«Общая характеристика бескоксового производства металла»

Сегодня существуют две схемы производства черного металла. Первая – традиционная и весьма эффективная: «домна – конвектор». В этом случае для металлургического процесса требуется кокс. А это и проблемы коксующихся углей, и экологии. Второй способ – металлизация. Это безкоксовая металлургия. Из 700 миллионов тонн стали, ежегодно производящейся  в мире, путем металлизации получают пока только 15–20%. Но, что важно отметить, происходит непрерывное наращивание доли металла, производимого по данной технологии. И это в условиях рыночной экономики неслучайно – высокое качество конечной продукции должно быть органично увязано с идеологией создания мини-заводов, способных гибко реагировать на запросы рынка.

У доменной печи есть серьезный недостаток: непременное «блюдо» в ее рационе – кокс. В природе кокса, как известно, нет. Его получают из каменных углей, но не из любых, а лишь из тех, что имеют склонность к коксованию (спеканию). Таких углей в мире не очень много, поэтому год от года они становятся все дефицитнее и дороже. Да и уголь еще нужно превратить в кокс. Процесс этот довольно сложный и трудоемкий, сопровождающийся выделением вредных побочных продуктов с отнюдь не парфюмерными ароматами. Чтобы по возможности избавить от них атмосферу, воду, почву, приходится сооружать дорогостоящие очистные устройства. Удорожание кокса привело к тому, что он оказался самой солидной статьей в себестоимости чугуна: на его долю приходится примерно половина всех затрат. Поэтому доменщики стремятся сократить расход кокса, частично заменяя его природным газом, пылевидным углем, мазутом, и здесь уже достигнуты немалые успехи. Проблемами бескоксовой металлургии занимался еще основоположник современного металловедения Д.К.Чернов. Он предложил оригинальную конструкцию шахтной печи, которая выплавляла бы не чугун, а железо и сталь. К сожалению, его идее не суждено было воплотиться в жизнь.

Сторонником бездоменного производства был и Д.И.Менделеев. «Я полагаю, – писал он на рубеже столетий, – что придет со временем опять пора искать способы прямого получения железа и стали из руд, минуя чугун.»

Первая удачная промышленная установка для прямого получения железа была сооружена в 1911 году в Швеции по проекту инженера Э. Сьерина. Достоинством этой технологии было то, что восстановителем, отбирающим у железа кислород, служили отходы угольного и коксового производства, а сама печь отапливалась дешевыми сортами угля. В 1918 году шведский инженер М. Виберг предложил вести процесс восстановления в шахтной печи, используя для этой цели горючий газ, содержащий окись углерода и водород. Способ позволял превращать руду в 95-процентное железо.

В нашей стране большим энтузиастом бездоменной технологии был доцент Сибирского института В.П. Ремин, который еще в конце 30-х годов разработал конструкцию электропечи. В те годы металлургии, несмотря на многочисленные попытки разработать способы получения железа непосредственно из руды, не удавалось найти решение, которое бы удовлетворяло: либо несовершенной была технологическая схема, либо оставляло желать лучшего качество получаемого металла, кроме того, не оправдывались экономически: металл получался очень дорогим. Трудной задачей оставался и выбор восстановителя.

К концу 50-х годов металлурги пришли к твердому убеждению, что в роли восстановителя в процессах прямого получения железа должен выступать газ. Это означало то, что восстановитель оказывался практически бесплатным: изобретатели предложили использовать отходящий газ электросталеплавильных цехов, который прежде выбрасывался в атмосферу. Оригинальным было и другое решение. Из шахтной печи, где происходило восстановление железа, горячий газ направлялся не в небеса, а в рекуператор и отдавал свое тепло поступающему туда газу-восстановителю. В начале 60-х годов был достигнут новый успех: вместо утилизированного электропечного газа в них использовался природный газ. Разумеется, он стоил несколько дороже. После тщательного изучения вопроса решено было строить в нашей стране металлургическое предприятие, в основе работы которого лежал бы именно такой процесс.

Первенцем бездоменной металлургии в нашей стране стал Оскольский электрометаллургический комбинат (ОЭМК). Место для его строительства выбрали вблизи города Старый Оскол Белгородской области, расположенного недалеко от крупных горно-обогатительных комбинатов Курской магнитной аномалии. Прошло несколько лет, и в белгородской степи выросли корпуса современного металлургического предприятия, работающего по принципиально новой технологии. В чем же она заключается?

