Доменная печь: что такое, как появилась, как работает

Доменная печь: что такое, как появилась, как работает

Принцип работы доменной печи состоит в следующем: в приемную камеру загружается рудная шихта с коксом, известняковым флюсом. В нижней части осуществляется периодический выпуск чугуна/ферросплавов и отдельно расплава шлака. Так как при выпуске уровень материала в домне понижается, требуется одновременная загрузка новых партий шихты.

Процесс работы постоянный, горение поддерживается при контролируемой подаче кислорода, что обеспечивает большую эффективность.

Конструкция доменной печи обеспечивает непрерывный процесс переработки руды, срок эксплуатации домны составляет 100 лет, капитальный ремонт проводится каждый 3-12 лет.

Горн

Это нижняя цилиндрическая часть печи, где осуществляются высокотемпературные процессы доменной плавки. В горне происходит горение кокса и образование доменного газа, взаимодействие между жидкими фазами, накопление жидких продуктов плавки (чугуна и шлака) и периодический их выпуск из печи. Горн состоит из верхней или фурменной части и нижней или металлоприемника. Подину металлоприемника называют лещадью.

Читайте также: Калитка с элементами ковки своими руками: фото кованых ворот из профлиста

В нижней части горна расположены чугунные и шлаковые летки, представляющие собой отверстия для выпуска чугуна и шлака. После выпуска чугуна летку закрывают специальной огнеупорной массой при помощи так называемой пушки, которая представляет собой цилиндр с поршнем. Перед открытием чугунной летки пушку заполняют леточной огнеупорной массой. После окончания выпуска чугуна пушку подводят к летке, и с помощью поршневого механизма леточная масса выдавливается из пушки и заполняет леточный канал. Для вскрытия чугунной летки служит специальная бурильная машина, которая рассверливает в леточной массе отверстие, по которому выпускают чугун.

Шлаковые летки располагаются на высоте 1500 – 2000 мм от уровня чугунной летки и закрываются с помощью шлакового стопора, представляющего собой стальной шток с наконечником. Выходящие из доменной печи чугун и шлак направляются по желобам в чугуновозные и шлаковозные ковши. В настоящее время шлак в основном выпускается вместе с чугуном и отделяется от чугуна специальным устройством на желобе печи.

Шлак, вытекающий из доменной печи через чугунную летку, отделяется от чугуна на желобе печи с помощью разделительной плиты и перевала, выпол-няющих роль гидравлического затвора. Чугун, имеющий высокую плотность, проходит в зазор под разделительной плитой, а более легкий шлак отводится в боковой желоб.

При необходимости поставки чугуна другим предприятиям его разливают в слитки (чушки) массой 30 – 40 кг на специальной разливочной машине.

В верхней части горна на расстоянии 2700 – 3500 мм от оси чугунной летки по окружности горна с равными промежутками устанавливаются воздушные фурмы, через которые подают в печь нагретое до 1100 – 1300 °С дутье, а также природный газ и другие топливные добавки (мазут, пылеугольное топливо). Каждая доменная печь обеспечивается дутьем от своей воздуходувки. Нагрев дутья осуществляется в воздухонагревателях регенеративного типа, когда под действием тепла сжигаемого газа вначале нагревается насадка воздухонагревателя из огнеупорного кирпича, а затем через нее пропускается воздух, забирающий тепло от насадки. В период нагрева насадки в камеру горения подается газ и воздух для его горения. Продукты сгорания, проходя через насадку, нагревают ее и уходят в дымоход. В период нагрева дутья холодный воздух поступает в нагретую насадку, нагревается, а затем подается в доменную печь. Как только насадка остыла настолько, что воздух не может быть нагрет до заданной температуры, его переводят на следующий воздухонагреватель, а остывший ставят на нагрев. Насадка воздухонагревателя охлаждается быстрее, чем нагревается. Поэтому блок воздухонагревателей доменной печи состоит из 3 – 4 аппаратов, из которых один нагревает воздух, а остальные разогреваются. Профиль доменной печи характеризуется диаметрами, высотами и углами наклона отдельных элементов. Размеры некоторых печей приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Размеры печей

Размеры, мм	Полезный объем печи, м3
	2000	3000	5000
Диаметр:
горна	9750	11700	14900
распара	10900	12900	16300
колошника	7300	8200	11200
Высота:
полная	32350	34650	36900
полезная	29200	32200	32200
горна	3600	3900	4500
шахты	18200	20100	19500

Размеры каждой части печи должны быть увязаны между собой и находиться в определенных соотношениях с размерами других частей печи. Профиль печи должен быть рациональным, при котором обеспечиваются важнейшие условия доменного процесса:

• плавное и устойчивое опускание шихтовых материалов;
• выгодное распределение встречного газового потока;
• благоприятное развитие процессов восстановления и образование чугуна и шлака.

Основными величинами, характеризующими размеры рабочего пространства, являются полезный объем печи и полезная высота. Они включают высоту и объем, заполненные материалами и продуктами плавки. При определении этих параметров за верхний уровень берется отметка нижней кромки большого конуса засыпного устройства в опущенном положении, а нижнем уровнем является уровень оси чугунной летки.

Фото доменной печи

Фото 2

Фото 3

Фото4

Фото 5

Кто изобрел?

Современную доменную печь изобрел Дж. Б. Нилсон, который первым начала подогревать воздух, подаваемый в домну, произошло то в 1829 г., а в 1857 г. Э. А. Каупер ввел в использование специальные регенеративные воздухонагреватели.

Читайте также: Самодельный флюс для пайки bga. BGA-пайка корпусов в домашних условиях

Это позволило сильно снизить расход кокса более, чем на треть и повысить эффективность работы печи. До этого первые доменные печи фактически были сыродутными, то есть в них вдувался не обогащенный и не подогретый воздух.

Использование кауперов, то есть регенеративных воздухонагревателей, позволило не только повысить эффективность домны, но и снизить или вовсе исключить закозление, что наблюдалось при нарушениях технологии. Можно смело утверждать, что это изобретение позволило довести процесс до совершенства. Современные домны работают именно по этому принципу, хотя их управление сегодня автоматизировано и обеспечивает большую безопасность.

Доменный процесс

Современные печи для плавки чугуна обеспечивают примерно 80 % от общего количества чугуна, с разливочных площадок он сразу подается в электроплавильные либо мартеновские цеха, где и происходит переделка черного металла в сталь с требуемыми качествами.

Из чугуна получают чушки, отправляемые затем производителям для отливки их в вагранках. Для слива шлака и чугуна используются специальные отверстия, называемые летки. Однако в современных печах применяются не отдельные, а один общий леток, разделяемый специальной жароупорной плитой на каналы для подачи чугуна и шлака.

Как работает домна?

Доменный процесс полностью зависит от избытка углерода в полости печи, он заключается в термохимических реакциях, протекающих внутри при загрузке всех компонентов и их нагреве.

Температура в доменной печи может составлять 200-250°С непосредственно под колошником и до 1850-2000°С в активной зоне – распаре.

При подаче в печь горячего воздуха и розжиге кокса в домне повышается температура, начинается процесс разложения флюса, в результате чего повышается содержание углекислого газа.

При понижении столба материала в шихте происходит восстановление монокисла железа, в нижней части столба из FeO восстанавливается чистое железо, стекающее в горн.

