Способы прямого получения железа

Прямое получение железа

Под процессами прямого восстановления железа понимают способы получения губчатого железа, металлизованного сырья, литого железа или стали непосредственно из железорудных материалов. Получение железа из руд в сыродутных горнах существовало задолго до появления доменных печей и возникновения двухстадийной схемы производства стали. Этот способ характеризовался как малой производительностью, так и низким качеством получаемого металла. Однако идея получения железа непосредственно из железорудных материалов, минуя доменный процесс, вновь возрождена, но уже на современной основе.

Особый интерес к процессам прямого восстановления стал проявляться в последние годы. Во всем мире наблюдается рост дефицита коксующихся углей, необходимых для доменного производства. Это связано с уменьшением их запасов. Кроме того, вследствие ускоренного развития порошковой металлургии возрастает потребность в железном порошке. Повышение требований к качеству сталей и сплавов вызывает необходимость увеличения использования металлизованного сырья (губчатого железа, металлизованных окатышей, крицы). При введении металлизованного сырья в шихту сталеплавильных печей обеспечивается получение металла высокого качества с минимальным содержанием вредных примесей (серы и фосфора) и примесей цветных металлов. Часть металлизованного сырья используют также при выплавке чугуна в доменных печах. В настоящее время все большее развитие получают процессы прямого получения или так называемая бескоксовая металлургия.

Существующие способы прямого получения железа в зависимости от физического состояния получаемого продукта и соответственно температуры процесса разделяют на три группы. К первой группе относятся способы получения губчатого железа и металлизованных окатышей, осуществляемые при сравнительно низких температурах, при которых протекают только восстановительные процессы, без плавления пустой породы. Продукт восстановления получается в твердом виде. Ко второй группе относятся способы получения крицы (слипшаяся масса губчатого железа). Температурные условия процесса значительно выше. Наряду с восстановлением оксидов железа происходит расплавление пустой породы с образованием шлака. Частицы восстановленного металла свариваются, образуя тестообразную крицу. К третьей группе относятся способы получения жидкой стали, осуществляемые при температурах выше точки плавления железа. Конечными продуктами являются жидкий металл и шлак.

Особенности этих процессов прямого получения железа обусловливают различие требований к исходному металлургическому сырью и восстановителям. При производстве губчатого железа и металлизованных окатышей используют богатые, не содержащие вредных примесей руды или концентраты и малосернистые восстановители. Это связано с тем, что пустая порода руд и концентратов в процессе восстановления не претерпевает никаких изменений и остается в твердом продукте, а сера восстановителя может переходить в железо. При производстве крицы, в связи с переходом пустой породы в шлак, который затем отделяется от металла, можно использовать бедные руды и низкосортное твердое топливо. Для получения жидкой стали можно применять богатые пылевидные руды и концентраты, а также брикеты или окатыши и различные угли, в том числе и антрациты.

В качестве восстановителей применяют: 1) газы — монооксид углерода (СО), водород или смеси этих газов: 2) твердые вещества — коксик или различные виды низкосортного топлива.

Способы прямого получения железа можно классифицировать также по состоянию слоя обрабатываемых материалов и соответственно применяемого оборудования:

1. Плотный неподвижный слой (восстановление, осуществляемое в ретортах, конвейерных машинах, тиглях).

2. Плотный подвижный слой (восстановление происходит в шахтных или вращающихся печах).

3. Псевдоожиженный слой, образуемый из плотных слоев при воздействии аэродинамических, вибрационных, электродинамических и других сил. Слой имеет увеличенный объем и частицы в нем движутся подобно тому, как движутся частицы в кипящей жидкости (восстановление осуществляется в колоннах или в трубчатых печах).

4. Взвешенный слой, состоящий из двух фаз, газа и твердых частиц, образует своего рода облако или движется с газовым потоком (процесс осуществляется в колоннах, циклонах, реакторах и кольцевых печах).

Из большого числа разработанных процессов наибольшее распространение получили процессы получения губчатого железа и металлизованных окатышей. Процесс получения крицы, хотя и применяют в ряде стран, однако вследствие невысокой производительности он не является перспективным. Процессы прямого получения жидкой стали пока применяются в опытных и полупромышленных масштабах и не могут конкурировать с двухстадийным способом производства стали (доменная печь — сталеплавильная печь). Однако это не исключает возможность их дальнейшего совершенствования и разработки более эффективных и экономически рентабельных процессов.

Дата добавления: 2015-06-22 ; просмотров: 1296 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник

Современные процессы прямого получения железа

Прямой метод добычи железа из сырья (руды) использовали давно, еще до современных доменных печей. В настоящее время этот метод возрождается, но теперь уже с применением современных способов и новых устройств.

Есть несколько вариантов получения железа прямым способом. Они отличаются по температурному режиму, применяемому для их получения, а также по состоянию конечного продукта.

