1.1. Процессы с предварительным восстановлением железа в твердой фазе и до-восстановлением в жидкой фазе

Современные процессы с предварительным восстановлением в твердой фазе появились благодаря следующим обстоятельствам:

неудачам первых попыток создания плавильно-восстановительного одностадийного процесса;

успешному развитию технологий твердофазного восстановления, продуктом которых является губчатое железо.

Это направление являются по существу попыткой преодолеть основной недостаток полностью твердофазных процессов - получение продукта для производства стали в твердом виде с малым физическим теплом и сохранение в получаемом продукте практически всех компонентов пустой породы исходного железорудного сырья, а также отказаться от использования в больших объемах природного газа.

Экономически более предпочтительной является генерация восстановительного газа из угля.

Главным результатом использования процессов с преимущественно твердофазным восстановлением железа является исключение кокса из технологии. Развитие этих процессов шло в основном путем механического соединения разных процессов прямого восстановления с различными способами плавления твердого полупродукта с довосстановлением железа. Часть этих процессов прошла испытания на пилотных ус-

тановках (Kawasaki, Elred, Plasmasmelt, COIN, Sumitomo и др.), но они не нашли про-мышленного применения.

Важнейшим этапом, изменившим отношение металлургов к бескоксовым способам получения жидкого чугуна, стало промышленное внедрение процесса COREX. Процесс COREX [1 - 11] разработан фирмами Korf Engineering GmbH (Германия) и Voest Alpine Industrieanlagenbau AG (VAI) (Австрия).

Первые опыты были проведены на заводе Badische Stalilwerke AG (Германия), в 1977 г. Детальное исследование технологии осуществлено в период 1981 - 1987 гг.

В конце 1989 г. был введен в эксплуатацию первый промышленный комплекс COREX-1000 с фактической производительностью 315 тыс. т чугуна в год на заводе фирмы Iscor в Претории (ЮАР). По заявлению разработчиков, применение технологии привело к снижению затрат по сравнению с ранее применявшимся на заводе производством чугуна в доменной печи [1].

К настоящему времени процессом COREX произведено более 6 млн. тонн чугуна. Действующие комплексы COREX-2000: Saldanha Steel (ЮАР) - 0,65 млн. т/год; Jindal Vigayanagar (Индия) - 0,8 млн. т/год; Posco Steel, Pohang (Ю. Корея) - 0,8 млн. т/год. Представлена на рынок установка COREX-3000 годовой производительностью 1,1 млн. т чугуна.

В процессе COREX используют двухстадийную схему восстановления (рис.1). Основное восстановление железа (—93%) руды осуществляется газом-восстановителем в твердом виде. На второй стадии процесса идет довосстановление железа углем из жидкого шлака. Конечным продуктом процесса является жидкий железоуглеродистый сплав, идентичный по составу доменному чугуну (см. табл. 1).

Предварительное твердофазное восстановление окускованного железосодержащего сырья производится в шахтной печи. Время пребывания сырья в этой печи составляет 7-9 часов. Затем, через герметичную загрузочную систему (процесс ведется под давлением ~5 атм.), уголь и горячий продукт с высокой степенью металли-зации подаются сверху в плавильный реактор-газификатор, футерованный шамотными высокоглиноземистым кирпичом. Здесь происходит плавление губчатого железа,

Кусюни СУЯ), огатвшн, добаы*

Вдували имюй руды

Чугунишли

РИС. 1 Схема процесса COREX

-О"

Таблица 1 Процесс COREX FINEX РОМЕЛТ Auslron CCF DIOS HIsmelt Тип техно л. 1 1 3 3 2 2 3 Степень ос ПУ ОУ ДУ ОУ Единая ОУ ДУ ДУ воения, про изв-ть, т/ч 95 0,63 - по проекту 20 2 не собрана 20,8 6-9 Основной восстановит. Лопливо уголь уголь уголь уголь уголь уголь уголь Сырье К М М,П М,П М, П М,П М, П Доля тъ.- фазного вос- 90-95 80-90 0 0 20-25 20-25 25 становл-я, % Степ, дожнг, в реакторе окон 5-10 5 70- 95 нет данных 25 40-45 50 чат.

