В СССР разработка процесса жидкофазного восстановления железа была начата Московским институтом стали и сплавов (МИСиС) в конце 70-х гг. В отличие от процессов Запада, МИСиС создавал полностью жидкофазный процесс, в котором восстановление железа целиком осуществляется одноступенчатым способом в одном агрегате. В качестве реакционной зоны, в которой непрерывно осуществляются процессы восстановления, используется шлаковый расплав, содержащий до 3% FeO. Агрегаты с жидкой шлаковой ванной применяются в цветной металлургии при переработке сульфидных медно-никелевых руд. Протекание окислительных процессов обеспечивается продувкой шлаковой ванны кислородсодержащим дутьем. При этом достигается необходимый барботаж шлаковой ванны, который интенсифицирует протекание в ней теплообменных процессов.
Принцип барботируемой шлаковой ванны в качестве реакционной зоны используется в черной металлургии для осуществления восстановительных процессов. Источником тепла для их протекания является энергетический уголь, который сжигается до СО с сохранением в объеме ванны восстановительной атмосферы. Для конкурентоспособного производства жидкого металла необходимо иметь удельный расход угля в пределах 1 т на 1т жидкого металла. Поэтому в агрегате жидкофазного восстановления заложен принцип использования тепла от дожигания газов, выходящих из барботируемой шлаковой ванны. С использованием указанных выше принципов был спроектирован и построен Новолипецким металлургическим комбинатом (НЛМК) в 1984 г. опытно-промышленный агрегат. Размеры агрегата, имеющего площадь пода 20 м2, обеспечивали возможность проверки осуществления промышленной технологии жидкофазного восстановления и работоспособности его конструкции. Схема агрегата приведена на рис. 1.21.
а - продольный и б - поперечный разрезы
Рис. 1.21. Схема агрегата "РОМЕЛТ": 1 - барботируемый слой шлака; 2- металлический сифон; 3- переток; 4- горн с подиной; 5-слой металла; 6- фурмы нижнего ряда (барботажные); 7- шлаковый сифон (отстойник); 8- дымоотводящий патрубок; 9- загрузочная воронка; 10- водоохлаждаемые кессоны; 11- фурмы верхнего ряда (для дожигания); 12- слой спокойного шлака
Для черной металлургии это был агрегат нового типа. Освоение процесса производилось МИСиС и НЛМК в течение 1985-1986 гг. Были доказаны осуществимость одностадийного процесса жидкофазного восстановления и работоспособность конструкции агрегата. Разработана промышленная технология жидкофазного восстановления различных железосодержащих материалов. В 1987 г. способ жидкофазного восстановления запатентован в 13 странах мира. В условиях экономического кризиса в России МИСиС начал коммерциализацию процесса под названием "Ромелт" путем продажи лицензий фирмам Японии, США, Индии.
Получаемый чугун по составу соответствует доменному чугуну, однако, содержание в нем Si и Mn не превышает 0,15% в связи с температурными условиями восстановления в пределах 1450-1500оС. Это важная особенность чугуна "Ромелт", позволяющая более эффективно перерабатывать его в сталь ввиду уменьшения образования при этом шлака. Полностью жидкофазный одностадийный процесс, при котором восстановление железа происходит из расплава железосодержащих материалов, позволяет перерабатывать их без окускования и сортировки по размерам. Это сокращает издержки производства и позволяет перерабатывать мелкие руды и другие железосодержащие материалы, в том числе и отходы. Замена кокса углем исключает затраты на его производство. Все это значительно сокращает цикл получения жидкого металла за счет исключения звеньев по производству окатышей, агломерата и кокса.
Жидкофазный процесс в агрегате осуществляется за счет непрерывного восстановления железа в шлаковой ванне. Оно поддерживается непрерывной совместной загрузкой железосодержащей шихты и угля в шлаковую ванну в определенном соотношении. Не требуется никакого предварительного смешения, загрузка происходит через обычное отверстие в своде агрегата. Непременным условием процесса является барботаж шлаковой ванны кислородсодержащим дутьем через нижний ряд горизонтальных фурм. При этом обеспечивается быстрое равномерное распределение и растворение шихтовых материалов в ванне. Шлаковая ванна подразделяется на две зоны:
· надфурменная зона раздуваемого дутьем шлака, в которой происходят процессы плавления и восстановления, а также пиролиза угля;
· подфурменная зона спокойного шлака, через которую опускаются на подину капли чугуна из надфурменной зоны.