По мере стекания железо активно контактирует с углекислым газом, происходит насыщение металла и придание ему требуемых свойств. Общее содержание углерода в железе может составлять от 1,7%.

Понятие доменной печи и плавки

Современная цивилизация неразрывно связана с развитием техники производства, невозможной без совершенствования орудий труда и материалов, используемых для их изготовления.

Среди всех материалов природного происхождения или созданных человеком, самое значимое место занимают черные металлы – сплав железа и углерода с присутствием других элементов.

Сплавы, в составе которых часть углерода составляет 2 – 5%, относятся к чугунам, при наличии углерода менее 2% сплав относится к сталям. Для плавки металлов используется специальная технология доменного производства.

Доменная плавка – это процесс производства чугуна из железной руды, перерабатываемой в доменных печах или, как их еще называют, домнах.

Основными материалами, необходимыми в процессе такого производства, являются:

• топливо, в виде получаемого из каменного угля кокса;
• железная руда, являющаяся непосредственным сырьем для производства;
• флюс – специальные добавки из известняка, песка, а также других материалов.

Читайте также: Самодельная электропила из болгарки: два варианта

Доменная печь — устройство для производства чугуна восстановительной плавкой железных руд или концентратов.

Основное оборудование доменного цеха — доменная печь — это круглая шахтная печь, футерованная огнеупорной кладкой.

Для защиты кожуха печи от разгара используют холодильные устройства. Кожух печи и колошниковое устройство установлены на фундаменте и удерживаются колоннами.

Исходный материал для плавки называется шихтой и состоит из железной руды, марганцевой руды, агломерата, окатышей. Шихта на колошник печи подается скипами или ленточным конвейером. Через приемную воронку скипы разгружаются в печь. Воздух подается через воздухонагреватели, продукт плавки выходит через летки в ковши, находящиеся в нижней части.

Современные доменные печи оснащены системой централизованного управления и контроля, обеспечивающей регистрацию показателей приборов и комплексных показателей работы доменной печи — расхода кокса на 1 т чугуна и суточной производительности доменной печи в тоннах.

Применяется дополнительное топливо, что снижает расход кокса и себестоимость чугуна. Усовершенствование конструкции доменной печи направлено на увеличение ее мощности (объема), улучшение подготовки сырья, внедрение новых прогрессивных, высокопроизводительных технологий.

Чугун выплавляют в доменных печах, представляющих собой шахтную печь. Сущность процесса получения чугуна в доменных печах заключается в восстановлении оксидов железа, входящих в состав руды, газообразными (СO, Н2) и твердым (С) восстановителями, образующимися при сгорании топлива в печи.

Процесс доменной плавки является непрерывным. Сверху в печь загружают исходные материалы (агломерат, окатыши, кокс), а в нижнюю часть подают нагретый воздух и газообразное, жидкое или пылевидное топливо.

Газы, полученные от сжигания топлива, проходят через столб шихты и отдают ей свою тепловую энергию. Опускающаяся шихта нагревается, восстанавливается, а затем плавится.

Большая часть кокса сгорает в нижней половине печи, являясь источником тепла, а часть кокса расходуется на восстановление и науглероживание железа.

Доменная печь является мощным и высокопроизводительным агрегатом, в котором расходуется огромное количество материалов. Современная доменная печь расходует около 20000 тонн шихты в сутки и выдает ежесуточно около 12000 тонн чугуна.

Схемы доменной печи

Схемы доменной печи в разрезе (разные варианты):

Схема 1

Схема 2

Схема 4

Схема 5

Устройство домны

Конструкция домны очень сложная, это большой комплекс, который включает в себя следующие элементы:

• зона горячего дутья;
• зона плавления (сюда входят горн и заплечики);
• распар, то есть зона, где происходит восстановление FeO;
• шахта, где происходит восстановление Fe2O3;
• колошник с предварительным нагревом материала;
• загрузка шихты и кокса;
• доменный газ;
• зона, где находится столб материала;
• выпуски для шлака и жидкого чугуна;
• сбор для отходящих газов.

Высота доменной печи может достигать 40 м, вес – до 35 000 тон, вместимость рабочей зоны зависит от параметров комплекса.

Точные значения зависят от загрузки предприятия и его назначения, требований к объемам получаемого металла и прочих параметров.

Более подробный вариант устройства:

Читайте также: Как сделать стенд для инструмента своими руками

Разряды ремонта домны

Для поддержания рабочего состояния домны регулярно проводится капитальный ремонт (каждый 3-15 лет). Он разделяется на три вида:

1. Первый разряд включает в себя работы по выпуску продуктов плавления, осмотру оборудования, занятого в технологическом процессе.
2. Второй разряд – это полная замена элементов оборудования, подлежащего средним ремонтным работам.
3. Третий разряд требует полной замены устройства, после чего выполняется новая засыпка сырья с правкой колошников.

Системы и оборудование

Доменная печь – это не только установка для получения чугуна, но и многочисленные вспомогательные узлы. Это система подачи шихты и кокса, отвод шлака, расплавленного чугуна и газов, система автоматического управления, кауперы и многое другое.

Принципы работы печи остались такими же, как и столетия назад, но современные компьютерные системы и автоматизация производства сделали домну более эффективной и безопасной.

Кауперы

Современное устройство доменной печи предполагает использование каупера для нагрева подаваемого воздуха. Это установка циклического действия из жаростойкого материала, которое обеспечивает нагрев насадки до 1200°С.

Каупер включает при остывании насадки до 800-900°С, что позволяет обеспечить беспрерывность процесса, снизить расход кокса и повысить общую эффективность конструкции.

Ранее такое устройство не применялось, но начиная с 19 в. оно является обязательно частью домны.

Количество батарей кауперов зависит от размеров комплекса, но обычно их не менее трех, что делается с расчетом на возможную аварию и сохранение работоспособности.

Колошниковый аппарат

Колошниковый аппарат – эта часть является наиболее ответственной и важной, включающей в себя три газовых затвора, действующих по согласованной схеме.

Цикл работы этого узла выглядит следующим образом:

• в исходном положении конус поднят, он преграждает выход, нижний конус опущен;
• скип загружает в колошник шихту;
• вращающаяся воронка поворачивается и пропускает сырье через окна на малый конус;
• воронка возвращается в исходное положение, закрывая окна;
• малый конус опускается, загрузка проходит в межконусное пространство, после чего конус поднимается;
• большой конус принимает исходное положение, выпуская шихту в полость домны для переработки.

Скип

Скипы – это специальные подъемники шихты. При помощи таких подъемников калошей из скиповой ямы захватывается сырье, подаваемое наверх по наклонной эстакаде.

Затем калоши опрокидываются, подавая шихту в загрузочную область, и возвращаются вниз за новой порцией. Процесс этот сегодня осуществляется автоматически, для управления используются специальные компьютеризированные узлы.

Фурмы и летки

Сопло фурмы печи направлено в ее полость, через него можно наблюдать течение процесса плавки. Для этого через специальные воздуховоды монтируются гляделки с жаростойкими стеклами. На срезе давление может достигать значения в 2,1-2,625 МПа.

Летки используются для слива чугуна и шлака, сразу после выпуска они плотно запечатываются специальной глиной. Раньше использовались пушки, которые выстраивали пластичным глиняным ядром, сегодня применяются дистанционно управляемые пушки, которые могут подходить к конструкции вплотную. Такое решение дало возможность снизить травматичность и аварийность процесса, сделать его более надежным.

