Процессы жидкофазного восстановления

В течение последних 10 лет особое внимание уделяется поискам опти­мальных инженерных решений орга­низации процесса жидкофазного вос­становления (ПЖВ) железа из руд. В ряде промышленно развитых страндействуют государственные програм­мы исследовательских работ для реше­ния этой проблемы. Такие программы составлены Департаментом энергети­ки США (DOE) и Американским ин­ститутом чугуна и стали (AISI), в Япо­нии ведутся работы по программе «Прямой процесс плавления — восста­новления железной руды» (DIOS).

В России разработки ПЖВ ведутся в соответствии с государственной на­учно-технической программой «Ре­сурсосбережение и экологически чис­тые процессы в горнометаллургичес­ком производстве».

Одним из методов решения данной проблемы является двустадийный процесс. Например, процесс DIOS (Direct Iron Ore Smelting), схема кото­рого представлена на рис. 7.4.

В данном комплексе последова­тельно соединены агрегаты: жидко-фазного восстановления А, предвари­тельного восстановления в псевдо-ожиженном слое Б1 и подогрева в псевдоожиженном слое Б2.

Агрегат А спроектирован по типу агрегата с жидкой ванной на основе конвертера комбинированного дутья. Жидкофазное восстановление проте­кает в условиях продувки чистым кис­лородом через центрально располо­женную верхнюю фурму и азотом че­рез днище. Процесс реализован в газоплотном агрегате под повышен­ным давлением, которое может дости­гать 3 • 10⁵ Па. Каменный уголь и флюс загружаются гравитационным спосо­бом через горловину. Руда поступает подогретой и предварительно восста­новленной в агрегатах Б1, Б2 (первая стадия процесса). Пылевидная руда по­ступает в газовом потоке, а крупнозер­нистая загружается самотеком.

Жидкий чугун и шлак периодичес­ки выпускают через чугунную летку, выполненную в цилиндрической час­ти агрегата.

С целью повышения восстанови­тельной способности отходящего газа, который образуется в агрегатах подо­грева и предварительного восстанов­ления, в составе установки предусмот­рена система вдувания пылевидного угля для газового реформинга.

Отходящий газ из агрегата жидко-фазного восстановления, очищенный от пыли в циклоне, непосредственно подводится в агрегат предварительно­го восстановления и обеспечивает восстановление руды, подогретой в агрегате Б1.

После предварительного восста­новления в псевдоожиженном слое пылевидная фракция руды выносится с потоком газа и улавливается в цик­лоне на выходе из агрегата. Эта фрак­ция затем объединяется с пылью, уловленной в циклоне на участке меж­ду агрегатами А и Б1, и потоком газа транспортируется в агрегат жидкофаз­ного восстановления А (вторая, заклю­чительная стадия процесса). Крупно­зернистая руда из агрегата предвари тельного восстановления дозирован­ным расходом поступает в агрегат А.

Рис. 7.4. Технологическая схема полупро­мышленной установки с DIOS-процессом:

/—агрегат подогрева (Б2); //—циклон; III— скруббер с трубами Вентури; IV— регулятор давле­ния; V, VI— агрегаты предварительного (Б1) и жид­кофазного (А) восстановления соответственно; VII— машина для вскрытия и забивки летки; / — каменный уголь; 2— флюс; 3— железная руда; 4 — отходящий газ; 5— крупнозернистая руда; 6— уголь для газового реформинга

Агрегат подогрева спроектирован как агрегат с псевдоожиженным слоем барботажного типа. Сюда непосред­ственно поступает отходящий газ из агрегата предварительного восстанов­ления после очистки в циклоне и здесь осуществляется подогрев руды (типа агломерационной). Пылевидная руда, увлекаемая потоком газа, улав­ливается в циклоне на выходе из агре­гата подогрева и вместе с крупной фракцией загружается в агрегат пред­варительного восстановления.

Отходящий газ после циклона на выходе из агрегата Б2 подвергается окончательной мокрой очистке и вы­водится из системы.

