Железо прямого восстановления

Железо прямого восстановления

Железо прямого восстановления – это металлизированные окатыши (DRI) или горячебрикетиованное железо (HBI).

Применение технологий по производству железа прямого восстановления (ЖПВ) в основном в виде металлизированных окатышей (DRI) или горячебрикетиованного железа (HBI) по прежнему, как и несколько десятилетий назад, считается в металлургической литературе одним из самых перспективных направлений для эффективного развития мировой металлургии.

Последние несколько лет мировая металлургия совершила серьезный скачок вперед как по технологиям, так и по объему производства, при этом темпы развития производства ЖПВ серьезно отстает от темпов роста мировой металлургии.

Известно, что использование DRI или HBI при выплавке стали в электродуговых печах позволяет производить наиболее высококачественный, чистый по вредным примесям металл, пригодный для использования не только в стандартных отраслях промышленности, но и также в областях, где применяются высокие технологии.

Текущий спрос на DRI или HBI неуклонно растет, невзирая на нестабильность цен, качество сырья всех альтернативных сырьевых материалов.

Однако несмотря на непрерывную рекламу сравнительно новых технологических процессов развитие процессов DRI или HBI идет сравнительно медленно

Что же такое железо прямого восстановления ЖПВ

Основная масса железа, используемая человечеством, проходит через операцию восстановления из железной руды.

Известно, что основной и самый экономичный способ извлечения железа из руды является способ карботермического (использования углеродсодержащих материалов) восстановления железа из руды. Где основная химическая реакция- это восстановления железа углеродом:

Основной, самый древний и самый распространенный способ – это способ доменного получения железа(чугуна), когда железная руда вступает в химическую реакцию с углеродом кокса. Для проведения такого восстановления требуются специальные доменные печи, подготовленный кокс из коксующегося угля. Продукт такого процесса — чугун, содержащий железа и углерод (свыше 3%). Данный продукт обладает определенной хрупкостью и не пригоден для изготовления из него ответственных металлических деталей. Поэтому чугун используют для производства стали, когда удаляют углерод (обезуглероживают) и с помощью специальных добавок (ферросплавов) и термообработки и получают сталь необходимого качества. Существуют множество разновидностей такого карботермического процесса восстановления железа из руды углеродом, но самым эффективным, простым и распространенным на сегодняшний момент является именно получение чугуна в доменной печи. С помощью доменного процесса возможно перерабатывать бедные железные руды. Однако для функционирования доменного процесса необходима добыча коксующихся углей, коксохимическое производство, обогащение руд, агломерация и т.д. Все это помимо производственных затрат связано с решением экологических проблем.

Одной из разновидностей карботермического процесса, который начал активно развиваться в 70 годы 20 века, стал процесс восстановления железа из руды природным газом, где протекают следующие химические реакции:

CH4+H2O=CO+Н2 (конверсия природного газа)

Продуктом данного процесса является железо прямого восстановления ЖПВ, которое не загрязнено углеродом, поскольку нет прямого взаимодействия руды и углерода и не загрязнено различными примесями, которые могли бы переходить из кокса. Данный продукт содержит около 1% углерода и около 90% Fe. Данный продукт также не пригоден для изготовления из него ответственных металлических деталей и может быть использован только как сырьевой материал при производстве стали.

Широкое распространение такого газовосстановительного процесса началось в 1980 г., когда в горно-металлургическом комплексе началось широкое применение природного газа, который идеально подошел для восстановления железной руды. Кроме того, кроме природного газа, в процессе прямого восстановления железо оказалось возможным использование продуктов газификации углей, попутного газа нефтедобычи и др. газообразных продуктов.

Технологические изменения, происшедшие в 1990 г. позволили значительно снизить капитало- и энергоемкость процессов прямого восстановления железа, в результате чего произошел новый скачок в производстве продукции ЖПВ, который продолжается до сих пор. Разнообразие технологий, оборудования и сырья создало большое разнообразие способов ЖПВ, однако немногие из них прошли опытно-промышленную проверку.

Все эффективные методы прямого восстановления фактически используют единственный процесс: богатое железорудное сырье (мелкий концентрат или окатыши) восстанавливается специальной газовой смесью до содержания железа 85-90%.

