Бескоксовая металлургия железа.

В.Ф.Князев, А.И.Гиммельфарб, А.М.Неменов.

Металлургия, 1972 г.

В черной металлургии для производства чугуна служит доменная печь, для выплавки стали — конвертеры, мартеновские и электросталеплавильные печи. В бескоксовой металлургии подобной унификации еще не достигнуто; на основе различных топливных и сырьевых ресурсов разрабатываются и развиваются разные способы прямого получения железа. Поэтому имеется большое количество разнообразных процессов, значительно отличающихся друг от друга. В основу их классификации можно положить разные признаки: тип агрегатов, восстановитель, назначение продукта, масштаб производства или испытаний, вид получаемого продукта и др. Наиболее обоснованным и определяющим признаком для классификации [51 является товарный вид продукта, кислородныхконвертеров — до 10 тыс. т стали. В результате многоступенчатости схемы на пути от рудного сырья до готового изделия имеют место значительные потериметалла (в основном не безвозвратные); особенно велики эти потери на стадии механической обработки заготовки в изделие.

2. По всем другим схемам еще не создано агрегатов большой единичной мощности, максимальная их производительность не превышает 500 т/сутки. В процессах бескоксовой металлургии могут быть применены различные виды топлива. Поскольку скрап не используется в схемах бескоксовой металлургии, металл можно получать более чистым по примесям, чем в случае двухступенчатого передела. Вследствие сокращения числа переделов уменьшаются потери металла; особенно это относится к производству порошка, а также получению проката и изделий из него.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОДУКЦИИ

Губчатым железом называют продукт, который получают в результате восстановления железорудного материала без его плавления при температуре менее 1000—1200° С. В зависимости от вида исходного сырья губчатое железо представляет собой пористые куски восстановленной руды (редко агломерата) или окатыши, а в некоторых случаях — металлический порошок. Поскольку при восстановленииобъемные изменения материала сравнительно невелики, плотность губчатого железа меньше плотности сырья, а пористость велика. Обычно кажущаяся плотность кускового губчатого железа 2—4 г/см3, а пористость 50—80%.

В некоторых процессахвосстановления мелкой руды, окалины или концентрата в неподвижном слое (например, в процессе Хоганес) происходит одновременное спекание исходного порошкового материала. плотность образующегося брикета до некоторой степени зависит от температуры восстановления. Вследствие малой плотности губчатого железа насыпная масса его получается меньшей по сравнению с ломом, что приводит иногда к необходимости брикетирования (прессования) перед плавкой. Брикетирование проводят на прессах различного типа при удельных давлениях 1—3 тс/см2; при этом получают плотность брикетов до 5 г/см3.

Сильно развитая поверхность и высокая сообщающаяся пористость губчатого железа вызывают его повышенную окисляемость при хранении и транспортировке в неблагоприятных атмосферных условиях, хотя имеющиеся по этому вопросу данные противоречивы. Брикетирование уменьшает окисляемость.

Химический состав губчатого железа определяется в основном составом сырья. По сравнению с ломом оно значительно чище по содержанию примесей цветных металлов. Содержание пустой породы в нем выше, чем в исходной руде, пропорционально степени восстановления. Обычно сырьем служат богатые руды или концентраты, поэтому губчатое железо не подвергают дополнительной очистке и оно содержит все примеси пустой породы сырья. При получении губчатого железа из бедного сырья его подвергают обогащению магнитной сепарацией.

Губчатое железо используют для плавкистали (главным образом в электропечах), цементации меди (осаждения ее из сернокислых растворов) и получения железного порошка.

Металлизованной шихтой называют частично восстановленное железорудное сырье, применяемое в доменной печи и в кислородныхконвертерах для охлажденияплавки (взамен руды и лома). Степеньвосстановления металлизованной шихты обычно не превышает 80%, в то время как для губчатого железа она чаще всего не бывает ниже 90%.

Кричное железо, производимое сейчас, отличается от той крицы, которую несколько веков назад получали в кричных горнах в виде больших кусков и проковывали непосредственно в изделия. Кричное железо в настоящее время производят в трубчатых вращающихся печах из бедных железных и железо-никелевых руд восстановлением их при 1100—1200° С. Оно представляет собой довольно мелкие (крупностью 1 —15 мм) металлические частицы с механическими примесями и включениями шлака. Количество шлаковых примесей в зависимости от схемыизмельчения и магнитнойсепарации промежуточного продукта составляет 10—25%. При переработке хромо-никелевых руд получаемая крица содержит никель. Обычно крица имеет также высокое содержание фосфора и серы (подробная характеристикакрицы дана в специальной главе книги). Как правило, крицу используют в доменных печах, а в некоторых странах — в электропечах для выплавки стали или ферроникеля.