Производительность комплекса (введен в 1993 г.) 500 т/сут при расходе угля около 1000 кг/т.

Использование предварительно восстановленной руды предусмотрено в процессе HISMELT (High Intensity Smelting), разработанном в Австралии (рис. 7.5). На рис. 7.6 представлены схемы процессов, разрабатываемые за рубежом. Во всех случаях предусмот­рено использование отходящих газов для подогрева и восстановления руды.

Этот же принцип положен в основу разработанного институтами ЦНИИ-чермет и ВНИИметмаш процесса «РУДА-СТАЛЬ».

Его характерными особенностями являются: непрерывность, примене­ние рядовых некоксующихся углей взамен кокса или природного газа, минимальная материале- и энергоем­кость производства. Последнее обес­печивается сочетанием противотока и конвертерного режима обработки жидкого металла.

Технологическая линия агрегата «РУДА—СТАЛЬ» представлена на рис. 7.7. Схема включает шахтную печь, плавильно-восстановительный конвертер, рафинировочный

Рис. 7.5. Схема HISMELT-процесса:

/ — подогрев и восстановление руды (предварительное восстановление); 2--го-

рячее дутье (1200 °С); 3 — горячая, частично восстановленная руда; 4— вода для

охлаждения; 5— природный газ; 6— уголь и пыль; 7— жидкий чугун; 8— шлак;

9— выпуск чугуна и шлака

Рис. 7.6. Варианты процессов жидкофазного восстановления:

/ — железная руда (окатыши); 2—уголь (кокс); 3 — восстановительный газ; 4— отходящие газы; 5—частич­но восстановленная руда; 6— полупродукт; 7— горячее дутье

Рис. 7.7. Технологическая линия агрегата «РУДА—СТАЛЬ»:

1 — шахтная печь; 2 — плавильно-восстановительный конвертер; 3 — рафинировоч­ный реактор; 4— установки ввода реагентов; 5—копильник стали; 6— ковш для стали; 7—бункер для угля; S— бункер для извести; 9—охлаждение газов; 10— очистка газов; 11 — компрессор; 12 — газонагреватель; 13 — охлаждение газов; 14— отмывка колошниковых газов. Обозначения: ОО — окисленные окатыши; ВО — восстановленные окатыши; КГ— колошниковый газ; ВГ— восстановительный газ; У— уголь; Изв. — известь; Раскисл. — раскислители

реактор конвертерного типа и миксер-копиль-ник стали. В шахтной печи проводит­ся частичная (на 75—85 %) металлиза­ция железорудных окатышей или кус­ковой руды. Колошниковый газ шахтной печи подвергается отмывке от углекислоты и рециркуляции.

Горячая, частично металлизован-ная шихта непрерывно поступает в проточную ванну конвертера, посто­янно заполненную углеродистым ме­таллом — полупродуктом. В эту ванну вдуваются пылевидный уголь, кисло­род, а также известь для офлюсова-ния породы шихты и золы угля. Здесь происходит расплавление шихты, до-восстановление и науглероживание железа. Агентом-восстановителем слу­жит растворенный в металле углерод. Расход вдуваемого угля отвечает по­требности на довосстановление и на­углероживание железа, а также на по­крытие всех тепловых затрат процес­са, включая расплавление шихты и нагрев металла и шлака. Эта часть угля сжигается кислородом в ванне в режиме газификации с образованием восстановительного газа (сумма со­держания оксида углерода и водорода 85—90 %) для металлизации шихты. Степень металлизации регулируется по критерию минимального расхода энергоносителей в конвертере при замкнутой газовой схеме процесса.

Конструкция конвертера включает кроме продувочной также проточную отстойную ванну для разделения ме­талла и шлака. Вследствие непрерыв­ности процесса и интенсивности массообмена при продувке ванны ра­ботающего конвертера постоянно за­полнены металлом и шлаком конеч­ного состава и температуры (1500— 1550 °С). Содержание углерода в металле-полупродукте составляет 2— 3 %, а содержание закиси железа в шлаке не превышает 7—8 % при ос­новности 1,2—1,5, что предопределяет благоприятные условия службы футе­ровки конвертера.

