Железо металлическое восстановленное водородом

Обновлено: 18.05.2024

Способы прямого восстановления железа, характеристика продукции и сырья

Под процессами прямого восстановления железа понимают такие процессы, которые дают возможность получать непосредственно из руды металлическое железо, минуя доменную печь. Способы прямого получения железа позволяют вести процесс не расходуя металлургический кокс, заменяя его другими видами топлива.

Известно, что использование железа прямого восстановления при выплавке стали (в основном, в электродуговых печах) позволяет производить наиболее высококачественный, экономически выгодный (с относительно низкой энергоемкостью) и экологически чистый металл без примесей серы и фосфора, пригодный для удовлетворения самых высоких требований таких отраслей-потребителей, как машиностроение (авиа-, судостроение и т. д.). В настоящее время предложено более 20 различных способов прямого получения железа.

Железо прямого восстановления (или губчатое железо) в основном производят в виде металлизированных окатышей: холодных СDRI (Сool Direct Reduced Iron) или горячих HDRI (Hot Direct Reduced Iron), а также горячебрикетированного железа НBI (Hot Briquetted Iron).

Рис.38. Внешний вид железа прямого восстановления СDRI (а),HDRI (б) и НBI (в)

Окатыши СDRI (рис. 38 а) получают в основном в шахтных печах с охлаждением в нижней части печи до 50º С, после чего отравляются на склад, а затем загружаются в электропечь.

Окатыши HDRI (рис. 38 б) выгружаются из установки прямого восстановления в горячем состоянии и загружаются в расположенную рядом электропечь при температуре 600º С и выше.

Горячебрикетированное железо НBI (рис. 38 в) получается путем прессования брикетов размерами 30×50×110 мм в формы в виде подушек из металлизированного продукта, который выгружается из печи при температуре около 700º С.

Наибольшее распространение получили технологии компании Midrex (США). Процесс протекает в шахтной печи, в верхнюю часть которой подаются окатыши или кусковая руда. Установки Midrex действуют на многих предприятиях крупнейшей металлургической компании ArcelorMittal, расположенных в Германии, Канаде, Мексике, Тринидаде и Тобаго и ЮАР.

Второй по распространенности технологией прямого восстановления железа является HYL/Energiron. Процесс HYL был разработан мексиканской компанией Tenova для прямого восстановления железной руды (кусковой или окатышей) в металлическое железо с помощью восстановительного газа в реакторе с подвижным слоем.

Менее известна технология Finmet, которая позволяет использовать железорудную мелочь без предварительного окускования в процессе газового восстановления в кипящем (псевдосжиженном) слое. По этой технологии пока действует только одно предприятие – Orinoco Iron в Венесуэле.

Для получения железа прямого восстановления также применяется целый ряд угольных технологий – SL/RN, Jindal, DRC, SIIL, Tisco, Codir и др. В основном все они действуют на базе печей с вращающимся подом с использованием угля или пылеугольной смеси.

Такие предприятия работают в Индии, а также в ЮАР, Китае, Перу и в некоторых других странах. Хотя экологичность таких производств и качество получаемого металла существенно ниже, чем у «газовых» предприятий, однако они дешевле, что и обеспечивает им значительную долю в структуре мирового производства DRI.

Существуют также жидкофазные способы прямого восстановления и альтернативные доменной печи установки для получения чугуна.

Рис. 39. Доля способов производства железа прямого восстановления в мире

Структура производства железа прямого восстановления в мире в последние годы приведена на рис. 39.

Производство железа в шахтных печах (технология Midrex)

В шахтных печах получают губчатое железо газообразными восстановителями в толстом слое железосодержащих окатышей. Схема производства различных видов железа прямого восстановления с использованием шахтной печи приведена на рис. 40.

Рис. 40. Технологическая схема производства железа прямого восстановления в шахтных печах

Процесс производства железа осуществляют в противотоке железорудных материалов, загружаемых в агрегат сверху, и нагретых восстановительных газов, подаваемых снизу. Работа агрегата в противотоке дает возможность достигать высокой производительности при хорошем использовании газа.

В качестве восстановителей применяют конвертированный природный газ, состоящий в основном из водорода (H₂) и оксида углерода (CO). Восстановительный газ получают в кислородном реакторе (реформере), путем неполного сжигания природного газа в кислороде. Полученный газ, содержащий 29% CO, 55% H₂ и 13% окислителей (H₂O и CO₂) освобождают частично от окислителей, затем нагревают, до температуры 1100…1150 °С и через фурмы подают в печь.