Системы и оборудование

Устройство доменной печи современного образца включает в себя десятки вспомогательных систем, управляемых мощными компьютерами. Металлурги наших дней по-прежнему носят каски с темными очками, но сидят в кабинах с кондиционером за пультом с дисплеями. Тем не менее, принципы работы основных систем и устройств, обеспечивающих работу доменной печи, остались прежними.

Кауперы

Воздухонагреватель Каупера (см. рис.) – устройство циклического действия. Вначале насадка-регенератор из теплоемкого жароустойчивого материала нагревается догорающими доменными газами. Когда температура насадки достигнет ок. 1200 градусов, каупер переключается на дутье: наружный воздух через него прогоняется в домну противотоком. Насадка остыла до 800-900 градусов – каупер переключают снова но прогрев.

Внешний вид и устройство кауперов доменной печи

Поскольку дуть в домну нужно непрерывно, кауперов при ней должно быть не менее 2-х, но строят их не менее 3-х, с запасом на аварию и ремонт. Для больших, сверхбольших и гигантских доменных печей строят батареи кауперов из 4-6 секций.

Колошниковый аппарат

Устройство колошникового аппарата доменной печи

Это самая ответственная часть домны, особенно в свете теперешних требований экологии. Устройство колошникового аппарата домны показано на рис. справа; он представляет собой 3 согласованно действующих газовых затвора. Цикл его работы такой:

1. исходное состояние – верхний конус поднят, преграждает выход в атмосферу. Окна в днище вращающейся воронки приходятся на горизонтальную перегородку и перекрыты. Нижний конус опущен, дает выход доменным газам к дымососу и далее в циклон;
2. скип (см. далее) опрокидывается и вываливает колошник материалов в приемную воронку;
3. вращающаяся воронка с окнами в днище поворачивается и пропускает загрузку на малый конус;
4. вращающаяся воронка возвращается в исходное состояние (окна закрыты перегородкой);
5. большой конус поднимается, отсекая доменные газы;
6. малый конус опускается, пропуская загрузку в межконусное пространство;
7. малый конус поднимается, дополнительно перекрывая выход в атмосферу;
8. большой конус опускается в исходное состояние, выпуская загрузку в шахту домны.

Таким образом, материалы в шахте печи ложатся слоями, выпуклыми книзу и вогнутыми сверху. Это совершенно необходимо для нормальной работы домны, поэтому нижний (большой) затвор всегда обратно-конический. Верхние могут быть иной конструкции.

Скип

Скип, с англ. – ковш, черпак, разинутая пасть. Колоша (с фр.) – горсть, ковш, черпак. Кстати, отсюда же и калоши. Доменные печи снабжаются преимущественно скиповыми подъемниками материалов. Скип домны (справа на рис.) зачерпывает из скиповой ямы калошу материала, поднимается специальным механизмом по наклонной эстакаде (слева на рис.), опрокидывается в колошниковый аппарат и возвращается обратно.

Скиповый подъемник материалов и скип доменной печи

Фурмы и летки

Устройство фурмы доменной печи показано слева на рис., чугунной летки в центре, а шлаковой справа:

Устройство фурмы и леток доменной печи

Сопло фурмы направлено в самое сердце доменного процесса; через него удобно зрительно контролировать его ход, для чего на воздуховоде фурмы устраивается гляделка с жаростойким стеклом. Давление воздуха на срезе сопла фурмы – 2-2,5 ати (2,1-2,625 МПа сверх атмосферного).Летки после выпуска расплава запечатываются комом жароустойчивой глины. Раньше по ним для этого стреляли пластичным глиняным ядром из специальной пушки. Ныне летки запечатываются дистанционно управляемой электрической пушкой (название – дань традиции), приближающейся к летку вплотную. Это намного уменьшило аварийность, травмоопасность и экологичность доменного процесса.

Как сделать доменную печь своими руками?

Нюансы

Производство чугуна является высокорентабельным бизнесом, но наладить изготовление черного металла без серьезных финансовых инвестиций невозможно. Доменная печь своими руками в «кустарных условиях» – это просто нереализуемо, что связано со многими особенностями:

• крайне высокая стоимость домны (такие расходы могут себе позволить исключительно крупные комбинаты);
• сложность конструкции, несмотря на то, что чертеж доменной печи можно найти в свободном доступе (выше схемы), собрать полноценный агрегат для производства чугуна не получится;
• физлица и ИП не могут заниматься деятельностью по изготовлению чугуна, на это просто никто не выдаст лицензию;
• залежи сырья для черной металлургии практически исчерпаны, окатышей или агломерата в свободной продаже нет.

Но в домашних условиях можно собрать имитацию печи (мини-доменную печь), при помощи которой можно плавить металл.

Но работы эти требуют максимального внимания и крайне не рекомендуются при отсутствии опыта. Зачем может потребоваться изготовление подобной конструкции? Чаще всего – это обогрев для теплицы или дачи с максимально эффективно используемым топливом.

Инструменты и материалы

Для изготовления конструкции в домашних условиях, надо приготовить:

• металлическая бочка (можно заменить на трубу с большим диаметром);
• два отрезка трубы круглого сечения с меньшим диаметром;
• отрезок швеллера;
• листовая сталь;
• уровень, ножовка по металлу, рулетка, молоток;
• инвертор, набор электродов;
• кирпичи, глиняный раствор (необходимы для фундамента конструкции).

Все работы надо проводить только на улице, так как процесс достаточно грязный и требующий наличия свободного пространства.

Пошаговая инструкция

1. На приготовленной заготовке в виде бочки срезается верх (его следует оставить, так как он понадобиться дальше).
2. Из стали вырезается круг с диаметром, меньшим чем диаметр бочки, в нем делается отверстие для трубы.
3. Труба аккуратно приваривается к кругу, внизу сваркой крепятся отрезки швеллера, которые будут придавливать топливо во время работы печи.
4. Крышка печи изготавливается из отрезанного ранее дна бочки, в котором делается отверстие для закладного люка с дверкой. Также необходимо сделать дверку, через которую будут удаляться остатки золы.
5. Печь обязательно устанавливается на фундамент, так как в процессе работы она очень сильно нагревается. Для этого сначала устанавливается бетонная плита, затем выкладывается несколько рядов из кирпича, образующих углубление в центре.
6. Для отвода продуктов сгорания монтируется дымоходная труба, диаметр прямой части будет больше, чем диаметр корпуса печи (требуется для лучшего отвода газов).
7. Отражатель не является обязательным элементом конструкции, но его использование позволяет повысить КПД печи.

Особенности конструкции

Особенностями такой самостоятельно изготовленной печи являются:

• уровень КПД хороший;
• есть возможность работы в автономном режиме до 20 часов;
• в печи происходит не активное горение, а тление с постоянным выделением тепла.

Главным отличием «бытовой» доменной печи будет ограничение доступа воздуха к камере сгорания, то есть тление дров или угля будет происходит при низком уровне кислорода. По схожему принципу работает и промышленная домна, но бытовая применяется только для отопления, плавить металл в ней нельзя, хотя температура внутри камеры будет достаточной.

Назначение доменной печи и принцип работы

Производство чугуна в доменной печи является важной отраслью деятельности черной металлургии.

Эта работа требует не только необходимости использования спецоборудования, но и тщательного следования определенных технологиям.

