Процессы бездоменной металлургии чугуна

Процессы жидкофазного восстановления

Возобновление и рост интереса к этим процессам связан с прогнозируемым дефицитом кокса и возможностью использования неокускованных железорудных материалов, а также с экологическими преимуществами (по сравнению с доменным процессом) процессов жидкофазного восстановления, которые не требуют наиболее сильно загрязняющих окружающую среду производств кокса и окускованного железорудного сырья (агломерата и окатышей). Однако единственный, пока, промыщленный процесс жидкофазного восстановления (Согех), использует окускованные материалы, а в качестве топлива и востановителя, кроме угля частично в нем используется кокс.

В одностадийных процессах жидкофазного восстановления в рабочее пространство плавильно- восстановительного агрегата подаются уголь, руда, кислород или воздух, обогащенный кислородом. В рабочем пространстве агрегата существуют 4 зоны:

  • Зона 1 - нижняя часть плавильно-восстановительной печи, в которой накапливается жидкий металл. В этой, относительно спокойной зоне продолжается науглероживание металла, происходит ограниченное перемешивание металла со шлаком и массо- и теплообмен между ними, определяющий состав чугуна.
  • Зона 2 - слой барботируемого шлака, играющий важную роль в процессе жидкофазного восстановления. В этом слое происходит восстановление оксидов железа углеродом с образованием железа и СО и интенсивные теплообменные процессы. Здесь же происходит неполное горение углерода угля, выделение и декомпозиция летучих веществ угля. Выделяющиеся в реакциях СО и Н2 образуют газовые пузыри, которые барботируют шлаковый слой. Часть шлака образует гарниссаж на водоохлаждаемых стенках этой зоны плавильно- восстановительной печи. В этой же зоне происходит науглероживание железа и образование чугуна.
  • Зона 3 - зона дожигания выходящего из слоя шлака восстановительного газа вдуваемым сюда кислородом или обогащенным кислородом дутьем. Эта зона расположена непосредственно над слоем барботируемого шлака. В этой зоне выделяется максимальное количество тепла в результате сгорания газообразных продуктов реакций восстановления углеродом оксидов железа и процесса пиролиза угля. Здесь идет интенсивный радиационный (главным образом) и конвективный теплообмен между газом и шлаком. Температура газов в этой зоне может достигать 2000 °С и выше. В этой зоне продолжается нагрев железорудных материалов и угля, идет процесс пиролиза угля с выделением из него летучих веществ и происходит плавление мелких частиц руды.
  • Зона 4 - достаточно большое по объему свободное пространство в верхней части плавильно-восстановительной печи, необходимое для погашения энергии взлетающих капель шлака, снижения скорости выделяющегося дыма и уменьшения выноса мелочи загружаемых материалов с отходящим газом. В этой зоне поступающие в печь руда и уголь интенсивно нагреваются газом.

Эффективность процессов жидкофазного восстановления в значительной мере определяется степенью дожигания газа в зоне 3 и степенью передачи выделяющегося здесь тепла шлаку. В болышинстве пилотных испытаний жидкофазных процессов установлено, что высокая степень передачи тепла шлаку может достигаться только при низкой степени дожигания газа. В этом случае значительная часть химической энергии газа не используется в плавильной печи. Но и при максимальной степени дожигания и низкой степени передачи тепла шлаку из печи выходит большое количество тепла с высокотемпературным отходящим газом. В обоих случаях избыток энергии газа (химической или тепловой) теряется плавильно-восстановительным процессом, но он может быть использован в утилизационных процессах для производства пара и электроэнергии с неизбежными при этом потерями.

В высокотемпературных зонах плавильно-восстановительных агрегатов стены имеют интенсивное водяное охлаждение, что увеличивает потери тепла в этих процессах. При работе плавильно-восстановительных печей под давлением снижаются скорости газа и удельные потери тепла в процессе, но существенно возрастает сложность агрегата и капитальные затраты на его строительство.

Схема двухстадийных процессов жидкофазного восстановленияВ двухстадийных жидкофазных процессах подготовленные (процесс Согех) или неподготовленные железорудные материалы перед поступлением в плавильно-восстановительную печь нагреваются и частично восстанавливаются в шахтных реакторах, в реакторах со взвешенным слоем или циклонах, являющихся продолжением плавильно-восстановительной печи. Общая схема таких процессов представлена на рис. 1.