окончательное восстановление оксидов железа из шлака, в основном, углем. В нижней части реактора расположен пояс кислородных фурм. Рабочее пространство реактора-газификатора можно подразделить на несколько характерных зон (рис.

отходящий газ углесодержащая пыль, Oj

Рис. 2 Схема рабочего пространства реактора-газификатора COREX

В верхней зоне реактора в восходящем потоке восстановительного газа (-95% СО+Н2, 1000-1050 °С) содержатся мелкие угольные частицы и пыль. Сквозь эту зону проходит поток загружаемых сверху шихтовых материалов и угля.

Ниже, в верхней части стационарного угольного слоя, находится зона, в которой происходит испарение влаги и пиролиз угля. Здесь же начинается довосстановле- ние оксидов железа из металлизованной шихты.

Затем расположена зона, где протекает только незначительная газификация угля остаточными количествами влаги и С02. В этой зоне происходит плавление шихты и завершается восстановление железа из расплава.

Ниже располагается зона горения угольного остатка в кислороде дутья боковых фурм. Горение идет до СО (с избытком углерода). В зоне горения развивается высокая температура (—2000-2500 °С). Несколько ниже уровня кислородных фурм угольный слой погружен в ванну шлака. Перемешивание и теплоперенос в плотной суспензии целиком определяются действием фурм в зоне горения угля.

Под сравнительно тонким слоем шлака на подине реактора-газификатора накапливается ванна горячего чугуна (~1550 °С). Выпуск металла и шлака производится как из доменной печи.

Науглероживание железа идет уже в верхней восстановительной шахте и завершается в нижнем реакторе-газификаторе. Характерный состав получаемого чугуна и шлака приведен в таблице.

Восстановительный газ из реактора-газификатора после пылеочистки и охлаждения до 800-850 °С направляется в агрегат предварительного восстановления. Это объединяет две стадии технологии в единый процесс.

Избыточный газ после шахтной печи (35-45% СО, 35-45% С02, 15-20% Н2, 13% N2, 1-4% СН4; количество - более 2 тыс. нм3/т чугуна, теплотворная способность

л

6700-8000 кДж/нм ) может быть использован внутри завода для производства электроэнергии; передан после его очистки от С02 в установку прямого восстановления; использован как газообразное топливо или в химической промышленности.

Упрощенно, установка COREX представляет собой доменную печь, разделенную на два агрегата. В шахтной печи происходит твердофазное газовое восстановление сырья, а в реакторе-газификаторе происходят газификация угля, плавление губчатого железа и жидкофазное довосстановление железа из шлака.

Процесс COREX активно совершенствуется.

Интересен вариант использования восстановительного газа от комплекса COREX в установках прямого восстановления железа. Это устраняет зависимость ус-тановок полностью твердофазного восстановления от источников природного газа.

Комбинация агрегатов Midrex и COREX на заводе Saldanha Steel (ЮАР) дает увеличение суммарной мощности комплекса до 1,23 млн. т/год.

На рынок представлен проект [7] использования установок COREX-1000 про-изводительностью 300 - 400 тыс. т чугуна в год для обеспечения мини-завода производительностью 600 - 1200 тыс. т стали в год.

На установке COREX осуществляется грануляция шлака, а пыли и шламы используются для нужд цементной промышленности [8].

По результатам промышленной эксплуатации установки COREX фирма Posco (Ю. Корея) подтвердила вывод фирмы Iscor о большей экономичности технологии COREX в сравнении с доменной плавкой [3].

Разработчики процесса считают более выгодным применение установок COREX и при строительстве новых заводов (опыт сооружения заводов фирмы Jindal, Индия). В последнее время на основе опыта сооружения установок COREX в Ю. Корее, Индии и ЮАР, разработчики заявляют [8], что объем инвестиций в сооружение комплекса COREX может быть снижен на 20% по сравнению со строительством первых установок.

Снижение текущих затрат при производстве чугуна по технологии COREX возможно за счет утилизации на заводе и/или реализации на сторону так называемого «экспортного» газа.