Выплавка производится в доменной печи из пустых пород и рудного вещества.

В роли рудного вещества может выступать красный, бурый, шпатовый, магнитный железняк или марганцевые руды.

Восстановление железа — один из основных этапов производства чугуна.

В результате этого процесса железо обретает твердость. Далее его опускают в распар, который способствует растворению углерода в железе. Таким образом, происходит образование чугуна. Именно в горячей части печи начинает плавиться сам чугун, медленно стекая в нижнюю часть.

Читайте также: Баня с электрокаменкой: строительство, отзывы, особенности

Принцип работы доменной печи зависит от вида этого громоздкого приспособления.

Существуют печи коксовые и древесноугольные.

Первые работают на коксе, вторые, соответственно – на древесном угле.

Шахтная печь рассчитана на непрерывный принцип действия. Форма данного оборудования представляет собой два конуса, сложенных широкими сторонами основаниями. Между этими конусами расположена часть печи, обладающая цилиндрической формой – распар.

Принцип работы доменной печи выражается в несколько физико-химических операциях. Наличие этих операций определяется температурной областью самой печи и загруженностью материала.

В целом, можно выделить такие процессы:

• процесс разложения известняка, в результате которого образуется угольный ангидрид и окись кальция;
• восстановление железа и прочих элементов;
• науглероживание железа;
• металлоплавление;
• возникновение и плавление шлака;
• сгорание топлива и прочие.

Воздухонагреватель доменной печи — аппарат, в котором происходит предварительный нагрев воздуха. Затем этот воздух подается в печь.

Раннее оборудование для выплавки чугуна не имело такого элемента, как воздухонагреватель. Разработка устройства позволила намного уменьшить затраты топлива.

Принцип работы доменной печи основан на сложных физико-химических процессах.

Выделяют такие операции:

• сгорание топлива;
• восстановление железа;
• разложение известняка на окись кальция и угольный ангидрид;
• насыщение железа углеродом;
• плавка металла;
• плавление шлака и др.

В самом общем смысле доменная плавка – это производство чугуна из железорудного сырья.

Главные материалы, с помощью которых возможна выплавка чугуна:

• топливо – кокс;
• железная руда – сырьё, из которого выплавляют чугун;
• флюс – спецдобавки из песка, известняка и некоторых других материалов.

В печи шихта попадает в виде мелкопородных сплавленных кусков – окатышей или агломератов. В качестве рудного вещества могут выступать марганцевые руды или различные вариации железняка. Сырьё засыпают в колошник слоями, чередуя с пластами флюса и кокса.

Шлак всплывает на поверхности раскалённого чугуна. Примеси сливают до того, как жидкий металл застынет.

Подача сырья, как и работа печи, должна быть непрерывной. Постоянство процесса обеспечивают специальные транспортёры. Попадая через описанные элементы в горн, шихта проходит через ряд технологических процессов.

Сгорающий кокс даёт требуемую температуру, которая не должна опускаться ниже 2000 градусов. Горение способствует соединению кислорода и каменного угля. Параллельно образуется углекислый газ. Под влиянием высокой температуры последний становится оксидом углерода. Благодаря этому восстанавливается железо.

Чугун становится таковым после того, как железо пройдёт через расплавленный кокс. Чтобы результат стал возможным, железо должно насытиться углеродом. К чугунам относят сплавы, в составе которых на долю углерода приходится 2-5%.

После того, как готовый металл накопился в горне, его выпускают через летки. Через верхнее отверстие сначала выпускают шлак, а после – через нижнее – чугун. Последний сливается по каналам в ковши и отправляется на последующую обработку.

Стоимость на примере КПД №7

Изготовление доменных печей – это ресурсозатратный и дорогой процесс, который нельзя поставить на поток. Так как домны применяются исключительно в промышленности, их проектирование и сборка осуществляются под конкретный металлургический комплекс, включающий в себя многие объекты и узлы внутренней инфраструктуры. Такая ситуация наблюдается не только в РФ, но и в других странах мира, имеющих собственные объекты металлургии.

Стоимость изготовления и монтажа доменной печи достаточно высокая, что связано со сложностью выполнения работ. Примером может случить большой доменный комплекс №7 под названием «Россиянка», установленный в 2011 году. Его стоимость составила 43 млрд. рублей, к производству были привлечены лучшие инженеры РВ и стран зарубежья.

Комплекс включает в себя следующие узлы:

• приемное устройство для руды;
• приточные станции бункерной эстакады и центрального узла;
• бункерная эстакада;
• компрессорная станция (установлена на литейном дворе);
• установка для вдувания пылеугольного топлива;
• утилизационная ТЭЦ;
• центр управления и административный корпус;
• литейный двор;
• домна;
• воздухонагревательные блоки;
• насосная станция.

Новый комплекс обеспечивает производство более 9450 тонн чугуна в сутки, полезный объем печи равен 490 куб.м, а рабочей – 3650 куб.м. Конструкция домны обеспечивает безотходное и экологически чистое производство чугуна, в качестве побочных продуктов получают доменный газ для ТЭЦ и шлак, используемый в дорожном строительстве.

Альтернативные технологии для производства чугуна

Хотя технология доменной плавки является основным процессом для производства чугуна, было разработано несколько других методов производства, и они применяются в промышленном масштабе. Эти технологии «восстановительной плавки» постоянно используют уголь вместо кокса в качестве основного восстановительного агента. В некоторых новых технологиях также заменяются окатыши и агломерат пылевидной мелочью из железной руды.

30.03.2018 Рубрика: Производство чугуна Автор: Paxey

В этой статье:

Прямое восстановление (DRI)

Хотя технология доменной плавки является основным процессом для производства чугуна, было разработано несколько других методов производства, и они применяются в промышленном масштабе. Эти технологии «восстановительной плавки» постоянно используют уголь вместо кокса в качестве основного восстановительного агента. В некоторых новых технологиях также заменяются окатыши и агломерат пылевидной мелочью из железной руды.

Чугун производится в доменных печах более 500 лет. В течение этого времени доменные печи превратились в высокоэффективные реакторы. Однако в настоящее время доступны другие технологии, которые стали вызовом для технологии доменного процесса для производства чугуна.

Для доменных печей требуется кокс, а коксовые заводы являются дорогими, и для них имеется много экологических проблем, связанных с их эксплуатацией. Так, было бы полезно с экономической и экологической точки зрения, производить жидкий чугун без использования кокса. Почти на всех доменных печах потребление кокса было уменьшено в заметной степени с помощью вдувания восстановителя в фурмы. Однако никогда нельзя полностью заменить кокс в доменной печи, поскольку кокс как составляющая шихты несет и опорную функцию. Минимальный уровень кокса в доменной печи составляет примерно 260 кг/т жидкого чугуна.

Происходит рост производства стали из лома в электродуговых печах. При производстве стали из лома потребляется значительно меньше энергии, по сравнению с производством стали из железных руд. Проблемы с качеством стали, выплавляемой на основе лома, вводят соответствующие ограничения для конвертерного и электросталеплавильного производства, а использование железа прямого восстановления (DRI) в качестве шихты повышает возможности производства стали в электродуговых печах.

Следует отметить следующие аспекты, которые оказывают давление на технологию производства стали с использованием жидкого чугуна:

• Экологические аспекты агломерационных установок
• Экологические и экономические аспекты коксогазового завода
• Относительная негибкость и масштаб производства жидкого чугуна
• Возрастающая конкуренция способа производства стали на основе лома и технологии электродугового переплава с DRI.

