Файл: Сидоров, Н. Е. Технический прогресс и снижение энергоемкости продукции черной металлургии.pdf

Агломерат основностью 4 по сравнению с агломера­ том основностью 1,3—1,4 без ухудшения показателей ра­ боты агломерационной машины площадью спекания 200 м2 получен на аглофабрике Нижнетагильского ме­ таллургического комбината [189].

На одной из доменных печей Чусовского металлурги­ ческого завода проводились плавки чугуна из шихты, содержащей смесь неофлюсованного агломерата и агло­ мерата основностью 4,5—5. Средняя основность смеси агломератов составляла 1,39. По сравнению с работой на агломерате основностью 1,11 производительность этой печи при работе на указанной смеси агломератов возросла на 7,2%, а удельный расход кокса снизился на

1.5% [134].

Таким образом, очевидной становится целесообраз­ ность производства и применения железорудных неофлюсованных окатышей с подачей их в доменные печи в смеси с высокоосновным' агломератом.

Известно, что сырьем для .получения железорудных окатышей служат тонкоизмельченные концентраты с вы­ сокой степенью их обогащения. Содержание железа в та­ ких концентратах, как правило, превышает 65—66%, а кремнезема составляет менее 8—9%. Следовательно, по содержанию пустой породы применяемые для изготовле­ ния окатышей концентраты являются материалом, при­ годным для сталеплавильного производства. В недале­ кой перспективе это станет еще более очевидным в связи

снамечаемым выпуском в нашей стране и за рубе­ жом железорудных концентратов с содержанием железа

68—69% и кремнезема — 3—4%.

Однако концентраты — окисленный материал, т. е. материал, в котором железо находится в химическихсоединениях с кислородом. Значит, для получения сырья, пригодного в сталеплавильном производстве, необходи­ мо предварительное восстановление находящегося в кон­ центратах железа. При нынешней технологии произ­ водства металла этот процесс осуществляется в домен­ ных печах, при котором восстановление осуществляется

снеизбежным применением кокса, высокая стоимость и’ дефицит которого непрерывно направляют исследования на изыскание способов внедоменного восстановления руд. Ныне такие способы найдены, однако даже наиболее

экономичные из них требуют предварительного окуско-

105

вания концентратов, если в качестве сырья не служат очень богатые сырые железные руды. Наилучшим мате­ риалом здесь служат окатыши в связи с их относитель­ ной однородностью по ситовому составу.

Итак, развитие способов обогащения и окомкования железных руд создало условия для производства и при­ менения в черной металлургии нового вида металлур­

МЕТАЛЛИЗОВАННОГО ЖЕЛЕЗОРУДНОГО СЫРЬЯ И ИХ ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА

Суть процесса получения металлизованного железо­ рудного сырья заключается в том, что предназначенные для выплавки металла железосодержащие материалы (руда, агломерат, окатыши, брикеты) в специальных установках нагреваются и подвергаются обработке в восстановительной среде, благодаря чему происходит частичное или полное удаление кислорода, находящего­ ся в химическом соединении с железом.

В настоящее время известен ряд способов так назы­ ваемого прямого получения железа. Между собой они различаются по виду применяемого восстановителя (га­ зообразный, твердый), по типу установок, в которых про­ исходит процесс восстановления (шахтная печь, вращаю­ щийся барабан, колосниковая решетка и т. д.), а также по способу взаимодействия восстанавливаемых материа­ лов и восстановителей (установки с пересыпающимся слоем, со слоем во взвешенном состоянии, с кипящим слоем).

К наиболее известным способам, в которых приме­ няются газообразные восстановители, относятся: способ Виберга, Охалата и Ламина, Мидрекса, Шипли и др.

По способу Виберга богатую железную руду круп­ ностью 20—80 мм или обожженные окатыши диаметром 20—40 мм восстанавливают в шахтной печи при темпе­ ратуре 950° С [182]. В качестве восстановителя служит газ, состоящий в основном из окиси углерода (65%) и водорода (25%).