Имеются и менее оптимистические оценки экономической эффективности процесса COREX [9]. По ним в условиях. Центральной Европы эксплуатационные расходы на производство чугуна по новой технологии могут быть сопоставимы с затратами на выплавку чугуна в больших доменных печах. Недостатком технологии COREX является необходимость о кусков ания пылева- тых руд. Использование шахтной печи требует кусковой руды, окатышей или агломерата. Подготовка железорудной части шихты связана со значительными затратами и

экологическим ущербом. Процессом COREX нельзя перерабатывать пылевидные металлургические отходы. Разработчики процесса планируют провести опыты с целью выяснить возможность подачи непосредственно в реактор-газификатор неподготовленных пыли и шлама [8].

Установка COREX является достаточно сложным агрегатом. Необходимы системы охлаждения и сухой очистки от пыли газов, выходящих из реактора- газификатора и направляемых в шахтную печь. Требуются две раздельные системы шихтоподачи (для угля и для железосодержащей шихты), система перегрузки губчатого железа в реактор-газификатор. Агрегат требует надежной герметизации, так как осуществляется под давлением. Для вдувания в реактор-газификатор вместе с кислородом твердых добавок (собственной пыли, угольных частиц и пылеватой руды) применяется сложная пневматическая система.

Процесс COREX реализуется в двух отдельных агрегатах, согласование работы которых усложняет эксплуатацию (особенно на стадиях запуска и остановки агрегата, а также при возможных нарушениях технологии). Улучшение показателей возможно только за счет еще большего его усложнения.

Практика работы установок COREX показала, что добавка кокса (10 - 15%) к загружаемому в реактор-газификатор углю увеличивает производительность установки [3, 10]. Наличие кокса в угольной насадке способствует увеличению зоны горения, улучшению передачи тепла к располагающимся непосредственно под этой зоной шлаку и металлу. Кокс в основном используют при пусках и остановках агрегата, а также для стабилизации процесса при недостатке кислорода. Даже сравнительно небольшое применение кокса снижает преимущества процесса COREX.

Очевидно, признавая эти недостатки процесса COREX, фирмы VAI и Posco Steel разрабатывают процесс FINEX, являющийся усовершенстваванным вариантом процесса COREX.

В процессе FINEX [8, 11, 12] (рис. 3) шахтная печь заменена тремя последовательно соединенными реакторами с кипящим слоем для соответственно нагрева, первичного восстановления (до 30%) и окончательного твердофазного восстановления (до 90%) мелкой неподготовленной руды. Во всех реакторах используется восстановительный газ из реактора-газификатора, последовательно проходящий все три агрегата. В реакторе нагрева руды необходимую температуру газа обеспечивают частич-

ным дожиганием газа из реактора первичного восстановления дополнительно подаваемым кислородовоздушным дутьем. Губчатое железо из нижнего реактора перегру-жается в реактор-газификатор. Здесь, как и в процессе COREX, параллельно с плавлением губчатого железа происходит довосстановление железа. Формирование конечного чугуна происходит при его взаимодействии со шлаком в процессе осаждения на подину капель металла. В отличие от процесса COREX, в процессе FINEX не используются кусковая руда, окатыши или агломерат.

Процесс FINEX успешно прошел испытания на маломасштабной установке производительностью 15 то™ металла в сутки на заводе фирмы Posco Steel в г. Ро- hang. Завершено сооружение экспериментальной установки мощностью 55 тыс. т. в год. Планируется сооружение демонстрационной установки производительностью 720 тыс. т. в год.

VI

Рис. 3 Схема процесса FINEX

R1 - реактор основного твердофазного восстановления; R2 - реактор предварительного твердофазного восстановления; R3 - реактор подогрева руды; I - мелкая руда; II — экспортный газ; III - воздух/кислород; IV - уголь; V - реактор-газификатор; VI- продукты плавки (шлак, чугун)

Несмотря на лучшие в сравнении с процессом COREX расчетные экономические параметры, процесс FINEX отличается еще большей сложностью, что вызывает сомнения в его хорошей управляемости и технологичности.

По нашему мнению, учитывая быстрый прогресс и очевидные преимущества обсуждаемых ниже технологий с преимущественным или полностью жидко фазным восстановлением железа, процессы, подобные COREX и FINEX, не получат широкого распространения.

При преимущественно твердофазном восстановлении конечный газ процесса обладает высоким восстановительным потенциалом. Его степень дожигания примерно такая же, как при доменной плавке. Соответственно, велики вторичные энергоресурсы процесса и расход восстановителя.