1.2. Процессы преимущественно жидкофазного восстановления железа

В современных технологиях этого направления (DIOS, AISI, CCF) незначительное, не более 30%, твердофазное восстановление (иногда с расплавлением - процесс CCF), железосодержащей шихты выделено в отдельную стадию и производится в специальном агрегате. Окончательное восстановление оксидов железа осуществляется в плавильно-восстановительных реакторах - печах жидкофазного восстановления. Восстановление оксидов железа из шлака осуществляется углем и углеродом образующегося чугуна. Как правило процессы преимущественно жидкофазного восста-новления железа (кроме первого варианта процесса AISI на окатышах [13]) используют неокускованное, но подготовленное, железосодержащее сырье.

Для обеспечения теплом шлаковой ванны, в которой происходит довосстанов- ление, необходимо частично дожигать газ над ней или в ее объеме. Дожигание газа в плавильно-восстановительном реакторе - характерная черта процессов преимущественно или полностью жидкофазного восстановления железа. Степень дожигания характеризуется отношением (СОг+НгС^СОг+НгО+СО+Нг). Для предварительного восстановления используют отходящий из печи жидкофазного восстановления газ, который имеет более низкий восстановительный потенциал, чем газ из реактора- газификатора процесса COREX.

При работе установок данного типа должна бьггь решена задача уменьшения влияния на процесс колебаний производительности печи жидкофазного восстановле-

ния, чтобы не возникало рассогласования с загрузкой руды в систему подогрева и предварительного восстановления.

Практически все установки преимущественно жидкофазного восстановления работают при повышенном давлении и нуждаются в герметизации.

Рассмотрим более подробно процесс преимущественно жидкофазного восстановления железа DIOS, успешно прошедший испытания в близком к промышленному масштабе, а также процесс ССР, некоторые технологические и конструктивные решения которого представляют значительный методический интерес. Работы по третьему процессу этого направления (AISI) не ведутся с середины 1990 х гг.

Процесс DIOS [14 - 17] был разработан совместными усилиями японских Федерации чугуна и стали и Центра использования угля при поддержке Министерства внешней торговли и промышленности. Предварительные исследования (1988 - 1991 гг.) вели на 100-тонном опытном реакторе жидкофазного восстановления, переделанном из 170-тонного конвертера, на заводе фирмы Nippon Steel Corp. в г. Sakai. Впервые процесс DIOS был реализован на полупромышленной экспериментальной установке с номинальной мощностью 180 тыс. т. чугуна в год в 1993 г. на заводе Кэйхин японской фирмы NKK. В разное время в проекте принимали участие восемь японских сталеплавильных объединений.

Технологическая схема процесса DIOS представлена на рис. 4. Процесс DIOS трехстадийный. Он предусматривает стадию предварительного подогрева (до 600 °С) смеси мелкой руды (<8 мм) и возврата пыли в реакторе псевдоожиженного слоя (диаметр 2,7 м, высота 5 м), куда поступает очищенный в циклоне газ из агрегата предварительного восстановления.

2,7 м, высота 8 м) предварительного восстановления в псевдоожиженном слое (степень восстановления 27 - 30% при рабочей температуре —780 °С). Твердофазное восстановление в этом реакторе осуществляется очищенным в циклоне газом, отходящим непосредственно из агрегата жидкофазного восстановления железа.

Отходящий из агрегата предварительного подогрева руды газ после циклона подвергается окончательной мокрой очистке и выводится из системы.

Из реактора предварительного восстановления подготовленное сырье транспортируется в реактор жидкофазного восстановления конвертерного типа. Крупнозернистая руда загружается самотеком, а пылевидная фракция, уловленная из всех агрегатов предварительной подготовки сырья, вдувается в реактор окончательного восстановления железа в токе азота. Сверху на ванну шлака подают уголь (<30 мм) и флюс.