Именно поэтому основное производство железа прямого восстановления главным образом сосредоточено в странах, обладающих большими запасами нефти (попутного газа), природного газа и железной руды, а также ограничены в запасах металлолома. Такие производства сосредоточены в странах Латинской Америки, Ближнего и Среднего Востока.

На сегодняшний день в мире широко распространена технология компании Midrex, (Midrex.com) установки которой работают во многих станах мира. Сегодня по технологии Midrex производится около 40 млн. тн ЖПВ или 60% от общего производства ЖПВ. Всего в мире производится около 60 млн. тн железа прямого восстановления.

Среди крупных предприятий использующих технологию Midrex, Российский Оскольксий ЭМК, который с 1983-1987 построил и запустил четыре модуля с производительностью около 1,7 млн. тн. в год металлизованных окатышей DRI.

Российский Лебединский ГОК в 1999 г. запустил модуль по производству горяче-брикетированных брикетов по несколько иной технологии HYL/Energiron мощностью 0.9 млн . тн в год. В 2007 г. Лебединский ГОК запустил еще один модуль по этой же технологии 1,4 млн. тн в год горяче-брикетированного железа (HBI). Всего в России выпускается ЖПВ около 3,4 млн. тн в год.

Основные типы процесса прямого восстановления руды в мире.

В основных процессах получения DRI-HBI достигается не только низкое содержание серы и фосфора (приходящих из угля и кокса), но и других примесей, таких как медь, свинец, цинк, характерных для переработки лома. Качество стали из ЖПР получается очень высоким.

Использование:

Железо прямого восстановления исключительно используется в электрометаллургии как источник железа при производстве стали. Это прямой и очень серьезный конкурент металлолому и чугуну. Интересной особенностью ЖПВ является, что развитее производства ЖПВ неразрывно связано с развитием электросталеплавильное производства. Среднегодовой темп развития производства ЖПВ около 9%, когда как электростали около 9%. При этом рост производства чугуна в мире за последние 10 лет вырос практически в два раза с 576 млн. тн в 2000 г. до уровня около 950 млн. тон в год, когда как производство ЖПВ выросло всего на 50% с уровня 42 млн тон до 60 млн. тон в 2009 г.

Крупнейшими производителями продукции DRI в мире являются Индия (20 млн. тн), Венесуэла (7,7 млн. тн), Иран (7,4 млн.тн) Мексика (6,3 млн. тн). На долю этих стран приходится около 60% всего производства в мире. Эти страны также являются производителями чугуна. Давайте посмотрим как некоторые из этих стран развивали за последние годы производство чугуна и DRI. Из этих стран только Индия и Иран обладают более-менее запасами железной руды и газа. Именно в этих странах DRI развивался быстрее, чем производство чугуна.

Из вышеуказанных стран именно Индия может стать лидирующей страной по производству DRI в ближайшем будущем. Развивающаяся Индия имеет до 45% электросталеплавильного производства от всего объема производственных стальных мощностей. При этом в стране небольшие ресурсы металлического лома, и малые ресурсы коксующихся углей. Но Индия богата высококачественной железной рудой и природным газом.

Россия и Казахстан впрочем как и Индия, обладают также природным газом, запасами железных руд и также обладают значительными преимуществами в развитии DRI.

Рассмотрим коммерческие аспекты производства DRI в России или Казахстане.

Как уже говорилось выше DRI – это полупродукт для производства стали. Основными конкурентами у данного продукта являются чугун и металлический лом.

Почему чугун дороже?

Потому, что чугун содержит больше углерода и при продувке его кислородом выделяется дополнительное тепло, т.е. чугун более энергетически ценен, чем DRI. При использовании DRI, наоборот, необходимо дополнительное количество тепла, потому что DRI содержит значительное количество неметаллической фазы.

На рынке цена DRI более приближена к лому, чем к чугуну. Поэтому необходимо по цене ориентироваться на цену лома.

2. Рынок сбыта.

Россия: Россия сегодня наращивает производство стали не более 5% в год и поэтому на сегодняшний момент полностью обеспечена ломом, который по себестоимости значительно опережает DRI. Кроме того, российский опыт использования DRI в электропечах показывает более высокую эффективность лома, по сравнению c DRI из-за того, что DRI содержит значительное количество неметаллической фазы. DRI будет востребован в РФ только когда, количество сильно загрязненного лома превысит критическую отметку и необходимо будет его разбавлять чистым компонентом. Второе, почему может быть востребован DRI в России — это если его цена будет ниже лома. Последние данные показывают, что производство лома находится на максимуме и в ближайшем будущем Россия будет испытывать дефицит лома.