Но следует признать преимущества технологии доменного производства в отношении возможностей рециклинга и инвестиций.

Вышеупомянутое инициировало улучшение экономических и экологических показателей работы доменной печи, а также и разработку альтернативных способов производства чугуна (или железа).

Два основных типа альтернативного производства железа, которые можно считать апробированными типами альтернативного производства, таковы: прямое восстановление (DR) и восстановительная плавка (SR).

На рисунке ниже приведен обзор прошлых, настоящих и будущих маршрутов производства чугуна и стали.

Прямое восстановление связано с производством твердого первичного железосодержащего материала из железных руд и восстанавливающего агента (например, природного газа). Твердый продукт, называемый железом прямого восстановления (DRI), применяется главным образом в качестве сырья в электродуговых печах (EAF). Процесс прямого восстановления был запущен в серийное производство с 1970-х годов, и были разработаны различные процессы.

Поскольку не имеется отделения железа от пустой породы в восстановительном агрегате, должны использоваться руды высокого качества или концентраты (содержание железа 68 % и пустой породы – 27 %) для восстановления до металлического железа в твердом состоянии. Температура процесса меньше чем 1000°С. DRI имеет уровень металлизации >92 %, а содержание углерода

DRI может иметь высокое содержание пустой породы, и это снижает его ценность в электросталеплавильном производстве, особенно там, где высокие цены за электроэнергию.

Недостатком DRI является то, что оно вызывает пожароопасность. Поэтому DRI можно переплавлять в брикеты, так как железо горячего брикетирования (HBI), так как такой продукт можно хранить и транспортировать на некоторое расстояние.

Первая промышленная установка была построена в конце 1960-х годов. Поскольку для ведущих процессов прямого восстановления требуется дешевый источник природного газа, большая часть установок размещена в регионе высоких месторождений нефти и природного газа, вблизи экватора.

В таблице ниже показана процентная доля производства DRI, относящаяся к мировому производству жидкого чугуна в 1996 и 2006 г.

Год	Ежегодное мировое производство (млн. т)	Процентная доля от мирового производства жидкого чугуна
1996/97	36,5	4,4
2006	59,8	6,8

Две трети мирового производства DRI в 2006 г. были сконцентрированы в пяти странах: Индии (15 млн. т – на 4 млн. т больше, чем в 2005 г.), Венесуэле (8,6 млн. т), Иране (6,9 млн. т), Мексике (6,2 млн. т) и Саудовской Аравии (3,6 млн. т). Новые установки были сданы в эксплуатацию в Индии, Нигерии, Тринидаде, Саудовской Аравии, Катаре и России. Метод прямого восстановления оказался успешным, особенно в производстве порошков.

Имеющиеся процессы

Процессы DRI можно разделить по типу используемого реактора, а именно:

• шахтные печи (Midrex®, HyL)
• вращающиеся печи (процесс SL/RN)
• печи с вращающимся подом (Fastmet®/Fastmelt®, Inmetco®/Rdelron® и ITmk3®)
• реакторы с кипящим слоем (Circofer®).

Многие из этих твердофазных процессов используют природный газ и в качестве топлива и восстанавливающего агента (монооксид углерода и водород). Приблизительно 92% DRI производится с помощью использования (реформированного) природного газа в качестве топлива. В небольшом количестве случаев в качестве топлива используется уголь.

В качестве сырья окатыши из железной руды и крупнокусковая руда используются в процессах с шахтными печами (Midrex, HyL), а пылевидная руда и концентраты используются в реакторах с кипящим подом (Circored, Finmet, Iron carbide) или печах с вращающимся подом (Fastmet®, Inmetco®).

Альтернативой DRI является карбид железа (Fe₃C). Карбид железа также производится с помощью прямого восстановления, но продукт содержит приблизительно 90 вес.% Fe₃C. Содержание карбида является относительно высоким: 6 вес.%, который дает достаточное количество энергии для снижения потребления электроэнергии в EAF. Карбид железа можно использовать в таких же самых применениях как DRI. Первая промышленная установка для производства карбида железа, с производительностью 300 тыс. т в год была сдана в эксплуатацию в 1995 г. в Тринидаде (реальное производство в 1998 г. составило 150 тыс. т/год).

В таблице ниже представлены характеристики серийно выпускаемых типов установок для производства DRI.

Установки DRI являются приемлемыми в следующих ситуациях:В течение процесса выплавки стали DRI превосходит лом по чистоте и постоянству состава, но эти выгоды достаются за более высокую цену.

• Когда не хватает лома надлежащего качества, таким образом, вызывая ухудшение качества производимой стали, и возникает необходимость в добавлении восстановленного железа для повышения качества сырья
• На мини заводах, построенных в регионах, в которых поставки источников железа, таких как лом, затруднены, или в которых строительство металлургических заводов с полным циклом, с доменной печью не являются необходимым с точки зрения масштаба спроса, и в данном случае восстановленное железо можно использовать как основной сырьевой материал
• В доменных печах, в которых требуется повышенная производительность по выходу жидкого чугуна.

Экологические аспекты DRI

Основной выгодой установки прямого восстановления по сравнению с доменной печью является то, что в этих установках используется природный газ или уголь в качестве топлива. Поэтому коксогазовый завод больше не нужен, и значительно снижаются выбросы. Воздействия на окружающую среду установки прямого восстановления очень ограниченные. Имеется мало выбросов пыли, которые легко отводятся. Потребность в воде низкая, и воду можно в значительной степени возвращать в цикл. Кроме того, на установках прямого восстановления на основе метана образуется намного меньше СО₂, чем в установках на основе угля.

Однако в DRI содержится некоторое количество пустой породы (3–6 %), и это приводит к росту потребления энергии EAF с ростом потребления DRI. Это можно частично компенсировать с помощью горячего посада DRI. Технология ITmk3 предусматривает, что поскольку часть физического тепла отходящих газов утилизируется с подачей тепла для подогрева воздуха, оцененные выбросы СО₂ для этой технологии будут на 20 – 25% ниже, чем для технологии доменная печь + кислородный конвертер.

Восстановительная плавка (SR)

Восстановительная плавка (SR) связана с производством жидкого металла из руды без кокса. В процессе SR используется две установки: в первой установке руда нагревается и восстанавливается газами, образуемыми во второй установке, которая является плавильной печью – газификатором, в которую поставляются уголь и кислород. Затем частично восстановленная руда плавится во второй установке, а жидкий расплавленный чугун или (в некоторых случаях) жидкая сталь образуется во второй установке. Технология плавления – восстановления дает возможность использовать широкий диапазон углей для производства чугуна.

Процессы Corex® и Finex®

Примеры этой технологии включают процессы Corex® и Finex®, которые работают в промышленном масштабе.

Процесс Corex является двух стадийным процессом: в первой стадии железная руда восстанавливается до губчатого железа в шахтной печи с помощью восстановительного газа; на второй стадии восстановленное железо плавится в плавильной печи – газификаторе. Восстановительный газ (СО и Н₂), который используется в восстановительной шахте поступает в результате газификации угля с помощью кислорода, образует неподвижный/кипящий слой в плавильной печи – газификаторе. Частичное сжигание угля в плавильной печи – газификаторе приводит к образованию тепла к расплаву восстановительного железа. Расплавленный чугун и шлак сливаются на поду с помощью обычной процедуры выпуска, сходной с той процедурой, которая используется при работе доменной печи.