Реактор жидкофазного восстановления в экспериментальной установке DIOS представляет собой водоохлаждаемый (применены медные панели), футерованный в нижней части конвертер комбинированного дутья. Верхняя часть реактора (в зоне газофазных реакций) выполнена в виде водоохлаждаемой сужающейся горловины.

I - агрегат подогрева руды; II - циклон; П1 - скруббер с трубами Вентури; IV - регулятор давления; V, VI - агрегаты предварительного твердофазного и жидкофазного восстановления, соответственно; VII - машина ддя вскрытия и забивки летки; 1 — уголь; 2 - флюс; 3 - руда; 4 — отходящий газ установки; 5 - руда; 6 - пыле- утоль для газового реформирования

Ресурс реактора оценивается разработчиками процесса в два месяца (очевидно, по ресурсу футеровки). Процесс ведется под давлением до 2 ати. Восстановление оксидов железа из шлака угольными частицами протекает в условиях продувки шлакового расплава кислородом через центрально расположенную погружную верхнюю фурму (максимальный расход кислорода - 20000 нм3/ч). Выделяющийся от процессов восстановления монооксид углерода дожигается кислородом непосредственно во вспененном шлаке.

Степень дожигания отходящих из ванны газов составляет 45-50%. Выше зоны факела дожигания организовано боковое вдувание пылеугля. Реформирование углем частично дожженных печных газов перед выходом из горловины конвертера приводит к снижению степени дожигания газовой смеси до 30 - 40%. При этом повышается восстановительный потенциал отходящих газов, что улучшает их использование в системе предварительного восстановления мелкого железосодержащего сырья. Температура отходящих газов при реформинге уменьшается примерно на 300 К.

По данным разработчиков оптимальное дожигание СО во вспененном шлаке достигается при продувке «раскрытой струей», когда дутье распространяется в шлаке на значительное расстояние по горизонтали, а не проникает в глубину ванны. При этом тепло от горения эффективно передается шлаку.

Можно заключить, что важным элементом технологии является периодическое перемещение кислородной фурмы вдоль вертикальной оси. В процессе плавки с пе-риодическим выпуском металла и шлака меняются высоты шлаковой и металлической ванны, что должно сказываться на устойчивости работы реактора.

Как отмечают сами разработчики [17], в процессе DIOS трудно определить оп-тимальное соотношение в шихте угля и железосодержащего сырья (соотношение развития процессов горения и газификации в факеле неизвестно и является переменным при изменении параметров плавки) и каждый раз оно определяется практической настройкой, с учетом положения фурмы и уровня расплава.

Подчеркнем, что сжигание (газификация) угля в шлаке и дожигание выделяющихся из ванны печных газов осуществляются в процессе DIOS одним и тем же потоком газа-окислителя.

Разработчики процесса DIOS выделяют в шлаковой ванне по вертикали две характерные зоны: слой вспененного шлака в верхней части ванны и слой плотного шлака над ванной металла. Соотношение высот этих двух зон определяется положением фурмы, количеством шлака в шлаковой ванне и массовым содержанием в ней частиц угольного остатка. Восстановление оксидов железа происходит преимущественно в зоне плотного шлака, а в зоне вспененного шлака преобладают процессы горения монооксида углерода и угля. Температура верхней части шлаковой ванны на 100-150 °С выше, чем в нижней части шлака. В зоне плотного шлака по мнению разработчиков сосредоточено основное количество капель металла и ококсованных частиц угля. Последнее утверждение вызывает сомнение исходя из опыта процесса РОМЕЛТ.

Продукты плавки периодически выпускают через летку с диаметром 70 мм, выполненную в цилиндрической части реактора. В связи с этим необходимо применение традиционного доменного оборудования: бурмашины и пушки для заделки летки. Такой способ требует дополнительного отделения металла от шлака вне печи и не исключает потерь угля со шлаком.

