газа и более высокой степени использования восстановителя.
Наибольшее развитие бескоксовое производство стали получило в странах Латинской Америки, и Ближнего Востока. Это объясняется, в первую очередь, наличием природных ресурсов (богатых железных руд, природного газа, источников электроэнергии), а, во-вторых, дефицитом металлолома и высокими ценами на него.
На сегодня в мире наиболее широко распространены технологии Midrex. Лидирующие позиции в данном сегменте рынка эта компания удерживает последние 30 лет. По технологиям Midrex в прошлом году было получено около 40 млн. т металлизированных окатышей или 60% от общемирового производства.
Крупнейшим «парком» установок Midrex владеет корпорация Arcelor Mittal, имеющая предприятия по выпуску восстановленного железа в Германии, Канаде, Мексике, Тринидаде и Тобаго и ЮАР, общие мощности которых (созданные в 1971-1999 годах) составляют около 6 млн. т в год, или 13% мирового производства губчатого железа по данной технологии.
А что в Украине?
В нашей стране проекты перехода на бескоксовые технологии находятся пока еще только на этапе исследований. В качестве примера хочется привести последние разработки Института черной металлургии им. Некрасова для аглодоменного передела. Они предполагают замену кокса и природного газа низкосортным углем в металлургическом производстве с усовершенствованием цикла переработки первичного металла в конечный продукт и, как следствие, улучшением экологических условий в районах металлургического производства.
Сущность разработок заключается в создании газификаторов угля, генерирующих горячий восстановительный газ для вдувания в доменные печи и агрегаты бескоксового получения металла. На первом этапе предполагается замена в доменной плавке 40-50% кокса низкосортным углем при полном исключении природного газа, а на втором – создание новой технологии бескоксового получения первичного металла. Был разработан и частично испытан прифурменный газификатор измельченного угля, габариты которого вписываются в существующий фурменный прибор доменной печи.
Реализация первого этапа разработки позволит заменить до половины кокса низкосортным углем с увеличением производительности единичных агрегатов в 1,5 раза при снижении энергозатрат и эксплуатационных расходов на 10%. Срок окупаемости затрат не превысит 1 года.
Вторым этапом разработки предполагается перестройка доменной плавки на бескоксовую технологию путем реконструкции традиционной доменной печи с подачей горячих восстановительных газов через установленные по окружности горна реакторы-газификаторы измельченного угля и разделения печного пространства на зону твердофазного восстановления (шахту) и плавильно-восстановительный горн со сводом, который для шахты является днищем. Перегруз материалов из шахты в горн будет осуществляться шнеками через течки, а газ из горна в шахту будет поступать через газоотводы после охлаждения до 9000С.
Данная технология уже осваивается на комбинате «Арселор Миттал Кривой Рог» (АМКР) и ферросплавных заводах Украины. Предполагается, что ее внедрение позволит уменьшить себестоимость металла на 20%, что при величине капитальных затрат, соизмеримой с затратами на капитальный ремонт печи, даст срок окупаемости менее 1 года. Выбросы в окружающую среду уменьшаются в соответствии с сокращением коксохимического производства.