Китай: Китай значительно наращивает сталеплавильные мощности, но развивает в первую очередь конверторное производство, где используется чугун и металлолом. DRI может быть использован в металлургии Китая, но цена его должна быть на уровне металлолома. При этом необходимо учитывать, что Китай в перспективе будет использовать свой собственный лом (который пока еще более-менее чистый) и его будет там достаточно. В настоящий момент Китай производит в электропечах около 50 млн. тн стали в год и конечно для продукта DRI место найдется всегда, но какая будет его рыночная цена.

Другие рынки сбыта: Необходимо знать, что одним из существенных недостатков DRI является окисляемость при перевозках. Поэтому в мире продается только 20-25% всего производимого ЖПВ. Остальное DRI используется в собственном производстве. Потенциально DRI может быть использован на любых рынках, где производится сталь.

Основные вопросы:

1. Cтоит ли производить DRI?

Может лучше производить чугун, его рынок сбыта будет более определен.

Может быть лучше, строить DRI и сразу электропечи для дальнейшего производства конечной стальной продукции.

2. Что выгоднее продавать ЖРС или из этого ЖРС производить DRI, который на рынке будет стоить чуть дороже лома на 5-10% и дешевле чугуна на 5-10%?

Для производства DRI используется 1.35 тн ЖРС, 400 м3 природного газа на 1 тн DRI и другие затраты, которые оцениваются в 50-70 долл. на 1 тн DRI.

На производство чугуна используются 1,5 тн ЖРС, 0,5 тн кокса и другие затраты, которые оцениваются в 50-70 долл. на 1 тн

Сравним теоретическую себестоимость DRI, теоретическую себестоимость чугуна, рыночную цену чугуна, лома. В расчет приняты рыночные цены ЖРС, кокса, газа.

Сравнение коммерческой себестоимости (заложены рыночные цены ЖРС и кокса) чугуна и рыночной цены (FCA производитель).

Видно, что практически на всех этапах цена выше себестоимости, если производить чугун. Но для производства чугуна необходим кокс, который сегодня остродефицитен. Также необходимо решать множество экологических проблем.

Видно, что если применить рыночные цены газа и рыночные цены DRI, то практически производить DRI не выгодно.

В настоящий момент цена на газ в РФ для промышленных предприятий составляет около 100 долл. США за 1000 м3 и себестоимость DRI была бы 295 долл. США. Цена лома в РФ составляет около 350 долл. США и поэтому при российском ценообразовании на газ производство DRI экономически целесообразно.

Как показано выше, цена на газ является критической для производства DRI. Поэтому при решении строительства установки DRI нужно понимать, какая цена на газ будет «завтра». Если цены будут мировыми, то производство будет нерентабельным.

Выводы:

• DRI является перспективных продуктом и будет востребован при дефиците металлолома и необходимости выплавки особо чистых марок сталей.
• Цена DRI будет всегда отставать от цены на чугун, потому что при выплавке стали чугун является дополнительным источником энергии, а DRI содержит неметаллическую фазу и снижает технико-экономические показатели работы печи.
• DRI производят страны,где доступен дешевый газ и ЖРС.
• Без четкого понимания цена на газ после введения установки DRI нет смысла начинать строительство.
• Возможно строительство установки DRI на газе, произведенным из угля.
• Возможно обсуждение производства DRI и мини-металлургческого завода.
• Теоретически возможно производство чугуна, но необходимо доступ к коксу, которого в Казахстане нет.

Прямое восстановление железа

Прямо́е восстановле́ние желе́за — это восстановление железа из железной руды или окатышей с помощью газов (СО, Н₂, NH₃), твёрдого углерода, газов и твёрдого углерода совместно. Процесс ведётся при температуре около 1000 °C, при которой пустая порода руды не доводится до шлакования, примеси (Si, Mn, P, S) не восстанавливаются, и металл получается чистым [1] . В литературе также встречаются термины: металлизация (частичная металлизация) руд, прямое получение железа, бездоменная (внедоменная) металлургия железа, бескоксовая металлургия железа [2] . Продукт процесса называют железом прямого восстановления (DRI от англ. Direct Reduced Iron ).