Вследствие разделения восстановленного железа и плавления железа/газификации угля в две стадии достигается высокая степень гибкости, и может использоваться широкий набор углей. Процесс проектируется для выполнения при повышенном давлении до 5 бар. Загрузка угля и железной руды производится с помощью системы шлюзового бункера.

Восстановительный газ содержит порядка 65–70% СО, 20–25% Н₂ и 2–4% СО₂. После того как горячие газы покидают плавильную печь – газификатор, он смешивается с охлаждающим газом для регулирования температуры примерно на уровне 850°С. Затем газ очищается в горячем циклоне и направляется в шахтную печь в качестве восстановительного газа. Когда газ покидает шахтную печь, он все еще имеет высокую теплотворную способность и может использоваться для внешнего потребителя, когда существуют такие возможности. Теплотворная способность этого газа оценивается в 7,5 МДж/нм 3 в случае использования обычного энергетического угля (28,5% летучих веществ), но угли другого типа могут дать другую теплотворную способность такому газу.

Дальнейшим развитием процесса Corex стал процесс Finex, разработанный совместно немецкой компанией Siemens VAI и корейской металлургической компанией Posco. Основное различие между технологиями Corex и Finex состоит в том, что во второй технологии можно непосредственно использовать пылевидную руду. В процессе Finex четырехступенчатая система с кипящим слоем расположена до плавильной печи – газификатора. После восстановления пылевидной руды в кипящем слое она уплотняется в горячем состоянии перед выгрузкой в плавильную печь – газификатор.

Достигаемые экологические выгоды

В процессе Corex в качестве источника энергии используется уголь. Поэтому предотвращаются выбросы из коксовой печи. Все высшие углеводороды, которые выделяются из угля, подвергаются крекингу с образованием СО и Н₂ в плавильной печи – газификаторе. Поэтому не образуются побочные продукты типа смолы, фенола, ВТХ, РАН и т.д.

Сера, поступающая с углем в процесс, в значительной степени абсорбируется в шахтной печи DRI и кальцинированными добавками и впоследствии направляется в плавильную печь – газификатор. Здесь большая часть серы переходит в жидкий шлак как в случае доменного процесса и становится безвредной для окружающей среды. Количество серы, улавливаемой в процессе Corex газом и водой (2–3% от общего поступления серы) намного ниже, чем в случае традиционной технологии коксовая печь/агломерационная установка/доменная печь (20–30%). Газ, поставляемый стороннему потребителю, содержит 10 – 70 частей на млн. H₂S, в зависимости от типа используемого угля и рабочих условий. Так как кислород используется вместо воздуха для газификации коксового остатка, не происходит значительного образования NO_x и цианидов (CN). Потребность в использовании кислорода приводит к значительной общей потребности в энергии.

Выбросы пыли от процесса Corex значительно ниже, чем при традиционном доменном процессе. Предотвращаются все выбросы пыли в коксовой печи. Содержание пыли в газе для сторонних потребителей меньше 5 мг/нм 3 . Большая часть пыли, которая улавливается в системе газоочистки, подвергается рециклингу с возвращением в процесс.

Некоторые эксплуатационные параметры установки компании Iscor (в настоящее время Mittal Steel South Africa) приведены в таблице ниже.

Взаимодействия между средами

Восстановительный газ из плавильной печи – газификатора очищается в циклонах. Пыль из этих циклонов можно возвращать в плавильную печь – газификатор. Колошниковый газ из шахтной печи и охлаждаемый газ (для охлаждения восстановительного газа) очищаются в скрубберах, и, поэтому, образуется шлам. Шлам в основном можно подвергнуть рециклингу в плавильной печи – газификаторе после грануляции или поставлять в химическую промышленность. Небольшая часть (не определенная количественно) может депонироваться.

Процесс Corex отличается высоким удельным потреблением угля и относительно большим расходом отходящих газов, с теплотворной способностью, от средней до высокой Использование таких отходящих газов в качестве источника энергии в значительной степени определяет энергетическую эффективность процесса. Охлаждающая вода поставляется в замкнутый цикл.

Сообщаются данные о капитальных затратах: 195 евро за тонну жидкого металла. В данном примере осуществлен перевод тогдашнего валютного курса в ЭКЮ, а затем в евро.

После того как установка Corex была успешно пущена в эксплуатацию в 1995 г. компанией Posco на заводе Pohang Works в Южной Корее, она была подвергнута реконструкции с переходом на конфигурацию процесса Finex, с производительностью 600 тыс. т/год в 2003 г. На этой установке четырехстадийная система с кипящим слоем была расположена до плавильной печи – газификатора. После восстановления пылевидной руды в кипящем слое эта мелочь уплотняется в горячем состоянии перед загрузкой в плавильную печь – газификатор. Вторая установка с годовой производительностью 1,5 млн. т была пущена в эксплуатацию на том же заводе в апреле 2007 г.

К концу 2007 г. в эксплуатации находилось 6 установок типа Corex и 2 — типа Finex, с общей производительностью 7,45 млн. т жидкого металла (таблица ниже).

Еще одним примером восстановительной плавки является технология Primus®, в которой используется двухстадийный процесс. Эта технология представляет собой сочетание многоподовой печи (MHF), предназначенной для сушки, нагрева и начала восстановления, за которой установлена электродуговая печь (EAF), в которой происходит полное восстановление железа, и получается жидкий металл, образуется шлак, а завершением процесса является восстановление цинка. Эта технология дает возможность перерабатывать типичные остатки от выплавки чугуна и стали, которые обычно не подвергаются рециклингу на существующих установках, такого типа как пыль с EAF, шлам доменных печей, шлам сталеплавильного производства и промасленная прокатная окалина.

Процессы в стадии разработки

Следующие процессы восстановительной плавки находятся в завершающей стадии разработки, и кратко описаны в этом подразделе:

• HIsmelt
• Прямое восстановление железной руды (DIOS)
• AISI-DOE/CCF
• ROMELT

В таблице ниже подытожены характеристики этих процессов. Краткое описание этих процессов будет приведено далее.

HIsmelt

В этом процессе руда, уголь и флюсы вдуваются в ванну с расплавом чугуна с помощью восьми фурм, из которых четыре используются для вдувания холодного угля и извести, а четыре служат для вдувания руды и доломита (5 %) в условиях температуры 600–700°С. Руда быстро восстанавливается и плавится непосредственно в расплавленной ванне. Горячее дутье (1200–1250°С) с содержанием кислорода 35 % вдувается через центральную фурму через шлак, вызывая образование СО и Н₂ в отходящих газах после сжигания. Обычно требуется ванна из жидкого металла для начала процесса. Выпуск горячего чугуна происходит непрерывно с помощью копильника, в то время как выпуск шлака проводится партиями через каждые 2-3 часа с помощью шлаковой летки.

SR в процессе HIsmelt дает в результате более низкое содержание кремния, которое составляет менее 0,01 %, а также более низкое содержание фосфора, менее 0,02 % в расплавленном металле.

Установка HIsmelt была пущена в эксплуатацию в г. Квинана, Западная Австралия корпорацией HIsmelt. Эта установка спроектирована на годовую производительность 800 тыс. т жидкого чугуна.