Отсутствие необходимости предварительной подготовки железосодержащей шихты в агрегате "Ромелт" принципиально отличает его от двух- и более стадийных процессов типа "Корекс" и позволяет иметь существенную экономию.
Дополнительным преимуществом процесса "Ромелт" является возможность работать на шихте с пониженным содержанием железа в пределах 45-55%. Такая возможность создается тем, что восстановление ведется из шлаковой ванны, содержащей всего 3 % оксида железа. Появляется возможность освоения месторождений с относительно низким содержанием железа.
Продолжительность кампании металлургического агрегата обычно определяется стойкостью футеровки в реакционной зоне, где происходит процесс восстановления. В агрегате "Ромелт" в этой зоне огнеупорная футеровка заменена водоохлаждаемыми медными кессонами, а в зоне надшлакового пространства и в своде - стальными кессонами. Такие кессоны, покрытые гарниссажем, являются надежным ограждающим устройством.
Единственным дополнительным элементом в установке "Ромелт", сравнительно с доменными печами и многостадийными процессами восстановительной плавки, является котел-утилизатор тепла отходящих из агрегата газов. Они удаляются через обычное отверстие в своде агрегата и с помощью водоохлаждаемого дымоотводящего патрубка направляются в котел-утилизатор. В котле-утилизаторе происходит полное дожигание газа до СО2 и воды с выделением при этом соответствующей энергии и снимается физическое тепло отходящего газа с температурой 1600-1700°С до 250-300°С.
Альтернативные бескоксовые процессы
Ранее уже рассматривались принципиальные различия между процессами "Корекс" и "Ромелт", которые свидетельствуют о более высокой экономической эффективности "Ромелта". Это связано с отсутствием необходимости специальной подготовки железосодержащей шихты и угля, более низкими расходами на амортизацию. Наиболее существенное влияние на эффективность оказывает величина капиталовложений. Для процесса "Ромелт" она значительно ниже, чем для процесса "Корекс", ввиду меньшего в несколько раз объема агрегата и отсутствия необходимости иметь герметичный кожух агрегатов, специальные загрузочные устройства, шлюзовые затворы, шнековые питатели.
В Японии это был процесс, в котором, кроме реактора жидкофазного восстановления в виде вертикального конвертера с верхней подачей кислорода, имеются агрегаты подогрева шихты и предварительного восстановления в реакторах кипящего слоя. В них железосодержащая шихта подогревается и восстанавливается примерно на 25%. В реакторе жидкофазного восстановления в качестве реакционной зоны используется шлаковая ванна, производится неполное дожигание выделяющихся газов, имеется водяное охлаждение в зоне дожигания. Таким образом, использованы успешно апробированные в процессе "Ромелт" принципы. Однако неоправданная многостадийность процесса делают конструкцию установки дорогостоящей, а технология процесса потребует повышенных издержек производства.
Процесс "НISМЕLТ", опробованный на опытной установке в Австралии, также является многостадийным. Доля жидкофазного восстановления составляет около 70%. В этом процессе реакционной зоной является ванна жидкого чугуна. Это исключает возможность использования в ней водоохлаждаемых кессонов и требует огнеупорной футеровки, низкая стойкость которой будет препятствием в условиях промышленной эксплуатации. По последним публикациям, конфигурация реактора приближается к агрегату "Ромелт".
Голландская фирма разрабатывает комбинированный двухстадийный процесс ССР (циклон-конвертер) с использованием экспериментальных установок. Ее представители в 1998 г. знакомились с работой агрегата "Ромелт" в г. Липецке.
В настоящее время в разработках новых процессов в черной металлургии наметилась тенденция к переходу на одностадийные процессы. Например, Американский институт черной металлургии в течение ряда лет разрабатывал двухстадийный процесс с предварительным восстановлением и плавильно-восстановительным реактором конвертерного типа. В настоящее время разработки по процессу этого института прекращены и прорабатывается другая возможность бескоксового получения металла. В Австралии фирма "АUSМЕLТ" в конце 1994 г. объявила о работах по созданий демонстрационной установки для получении жидкого металла из железной руды с использованием угля. Для черной металлургии эта фирма создает одностадийный жидкофазный процесс с использованием шлаковой ванны в качестве реакционной зоны и подачей кислорода для барботажа ванны. Агрегат имеет конфигурацию, сходную с "Ромелтом".