В процессе DIOS для улучшения подвода тепла к металлической ванне применен донный барботаж азотом, подаваемым через несколько фурм, расположенных в центральной части подины. При этом, помимо эффективной передачи тепла в металлическую ванну с каплями металла, решается также задача интенсификации процесса восстановления железа за счет реагирования углерода, растворенного в каплях металла со шлаком и захваченных в ванну металла капель шлака с углеродом чугуна. Разработчики считают, что эмульгированный в шлаке металл и капли шлака в металлической ванне, вместе с ее поверхностью, обеспечивают около половины общего восстановления в реакторе за счет растворенного углерода. Другая половина производительности установки обеспечивается реагированием угольных частиц со шлаком.

интенсивности барботажа металлической ванны может качаться активное обезуглероживание и окисление железа капель металла, достигающих зоны факела.

Процесс зависим от интенсивности перемешивания ванны. Здесь заметную роль играет нижнее азотное дутье. Слабое перемешивание уменьшает эффективность передачи тепла к шлаковой и металлической ванне, а слишком интенсивное перемешивание приводит к уменьшению степени дожигания. Последний эффект, по нашему мнению, объясняется значительным увеличением количества угля, поступающего с циркулирующим шлаком в каверну факела фурмы, где он газифицируется. При этом в ванне уменьшается содержание угля, растет содержание оксидов железа, снижается ее температура, т. е. установка переходит в технологически неблагоприятный режим. При этом также можно ожидать исчезновения «кольца» насыщенной угольной суспензии, располагающегося по периметру верхней части слоя плотного шлака у стенки реактора. Существование такой динамической угольной «насадки» обеспечивает науглероживание циркулирующих в шлаке капель восстановленного железа, компенсирующее их взаимодействие с оксидами железа в шлаке, содержание которых при уменьшении степени дожигания возрастает. Кроме того, считают, что присутствие в верхней часта плотного слоя шлака определенного количества угля необходимо для подавления избыточного ценообразования.

Приведем геометрические размеры характерных зон в рабочем пространстве опытного реактора DIOS. При диаметре ванны 3,7 м и высоте реактора 9,3 м глубина барботируемой ванны металла составляет м.

Толщина слоя «плотного» шлака, барботируемого газообразными продуктами восстановления, пиролиза угля и газами из ванны металла, составляет около 0,7 - 0,8 м. Можно ожидать, что в этом слое газосодержание составляет ~ 50%.

Толщина слоя вспененного шлака, раздуваемого газами, приходящими в эту зону из двух лежащих ниже зон, а также продуктами горения (дожигания), составляет около 0,7 м. Газосодержание в этом слое может быть ориентировочно 70 - 90%. Высота «поверхности» ванны от подины - 2,4-2,6 м. Толщина слоя шлака в спокойном состоянии должна быть -0,5 м.

В период испытаний ванна металла имела температуру около 1500 °С. Температура слоя плотного шлака составляла также около 1500 °С. Температура вспененного шлака составляла около 1600-1650 °С. Температура в надслоевом пространстве со-

ставляла 1700-1900 °С. Содержанке (FeO) в шлаке составляло 4—5%, содержание углерода в чугуне 3 4%. Интенсивность верхней кислородной продувки шлака состав-

3 2

ляла около 1000 м /м площади ванны в час при средней удельной производительно-сти 1,55 т/м ч.

Всего выплавлено в ходе испытаний около 21000 тонн металла.

Финансирование исследовательского проекта государственными организациями остановлено в 1996 г. В последнее время фирма NKK прилагает усилия по продвижению новой технологии NKK-DIOS на рынке. Выполнен проект промышленного агрегата DIOS производительностью 2,1 млн. т. металла в год. Себестоимость произведенного чугуна должна быть на 19% меньше доменного, в основном из-за меньших капитальных затрат. Разрабатываются варианты [17, 18] использования технологии для получения чугуна в одну стадию, без стадии предварительного восстановления.