По сравнению с процессом в доменной печи предсказывается экономия топлива в 10 %. Кроме того, нет больше необходимости в установке для предварительной подготовки железной руды (установка для получения окатышей, агломерационная установка) и коксовой печи. В отличие от других процессов восстановительного плавления необходимо горячее дутье. Это, вероятно, будет оказывать влияние на выбросы NO_x, что негативно сказывается на процессе.

DIOS

Процесс непосредственной плавки железной руды (DIOS) состоит из трех вспомогательных процессов: печи предварительного восстановления с псевдоожиженным слоем (PRF) для предварительного восстановления железной руды, печи для реформинга газа (GRF) для смешения угольного порошка с газом и печи восстановительного плавления (SRF) для дальнейшего восстановления и плавления железной руды.

Кислород для сжигания вдувается в верхнюю часть SRF. Образующийся монооксид углерода (СО) используется для предварительного восстановления железной руды в PRF. Азот вдувается через дно SRF для перемешивания шлака в печи.

Пилотная установка компании NKK на заводе Keihin Works, Япония, находится в работе с 1994 г., производя примерно 500 т чугуна в день.

Ожидается, что потребление энергии в процессе DIOS должно быть на 5–10 % ниже, по сравнению с маршрутом доменной печи. Кроме того, больше не требуется установка для предварительной переработки железа (установка для получения окатышей, агломерационная установка) и коксовой печи.

AISI-DOE/CCF

Проект AISI-DOE (Американский институт черной металлургии и Министерство энергетики США) и проект печи циклон – конвертер (CCF) начались как два отдельных проекта.

Проект AISI-DOE был совместным научно-исследовательским проектом прямого восстановления с получением чугуна рядом американский университетов и американский и канадских компаний в секторе производства стали. Координатором проекта был Американский институт черной металлургии, а спонсором Министерство энергетики США. Цель проекта состояла в производстве стали из предварительно восстановленной железной руды и угля в вертикальном плавильном устройстве подового типа. Разработка этого плавильного устройства стала самой важной частью проекта.

Проект CCF был совместной инициативой компании Corus, Эймейден, Нидерланды, и сталелитейного завода Ilva, Италия. Самой важной частью проекта стала разработка циклонного реактора. В циклоне железная руда предварительно восстанавливается и плавится. Расплавленная смесь падает в нижнюю часть реактора, где завершается восстановление. Топливо представляет собой зернистый уголь, который вдувается вместе с кислородом в нижнюю часть реактора.

Высокая рабочая температура в циклонном реакторе и тот факт, что он может работать с высоким уровнем примесей из расплавленной ванны, делает возможной прямую связь предварительного восстановления и стадий конечного восстановления. Объединение двух стадий означает, что эффективная передача тепла не имеет решающего значения, так как не имеется охлаждения между стадиями. Тот факт, что как предварительное восстановление, так и конечное восстановление имеют место в одном реакторе, представляет важное различие между CCF и другими существующими установками для восстановительного плавления.

Проект CCF сконцентрирован главным образом на разработке циклонного реактора.

В 1995 г. обе стороны поняли возможность объединения своих технологий. При таком объединении можно реализовать пилотную установку восстановительного плавления.

Проект AISI-DOE был проверен в ряде испытаний, но пилотная установка не была сдана в эксплуатацию. Проект CCF был испытан в масштабе пилотной установке, с производительностью 20 т/ч.

Так как не требуются коксовая печь, агломерационная установка или установка для получения окатышей, можно ожидать заметного снижения выбросов. Потребление энергии на тонну стали должно быть ниже. Кроме того, можно получить энергию из отходящих газов, которые выходят из циклона при 1800°С.

ROMELT

Процесс ROMELT (РОМЕЛТ) – процесс, разработанный в Московском институте стали и сплавов под руководством проф. В.В. Роменца. Он сходен с другими плавильными процессами в печах подового типа, но в нем не используется предварительное восстановление. В процессе используется руда и отходы оксидов. Сообщается, что потребление угля составляет 900–1200 кг/т.

На пилотной установке на Новолипецком металлургическом заводе с производительностью 500 – 1000 т/сутки произведено 300000 т чугуна в год.

Так как не требуется коксовая печь, аглофабрика или установка для получения окатышей, можно ожидать значительного снижения выбросов по сравнению с обычной технологией выплавки чугуна. Потребление энергии на тонну жидкого металла также должно быть ниже.

Процесс РLASMAMELT

В процессах восстановительной плавки на основе плазмы реакции имеют место в заполненной коксом шахтной печи с фурмами, расположенными симметрично вокруг нижней части печи. Шахта полностью заполняется коксом. Плазменные генераторы и оборудование для вдувания оксидов металлов, смешанных со шлакообразующим материалом и, возможно, восстановителями, прикреплены к фурмам. Перед каждой фурмой внутри столба кокса образуется полость, в которой происходит восстановление и плавление. Через регулярные интервалы образующиеся шлак и металл выпускаются с пода шахтной печи.

В случае плавления железной руды можно использовать отходящие газы из печи, состоящие главным образом из монооксида углерода и водорода, для предварительного восстановления руды. В других применениях процесса, таких как утилизация легированных металлов из пыли рукавных фильтров, образующийся газ утилизируется как топливный газ. Если в сырьевом материале содержатся металлы с высоким давлением паров, например цинк и свинец, эти металлы покидают печь с отходящими газами, которые затем проходят через конденсатор, в котором металлы утилизируются из газа.

Процесс AUSMELT

Процесс Ausmelt был разработан компанией Ausmelt Ltd. Австралия. Кусковая руда или рудная мелочь непрерывно подается в конвертер вместе с кусковым углем и флюсом. Угольная мелочь, кислород и воздух вдуваются, что позволяет проводить погружное сжигание. Степень окисления и восстановление контролируются с помощью корректировки соотношения воздуха к топливу, а также доли угольной мелочи, вдуваемой через фурму. Все реакции завершаются в одном реакторе.

Сравнение обычной технологии плавки в доменной печи с прямым восстановлением и восстановительной плавкой

Основные заявляемые экологические выгоды для прямого восстановления (DR) и восстановительной плавки (SR) связаны с тем, что эти процессы можно осуществлять без кокса или агломерата. Эти процессы могут помочь предотвратить использование необязательных коксовальных печей и агломерационных машин, которые потенциально оказывают значительное воздействие на окружающую среду.

Выбросы от восстановительных установок обычно бывают низкими, а концентрация твердых частиц в выбросах в окружающий воздух после очистки составляют порядка 10 мг/нм 3 . Очистка обычно проводится с использованием мокрой технологии, которая приводит к потоку сточных вод, хотя можно попытаться провести рециклинг этой воды или перейти к сухой очистке. Если процессы DR или SR связаны с использованием окатышей на основе железа или агломерата, тогда выбросы, связанные с переработкой этих материалов, также следует рассмотреть при сравнении экологических показателей различных процессов выплавки чугуна.

Традиционная доменная плавка

(Коксовая печь, агломерационная установка, доменная печь)

Масштаб производства

Давно устоявшиеся, обладающие высокой и ресурсной эффективностью технологические агрегаты с производительностью по горячему чугуну от 2 до 4,77 млн. т/год и больше. До сих пор это основная технология для производства чугуна, на которую приходится 95 % мирового производства чугуна.