Добытую руду обогащают и получают окатыши. Окатыши из бункера загружают в шахтную печь, работающую по принципу противотока. Для восстановления железа из окатышей в среднюю часть печи по трубопроводу подают конвертированный природный газ. В восстановительной зоне печи создается температура 1000…1100 °C, при которой H₂ и CO восстанавливают железную руду в окатышах до твёрдого губчатого железа. Содержание железа в окатышах достигает 90…95%. Для охлаждения железных окатышей, снизу печи в зону охлаждения печи подают воздух. Охлаждённые окатыши выдаются на конвейер и поступают на выплавку стали в электропечах. Если производятся горячие окатыши или горячебрикетированное железо, то охлаждение восстановленного железа в нижней зоне печи не производится.

Производство железа в периодически действующих ретортах (технология HYL/Energiron)

Еще одним способом производства железа прямого восстановления является процесс в периодически действующих ретортах, используемых в качестве агрегатов восстановления. На установке таких реторт четыре (рис. 41). Емкость каждой реторты 100…150 т.

Рис. 41. Схема установки HYL: 1 – десульфуратор природного газа; 2 – установка конверсии; 3 – котел-утилизатор; 4 –
барабан для производства пара; 5 – воздушный охладитель; 6 – воздуходувка; 7 – скруббер; 8 – воздухонагреватель; 9 – загрузочный бункер; 10 – нагреватель газа; 11 – реторты (I – IV); 12 – скруббер; 13 – конвейер подачи руды; 14 – конвейер уборки губчатого железа; 15 – сборный бункер губчатого железа

Реторты переставляются с одной позиции на другую, что обуславливает циклический характер процесса, состоящего из последовательных операций загрузки, нагрева и восстановления шихты, охлаждения и выгрузки губчатого железа. Реторты загружают и подают газ сверху. В качестве сырья используют чистые руды, содержащие не менее 60 % железа, крупностью 12…50 мм.

Восстановление ведется в неподвижном слое кусковой руды или окатышей при избыточном давлении 0,35…0,4 МПа и температуре 870…1040 °С. Нагрев руды и компенсация тепловых потерь процесса осуществляют за счет физического тепла восстановительного газа, который нагревают до 980…1240 ºС. При выдержке 4…6 часов средняя степень металлизации железа составляет 85 %. Выгрузку губчатого железа производят снизу с помощью специальных скребков. Губчатое железо поступает на конвейер транспортирующий губку в сталеплавильное отделение. На рис. 42 показана схема стационарной реторты со съемной крышкой и откидным днищем.

Рис. 42. Конструкция реторты: 1 – гидравлический цилиндр; 2 – тележка; 3 – привод; 4 – кожух; 5 – крышка; 6 – загрузочная
горловина; 7 – площадка для обслуживания; 8 – резец с рычагом
для удаления губчатого железа; 9 – губчатое железо; 10 – футеровка; 11 – механизм управления откидным днищем; 12 – откидное днище; 13 – разгрузочный желоб

В каждой из четырех реторт протекают различные процессы. В одной реторте происходит предварительный нагрев и восстановление шихты газом, выходящим из других реторт. В двух ретортах происходит довосстановление железа подогретым газом, получаемым в конверсионной установке. В четвертой происходит науглероживание губчатого железа. Готовое железо поступает на конвейер, а в освобожденную реторту загружают исходную шихту.

К недостаткам метода относят:

периодичность процесса;
неравномерность металлизации по высоте;
низкая степень металлизации в сравнении с процессами, осуществляемыми в шахтных печах.

Производство железа на движущейся колосниковой решетке

Процесс получения железа на движущейся колосниковой решетке (рис. 43) несколько напоминает работу агломерационной машины. В этом случае конвертируемый газ проходит сверху вниз через слой шихты.

Рис. 43. Схема процесса получения железа на движущейся колосниковой решётке: 1 – обжиговая конвейерная машина, 2 – шихта, 3 – зона сушки, 4 – зона обжига и восстановления, 5 – электропечь, 6 – ковш для жидкого металла, 7 – ковш для шлака

Существует разновидность процесса получения железа на движущейся колосниковой решетке, когда вместо конвертированного газа используют твердый восстановитель (каменный уголь, кокс и т.д.).

В этом случае сырые окатыши в головной части установки сушат рециркулируемыми газами, после чего окатыши поступают в зону обжига, где в результате просасывания горячих газов происходит нагрев и восстановление оксидов железа. Основным преимуществом этого процесса является возможность подавать в установку для восстановления неупрочненные обжигом окатыши. Недостатком этого процесса является загрязнение губчатого железа пустой породой, серой и фосфором твердого топлива.

Производство железа во вращающихся трубчатых печах

Другой разновидностью процесса с использованием твердого восстановителя является способ получения железа во вращающихся трубчатых печах (рис. 44).