Чугун или углеродистый полупродукт получают во вращающихся печах (процесс Бассэ) или в электропечах, прямо связанных с печью восстановления, где восстановителем является твердое топливо. Чугун, полученный внедоменными методами, не отличается от обычного доменного; в ряде случаев получают полупродукт с меньшим содержанием некоторых примесей, чем в чугуне. Переделчугуна и полупродукта на сталь производится в известных сталеплавильных агрегатах без затруднений, а в случае полупродукта — с несколько меньшими затратами, чем Передел доменного чугуна. Методами бескоксовой металлургии перерабатывается 1,5—2% всей добываемой руды. В 40—50 годах основную долю всей продукции бескоксовой металлургии составляло кричное железо. В последние годы объем производства крицы сократился более чем вдвое и ведущее место заняли губчатое железо и металлизо-ванное сырье. В настоящее время предложено большое количество способов прямого получения железа и некоторые из них доведены до промышленного внедрения. Различие этих процессов незначительно, а многообразие объясняется различными характеристиками перерабатываемых сырья и топлива, патентными интересами фирм, разрабатывающих процессы, а также стремлением использовать уже освоенные процессы и оборудование для переработки железных руд. Все процессы бескоксовой металлургии можно классифицировать по трем признакам: по виду получаемого продукта (губчатое железо и металлизованное сырье, крица, жидкий металл), по виду применяемого восстановителя (твердый и газообразный) и по виду восстановительного агрегата (шахтная печь, реторта, реактор кипящего слоя, вращающаяся печь, электропечь и др.) (см. рис. 2).

В настоящем разделе рассматривается современное состояниепроцессов бескоксовой металлургии, получивших наибольшее развитие. Большинство из них приняты промышленностью, другие отрабатываются в опытно-промышленных условиях.

ПРОИЗВОДСТВО ГУБЧАТОГО ЖЕЛЕЗА И МЕТАЛЛИЗОВАННОГО СЫРЬЯ

Из многочисленных процессов бескоксовой металлургиипроизводство губчатого железа достигло в настоящее время наибольшего промышленного развития. Причиной такого развития явилась возможность организации маломасштабного производства качественного металла по схеме губчатое железо — электросталь, способного успешно конкурировать с современным металлургическим производством. Этому способствовало также промышленное освоение в последнее время ряда эффективных технологических процессов получения губчатого железа. В табл. 9 показан рост объема производства губчатого железа. В 3970 г. мировое производство губчатого железа составило ориентировочно 1,1 млн. т, в том числе для порошковой металлургии 0,2 и для выплавки стали 0,9 млн. т. На основе губчатого железа в 1970 г. было выплавлено 1,2—1,5 млн. т стали.

1. ПРОИЗВОДСТВО ГУБЧАТОГО ЖЕЛЕЗА В ШАХТНЫХ ПЕЧАХ

Производство губчатого железа в ШАХТНЫХ печах получило наиболее широкое развитие в Швеции, где в 1932 г. была построена первая промышленная печь, работающая по способу Виберга, а в 50-х годах сооружено еще четыре печи. В последние годы в связи с быстрым развитием добычи природного газа ПРОИЗВОДСТВО губчатого железа в ШАХТНЫХ печах получило дальнейшее развитие.

Основы технологии

Процессы, происходящие при получении губчатого железа в шахтной печи, во многом совпадают с процессами, протекающими в шахтедоменной печи в области температур до 1000° С. В ШАХТНЫХ печах применяют кусковые железорудные материалы (окатыши, кусковая руда), однако в отличие от доменной печи шихташахтной печи не содержит кокса. Восстановление окислов железа осуществляется водородом и окисью углерода, вдуваемыми в печь нагретыми до 1000—1100° С, причем восстановительный газ одновременно является теплоносителем, обеспечивающим все тепловые затраты процесса.

В верхней зоне печи происходит нагрев шихты до 500—550° С. При нагреве выше 600—700° С получает заметное развитие восстановление окислов железа, которое наиболее интенсивно протекает в зоне восстановления, где температурашихты достигает максимума, определяемого свойствами восстанавливаемого материала. Превышение этого максимума (обычно около 1000° С) может привести к спеканию кусков шихты, ухудшению газопроницаемости слоя, нарушению схода шихты и нормального газораспределения, а в итоге к расстройству процесса в целом.