Очевидно, понимая сложность обеспечения длительной взаимосогласованной работы всех трех стадий процесса, разработчики предложили дуплекс-процесс Duplex-DIOS [17], предусматривающий комбинирование реактора жидкофазного восстановления с получением губчатого железа в печи с вращающимся подом, разработанной фирмой INMETCO (США). Для процесса необходимо производство сырых рудноугольных окатышей. В печи с вращающимся подом проводят сравнительно низкую металлизацию до 30-60% с использованием угля. При этом производительность выше, чем в установках газового восстановления с высокой степенью металлизации. В этом варианте процесса газ, отходящий из реактора жидкофазного восстановления, не направляется в цикл твердофазного восстановления, а используется для выработки пара и электроэнергии. Фактически процесс Duplex-DIOS является более сложной модификацией процесса REDSMELT фирмы SMS Demag (Германия). Заявленная разработчиками большая конкурентоспособность процесса Duplex-DIOS в сравнении с процессом REDSMELT ничем не обоснована.

Процесс CCF (Cyclon Converter Furnace) [11, 19, 20] разрабатывается с начала 1990- годов крупной голландской фирмой Corns (бывшая Hoogovens) и некоторыми другими научными и коммерческими организациями под эгидой ЕЭС. В настоящее время финансирование этого проекта приостановлено (за исключением теоретических исследований).

В процессе CCF холодную пылеватую руду, металлургические пыли и/или осушенные шламы тангенциальным вдуванием в токе кислорода подают в циклон, расположенный непосредственно над реактором жидкофазного восстановления (рис. 5). Ванну шлака в реакторе продувают кислородом через погружную вертикальную фурму. Сверху на шлак подается уголь. Степень дожигания печных газов в реакторе невысока (—25%). Получаемый восстановительный газ поступает в циклон, где дополнительно дожигается кислородом до -80%. В циклоне обеспечивается "наброс" по крайней мере частично оплавленных частиц окисленного сырья на стенки циклона, их предварительное восстановление до вюстита и стекание в пленке расплава по стенкам циклона в реактор. Таким образом, в процессе CCF уголь расходуется преимущественно на довосстановление уже частично восстановленного и расплавленного сырья. Для улучшения подвода тепла к металлической ванне предусматривается донная продувка азотом.

ю

Рис. 5 Схема агрегата CCF 1 — плавильный циклон; 2, 8 - сопла для иыжекции окисленного сырья в токе кислорода; 3 - стенка плавильного циклона; 4 -- реактор конвертерного типа; 5 - кислородное копье (фурма); 6 - отверстие для загрузки топлива (угля); 7 - летка для выпуска чугуна; 9 - газоход; система донного барботажа металлической ванны

Процесс CCF - единственный из двухстадийных процессов, в котором отходящие из установки газы имеют достаточно высокую температуру и пригодны для выработки электроэнергии в энергетическом котле. В этом смысле процесс CCF близок к одностадийному процессу РОМЕЛТ, однако проигрывает последнему из-за наличия

дополнительного агрегата предварительного восстановления с плавлением, в котором применяется сложная система вдувания пылевидного сырья. Отметем, что при подаче сырья на боковые стенки печи РОМЕЛТ в зоне дожигания, в ней можно получить тот же эффект и обеспечить экономию угля подготовительной стадии. Это было предметом специального изобретения с целью совершенствования процесса РОМЕЛТ, заявленного до публикации сведений по процессу CCF.

Успешные испытания плавильного циклона с внутренним диаметром 2 м и высотой 4 м прошли на заводе Ijmuiden фирмы Corns. При этом вместо реактора жидкофазного восстановления под циклоном расположили камеру сгорания, где сжигали в кислороде природный газ, имитируя состав входящего в циклон газового потока (Т—1500 °С) из реактора жидкофазного восстановления.

Очевидно, процесс CCF потенциально пригоден для промышленного использования, но должен еще пройти длительный путь освоения. Разработанный в данном процессе циклон предварительного восстановления с плавлением практически полезен и может быть использован в сочетании с другими процессами жидкофазного вос-становления. Так, в одном из вариантов процесса HIsmelt (схема со стадией предварительного твердофазного восстановления) предлагается расположить плавильный циклон над реактором окончательного восстановления [21].