Рис. 44. Схема установки с применением трубчатых вращающихся печей: 1 – элеватор; 2 – исходная шихта; 3 – вращающаяся печь; 4– вибропитатель; 5 – пылеуловитель; 6 – уборка пыли; 7 – зона горения топлива и плавления материалов; 8 – горелка

По этому способу во вращающуюся трубчатую печь, установленную под небольшим углом к горизонту, загружается шихта, состоящая из руды, твердого топлива и доломита или известняка. Доломит и известняк используются для десульфурации. Печь отапливается газообразным или жидким топливом при помощи горелок, установленных на разгрузочном конце печи.

По мере продвижения шихты от загрузочного конца печи к разгрузочному, навстречу газообразным продуктам горения, происходит восстановление оксидов железа. Восстановление протекает в основном через газовую фазу при участии твердого углерода. На разгрузочном конце печи восстановленный материал для предупреждения окисления охлаждается в специальном вращающемся охладителе и после дробления и последующего магнитного обогащения используется в сталеплавильном производстве.

Производство железа в реакторах кипящего слоя

В основу этого способа положен эффект так называемого кипящего слоя, при котором создаются условия для хорошего контакта мелких железорудных материалов с газообразным восстановителем.

Сущность явления кипящего слоя заключается в следующем. Если через слой зернистого материала пропускать восходящий поток газа, то при небольших скоростях газа твердые частицы будут оставаться неподвижными. Слой будет выполнять роль фильтрующего пористого элемента.

Для создания кипящего слоя под горизонтальную решетку реактора, на которую загружают исходный железорудный материал, подается горячий восстановительный газ с определенной скоростью.

Чтобы предотвратить спекание восстановленного железа процесс ведется при низкой температуре (около 500 °С). Железо полученное при этой температуре, характеризуется повышенной пирофорностью (самовозгораемостью на воздухе). Для предотвращения пирофорности полученное железо нагревают до 820…880 °С с последующим охлаждением в восстановительной или нейтральной атмосфере.

Агрегаты FASTMET и ITmk3

В данных агрегатах осуществляется получение железа из руды и некосующегося угля. В агрегатах FASTMET также могут утилизироваться побочные продукты (пыли и шламы), содержащие железо, которые образуются на заводах с полным металлургическим циклом. Развитие этой технологии привело к созданию в 1996 г. процесса ITmk3 производства «передельного чугуна высшего качества» из окатышей или брикетов, схема процессов приведена на рис. 45.

Рис. 45. Схема процессов FASTMET, FAST MELT и ITmk3:1-бункера с компонентами шихты; 2 – окомкование; 3 –
сушка; 4 – брикетирование; 5 – печь с вращающимся подом; 6 – компрессор; 7 – регенератор; 8 – воздух для горелки; 9 – топливо для горелки; 10 – газоочистка; 11 – дымовая труба; 12 – электросталеплавильная печь; 13 – сепаратор

Технология получения железа следующая. Из мелкой железной руды после ее смешивания с углем получают гранулы, которые высушивают и загружают в печь с вращающимся подом. Процесс по существу выполняется на большом поворотном столе, который вращается в пределах тороидального огражденного пространства.

Гранулы из шихты загружаются на вращающийся под печи одним или двумя слоями и во время вращения нагреваются горелками, расположенными над слоем, где также происходит дожигание оксида углерода и летучих угля, выделяющихся при нагреве и восстановлении оксидов. Один оборот вращающейся печи осуществляется за 10 мин.

В случае процесса FASTMET продукцией является губчатое железо, FASTMELT – жидкая сталь, а в процессе ITmk3 данные комки плавятся в последней зоне этого пода, тем самым получая гранулы чугуна и шлак. Конечным этапом является разделение чугунных комков и шлака.

Химико-термический способ получения железа

Данный метод применяется для получения очень чистого железа из труднообогатимого рудного сырья, содержащего большое количество вредных примесей. Он может быть использован также для получения легированной железной губки из комплексных руд.

Схема технологического процесса получения железа по этому методу включает следующие операции (рис. 46).

Рис. 46. Схема технологического процесса прямого получения железа химико-термическим способом: 1 – печь восстановительного обжига; 2 – реакторы растворения; 3, 5 – промежуточные ёмкости; 4 – фильтры; 6 – выпарные аппараты; 7 – кристаллизаторы; 8 – центрифуга; 9 – вакуум-сушилка; 10 – печь сушки хлоридов; 11 – печь окисления хлоридов; 12 – гранулятор; 13 – печь восстановления хлоридов

Усредненная на рудном дворе руда поступает в дробильное отделение, а затем в печь обжига. Для ускорения процесса обжиг руды проводится с использованием твердого восстановителя. Для этого приёмные бункеры мельниц оборудуются дозаторами для приготовления шихты, состоящей из руды и твердого восстановителя.