Металл-полупродукт из конвертера непрерывно передается в проточный рафинировочный реактор. Последний конструктивно подобен конвертеру, но отличается меньшими размерами. Здесь осуществляется передел полупродукта в сталь с заданным содержа­нием углерода продувкой кислородом и известью. Газы из реактора, состоя­щие в основном из оксида углерода СО, смешиваются с конвертерными газами и также используются в шахтной печи. Шлаки конвертера и реактора подвер­гаются непрерывной мокрой грануля­ции.

В миксере с индукционным нагре­вом осуществляются накопление ста­ли перед сливом в ковш, коррекция ее температуры и предварительное раскисление. Использование миксе­ра позволяет переключать агрегат на выпуск стали другой марки без потерь металла промежуточного со­става. Окончательное раскисление стали проводят в ковше. В период сли­ва в ковш подача стали в миксер не прерывается.

Расчетные показатели промышлен­ного производства 1 т стали в этом аг­регате: расход угля около 0,38—0,40т (по углероду), кислорода 330—350 м³, извести 120—130кг.

В схеме процесса «РУДА-СТАЛЬ» и в конструкции оборудо­вания агрегата учтены требования экологии: используется закрытое проточное оборудование токсичных оксидов азота, отходами процесса являются помимо шлака лишь кон­денсат водяного пара и углекислота. Единичная производительность аг­регатов «РУДА—СТАЛЬ» оценива­ется величиной до 1 млн. т/год.

К настоящему времени наиболь­шее распространение получила схема, впервые реализованная на заводе фир­мы «Искор» в Претории (ЮАР) ком­панией «Фест-Альпине» (VOEST-ALPINE). Разработчики назвали про­цесс COREX (англ. Coal—Reduction-Experience). Сущность процесса COREX прослеживается по рис. 7.8. В восстановительную шахту 14 загружа­ют кусковую руду (или агломерат, или окатыши, или смесь этих компонен­тов). Проходя навстречу току восста­новительного газа, материал восста­навливается до губчатого железа (до 90 % Fe). Затем губчатое железо шне-ковым транспортером подается в пла­вильную газификационную камеру, где происходит окончательное восста­новление, плавление и нагрев расплава. Выпуск чугуна и шлака

Рис. 7.8. Схема процесса COREX:

1 — железная руда; 2—известь; 3 — доломит; 4— уголь; 5—кокс; 6— песок; 7—осуши­тельное устройство; 8— грохочение; 9— дробилка; 10— колошниковый газ; // —отходя­щие газы; 12— скруббер колошникового газа; 13 — система подачи угля; 14 — восстанови­тельная шахта; 15— восстановительный газ; 16— циклон горячей пыли; 17— скруббер охлаждающего газа; 18— охлаждающий газ; 19— продукты газификации; 20— плавильный агрегат-газификатор; 21 — кислород; 22 — выпуск металла и шлака

осуществ­ляется так же, как и в обычной домен­ной печи. Средний состав получаемо­го (в 1993г.) чугуна, %: 4,24 С, 0,6 Si, 0,33 S, 0,16 Р; температура 1493 °С; вы­ход шлака - 0,45 кг/т продукта; расход (на 1 т чугуна): железной руды 1497 кг, угля 1183 кг, флюсов 424 кг, кислорода 588м³.

Восстановительный газ образуется в плавильно-газификационной каме­ре, где газифицируется уголь (газифи­цирующий агент —кислород). Благо­даря высокой температуре под купо­лом плавильной камеры-газификатора (выше 1000 °С) высшие углеводороды, выделяющиеся из угля, моментально разлагаются на СО и Н_2. Таким обра­зом, в камере не образуются такие не­желательные побочные продукты, как смолы, фенолы и т. п.