Методы получения железа прямым способом

• Производство губчатого железа
Проходит при пониженных температурных параметрах, в результате чего восстанавливаются окислы железа. Процесс плавки рудных пород отсутствует и в результате получается твердый продукт. Для выпуска губчатого железа используют туннельные, шахтные и трубчатые печи. В современном мире внедряются новейшие способы с применением специальных реакторов.

• Производство крицы
Температурный режим в этом процессе выше, применяется плавление рудных пород. В результате металлические частицы свариваются и образуют крицу, которая имеет тестообразную консистенцию. Чтобы изготовить кричное железо сейчас применяются вращающиеся печи.

• Производство жидкой стали
Жидкая сталь получается при значительно высоких температурных параметрах. При такой методике получается шлак и металл в жидком виде.

Преимущества получения железа прямым способом

• Имеется возможность не расходовать металлургический кокс, а заменить его другими разновидностями топлива.

• Возможность получать металл в чистом виде, полностью освобожденный от примесей, в т.ч. фосфора, серы.

• В концентратах высокое содержание железа (до 72 %).

• Возможность применять руду, содержащую ценные компоненты (хром, ванадий, никель).

• Эффективно для производства губчатого железа. Оно применяется в процессах выплавки стали, а также для изготовления железного порошка.

Виды используемого сырья

• Чтобы получить губчатое железо, в основном, применяют обогащенную породу, в которой отсутствуют посторонние примеси, окатыши и агломерат. А также применяются восстановители, содержащие небольшое количество серы, потому что пустая порода не изменяется и может оставаться в губчатом железе. Следовательно, сера, содержащаяся в восстановителе, перейдет в железо.

• Для изготовления кричного железа можно использовать более бедную руду и низкосортное топливо. Это возможно из-за того, что пустая руда перейдет в шлак, который впоследствии удаляется из металла.

• Чтобы получить жидкую сталь применяют обогащенное пылевидное сырье, окатыши, брикеты, которые получены из разных видов угля.

Конечные продукты, имеющие различные степени чистоты находят свое применение в разных сферах производства, а именно:

• Губчатое железо необходимо при изготовлении железного порошка, а также оно может заменить железный лом при плавке стали высокого качества в мартенах и электрических печах.

• Кричное железо, так как является более загрязненным сырьем, содержащим посторонние примеси, используется в качестве железного лома в мартеновских, доменных, электродуговых печах и конвертерах.

Все вышеперечисленные способы получения железа прямым методом из породы имеют главный недостаток: низкий коэффициент полезного действия установок. Это существенно сужает область их использования.

В последние годы во многих странах растет интерес к способам прямого получения железа. Проводятся работы по улучшению имеющихся методов получения железа прямым способом. А также, разрабатываются более совершенные, более эффективные способы производства стали из руды, без использования доменных печей. Есть вероятность, что в перспективе производства железа и стали будут основаны на использовании электрической и атомной энергии, высокотемпературной плазмы.

Источник

Классификация процессов прямого получения железа

Известно, что при всех преимуществах доменная плавка имеет два существенных недостатка: может работать только на окускованных шихтовых материалах и значительное потребление дорогого дефицитного кокса.

Поэтому во всем мире активно разрабатывают и внедряют различные процессы прямого получения железа из руд.

Внедоменные процессы получения жидкого металла непо­средственно из железорудных материалов очень многообразны по типу агрегатов, используемых восстановителей и получаемых продуктов, поэтому можно с различных позиций их и классифицировать.

Целесообразно разделить все техно­логические схемы внедоменного получения жидкого металла на две группы: многоступенчатые процессы, которые предусматривают две и более стадий на пути переработки железорудных материалов в жидкий металл, и одностадийные — процессы, осуществляемые в одном агре­гате.

Многоступенчатые процессы включают стадии нагрева и восстано­вления железорудных материалов, плавления и рафинирования полу­чаемого металла. Все эти стадии могут осуществляться в агрегатах раз­личного типа, работающих в одной технологической цепи. Например, для нагрева и частичного восстановления железорудных материалов могут быть применены шахтные или вращающиеся печи, реакторы кипящего слоя, циклонные камеры, конвейерные машины или другие агрегаты, а для окончательного восстановления, плавления и рафини­рования металла — электропечи (сопротивления, индукционные, ду­говые, плазменные), отражательные печи и другие.

Разделение во времени и пространстве стадий восстановления и плавления железорудных материалов, осуществляемых при различных температурах, является основным преимуществом многоступенчатых процессов, так как позволяет повысить стойкость огнеупорной футе­ровки агрегатов, избежать нежелательного явления — настылеобразования и слипания материалов.

Классификация процессов прямого получения железа из руд следующая: по применяемым агрегатам, типу восстановителя, по состоянию получаемого продукта и по назначению получаемого продукта.

Способы прямого восстановления железных руд можно разделить на три основные группы по температурному режиму, определяющему вид конечного продукта.