Подготовленная шихта поставляется в печь для восстановительного обжига. Обжиг проводится при температуре 900…1000 °С. После обжига руда поступает в реакторы растворения руды, заполненные соляной кислотой. Начальная стадия растворения происходит очень бурно и сопровождается выделением водорода. По мере снижения концентрации кислоты и сокращения поверхности твердой фазы скорость реакции растворения падает. Для ускорения процесса на конечном этапе реакционный объём подогревается паром с температурой 80…90 °С, подаваемом в паровые рубашки реакторов.

Выделяющийся при растворении водород после очистки направляется в печь восстановления хлоридов, где используется как газообразный восстановитель. Пары соляной кислоты, сконденсировавшиеся в процессе растворения, поступают в систему сбора кислоты, откуда направляются в реактор растворения.

Полученная в результате растворения пульпа подаётся в фильтры для отделения раствора от нерастворимого остатка. Отфильтрованный раствор поступает в выпарные аппараты, где проводится выпаривание до насыщения по хлористому железу. Далее раствор направляется в кристаллизаторы, из которых смесь кристаллов и раствора подается на центрифуги. Из центрифуг кристаллы направляются в печь сушки и затем в печь восстановления хлоридов, отапливающуюся природным газом.

Для восстановления хлоридов используется водород. Температура восстановления составляет 600…700 °С. В результате, после восстановления, образуется химически чистое железо.

Отходящий из печей газ, содержащий водород и пары воды, подвергается осушке, очистке и используется как восстановитель при восстановлении хлоридов. Кислота, образующаяся в результате охлаждения и очистки отходящих газов, поступает в систему сбора соляной кислоты, откуда направляется в реакторы растворения руды.

Таким образом, процесс построен максимально рационально, поскольку обеспечивается рециркуляция всех реагентов, участвующих в процессе.

Источник: Скляр В. О. Инновационные и ресурсосберегающие технологии в металлургии. Учебное пособие. – Донецк.: ДонНТУ, 2014. – 224 с.

Железо металлическое восстановленное водородом

Водородная энергетика, технологический прогресс и экологическая безопасность в отрасли черной металлургии.
Прямое восстановление оксида железа водородом.

Метод прямого восстановления железа водородом в наши дни, как технологический процесс, остался без изменения – специально подготовленная, то есть обогащенная, руда, - концентрат, где содержится основной окисел железа восстанавливается в шахтной печи с помощью твердого топлива, как это было в древности, или для этой цели используется конвертированный газ – природный метан, но преобразованный в смесь водорода и угарного газа (СО).

3Fe2O3+H2= 2Fe3O4+H 20
Fe3O4+H2=3FeO+H 2O
FeO+H2=Fe+H 2O

Как установлено в настоящее время, можно восстанавливать концентраты руды, которые еще не превращены в окатыши. Более того, оказалось, что концентрат восстанавливается даже с большей скоростью, чем изготовленные из него окатыши. Однако на пути к реализации этого процесса стоят трудности чисто технологического характера.

Наиболее интересным способом восстановления оксида железа, является возможность использования водорода в режиме горения. Сам процесс восстановления пойдет достаточно быстро, более того, при этом не возникает лишних примесей: продукт восстановления – железо и вода. Однако получение и хранение водорода сопряжено со множеством чисто технических и экономических трудностей. Поэтому водород пока что используют лишь для получения металлических порошков.

Существует технология среднетемпературного восстановления оксида железа, когда протекает процесс горения и прямого воздействия водорода при температуре 470-8100С. Восстановитель – водород или в чистом виде, или с примесью окиси углерода. Железо, естественно, находится в твердом состоянии, образуя при восстановлении своеобразную губку.

Анализ приведенных выше данных дает основания для следующих выводов:

Среди реакций восстановления оксидов железа водородом только реакция (1.1) является экзотермической. С ростом температуры отношение (%Н2 О) / (%Н2) в равновесной газовой фазе этой реакции будет уменьшаться;

Реакции (1.4), (1.7), (1.10) являются эндотермическими. Поэтому с ростом температуры отношение (%Н2 О) / (%Н2) в равновесной газовой фазе этих реакций будет увеличиваться.

Влияние температуры на изменение состава равновесной газовой фазы для каждой из реакций восстановления оксидов железа водородом показано на рисунке 1 пунктирными линиями.

Следует обратить внимание на то, что кривые, характеризующие составы равновесных газовых смесей для реакций восстановления оксидов железа оксидом углерода и водородом, пересекаются при температуре 8100С. Из анализа реакции водяного газа известно, что при соблюдении условия

Оксид углерода и водород при этой температуре обладают одинаковым химическим сродством к кислороду.

При температурах выше 8100 С водород обладает большим химическим сродством к кислороду. Поэтому при восстановлении оксидов железа водородом объемное содержание восстановителя в газовой фазе может быть меньше, чем при восстановлении оксидом углерода.

При температурах ниже 8100 С более высоким химическим сродством к кислороду обладает оксид углерода.