Рис.1. Схема двухстадийных процессов жидкофазного восстановления: 1 - жидкий металл; 2 - воздух/кислород; 3 - уголь: 4 - финальная стадия восстановления (жидкофазное восстановление); 5 - шпак; б - газ из плавильно- восстановительной печи; 7 - частично восстановленная руда; 8 - стадия предварительного восстановления; 9 - отходящий газ; 10 - руда и флюс

Основными процессами, происходящими в рабочем пространстве плавилыю-восстановительных печей жидкофазного восстановления являются:

  • Плавление железорудных материалов и растворение их оксидов в шлаке, что требует перемешивания шлака и высокой его температуры (не менее 1450 °С).
  • Декомпозиция угля с выделением летучих веществ и смол и образование полукокса. Угли с высоким содержанием летучих генерируют большое количество газов, что увеличивает скорость газов в 4-й зоне и увеличивает вынос пыли.
  • Восстановление с высокой скоростью оксидов железа из шлака углеродом частиц полукокса, замешанных в барботируемом шлаке. Для большинства процессов их стабильность обеспечивается при 20-30% избытка (по объему) частиц полукокса в шлаке, а производительность определяется содержанием РеО в шлаке.
  • Вспенивание и барботирование шлака. Барботирование и разбрызгивание шлака обеспечивает его перемешивание и высокую степень передачи тепла шлаку от газа. Вспенивание шлака замедляет процесс теплопередачи и скорость восстановления и поэтому является нежелательным в процессах жидкофазного восстановления.
  • Растворение углерода и перемешивание ванны металла. Этот важный процесс, обеспечивающий однородность состава и высокую температуру металла, достигается либо вдуванием угля и руды в металл (процесс Hismelt), либо вдуванием кислорода или обогащенного им воздуха в слой шлака через боковые фурмы (процесс РОМЕЛТ) или сверху через вертикальные фурмы, как в кислородном конвертере (процесс Ausmelt), либо путем вдувания азота через донные фурмы (процесс DIOS).
  • Выход газа и вынос пыли. По условиям отвода газа и утилизации его тепла температура отходящего газа не должна превышать 200-210 °С. Скорость отходящего газа и конструкция газоотвода определяют высоту цилиндрических плавильно-восстановительных печей.
  • Формирование состава чугуна. Содержание углерода в чугуне, а также содержание, кремния, серы и фосфора в значительной мере определяется содержанием FеО в конечном шлаке процесса и способом подачи угля в плавильную печь. В процессах с высоким содержанием FеО (Hismelt) достигается низкое содержание фосфора и повышенное - серы и наоборот.
  • Поведение цинка и свинца. Все процессы жидкофазного восстановления могут успешно использоваться на заводах интегрированного типа для переработки шламов и пылей. Содержащиеся в них цинк и свинец возгоняются, окисляются отходящими газами и в виде оксидов выносятся ими из плавильно-восстановительной печи, а затем улавливаются в системе газоочистки.

Состояние процессов жидкофазного восстановления отражено в таблице 1.

Таблица 1. Процессы жидкофазного восстановления

Процесс Топливо, шихта Комментарии
СОRЕХ

Уголь, кокс, окатыши, кусковая руда

Заводы в ЮАР, Индии, Корее. Мощность 3 млн. т. На заводе в Салданахе (ЮАР) комплекс СОRЕХ-МIDRЕХ (0,650 млн.т. чугуна и 0,8 млн.т. губчатого железа).

FINЕХ

Уголь, мелкая руда

Пилотная установка пущена в 1999 г фирмой Р0SС0. Производительность 150 т/сутки.

РОМЕЛТ

Уголь, руда, железосодержащие отходы

Полупромышленная установка, выплавлено более 40000 т. чугуна. Проектируется завод в Индии.

Hismelt

Уголь, мелкая руда

Пилотная установка, выплавлено более 22000 т. чугуна. Планируется строительство завода в Австралии.

DIOS

Уголь, мелкая руда

Пилотный завод ЛSF фирмы NКК. В настоящее время не работает.

AusIron

Уголь, руда, воздух, кислород

Пилотная установка (2 т/час) в Австралии.

АISI

Уголь, окатыши, металлические отходы

Плавильная печь полностью испытана (установка включает еще шахтную печь).

ССF

Уголь, мелкая руда

Циклонная печь испытана без связи с плавильной печью-газификатором. Печь - газификатор разработана и испытана в США (АISI). Фирма Ноogovens планировала построить завод на 800000 т/год. План заморожен.

TECHNO-RED

Уголь и кокс, мелкая руда воздух.

Полупромышленная установка в Бразилии (2000 > г/год). Шахтная печь. Планируется завод в США.

РЕКЛАМА НА САЙТЕ

КНИГИ ПО МЕТАЛЛУРГИИ