1 Процессы восстановления при низких температурах (не выше 1100 0 С) с получением твердого губчатого железа.

2 Восстановление в тестообразном шлаке во вращающихся печах при 1250-1350 0 С с получением сваренных зерен металла, образующих крицу.

3 Процессы восстановления при температурах выше 1500 0 С, конечным продуктом которых является жидкий металл.

Производства металлизированных материалов могут быть двух типов:

а) средневосстановленные (на 30–40%) рудные, концентратные и концентратно-топливные офлюсованные и неофлюсованные окатыши, брикеты и агломераты, предназначенные для использования в доменных печах;

б) высоковосстановленные (до 90–98%) окатыши, брикеты и другие аналогичные материалы, предназначенные для использования в установках прямого получения железа и сталеплавильных агрегатах; такие материалы могут использоваться и как заменитель лома при производстве стали;

в) продукция со степенью металлизации более 98% используется для производства железного порошка используемого в порошковой металлургии.

Введение металлизированных материалов в шихту доменных печей существенно улучшает показатели их работы: можно существенно снизить расход кокса и повысить производительность печи.

Металлизация проводится по двум направлениям.

1. Металлизации может быть как самостоятельной, когда восстанавливаются готовые окатыши и брикеты в отдельных агрегатах, так и совмещенным со спеканием агломерата или обжигом окатышей.

2. Совмещение спекания с металлизацией выгодно с точки зрения энергетических затрат, но технологически более сложно:

а) восстановление материалов газами СО и Н₂, которые получают конверсией природного газа в смеси с воздухом, водяным паром или кислородом в специальных агрегатах – реформерах или конвертерах; по другому методу эти газы получают сжиганием твердого топлива с недостатком воздуха, т.е. при переработке этого топлива в газогенераторах;

б) производство концентратно — топливных окатышей и брикетов и последующее частичное восстановление их газами за счет выделяющегося при неполном сгорании топлива оксида углерода.

Мидрекс процесс

При совмещении спекания и металлизации в одном процессе восстановление осуществляют либо за счет твердого топлива, подаваемого в шихту, либо за счет этого топлива и просасываемых через слой восстановительных газов.

Осуществляются такие процессы в шахтных печах, реакторах кипящего слоя, вращающихся трубчатых печах, и при спекании и обжиге – на ленте агломерационной или обжиговой машины.

Сущность конверсии заключается во взаимодействии природного газа с водяным паром, оксидом углерода (IV) или кислородом при температуре 900 – 1450 °С по реакциям:

Эти реакции протекают при наличии специальных катализаторов. Условием успешного их протекания является предварительная очистка природного газа от серы.

Более 70% промышленных мощностей по производству металлизированных материалов работают по процессу Мидрекс, впервые осуществленному в 1969 г. в США. Его принципиальная схема приведена на рисунке 8.1. Сырые окатыши получают из магнетитового концентрата с добавкой бентонита по обычной технологии в барабанном окомкователе 7. Затем они обжигаются в шахтной печи 11 (в последующих конструкциях установки эту печь заменили обычной обжиговой ленточной машиной).

1-дисковые фильтр; 2-промежуточный бункер; 3-тарельчатый питатель; 4-весы; 5-бункер с бентонитом; 6-смеситель; 7-барабанный окомкователь; 8-грохот для сырых окатышей; 9-ленточный питатель; 10-пылеуловитель; 11-печь для обжига окатышей; 12-камера горения; 13-спиральный классификатор; 14-шаровая мельница; 15-грохот для обожженных окатышей; 16-скиповый подъемник; 17-шахтная печь для металлизации; 18-газовый холодильник; 19-конвейер металлизированных окатышей; 20-бункер металлизированных окатышей; 21-установка для конверсии природного газа

Рисунок 10.1- Схема процесса Мидрекс

Охлажденные до 425 °С окатыши сортируют по крупности на грохоте 15. Отсортированные окатыши направляют на металлизацию в шахтную печь 17.

Окатыши восстанавливают конвертированным газом, полученным при конверсии природного газа оксидом углерода, отходящим из шахтной печи, в конвертерах 21. Перед подачей в конвертеры отходящий из шахтной печи газ очищают от пыли и влаги. Металлизированные продукты со степенью металлизации 95% и содержанием углерода 0,7–1,0% охлаждаются в нижней части печи циркулирующим инертным газом до температуры 50–65 °С, после чего выгружаются в бункер 21, где хранятся в инертной атмосфере до отправки потребителю. Циркулирующий газ охлаждается водой в холодильнике 18.

Одна установка Мидрекс производит в год около 400 тыс. т металлизированных на 90–95% окатышей, потребляя около 1500–1800 м 3 восстановительных газов на тонну продукта. Этот расход можно уменьшить, используя одну часть колошникового газа как топливо, а другую, направляя на конверсию.

Источник