Конечным продуктом везде являются железо, вода и углекислый газ, причем воду можно снова использовать для получения водорода и кислорода. Таким образом появляются реальные возможности осуществить замкнутый цикл восстановления железа водородом и создать безотходное производство.

Однако до сих пор водород получают двумя испытанными методами – гидролизом воды и ее электролитическим разложением, проще говоря, электролизом. Существует , правда, химическое разложение, более выгодное, но оно не столь распространено, на что имеется ряд чисто технических причин. Поиск новых способов продолжается, ибо важность проблемы несомненна.

Использование водорода для нужд черной металлургии – реальность сегодняшнего дня, и это возможно с применением водородных турбогенераторных установок, созданных на основе научного открытия НППСО «Грантстрой» авторами Аракелян Г.Г., Аракелян А.Г., Аракелян Гр.Г. – ранее неизвестного явления двухстадийного высокотемпературного окисления углеводородов водой (диплом № 425) и изобретения «Способ получения водородсодержащего газа в турбогенераторной установке» (патенты № 117145 от 20 июня 2012 г., № 2269486 от 10 февраля 2006 г., № 2478688 от 10 апреля 2013 г.).

Впервые в мировой практике при проведении научных и опытно – конструкторских работ при испытании водородной турбогенераторной установки нового поколения в соответствии с патентом на изобретение № 2678688, учеными ЗАО НППСО «Грантстрой» было выявлено уникальное новое явление – восстановление окиси железа водородом.

Данное обстоятельство не входило в план и программу лабораторных работ по изучению получения водорода в турбогенераторной установке. При анализе газов, выходящих из водородной турбогенераторной установки, научными работниками была использована промежуточная горизонтальная газоотводящая труба диаметром 279 мм, толщиной стенки 8 мм и длиной 2500 мм, полностью покрытая окисью железа с наружной и внутренней сторон, находившейся около 10 лет под воздействием окружающей среды (осадки и т.д.) (рис.2)

Рис. 2. Начало проведения лабораторных исследований.

Задачами, поставленными перед учеными в данный период испытаний, являлись определение температуры горения водорода на выходе газоотводящей трубы при помощи термопара ТП (предел определения температуры до 1500оС) и анализ газов с применение прибора «Тесто-300». Время проведения эксперимента составило около 35 минут. За этот период было обнаружено, что воздействие водорода при температуре горения 900оС на используемую в данном опыте газоотводящую трубу способствовало процессу восстановления окиси железа в внутренней стороны на 100% по всей толщине и частично с наружной стороны за счет воздействия горючего водорода, который выходил в ограниченном количестве. (рис.3)

Рис. 3. Восстановление окиси железа водородом.

Достоверные факты, опытно-экспериментальные исследования и как показано на Рис.1, что кривые 5, 5а и реакция восстановления оксида железа пересекаются при температуре горения водорода 9000С – все это даёт полное основание заявить о возможности применения водородных турбогенераторных установок в металлургии для восстановления оксида железа водородом с фантастически низкой себестоимостью, что открывает возможность приступить к переработке отходов на рудниках в виде оксида железа, объем которых во всем мире составляет около 1 трлн.250 млрд. тонн, и которые нарушают экологическую стабильность в регионах, активно добывающих и перерабатывающих железную руду.

Предварительные расчеты и первые эксперименты показали: возможность получать водород с такой низкой себестоимостью, что «водородная металлургия» обретет, наконец, надежную экономическую основу с учетом полной экологической безопасности водородного восстановления оксида железа.

Как видно, существует необходимость введения в металлургию прямое водородное восстановление оксида железа, обеспечивающее безотходное производство в черной металлургии.

Прямое водородное восстановление оксида железа – только начало технологического прогресса в черной металлургии. Но и остальные звенья – будь то конвертеры, электропечи, заводы-автоматы, аппараты малооперационной технологии – требуют хорошего исходного сырья. Им будет восстановленный водородом оксид железа.

Металлургию будущего не без основания часто называют водородной. В настоящее время водород обходится дорого. Его получение, хранение и транспортировка сопряжены со множеством чисто технических проблем. Однако произведенные эксперименты и предварительные расчеты показывают, что можно получать водород с такой низкой себестоимостью, используя изобретение ЗАО НППСО «Грантстрой», что «водородная металлургия» обретет надежную экономическую основу. А если учесть полную экологическую безопасность водородных турбогенераторных установок, то сомнение в том, что именно они предопределяют будущее металлургии, открывающее огромные возможности в современном мире.