Таким образом, апробированные в процессе "Ромелт" приемы получают распространение при создании новых процессов.
Направления использования процесса "Ромелт"
В разработке новых процессов появилось направление, связанное с утилизацией отходов сталеплавильного производства. В США, где доля электростали к концу века может достигнуть 50% в общей выплавке, в настоящее время приобретает большую остроту переработка пыли газоочисток электросталеплавильных цехов. С 1988 г. запрещено ее захоронение в землю, так как она отнесена к опасным отходам. Основным содержанием этих отходов является железо (до 40%), а также цинк и свинец. При переплаве лома цинк и свинец практически полностью удаляются с отходящими газами и вместе с железом улавливаются на газоочистке. До последнего времени на заводах различных фирм США для переработки электросталеплавильной пыли в промышленном масштабе применялись различные технологии цветной металлургии. Целью в конечном итоге является извлечение цинка, свинца и других ценных элементов. Железо при этом не используется и, как правило, безвозвратно теряется.
Наша концепция переработки железосодержащих отходов черной металлургии, включая электросталеплавильную пыль, предусматривает не только извлечение из отходов цветных металлов, но и одновременно использование железа для выплавки чугуна. С учетом практически бесплатной пыли (расходы только на подготовку и транспортировку) и достаточно высокой стоимости получаемого концентрата процесс такой переработки отходов с получением чугуна будет высокорентабельным.
Процесс "Ромелт" полностью подходит для промышленной реализации этой концепции. Более 10 лет на агрегате в Липецке перерабатываются цинксодержащие шламы газоочисток конвертерных цехов. Проводились специальные плавки по переработке шихты, содержащей 24% Fe, 7,6% ZnO, 0,85% PbO, а также щелочные элементы в виде оксидов K и Na в пределах 1-2,7%. Получался чугун, c содержанием цинка менее 0,02%, причем потери железа со шлаком не превышали 2,5%. Содержание цинка в тонкой фракции пыли газоочистки превышало 70%.
Другим направлением может быть переработка природнолегированных железных руд с получением легированного чугуна, а также переработка карбонатных железных руд.
Процесс "Ромелт" получил признание на мировом рынке технологий новых процессов в черной металлургии. Однако в настоящее время нельзя ставить вопрос о замене доменного производства чугуна жидкофазными или комбинированными процессами восстановительной плавки. Действующее доменное производство с уже осуществленными инвестициями всегда будет экономически более эффективно, чем жидкофазные установки, которые для своего строительства требуют новых инвестиций, даже если себестоимость металла последних будет ниже. Поэтому выделение преимуществ и особенностей процесса жидкофазного восстановления "Ромелт" сравнительно с доменным процессом не означает стремления к замене действующих доменных печей. Возможность начала второго пути наиболее вероятна после 2005 г.
Более остро этот вопрос стоит перед странами, увеличивающими объемы производства в черной металлургии (Индия, Китай и др.). Там этот выбор надо делать уже сейчас с учетом характеристики ресурсов для черной металлургии (железная руда, уголь). МИСиС с АО НЛМК уже организовали в Индии совместную фирму "САИЛ - РОМЕЛТ" для продвижения там своего процесса.
В России в настоящее время реальным путем для использования процесса "Ромелт" является переработка металлургических отходов в целях защиты окружающей среды и сокращения безвозвратных потерь железа.
Особое положение может занять использование процесса "Ромелт" на мини-заводах, которые для выплавки стали используют дуговые электропечи, работающие на шихте из лома. Использование металлолома создает две проблемы:
· конъюнктурное колебание цен на лом
· появление в стали из лома вредных примесей цветных металлов, количество которых непрерывно увеличивается из-за многократных переплавов лома.
Выходом является использование в шихте электропечей первородного жидкого чугуна из агрегата "Ромелт". Это снизит зависимость завода от поставок лома и колебаний цен на него, уменьшит содержание в сталях примесей цветных металлов. Подобный завод уже ряд лет действует в ЮАР на фирме "Искор", где электропечь снабжается жидким чугуном от установки "Корекс".
Преимуществом чугуна процесса "Ромелт", как указывалось, является низкое содержание в нем Si и Mn, что облегчает его переработку в сталь.