Газ, образующийся в газификаци-онной камере, помимо СО и Н₂ содер­жит также угольную пыль и частицы железа. Мелкая пыль в основном улав­ливается в циклоне горячей пыли 16 (рис. 7.8) и возвращается в газифика­тор. Специальная кислородная горел­ка дожигает углерод в пыли до СО, а также расплавляет золу и другие элементы пыли. Газы, выходящие из цик­лона 16, подаются в восстановитель­ную камеру-шахту 14. Здесь происхо­дит восстановительный процесс одно­временно с десульфурацией газа. С учетом добавления охлаждающего газа 18 температура восстановительного газа 15 находится в оптимальном ин­тервале 800—850 ºС. Газ, выходящий из восстановительной шахты, очища­ется и охлаждается в скруббере 12 и затем его можно использовать или для производства электроэнергии, или на химических производствах, или на расположенных рядом агрегатах твер­дофазного восстановления железа; последний вариант предпочтительнее. Комбинирование процесса COREX с прямым восстановлением позволяет получить экономичный качественный продукт.

На рис. 7.9 представлена схема печи ПЖВ другого типа — конструк­ции МИСиС, установленной на НЛМК¹.

¹ По предложению авторов процесса «Российская плавка» для международного наименования в коммерческих целях про­цессу присвоен товарный знак ROMELT.

67

Рис. 7.9. Схема установки ROMELT, продольный (а) и поперечный (б) разрезы:

1 — барботируемый слой шлака; 2 — металлический сифон (отстойник); 3— шлаковый си­фон (отстойник); 4 — горн с подиной; 5— переток; 6—загрузочная воронка; 7—дымоотво-дящий патрубок; 8— фурмы нижнего ряда (барботажные); 9— фурмы верхнего ряда (для до­жигания); 10— слой спокойного шлака; 11 — жидкий металл; 12 — водоохлаждаемые

кессоны; 13— свод

Восстановительная плавка проис­ходит в жидкой шлаковой ванне, про­дуваемой кислородсодержащим дуть­ем. Источником тепла в процессе слу­жит энергетический уголь, он же является восстановителем. Главная особенность процесса — одностадий-ность получения чугуна. Она обеспе­чивается за счет использования прин­ципа дожигания выделяющихся из ванны восстановительных газов в од-ношлаковом пространстве агрегата че­рез ряд специальных фурм. При этом происходит возвращение большей ча­сти тепла от дожигания обратно в шлаковую ванну для обеспечения про­текания реакций восстановления. Фи­зическое тепло отходящих из агрегата газов используется в котле-утилизато­ре конвертерного типа и далее охлаж­денные газы направляются на газо­очистку.

В процессе обеспечиваются усло­вия десульфурации, так как до 90 % всей серы шихты уносится отходящи­ми газами в виде SO₂, SO₃, CS, CS₂, COS. Шлак в этих условиях, погло­щая не более 10 % S шихты, обеспе­чивает выплавку кондиционного по сере чугуна. При основности шлака CaO/SiO₂=l,0 в нем содержится ~ 2,2 % Fe. Наличие в шлаке заметно­го содержания оксидов железа обес­печивает удаление до 40 % Р ших­ты. Содержание кремния и марган­ца в получаемом чугуне до 0,10 %. Преимуществом процесса является возможность использования необога­щенных железных руд и дешевых энергетических углей (такие угли в 2—3 раза дешевле коксующихся). От­сутствие операций обогащения же­лезной руды, агломерации, производ­ства окатышей сокращает потери же­леза (по расчетам на 15—29 %).

Самостоятельным направлением процесса жидкофазного восстанов­ления является комплексная перера­ботка железосодержащих материалов с примесями ценных компонентов (цинка, свинца, ванадия, титана, благородных металлов). Например, успешно перерабатывались железосо­держащие шлаки цинкового произ­водства с получением чугуна и улавли­ванием цинка, шламы ванадиевого производства с получением чугуна и извлечением из него ванадия; боль­шой интерес представляет проблема переработки шламов глиноземного про­изводства с получением чугуна и алю­миниевого сырья и т. д.