История

Попытки получить сталь минуя доменный процесс предпринимались в СССР ещё с 1950-х годов [3] . Промышленное производство железа непосредственно из руды, минуя доменный (с использованием кокса) процесс, появилось в 1970-х годах. Первые установки прямого восстановления железа были малопроизводительны, а конечный продукт имел сравнительно много примесей. Широкое распространение этого процесса началось в 1980-х годах, когда в горно-металлургическом комплексе началось широкое применение природного газа, который идеально подошёл для прямого восстановления железной руды. Кроме того, помимо природного газа, в процессе прямого восстановления железа оказалось возможным использование продуктов газификации углей (в частности бурых), попутного газа нефтедобычи и другого топлива-восстановителя.

Технологические изменения, произошедшие в 1990-е годы, позволили значительно снизить капитало- и энергоёмкость различных процессов прямого восстановления железа, в результате чего произошёл новый скачок в производстве продукции DRI (от англ. Direct Reduction of Iron ) [4] .

Классификация процессов

Доля сталеплавильных процессов в мире: жёлтый — бессемеровский; зелёный — мартеновский; синий — кислородные конвертера; красный — электропечи; розовый — прямое восстановление железа

Схема процесса прямого восстановления железа Krupp-Renn

Схема процесса Midrex

Наиболее предпочтительной, по мнению большинства специалистов, является классификация по виду получаемого продукта:

• получение частично металлизованных (степень металлизации 30—50 %) материалов для доменных печей;
• получение высокометаллизованного продукта (степень металлизации 85—95 %) в твёрдом виде (губчатого железа) для переплавки в сталеплавильных агрегатах с получением стали;
• получение металлизованного продукта в пластическом состоянии (кричного железа) для различных целей, в том числе как вариант пирометаллургического обогащения труднообогатимых, бедных и комплексных руд;
• получение жидкого металла (чугуна или полупродукта) для переплава в сталеплавильных печах [5] .

Сравнение с доменным процессом

Возможности переработки бедных железных руд

Доменный процесс обеспечивает получение кондиционного чугуна из железных руд с любым содержанием железа, при этом содержание железа влияет лишь на технико-экономические показатели процесса. Металлизация бедных руд может быть эффективна лишь для получения кричного железа и жидкого металла. Частично металлизованные материалы и губчатое железо получать из бедных руд неэффективно. При получении частично металлизованных материалов из бедных руд необходимо затратить большее количество тепла на нагрев пустой породы и увеличить расход восстановителя. Производство губчатого железа из руд, содержащих более 2,5—3,0 % пустой породы, приводит к резкому росту расхода электроэнергии в процессе плавки металлизованных окатышей из-за резкого увеличения количества шлака [5] .

Наличие примесных элементов

Доменная печь в состоянии полностью обеспечить получение кондиционного по сере чугуна. Удаление из чугуна меди, фосфора, мышьяка в доменной печи невозможно. Низкотемпературные процессы получения губчатого железа не обеспечивают удаления попутных элементов, то есть все попутные элементы, присутствующие в исходной руде, остаются в губчатом железе и попадают в сталеплавильный агрегат. Это же относится к получению кричного металла (здесь возможна некоторая степень удаления серы). Получение жидкого металла позволяет удалить из процесса летучие элементы (цинк, щелочные металлы), а степень удаления серы, мышьяка и фосфора зависит от режима процесса [6] .

Физические свойства руды

В доменной печи перерабатывают исключительно кусковой железорудный материал, причём размер кусков не должен быть менее 3—5 мм. Отсюда вытекает необходимость процесса окускования руд. Это требование остаётся обязательным для процессов получения губчатого и кричного железа в шахтных и вращающихся печах. Низкотемпературная металлизация измельчённых руд возможна в специальных агрегатах (например, аппараты кипящего слоя). Для большинства способов внедоменного получения жидкого металла размер кусков руды не имеет значения, поэтому возможно исключение из металлургического передела дорогостоящих процессов окускования мелких руд [7] .