(В данной статье в том числе использованы материалы с веб сайтов и учебных пособий)

Доктор наук, заслуженный
рационализатор-изобретатель РФ,
заслуженный строитель России Г.Г. Аракелян

Способ прямого восстановления окислов железа

Изобретение относится к металлургии, а именно к способам прямого восстановления водородом окислов железа с использованием электроэнергии, и может быть использовано при производстве порошков, компактных металлов и сплавов. Способ включает восстановление измельченной железной руды в среде водорода в проточном режиме с обеспечением выноса образующихся газов непрерывным потоком водорода. При этом руду загружают в реактор в виде кварцевой трубки, закрытой защитным теплоизоляционным кожухом. В качестве газа-восстановителя используют водород, который для интенсификации процесса восстановления окислов и получения равномерного восстановления руды подают через трубку, проходящую через верхнюю часть теплоизоляционного кожуха с обеспечением нагрева водорода до температуры на входе в реактор, составляющей 80-110°С. Осуществляют продувку реактора водородом и удаление кислорода воздуха, нагрев реактора до 900-1000°С, выдержку в режиме восстановления окислов железа, охлаждение реактора и восстановленной железной руды с последующей выгрузкой. 6 ил., 2 табл.

Изобретение относится к металлургии, а именно к способам прямого восстановления водородом окислов железа с использованием электроэнергии. Способ может быть использован при производстве порошков, компактных металлов и сплавов.

Повышение экологических требований, увеличение потребности в металлах высокой чистоты, истощение запасов коксующегося угля и природного газа, развитие технологии получения чистого водорода обуславливают повышение интереса к процессам прямого восстановления железных руд водородом. Согласно исследованиям германских специалистов, из основных инновационных технологий производства стали, на период до 2050 г. наиболее перспективной является технология прямого восстановления железной руды водородом без применения оксида углерода. Данный вывод сделан на основе многокритериального анализа технологий производства стали с применением 12 различных критериев из пяти категорий («Технологии», «Общество и политика», «Экономика», «Безопасность и уязвимость» и «Экология») [Weigel М., Fischedick М., Marzinkowski J., Winzer P. Multicriteria analysis of primary steelmaking technologies // Journal of cleaner production. 2016. Vol. 112. №1. P. 1064-1076].

Известны способы внедоменного получения железа c использованием углеводородов: природного газа [A.c. СССР №1677065, 15.09.1991], смеси пиролизного газа и ацетилена [А.с. СССР №539945, 25.12.1976], каменноугольной смолы [Патент США Д 3844765, 06.03.1973]. К их недостаткам можно отнести науглероживание восстановленного металла, многостадийность процесса, образование вредных отходов (СО₂).

Известен также способ прямого восстановления окислов металлов, где газ-восстановитель нагревают восстановленным материалом [А.с. СССР №855000, 15.08.1981]. Реализация способа требует гранулирование шихты из предварительно металлизированного рудного сырья. В способе [Патент СССР №1780520 A3, 07.12.1992] подогрев газа-восстановителя осуществляется теплом нагревателей электропечи, причем температура составляет 600-650°C. В то же время, при режиме процесса восстановления с периодическим напуском воздуха в реактор при загрузке восстанавливаемого материала нагрев водорода выше 300°C нежелателен, так как может привести к взрыву образующейся воздушно-водородной смеси.

Эти известные способы получения металлов восстановлением их оксидов выбраны в качестве прототипа изобретения как наиболее близкие к нему по технической сущности и достигаемому результату.

При реализации способа использовались образцы железных руд из проявления в верховьях реки Мундуруччу (левый приток р. Амга) Ленского рудного поля Республики Саха (Якутия). Руды относятся к бурожелезняковым типам, текстура массивная и кавернозная, реже колломорфная и оолитовая, сложены окислами железа - гетитом, гидрогетитом и окислами марганца - пиролюзитом, псиломеланом и манганином.

Способ прямого восстановления металлов водородом заключается в нагреве подготовленной, то есть измельченной до определенного класса крупности руды в среде газа-восстановителя, в данном случае водорода.

Установка для восстановления в среде водорода (рис. 1) состоит из реактора в виде кварцевой трубки 1, нагревателя 2 в виде нихромовой спирали, намотанной на трубку и закрытой защитным теплоизоляционным кожухом 3, кюветы с восстанавливаемой рудой 4, тепловых экранов 5. Загрузка руды в реактор производится периодически по мере восстановления предыдущей партии. Газ-восстановитель (водород) подается через трубку 6, проходящую через верхнюю часть теплоизоляционного кожуха, в результате теплообмена газ-восстановитель нагревается и его температура на входе в реактор составляет 80-110°C. Температура газа ниже 300°C позволяет избежать взрыва образующейся воздушно-водородной смеси вначале продувки реактора водородом после загрузки новой партии руды. После продувки реактора водородом и удаления кислорода воздуха производится нагрев реактора до 900-1000°C, время выдержки в режиме восстановления окислов составляет около 1 часа, в зависимости от количества руды и температуры реактора.