Исходное сырье

• Для производства кокса требуются коксующиеся угли
• Требуются коксовая мелочь и антрацит (когда используется)
• Уголь для вдувания в доменную печь (могут быть не коксующиеся угли)

Вдуваемое топливо в доменную печь.

Помимо угля, нефтепродукты (например, отработанные масла), природный газ и пластмассы вдуваются в доменную печь.

Металлическая часть — широкий диапазон сырья различного качества и технических условий может использоваться.

Потребность в энергии

Обычно 17 – 18 ГДж/т жидкого чугуна (меньше газа, пара и углеродные кредиты на выброс диоксида углерода)

Качество продукта

Стабильное и надежное качество.

Экологические показатели

Выбросы в окружающую среду включают пыль, ЛОС, РАН и различные органические химикаты из коксовых печей. На агломерационных установках выделяются SO₂, NO_x, пыль, ЛОС, РСВ, PCDD/F и РАН, в то время как в случае доменных печей происходят выбросы пыли и SO₂ от литейного двора. В процессе используется также большое количество воды. Однако в процессе предусматриваются возможности для рециклинга различных твердых отходов/побочных продуктов, которые не должны быть во многих процессах DRI. Способность к десульфуризации доменной печи также дает возможность использовать топлива и восстановители с повышенным содержанием серы экологически безвредными способами.

Доменный шлак можно использовать для дорожного строительства или гранулировать для изготовления цемента. Побочные продукты должны иметь экологические преимущества, так как при этом снижается потребность в первичных наполнителях. Важно напомнить, что традиционный доменный процесс предусматривает возможности для рециклинга и размещения железосодержащих материалов, отфильтрованных осадков и масел от последующего производства стали по технологической цепочке, которые могут не появляться во многих восстановительных процессах. Традиционная технология также дает возможность использования широкого набора сырья и восстановителей различного качества.

Затраты на установку (ориентировочные)

1150 млн. евро за 3,3 млн. т /год (включая затраты на агломерационную установку и коксовые печи).

Прямое восстановление (DR)

Масштаб производства

На процессы на основе газа из установленных DR приходится большая часть мощностей во всем мире, и 63% этих мощностей используют технологию MIDREX. Такие процессы в настоящее время имеют максимальную производительность одного агрегата 1,76 млн. т/год. DRI обычно используется как замена лома для EAF. Процессы DRI отличаются относительно низкой производительностью по сравнению с доменными печами, и обычно они устанавливаются, используя преимущества местных факторов, таких как очень низкие затраты на энергию и (или) железную руду.

Исходное сырье

Уголь (когда используется для меньшинства процессов) — широкий диапазон твердых топлив от антрацита до бурого угля, включая древесный уголь (вращающиеся печи).

Газ — содержание серы в газе должно быть низким для предотвращения отравления катализатора реформера и достижения высокого качества продукта.

Металлическая часть — так как в процессе не происходит изменение физического состава, требуются окатыши и кусковая руда высокого качества.

Потребность в энергии

Обычно 10,5 – 14,5 ГДж/т твердого DRI (на основе газа) из предположения 100% использования крупной руды (требуется дополнительная энергия для плавления и окатышей, если они используются).

Качество продукта

У продукта имеется склонность к повторному окислению, если только не проводится пассивирование или брикетирование. Качество в значительной степени зависит от качества шихты.

Экологические показатели

Так как в большинстве DR процессов используются железорудные окатыши, на окружающую среду воздействуют выбросы от процесса получения окатышей, которые следует учитывать. В продукте DRI обычно содержится 2-4% пустой породы, и требуется дополнительная энергия для переработки, и следует учитывать дополнительные выбросы в окружающую среду. Выделяемая пыль сходна с той пылью, которая характерна для доменной печи, так как сырьевые материалы просеиваются перед переработкой. Имеется необходимость в обеспечении экологически удовлетворительного маршрута для утилизации рудной мелочи, если DRI является заменой традиционной выплавки чугуна. Оксиды азота выделяются на стадии реформинга газа. В самых успешных процессах DR используется природный газ, хотя уголь остается самым крупным источником энергии, доступным для человека.

С точки зрения устойчивого развития следует учитывать, что газ должен быть в резерве для производства продуктов высокого качества. Распределение с коксовальными печами предотвращает выбросы в воздух пыли и ЛОС от печей и различных органических химикатов от установок для переработки побочных продуктов. Выбросы от процессов рафинирования коксохимического производства в виде нефтепродуктов и смол также должны быть исключены.

Кроме того, используются большие количества воды в процессе, которую необходимо экономить. При исключении агломерационных установок снижаются выбросы в воздух металлической/не металлической пыли и газообразных загрязнителей, таких как диоксид серы. Большая часть доменных печей в настоящее время имеет литейный двор с улавливанием дыма и бесконусные системы загрузки, и их экологические показатели должны быть, поэтому, сопоставимы с выбросами от восстановительных установок с эквивалентными системами.

Взаимодействия между средами

Так как в DR не происходит изменения физического состояния или отделения химических примесей, качество продукта полностью зависит от качества сырья. Производимое DRI не может иметь эквивалентное качество качеству чугуна в доменных печах, если используется сырье низкого качества. Для учета экологических целей, необходимо, чтобы DRI было в расплавленном виде для непосредственного сравнения с чугуном из доменной печи. Потребность в дополнительной энергии и выбросы, связанные с этим изменением физического состояния необходимо учитывать.

Затраты на установку (ориентировочные)

210 млн. евро за 1,36 млн. т/ год (предполагая доступность подходящих окатышей или кусковой руды).

Восстановительная плавка (SR)

Масштаб производства

SR менее распространена. Только процесс Corex/Finex коммерциализирован. В настоящее время установленная производственная мощность составляет около 7,45 млн. т/год (8 объектов).

Исходное сырье

Уголь — не коксующиеся угли, требования к техническим условиям более гибкие, чем для доменного процесса

Металлическая часть — кусковая руда и рудная мелочь, агломерат или окатыши

Кислород — требуются большие количества кислорода для процесса Corex (с соответствующими энергетическими последствиями)

Потребность в энергии

Трудно количественно определить эффективность процесса, и она зависит от кредита, предоставляемого для экспортируемой энергии или производства большего количества DRI c помощью процессов DRI на основе газа

Качество продукта

Идентично чугуну из доменной печи.

Экологические показатели

При рассмотрении процессов восстановительной плавки следует иметь в виду большие объемы колошниковых газов, образующихся в процессе Corex, и что эффективность использования энергии будет низкой, если только отходящие газы не будут использоваться для производства энергии или большего количества губчатого железа.

В некоторых процессах SR требуется утилизировать большие количества отходящих газов. Кроме того, потребности в энергии для SR и выбросы СО₂, чем в случае доменной печи. Имеется необходимость в обеспечении экологически благоприятного пути для утилизации мелких фракций, если SR используется для замены традиционного доменного процесса.

Взаимодействия между средами

Потребления угля и потребность в кислороде выше, чем для доменной печи, и выбросы диоксида углерода значительно выше. Следует учитывать оксиды азота от реформинга газа как для SR, так и для DR.

Затраты на установку (ориентировочные)

240 млн. евро за 0,6 млн. т/год (включая затраты на кислородный блок и предполагая работу с кусковой рудой).

Источник https://generator98.ru/delaj-sam/domna-pech.html

Источник https://metallurgist.pro/alternativnye-tehnologii-dlya-proizvodstva-chuguna/