Использование недефицитных видов топлива

Современные доменные печи в качестве топлива используют только металлургический кокс. Прежде всего это связано с высокими прочностными качествами кокса, сохраняющимися при высоких температурах. Ни один из известных ныне (2007 год) видов твёрдого топлива не может в этом отношении конкурировать с коксом. Большинство известных способов и технологий металлургии железа не требуют использования кокса в качестве компонента шихты. Могут быть использованы полученные различным способом восстановительные газы (в основном при производстве губчатого железа), недефицитные виды каменного угля, бурые угли и продукты их переработки, нефтепродукты и др. [7]

Использование новых видов энергии

Несмотря на то что использование энергии плазмы, атомной и других новых источников энергии для доменного производства не исключается, наибольший эффект от их применения наблюдается при внедоменном получении металла. Это повышает шансы новых технологий в конкуренции с доменным процессом в будущем [8] .

Технология

Процессы получения губчатого железа осуществляются при умеренных температурах с использованием газообразного или твёрдого восстановителя в различных агрегатах: шахтных, трубчатых, туннельных, муфельных, отражательных, электронагревательных печах, ретортах периодического действия, конвейерных машинах, реакторах с кипящим слоем и др. Иногда эти агрегаты соединены в комплексы, в которых наиболее часто сочетаются с электропечью (электродоменной или дуговой) для получения жидкого металла (чугуна и стали). Чаще всего губчатое железо применяют как высокочистую добавку к стальному лому. Наиболее стабильный спрос на губчатое железо отмечается в странах с недостаточными мощностями доменного производства и поставками стального лома.

Основными процессами, используемыми на работающих, строящихся и проектных установках для производства губчатого железа, являются процессы с применением шахтных печей и реторт периодического действия. Процессы с использованием вращающихся печей и твёрдого восстановителя находят промышленное применение, главным образом, при переработке металлургических отходов — пылей и шламов, которые содержат примеси цинка, свинца и др., а также комплексных железных руд (богатых титаном, хромом, никелем, марганцем и др.), не пригодных для использования в доменных печах. Процессы в кипящем слое получили меньшее распространение в связи с целым рядом специфических особенностей (жёсткие требования к гранулометрическому составу, газодинамические ограничения существования кипящего слоя, температурные условия и др.).

Процессы металлизации в шахтных печах во многом похожи на процессы, протекающие в шахте доменных печей в области умеренных температур. Однако имеются и значительные отличия: в шахтной печи отсутствует кокс; важную роль в процессах восстановления оксидов железа играет водород; восстановительный газ является единственным источником тепла, обеспечивающим все тепловые потребности процесса.

В процессе восстановления окатыши обжигают, и обрабатывают в шахтной печи горячими продуктами конверсии газа (твёрдого топлива), которые содержат водород. Водород легко восстанавливает железо:

при этом не происходит загрязнения железа такими примесями как сера и фосфор, которые являются обычными примесями в каменном угле. Железо получается в твёрдом виде и в дальнейшем переплавляется в электрических печах. Для получения тонны железа прямым восстановлением из руды необходимо затратить примерно 1000 м 3 водорода.

По своей сути процесс прямого восстановления железа является восстановлением железа из руд, минуя доменный процесс, то есть кокс в процессе не участвует.

Наиболее отработанным и широко распространённым процессом является процесс Midrex. С 1983 года на Оскольском электрометаллургическом комбинате работают четыре модуля процесса металлизации Midrex общей мощностью 1700 тыс. т металлизованных окатышей в год. В состав каждого модуля входят: шахтная печь металлизации, реформер (реактор конверсии природного газа); система производства инертного газа; система аспирации. Система водного хозяйства, свеча, помещение пульта управления и электроснабжение являются общими для каждой пары модулей.

Шахтная печь для металлизации состоит из загрузочного (промежуточного) бункера; верхнего динамического затвора с загрузочным распределителем и загрузочными трубами; зоны восстановления; промежуточной зоны; зоны охлаждения; огнеупорной футеровки; постоянно действующих питателей; нижнего динамического затвора и маятникового питателя (для выгрузки готового продукта) [9] .

Источник https://www.urm-company.ru/production/dri/

Источник https://xn--h1ajim.xn--p1ai/%D0%9F%D1%80%D1%8F%D0%BC%D0%BE%D0%B5_%D0%B2%D0%BE%D1%81%D1%81%D1%82%D0%B0%D0%BD%D0%BE%D0%B2%D0%BB%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5_%D0%B6%D0%B5%D0%BB%D0%B5%D0%B7%D0%B0