Внутри реактора в начале зоны восстановления установлена система тепловых экранов из титановой фольги 5, позволяющая производить в результате теплообмена подогрев водорода до температур, близких к температуре реактора. Экраны имеют отверстия для прохождения газа-восстановителя, при этом отверстия соседних экранов выполнены несоосными для увеличения пути прохождения газа по системе тепловых экранов с целью улучшения теплообмена (рис. 1, вид А). Материал экранов (титан) при температурах выше 900°C взаимодействует со следами паров воды и абсорбированных газов, производя дополнительную доочистку газа-восстановителя. Подогрев газа-восстановителя позволяет интенсифицировать процесс восстановления окислов, получить равномерное восстановление рудного материала по всей длине кюветы. Восстановление руды происходит в проточном режиме, образующиеся в процессе восстановления газы выносятся через трубку 7 непрерывным потоком водорода. После окончания выдержки нагрев реактора прекращается, производится охлаждение реактора и восстановленного материала до 150-200°C с последующей выгрузкой материала.

Морфологические исследования частиц рудного материала проведены на образцах восстановленного материала класса крупности - 0,063 мм с помощью растрового электронного микроскопа JEOL JSM - 7800F.

Как видно из рис. 2, а, частицы имеют оскольчатую форму, обусловленную методом получения - механическим измельчением в дисковой мельнице. При большем увеличении (рис. 2, б) наблюдается выраженный рельеф поверхности частиц, образование губчатой поверхности в процессе восстановления в водороде. Частицы имеют высокую пористость вследствие испарения паров воды из их объема при восстановлении окислов железа.

При увеличении в 10000 раз видно (рис. 2, в), что частицы состоят из сросшихся агломерированных более мелких составных частей, поверхность агломерированных субчастиц имеет пластинчатое строение различной степени развитости, толщина пластинок варьируется от десятков до 100 нанометров.

Рентгеноспектральный микроанализ частиц рудного материала класса крупности 0,125-0,063 мм и 1-0,5 мм проведен с помощью энергодисперсионного спектрометра Swift ED 3000 OxfordInstruments, сканирующего электронного микроскопа Hitachi ТМ3030.

Общий вид рудного материала класса крупности 0,125-0,063 мм с участками сканирования микрозондом до и после восстановления показан на рис. 3. Установлено, что до восстановления рудного материала содержание железа составляет 35,05 вес. %, содержание кислорода 39,94 вес. %. После восстановления содержание элементов составило: железа 53,01 вес. %; кислорода 25,50 вес. % (рис. 4), (табл. 1).

Общий вид рудного материала класса крупности 1-0,5 мм с участками сканирования микрозондом до и после восстановления показан на рис. 5. Установлено, что до восстановления рудного материала содержание железа составляет 31,68 вес. %, содержание кислорода 44,33 вес. %. После восстановления содержание элементов составило: железа 51,34 вес. %; кислорода 24,10 вес. % (рис. 6), (табл. 2).

Относительно высокое содержание кислорода можно объяснить повышенным содержанием в руде трудновосстанавливаемых оксидов алюминия и кремния, очистка от которых в последующем осуществляется гравитационными и магнитными методами обогащения.

Способ прямого восстановления окислов железа, включающий восстановление измельченной железной руды в среде водорода в проточном режиме с обеспечением выноса образующихся газов непрерывным потоком водорода, отличающийся тем, что осуществляют загрузку руды в реактор в виде кварцевой трубки, закрытой защитным теплоизоляционным кожухом, подачу водорода в качестве газа-восстановителя через трубку, проходящую через верхнюю часть теплоизоляционного кожуха с обеспечением нагрева водорода до температуры на входе в реактор, составляющей 80-110°С, продувку реактора водородом и удаление кислорода воздуха, нагрев реактора до 900-1000°С, выдержку в режиме восстановления окислов железа, охлаждение реактора и восстановленной железной руды с последующей выгрузкой.

Изобретение относится к области черной металлургии. Способ включает подачу шихты, состоящей из перерабатываемого сырья, флюсов и углеродсодержащего материала, в плавильную зону двухзонной барботажной печи в предварительно расплавленные материал и флюс.

Изобретение относится к способу изготовления агломератов для применения в качестве исходного материала для производства железа. Способ изготовления агломератов включает этап термообработки порошка, содержащего оксид железа, имеющий 50% частиц с диаметром 2 мкм или менее, при температуре нагрева 900-1200°C с получением термообработанного порошка, 50% частиц которого имеют диаметр 4 мкм или более, и этап гранулирования полученного термообработанного порошка с получением агломератов.

Изобретение относится к способу запуска или перезапуска плавильного процесса в плавильном сосуде. Плавильный сосуд содержит основную камеру для плавления металлосодержащего материала и производства расплавленного металла и копильник, соединенный с основной плавильной камерой через соединительный элемент копильника.

