Актуальность проблемы

Восстановление железных руд до ме­талла является основным звеном со­временной технологии металлургичес­кого производства. В подавляющем большинстве случаев восстановление ведется в доменных печах, которые при использовании весьма совершен­ного оборудования и с минимальными затратами по переделу обеспечивают получение до 10 тыс. т железа в сутки в форме жидкого чугуна.

Доменная печь может быть приспо­соблена к проплавке почти любой из встречающихся в природе железных руд, а выплавляемый продукт — жид­кий чугун — при господствующих со­временных способах производства ста­ли находит свое применение без какой-либо дополнительной подготовки.

В настоящее время доменная печь как весьма экономичный агрегат вы­сокой производительности не имеет конкурентов. Однако доменному про­изводству свойственны следующие су­щественные недостатки: необходи­мость применения каменноугольного кокса, использование железорудного сырья в виде достаточно прочного кускового материала (агломерата). Та­ким образом, необходимыми условия­ми для функционирования доменного производства являются: добыча коксу­ющихся углей, наличие коксохими­ческого производства, обогащение железных руд, агломерационное про­изводство и т. д. Все это помимо чисто производственных затрат связано с ре­шением серьезных экологических проблем.

В этих условиях возможность орга­низации рентабельного процесса пря­мого получения железа непосред­ственно из железной руды, минуя до­менную печь, представляет собой заманчивую инженерную задачу. При этом необходимо принять во внима­ние также следующее:

— развитие способов глубокого обогащения железных руд обеспечи­вает в настоящее время получение не только высокого содержания железа в концентратах, но и существенной сте­пени очистки их от серы и фосфора;

— материал, полученный непос­редственно из железных 'руд, практи­чески не содержит примесей цветных металлов. Так, например, из руд Лебе­динского месторождения (КМА) мож­но получить материал, содержащий <0,001 % Zn и <0,002 % РЬ..

Такие материалы незаменимы при производстве сталей ответственного назначения, требующих высокой чис­тоты по примесям цветных металлов.

Наряду с доменным процессом су­ществует ряд способов прямого вос­становления железных руд, примене­ние которых в последнее время дало успешные результаты. Под процесса­ми прямого получения железа (ППЖ) понимают такие химические, электро­химические или химико-термические процессы, которые дают возможность получать непосредственно из руд, ми­нуя доменную печь, металлическое железо в виде губки, крицы или жид­кого металла. Преимущества способов ППЖ по сравнению с традиционной технологией оправдывают их приме­нение и открывают большие возмож­ности для их дальнейшего совершен­ствования. К таким преимуществам способов ППЖ относятся:

— возможность использования энергетических углей или природного газа для замены кокса;

— отсутствие зависимости или лишь небольшая зависимость от ОЭС (Объединенной энергосистемы);

— отсутствие необходимости тща­тельной подготовки шихтовых мате­риалов в отличие от доменной плавки, по крайней мере для некоторых спо­собов прямого восстановления;

— наличие небольших производ­ственных агрегатов, обеспечивающих возможность гибкого изменения про­изводства с учетом конъюнктуры;

— возможность создания экологи­чески чистой технологии, так как пол­ный отказ или ограниченное произ­водство кокса дает огромное преиму­щество в области защиты окру­жающей среды, кроме того, процессы исключают необходимость агломера­ции руд.

Существует много патентов и пред­ложений, описывающих способы прямого восстановления железа из руд, однако лишь немногие из них прошли промышленную и опытно-промыш­ленную проверку. Достаточно полно различные способы можно предста­вить с помощью классификации, учи­тывающей физико-химические осно­вы технологических схем, применяе­мые агрегаты, вид используемой энергии, состояние получаемого про­дукта, назначение продукта, масшта­бы применения.

В настоящее время решение про­блемы получения железа, минуя до­менный процесс, в промышленных масштабах осуществляется в основном следующими способами:

1) восстановление Fe из твердых железорудных материалов взаимодей­ствием с твердыми или газообразными восстановителями (твердофазное вос­становление) по реакциям

Fe₂O₃+ {С; СО; Н₂; СН₄} → Fe + (СО; С0₂; Н₂0);

2) восстановление железа в кипя­щем железистом шлаке (жидкофазное восстановление) по реакциям

(FeO) + {С; СО} → Fe + СО₂;

3) получение из чистых железных руд карбида железа по реакции

3Fe₂O₃ + 5Н₂ + 2СН₄= 2Fe₃C + 9Н₂О.

Процесс протекает при температу­ре -600 ºС и давлении ~4атм (0,4 МПа). Получаемые зерна (0,1— 1,0 мм) содержат >90 % Fe₃C.

В связи с ужесточением экологи­ческого контроля за металлургичес­ким производством и как следствие в связи с необходимостью иметь шихто­вые материалы, чистые от примесей цветных металлов, масштабы внедоменного производства железа непре­рывно растут, одновременно расши­ряется и фронт исследовательских ра­бот в этом направлении.