Современные проблемы металлургии и материаловедения

Современная черная металлургия вступила в период глобализации рынка стали, для которого характерно, с одной стороны – отсутствие географических и политических барьеров для перемещения сырья, топлива и продукции черной металлургии, с другой стороны законов экономики и рынка. Одновременно этот период характеризуется ориентацией технологического развития в черной металлургии на сокращение: потребления ресурсов, в первую очередь кокса, производственных отходов и загрязняющих окружающую среду выбросов. Эти факторы, а также региональные сырьевые и топливные ресурсные особенности различных стран стимулируют их специалистов, а также международные инжиниринговые фирмы на разработку новых технологий производства первородного железа, способных выдерживать конкуренцию с классическими технологиями и превосходящих их по использованию энергетических и экологических ресурсов.

Последние десятилетия прошедшего века породили десятки способов производства железа в виде металлических порошков, окатышей и брикетов или жидкого чугуна. Некоторые из них применяются в промышленности уже десятки или несколько лет, а другие лишь заявляют о себе на международном рынке технологий публикациями о результатах лабораторных и полупромышленных испытаний.

1. Введение

Массовое производство железа и сплавов на его основе уже более 6-ти веков связано с доменным процессом, который на длительном историческом периоде базировался на использовании древесного угля и лишь последние два с половиной века выплавка чугуна производится в коксовых доменных печах. Древесноугольная плавка сохранилась к настоящему времени лишь в специфических условиях отдельных регионов и осуществляется в нескольких десятках доменных печей малого объема.

Процессы получения железа из рудных материалов без применения доменной технологии существуют уже более 2500 лет, но они в настоящее время занимают относительно скромную нишу об общем производстве железа и его сплавов. В последние десятилетия ХХ - века на коммерческих уровень вышли два основных направления бездоменной металлургии железа – производство губчатого железа и производство чугуна. Первое направление связано в первую очередь с процессами низкотемпературного восстановления подготовленного железорудного сырья, осуществляемого главным образом в противоточных шахтных реакторах восстановительным газом, получаемых путем реформирования природного газа (процессы Midrex и HYL в различных модификациях).

Процессы бездоменного получения чугуна в промышленности представлены пока только единственным процессом Corex. Находится на пути к промышленной реализации Российских процесс РОМЕЛТ, прошедший испытания – выплавлено более 40000 т чугуна на самых разнообразных железорудных материалов и промышленных отходов на пилотной установке. Около десятка других процессов производство чугуна или жидкого полупродукта в различных агрегатах с использованием подготовленной и неподготовленной руды и каменного угля пока еще не преодолели стадию полупромышленных испытаний.

1. Стимулы и новейшая история развития процессов бездоменной металлургии

Развитее процессов бездоменной металлургии железа в последние десятилетия стимулируется различными причинами к которым относятся:

1. возрастающий дефицит коксующихся углей и кокса
2. наличие в ряде стран больших запасов природного газа при отсутствии запасов коксующихся углей
3. растущие требования к качеству стали и потребность в первородном железе, не загрязненном примесями цветных металлов и серой
4. ограниченность ресурсов металлолома гарантированной чистоты и стабильного состава
5. наличие недорогой электроэнергии атомных электростанций и возможности получения металлопродукции без больших капитальных затрат по схеме «производство ГЖ (губчатое железо)- электроплавка»
6. меньшая потребность в экологических ресурсах

В прошлом веке наблюдался периодически возрастающий интерес к развитию процессов производства ГЖ и жидкофазного восстановления.

В 30-50 годах развивались процессы получения ГЖ в тиглях (Hoganas) в шахтных печах (Wiberg) и во вращающихся печах (Krupp) с использованием в качестве восстановителя угля или кокса.

С конца 50-х годов развиваются процессы получения ГЖ в стационарных ретортах (HYL1) и ретортах со взвешенным слоем (FIOR) с использованием восстановительного газа.

С конца 60-х годов появилось множество процессов получения ГЖ в шахтных реакторах (более 14 процессов) с использованием восстановительного газа, получаемого из природного газа, промышленное применение из которых нашли только процессы Midrex и HYL.

В настоящее время развиваются процессы получения ГЖ с использованием в качестве топлива угля в печах с вращающимся подом (FASTVTN, COMET, INMETCO), более совершенные процессы металлизации дисперсного железорудного сырья во взвешенном слое (FINMET) и процессы получения ГЖ в шахтных реакторах с самореформингом природного газа (Ghaem, HYL3).

Европейское объединение угля и стали в 1958 году насчитывало 20 различных установок по производству ГЖ в тиглях, во вращающихся печах, в реакторах со взвешенным слоем. Однако, производство ГЖ в 1970 г. составило только 0,7 мтн.т.

Через 20 лет тот же источник сообщал о наличии 36 действующих установок по производству ГЖ из которых 14 были шахтными реакторами.

В 1980 году производство ГЖ достигло 7 млн.т., в 1990 -18, в 2000 году -43,2 при наличии мощностей по производству ГЖ около 59 млн.т.

Процессы жидкофазного восстановления в 50-х годах начинали осуществлять во вращающихся печах (Basst, Struzelberg,SL/RN). В дальнейшем разрабатывались процессы в стационарных реакторах с использованием угля или природного газа (Cyclosteel, Jet Smelting).

В 1976 году насчитывалось 8 процессов, основанных на предварительном восстановлении железнорудных материалов с последующим плавлением полученного металлизированного сырья в дуговой печи.

С конца 70 годов в Швеции разрабатываются процессы с использованием угля и электричества (Elred, Inred, Plasmasmelt) в этот же период появились два двухстадийных процесса, использующих уголь: коммерческий процесс Corex и другие процессы включая kawasaki и COIN.

Последняя волна (80-ые годы) дала несколько процессов нацеленных на производство чугуна без применения кокса при небольшой производительности (0,5 -1,0 млн.т. в год). Большинство этих процессов являются двухстадийными. Эти процессы включают: DIOS, CCF, AISI, Hismelt. Их разработка была закончена к 1990 г.

Основные термины бездоменной металлургии

Скрап и металлолом используются как синонимы, что является практически общепринятыми в металлургической литературе. Однако выделяют различные виды скрапа в зависимости от времени его рециклирования. При этом используют обычно два понятия: «быстрый» или «оборотный» скрап, который образуется в процессе производства и обработки стали, и «основной» или амортизационный скрап, образующийся в процессе износа различных изделий из металла. За счет «основного» скрапа в настоящее время удовлетворяется около 33 % производства стали.

Потребление скрапа в мире составляет около 360 млн.т. и за последние 10 лет оно выросло незначительно. Наличие скрапа в будущем зависит от степени рециклирования стали ее пользователями на различных стадиях жизненного цикла стали. Выход годного на различных стадиях передела увеличивается и ожидается за последние 15 лет выход годного возрастет с 80% до 85-90%. Это означает уменьшение выхода «быстрого» скрапа.

Готовые стальные изделия превращаются в «основной» скрап после их жизненного цикла, длительность которого зависит от их характера и назначения.

Считается что доля основного скрапа может увеличится на 20, 30 и даже 50%. При этом доля «быстрого» скрапа, с известным хим. составом и легко сортируемого будет непрерывно снижаться.

Возрастающая загрязненность основного скрапа цветными металлами, неконтролируемый состава этого скрапа и трудности сортировки сильно ограничивают его применение при выплавке значительного числа марок стали повышенного качества. Металлошихта для выплавки таких марок стали обязательно должна включать ГЖ или чугун.

Дата добавления: 2014-11-18