Изобретение относится к способу для ввода тонкодисперсного материала (4), включающего частицы, содержащие оксид железа, в восстановительный агрегат (1) с псевдоожиженным слоем (24), а также к способу производства жидкого чугуна или жидких стальных полуфабрикатов.

Изобретение относится к способу запуска или перезапуска процесса плавки металлосодержащего материала для образования расплавленного металла в плавильном устройстве.

Изобретение относится к металлургии и другим областям промышленности, в которых используются печи с жидкой шлаковой ванной. В частности, изобретение относится к способу наплавления шлаковой ванны в печах для плавки Ванюкова, процесса Ромелт, процесса переработки отходов в шлаковом расплаве, газификации угля в барботируемом шлаковом расплаве.

Изобретение относится к способу запуска плавления металлосодержащего загрузочного материала в плавильном устройстве для производства металла, содержащем плавильный сосуд, содержащий основную камеру для вмещения плавильной ванны, копильник для выгрузки расплавленного металла из основной камеры во время плавильного процесса, и соединительный элемент, соединяющий основную камеру и копильник.

Изобретение относится к печи для непрерывной переработки отходов в расплаве, в том числе бытового мусора различного состава с высокой влажностью. Печь содержит шахту печи, кессонированный пояс с фурмами, свод и под печи, зону разделения жидких фаз, зону газификации и сжигания отходов, сифон для выпуска расплавов, загрузочное устройство и газоотводящий тракт, перегородку, разделяющую шахту печи на загрузочную и плавильную зоны, при этом зона разделения жидких фаз расположена в сифоне, соединенном с шахтой печи через окно, нижний край которого расположен на уровне пода печи, уровень пода сифона расположен ниже уровня пода печи, а фурмы расположены на уровне 300-400 мм от пода печи.

Изобретение относится к способу, а также к установке для обработки отходящих газов (4) из установок (32, 33) для производства чугуна и/или синтез-газа. Причем первый частичный поток (51) отходящего газа или синтез-газа после добавления воды и/или водяного пара (10) подвергают по меньшей мере частичному преобразованию СО в СО2 и отходящий газ (4) или синтез-газ затем подвергают обработке для отделения СО2.

Изобретение относится к областям химической инженерии и металлургии, в частности способу восстановления порошкообразной железной руды в кипящем слое и системе для его осуществления. Изобретение предусматривает высокоскоростную газовую обработку, что позволяет увеличить скорость восстановления железной руды и значительно повысить эффективность газовой обработки единичного эффективного поперечного сечения кипящего слоя. За счет окислительных процессов повышается коэффициент восстановления железной руды. Благодаря параллельным трубопроводам, через который проходит восстановительный коксовый газ, снижается объем газа, проходящего через каждый отдельный кипящий слой. Изобретение позволяет осуществлять высокоэффективное восстановление порошкообразной железной руды в кипящем слое при давлении, близком к атмосферному. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к способу изготовления брикета, содержащего углеродные носители. Углеродные носители со связующим подвергают смешиванию при добавке водяного пара, и прессуют в брикеты. При этом выполняют по меньшей мере один из этапов из группы, состоящей из сушки углеродных носителей перед смешиванием, установки температуры углеродных носителей, подлежащих смешиванию со связующим, перед смешиванием, термообработки брикетов после прессования. Причем сушку углеродных носителей перед смешиванием и/или термообработку брикетов после прессования и/или установку температуры углеродных носителей, подлежащих смешиванию со связующим, перед смешиванием, осуществляют посредством прямого или косвенного взаимодействия с перегретым водяным паром, и выделяющийся при взаимодействии отработавший пар используют по меньшей мере как частичное количество водяного пара, подаваемого при смешивании. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к областям химической инженерии и металлургии, в частности к способу прямого восстановления порошкообразной железной руды в псевдоожиженном слое и системе для его осуществления. Изобретение предусматривает прямое восстановление железорудного концентрата посредством двух кипящих слоев. Каждый кипящий слой состоит из пенного слоя и циркулирующего слоя. Благодаря обработке с участием газа и высокоскоростной газовой обработке циркулирующего слоя, осуществляемым последовательно, увеличивается коэффициент использования газа и эффективность восстановления на каждом этапе восстановления. После того как восстановленные газы прошли процедуру предподогрева, их по отдельности направляют на ступень предварительного восстановления и ступень окончательного восстановления для осуществления восстановления руды. Благодаря обработке с участием газа, осуществляемой на разных этапах, соответственно снижается давление в процессе обработки. Горячие дымовые газы, образованные посредством сжигания в нагревателе газа, направляют в систему подогрева руды, используемую для подогрева железорудного концентрата. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

Процессы прямого восстановления железа

Читайте также: