Для передела в сталь используют около 80 % всего чугуна. Двухстадийная технология современного сталеплавильного производства: руда→чугун→сталь является технически несовершенной. С давних времен известна принципиально иная технология — получение стали из заранее восстановленного железа. Например, еще в VII—X вв. высококачественную булатную сталь для холодного оружия получали плавкой железа с углерод-содержащими добавками в небольших тиглях. Из многочисленных разработанных и опробованных способов восстановления железа из руды некоторые нашли, хотя и ограниченное промышленное применение. Перспективной является металлизация рудных окатышей для использования в производстве стали. Ведутся большие работы по разработке сталеплавильных агрегатов непрерывного действия.
Альтернативные доменному процессы
В развитых странах до 70 % валового национального продукта (ВНП) составляет продукция, содержащая металлы. Причем доля черных металлов среди конструкционных материалов находится в пределах 90…92 %. Именно поэтому металлургия является базовой отраслью промышленности. Такой она останется и в XXI веке. Прогнозы 60…70-х гг. ХХ века о расширении масштабов замены стали пластмассами, алюминием, композитами, керамикой не оправдались. Реально доля замены сталей альтернативными материалами находится в пределах 2…5 %. Поэтому все возрастающее значение будет приобретать способность материала к повторному использованию - рециклированию, исключающему загрязнение и загромождение окружающей среды. По всем этим параметрам сталь превосходит альтернативные материалы. Количество рециклирования пластмасс не достигает и 10 %, а для таких новых материалов, как композиты, керамика, стекловолокно, пока вообще равно нулю.
Многовековое существование металлургии отягощает ее современный облик устаревшими технологиями, не учитывающими новые экологические требования по защите окружающей среды. Сталь производят на интегрированных заводах из чугуна, используя капиталоемкие кислородные конверторы или мартеновские печи для удаления углерода. В то же время чугун производят из сырья, не содержащего углерода, но при выплавке в домне по условиям технологии происходит его науглероживание.
Производственный цикл выпуска металлопродукции подразделяется на две стадии:
1) получение жидкого металла;
2) обработка стальных заготовок в твердом состоянии при высоких температурах с получением различной металлопродукции.
Пластическая деформация металла на 2-й стадии меньше всего связана с загрязнением окружающей среды и обеспечивается в настоящее время все более совершенным оборудованием.
Более консервативной является стадия получения жидкого металла, основным звеном которой является доменная печь, в которой используется кокс. Коксохимическое производство - один из основных источников загрязнения окружающей среды. Доменная печь требует специальной подготовки к плавке железорудного сырья: измельчения, обогащения, окускования в виде агломерата и окатышей. Все это вынуждает иметь горно-обогатительные комбинаты или производства. Конструкция доменной печи не позволяет осуществлять непрерывный выпуск из нее металла, хотя сам процесс его выплавки происходит непрерывно. Это не благоприятствует разработке непрерывных сталеплавильных процессов.
В последние десятилетия в мировой металлургии наряду с действующими металлургическими интегрированными заводами (заводами с полным циклом) начали строить мини-заводы, использующие для выплавки стали металлолом. Эту тенденцию породили два обстоятельства.
1. Накопление запасов металлолома при переходе от мартеновского к кислородно-конвертерному производству стали, при котором содержание лома в шихте по сравнению с мартеновским процессом ограничено.
2. Развитие непрерывной разливки стали.
В результате появилась возможность создавать небольшие заводы, используя дуговые электропечи, переплавляющие в сталь накопленные ресурсы металлолома. При этом отпадает необходимость иметь в производственном цикле добычу железорудного сырья, его обогащение и окускование, производство кокса. Инвестиционные затраты по такой схеме резко сокращаются, а себестоимость стали конкурентоспособна (с учетом экономии на транспортных расходах) со сталью интегрированных заводов. Это позволяет выходить на рынок металлопродукции сравнительно небольшим частным фирмам, производящим ограниченный сортамент металлопродукции.
Существуют методы прямого восстановления железа природным газом в шахтных печах или углем во вращающихся печах, скорость протекания которых ограничена процессом диффузии. Переплав полученного сырья в сталь происходит в дуговых электропечах. Это требует иметь минимум примесей, а запасы железных руд в мире, удовлетворяющих этим требованиям, ограничены. Все это накладывает ограничения на использование прямого восстановления для массового производства сталей.
В мировой металлургии были неоднократные попытки получения жидкого металла без использования кокса, методом жидкофазного восстановления с использованием энергетического угля в качестве восстановителя.
Такая попытка была осуществлена в СССР В. П. Реминым в 1949 г. Работы были засекречены. Опыты на дуговой электропечи прошли неудачно, хотя сам процесс жидкофазного восстановления железа из рудного расплава происходил. Не удалось разработать приемлемую технологию и построить соответствующий агрегат в виде так называемой глетчерной печи.
В 60-е гг. была неудачная попытка осуществить жидкофазный процесс восстановления железа под названием "Доред" в наклонном вращающемся конверторе в Швеции. В 70-х гг. в Швеции предложен жидкофазный процесс и агрегат для его осуществления. Однако и эта разработка не дошла до промышленной технологии.
После этого в Швеции были созданы опытные агрегаты процессов "Элред" и "Инред", в которых восстановление осуществлялось в две стадии. Первая из них в "Элреде" осуществлялась в реакторе с кипящим слоем, а в "Инреде" - в камере взвешенной плавки. В последней стадии в обоих случаях использовалась электропечь. До промышленного освоения эти процессы доведены не были. Процессы жидкофазного восстановления железа с использованием в качестве реакционной зоны ванны жидкого чугуна разрабатывались также в ФРГ и Японии.
В конце 70-х гг. в ФРГ был разработан процесс "Корекс", и в 1982 г. начала работать демонстрационная установка. В разработке принимала участие австрийская фирма "Фёст Альпине", которая в дальнейшем возглавила развитие этого процесса в мире. В 1989 г. в ЮАР фирма "Искор" ввела в эксплуатацию взамен доменной печи промышленную установку “Корекс” с годовой производительностью 300 тыс. тонн жидкого чугуна. Фактически установка "Корекс" представляет собой разнесенные в пространстве шахту и горн доменной печи (рис. 1.20). Они связаны между собой передачей шихты из шахтной печи в реактор-газификатор (горн) и газа из реактора в шахтную печь. Благодаря такой конструкции удалось заменить кокс энергетическим углем. Впервые в промышленном масштабе был реализован процесс выплавки чугуна бездоменным способом с использованием угля вместо кокса.
В установке "Корекс" процесс восстановления осуществляется в две стадии в разных агрегатах. В шахтной печи 3 идет твердофазное восстановление газом из реактора 1, в котором происходит газификация угля с помощью кислорода. Доля этого восстановления в процессе находится в пределах 90%. Работа шахтной печи, как и доменной, требует окускованного железорудного сырья с высоким содержанием железа (окатыши, богатая кусковая руда), имеющего заданный гранулометрический состав. В результате, в процессе "Корекс" имеются ограничения по мощности установки.
Сырье из шахтной печи с помощью специальных устройств передается в реактор 1, где происходит его расплавление и довосстановление с получением жидкого чугуна, аналогичного доменному чугуну. Следовательно, в процессе "Корекс" собственно жидкофазное восстановление в реакторе составляет не более 10%. Такие комбинированные твердофазные и жидкофазные процессы восстановления железа, в отличие от прямого восстановления (только твердофазного), получили название восстановительной плавки или плавильно-восстановительных процессов.
Рис. 1.20. Технологическая схема процесса КОРЕКС: 1-реактор-газификатор; 2- угольный бункер; 3- шахтная печь; 4- скруббер колошникового газа; 5- водяной холодильник;6- циклон; 7-нагнетатель; 8- сгуститель
Процессы в реакторе установки "Корекс" предъявляют свои требования к технологии. Наряду с углем, в реактор периодически загружают кокс, расход которого может достигать 15 % от расхода угля. Газы, выходящие из реактора, нельзя непосредственно передавать в шахтную печь. Требуется их охлаждение до температуры восстановления и сухая очистка от пыли в специальных циклонах перед шахтной печью. Конструктивные параметры установки "Корекс" требуют, в отличие от доменной печи, иметь две системы шихтоподачи (отдельно для железорудной шихты и отдельно для угля), дополнительую сухую систему газоочистки от пыли в циклонах, шнековую систему передачи высокотемпературного сырья из шахтной печи в реактор.
В результате, общие размеры установки превышают размеры доменной печи одинаковой мощности, и величина инвестиций в "Корекс" выше. Однако при этом нет необходимости иметь коксохимическое производство с соответствующими инвестициями. Фирма "Фёст Альпине" успешно продвигает процесс "Корекс" на мировом рынке технологий, строятся новые установки "Корекс" и уже действуют в Корее и в Индии.