Этот способ нашел применение в Швеции, где имеют­ ся 5 таких установок общей мощностью 100 тыс. г желе­

106

за в год. В Японии по способу Виберга работает одна установка годовой мощностью 15 тыс. т, причем сырьем там служат окатыши диаметром 22 мм, полученные из богатых железорудных концентратов с содержанием 70% железа и 2% (от веса шихты) извести.

Степень восстановления полученного продукта превы­ шает 90%, а содержание металлического железа в нем равно 80%- Полученный продукт содержит около 1% углерода.

По способу Охалата и Л амина [180] действует уста­ новка мощностью 300 тыс. т руды в год в Монтеррее (Мексика). Суть данного способа заключается в том, что в установке, состоящей из четырех реторт, процесс вос­ становления ведется последовательно; при этом конвер­ тированный газ, выходящий из каждой реторты, охлаж­ дается, вырабатывая пар. Охлаждение восстановитель­ ных газов осуществляется во избежание возможного слипания частиц руды.

Из руды (крупность 6—12 мм), содержащей 69,2% железа, получают продукт, в составе которого 91% же­ леза, в том числе металлического — 85 %■

Установка указанной мощности имеет следующие по­

металлизации. Восстановителем является смесь окиси углерода и водорода — продуктов кислородной конвер­ сии природного газа. Действующая на металлургическом заводе Орегон Стил Милз фирмы Гилмор Стил в Порт­ ленде (США) установка производит 400 тыс. т окаты­ шей в год. Содержание металлического железа в них равно 95%, углерода — 0,7%. Продукты восстановления используются в электросталеплавильных печах. Сырьем для получения окатышей является концентрат, содержа­ щий 69% железа.

Общий расход тепла на металлизацию окатышей —

3,2 млн. ккал.

107

Способ Пурофен [10, 23, 25] предназначен для полу­ чения металлизованных окатышей диаметром до 30 мм в шахтной печи с использованием конвертированных при­ родного или коксового газа. Способ Пурофен разрабо­ тан в ФРГ и впервые осуществлен на опытной установке мощностью 500 т/сутки завода фирмы Хютенверк Оберхаузен в Оберхаузене.

Кислородная или паровая конверсия производится при температуре 1100—1200° С в двух попеременно ра­ ботающих аппаратах типа доменных воздухонагрева­ телей.

Конвертированный газ с температурой 1000° С, содер­ жащий около 65% водорода, 25% окиси углерода и 5% метана, вдувают в нижнюю часть шахты.

При использовании окисленных окатышей с 69% же­ леза в продуктах восстановления его содержание состав­ ляет 95%, в том числе металлического — 92,5%, расход тепла на металлизацию — 3,4 млн. ккал/т, проектный расход природного газа — 380 ж3/т губчатого железа.

Стоимость опытной установки в Оберхаузене (мощ­ ность 175 тыс. г) составила 2,5 млн. долларов, а в расче­ те на 1 тготового продукта — 14,2 доллара.

Способ Пурофер считается экономически выгодным для стран, располагающих большими запасами богатых руд и природного газа.

Процесс ИСЕМ [182], разработанный в НИИ метал­ лургии СРР (Бухарест), с получением восстановлен­ ного продукта в виде губки, осуществляется в шахтной печи. Восстановителем здесь является продукт конверсии метана углекислотой и водяными парами. Углекислоту для конверсии природного газа получают в результате рециркуляции колошникового газа. Состав конвертиро­ ванного газа следующий: 35—40% окиси углерода, 40— 50% водорода, 6,5% углекислоты, 2—10% азота. Сырьем для получения губки служит гематитовая руда круп­ ностью от 15 до 50 мм, содержащая 63—69% железа, 1—3% кремнезема.

В продуктах восстановления содержится 85—90% же­ леза (в том числе металлического — 72—85%), кремне­ зема— 2—4%.

На 1 т губки расходуется: 750 .ад3 метана (в том числе на нагрев шихты 400 ж3 и конверсию — 350 ж3), 340 ж3 колошникового газа, воды — 0,5 ж3.

108

Газообразный восстановитель применяется и в уста­ новках с кипящим слоем.

Действующая в Дортмауте (Канада) установка годо­ вой мощностью 100 тыс. т предназначена для восста­ новления мелкой руды с низким содержанием в ней пы­ ли. В качестве восстановителя здесь применяется при­ родный газ. Удельный расход тепла — 3,8 млн. кксл/т железа [204].

Большой мощности установка (1,6—1,8 млн. г в год) с кипящим слоем действует в' Венесуэле.

Широко известным является так называемый Н-айрон процесс [10, 219], заключающийся в восстановлении концентрата в кипящем слое водородом при температуре до 540° С и давлении более 14 атм. По этому способу в США работают две установки, общей мощностью 150 т в сутки. Процесс капиталоемкий. На производстве 18,5 тыс. т железного порошка в год требуемые капита­ ловложения оцениваются в 3,5 млн. долларов (190 долларов/г).

Своеобразный способ восстановления тонкоизмельченных концентратов во взвешенном состоянии предло­ жен в ФРГ [180]. Этот способ испытан на полупромыш­ ленной установке с объемом реактора 5,2 ж3. Его тех­ нология несложна: в верхнюю часть футерованной каме­ ры через систему вдувают природный газ и кислород вместе с концентратом. Продукты неполного сгорания метана (СО и Н2) служат газом-восстановителем. Тем­ пература в реакторе может регулироваться в пределах от 980 до 1920° С и задается в зависимости от вида полу­ чаемого продукта (губчатое железо или жидкий металл), удаляемого из нижней части реактора.

Отработанный газ с давлением 7 ати отводится через специальные отверстия. При подаче в реактор 680 ж3 ме­ тана и 510 ж3 кислорода при температуре 1260° С за 1 час перерабатывается 1,5 тгематитового концентрата, одно­ временно при этом получается 1140 ж3 высококалорийно­ го отходящего газа.

В 1967 г. на Белорецком металлургическом комбина­ те пущена шахтная печь конструкции ВНИИМГ для по­ лучения губчатого железа со степенью восстановления около 100% из сырой туканской руды и окатышей Со- коловско-Сарбайского горнообогатительного комбината [137]. Восстановителем здесь служит продукт паровой

109

конверсии природного газа, расход природного газа —

1265 ж3.

Полезный' объем шахтной печи — 16,1 ж3, суточная производительность — 60 т. Содержание железа в гото­ вом продукте— 95%.

С применением-твердого восстановителя наибольшее признание получил способ R—N, разработанный и реа­ лизованный в США фирмами Рипаблик стил и Нейшнл лед [55, 76, 183].

На полупромышленной установке в Бирмингеме (США) работает одна вращающаяся печь диаметром 2,7 и длиной 45,72 ж. Ее суточная производительность по руде 175—200 т [181].

Сырьем здесь служат бедные гематитовые руды мес­ торождения Ред Маунтин. В печь загружается шихта, состоящая из смеси руды крупностью 12—25 мм, содер­ жащей 40—60% железа, и углеродистого восстановителя (любые виды твердого топлива) с добавкой известняка или доломита. Восстановитель принят крупностью до

3 мм.

Печь отапливается газом. Температура восстановле­ ния — 1000—1100° С, т. е. ниже температуры образования жидких фаз.

Средняя продолжительность пребывания руды в печи 3—5 часов. После выгрузки из печи материалы подвер­ гаются магнитной сепарации.

На получение 1 тгубчатого железа расходуется око­ ло 370 кг коксовой мелочи или 450 кг дешевого камен­

Полученный после магнитной сепарации концентрат брикетируется и направляется в сталеплавильные печи (электрические или мартеновские).

На одной из вращающихся печей в Канаде в резуль­ тате обжига окатышей диаметром 6,4—16 мм с содержа­ нием железа 66,7% было получено 0,67 г/сутки губчато­ го железа с 1 ж3 объема вращающейся печи [211]. В полученном продукте содержалось 93,35% железа, в том числе металлического 89,85%. При этом на 1 тгуб­ чатого железа расходовалось 625 кг антрацита и ПО ж3 природного газа.

ПО

Перечисленные способы получения губчатого железа имеют существенные недостатки. Так, способы с приме­ нением шахтных печей малопроизводительны, с низким использованием тепла. Применение кипящего слоя сопря­ жено с неизбежным слипанием частиц восстановленного железа, а процессы (такие как Н-айрон), где применяет­ ся высокое давление газов, весьма капиталоемки.

В 1969 г. мировое производство металлизованного сырья составило приблизительно 2,5 млн. г, причем 1,5 млн. т получено во вращающихся печах с использо­ ванием твердого топлива, остальное — на конвейерных машинах, во вращающихся, кольцевых и шахтных печах,

135]), показали, что наилучшим процессом является про­ цесс получения металлизованных окатышей с примене­ нием твердого топлива на комбинированной установке «решетка — трубчатая печь».

Данная установка явилась результатом развития спо­ соба Дуайт-Лойд Мак Уан, но, в отличие от него, здесь на колосниковой решетке производится лишь сушка и подогрев загруженных окатышей, а процесс восстановле­ ния перенесен в трубчатую печь. Это дает возможность, с одной стороны, использовать тепло отходящих из вра­ щающихся печей газов для сушки и нагрева шихты и, следовательно, уменьшить расход топлива на этой опе­ рации, а с другой — вести процесс восстановления твер­ дым углеродом при более высокой температуре (выше 1000° С), благодаря чему получать продукт с высокой степенью металлизации. В способе Дуайт-Лойд Мак Уан последнее исключено, поскольку температура на колос­ никовой решетке (из-за низкой стойкости палет) не мо­ жет быть выше 1000° С, в связи с чем степень металлиза­ ции окатышей составляет всего 40—50%.

Важным преимуществом избранного способа получе­ ния металлизованного сырья является и то, что здесь используется хорошо освоенное оборудование, а обраба­ тываемые на колосниковой решетке железородные мате­ риалы движутся на ней в горизонтальной плоскости и, таким образом, исключается кострение и подвисание ма­ териалов. Все это создает предпосылки для относительно

ш

высокой производительности избранного способа про­ изводства металлизованного сырья.

Применение этого способа намечается в проектируе­ мой ныне установке годовой мощностью 600 тыс. т металлизованных окатышей на Северном горнообогати­ тельном комбинате. Основными агрегатами проектируе­ мой установки являются конвейерная машина площадью

Т а б л и ц а 49

СОПОСТАВЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ РАБОТЫ УСТАНОВКИ ПРИ ВЫПУСКЕ МЕТАЛЛИЗОВАННЫХ И ОКИСЛЕННЫХ ОКАТЫШЕЙ

спекания 108 ж2 и вращающаяся печь длиной 92 м и диа­ метром 7 м. Основные показатели работы этой установ­ ки при выпуске металлизованного сырья, полученные расчетным путем, в сравнении с достигнутыми показате­ лями при производстве окисленных окатышей приведе­ ны в табл. 49.

3. ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ МЕТАЛЛИЗОВАННОГО ЖЕЛЕЗОРУДНОГО СЫРЬЯ ПРИ РАЗНЫХ СПОСОБАХ ВЫПЛАВКИ ЧУГУНА

Выплавка чугуна в доменных печах. Теоретические предпосылки возможности значительного снижения рас­ хода кокса путем применения в доменном производстве

112