Проследим весь путь, который проходит здесь железо, – от руды до стали. Начальный пункт этого пути – Лебединский горно-обогатительный комбинат (ЛебГОК). Выбор на него пал не случайно. Добываемая здесь железная руда, во-первых, легко обогащается (от 34 до 70% железа), а, во-вторых, в концентрате практически нет вредных примесей, и потому он идеальное сырье для прямого получения железа. Путь железа из недр на металлургическое предприятие начинается с «нарушения» традиций: вместо рельсового транспорта, которым обычно перевозится руда, здесь она попадает в подземный трубопровод. По нему богатый железорудный концентрат, полученный обогащением добытой из недр руды, вместе с попутчицей- водой, одна тонна которой несет одну тонну концентрата, отправляется в принудительное (под давлением) 26-километровое путешествие, заканчивающееся в приемном резервуаре уже на металлургическом комбинате.

Гидротранспорт концентрата имеет ряд бесспорных преимуществ перед железнодорожным вариантом. Прежде всего, это значительно более низкие капитальные и эксплутационные затраты. Далее, трубы намного долговечнее рельсов и шпал, да и к тому же им не страшна непогода. В январе 1985 года зима покрыла белгородскую землю таким снежным «одеялом» и ледяным панцирем, что рельсовому транспорту пришлось очень нелегко, а автомобильное движение кое-где и вовсе замерло. Пульпа же (вода с концентратом) бесперебойно поступала на ОЭМК. Добавьте и такой весомый аргумент: по производительности гидравлический транспорт в несколько раз превосходит железнодорожный. Наконец, явно лучше условия труда персонала, обслуживающего пульпопровод.

Из приемного резервуара пульпа направляется в отделение фильтрации цеха окомкования, где на дисковых вакуум-фильтрах из нее удаляется влага. Затем к полученному концентрату добавляется глинистое вещество, которое во вращающихся барабанных окомкователях склеивает частицы концентрата в небольшие, диаметром 1-2 см, шарики – сырые окатыши. Это наиболее подходящее по размерам сырье для дальнейших технологических операций. Окатыши пока непрочны, а им предстоит еще немало испытать: удары на грохоте, где происходит отсев слишком крупных и слишком мелких шариков (после измельчения они вновь вовлекаются в технологический процесс), падение с высоты и, наконец, давление со стороны лежащих выше слоев в установке металлизации. Требуемую прочность окатышам придает обжиг на конвейерной машине. Из цеха окомкования выходят обожженные окатыши, содержащие более 67% железа.

По закрытым ленточным транспортерам обожженные окатыши поступают в цех металлизации. Здесь высятся 64-метровые цилиндрические башни с внутренним диаметром 5 метров. Это установки шахтного типа, в которых и происходит прямое восстановление железа. Окатыши поступают в приемное устройство, находящееся в верхней части установки. Далее по веером расположенным трубам они равномерно загружаются в шахту, где опускаются под действием собственного веса. А навстречу им поступает горячий восстановительный газ, полученный в реформерах. Здесь природный газ очищается от серы (в нем остается не более 5-10 молекул серы на миллион молекул газа) и подвергается углекислотной конверсии: метан и другие углеводороды превращаются в оксид углерода (II) и водород. Эти сильные восстановители при 500-800 градусах легко отбирают у железа кислород. И окисленные окатыши превращаются в металлизованные: в них теперь уже более 90% железа. Весь процесс, включая подготовку газа и восстановление железа, протекает в замкнутой системе: колошниковый газ (отходящий из шахты) используется для конверсии природного газа; В атмосферу сбрасывается лишь дым из межтрубного пространства реформера после использования тепла.

Металлизованные окатыши постоянного химического состава – превосходная шихта для выплавки высококачественной стали. На ОЭМК этот процесс осуществляется в больших 150-тонных дуговых печах. Печи оборудованы пылешумоизолирующим кожухом. Благодаря мощному трансформатору плавка длится немногим более 2,5 часа: в два раза короче, чем в обычных электропечах. Слитая в ковш сталь подвергается дополнительной внепечной обработке: вакуумированию, продувке аргоном и рафинирующими порошками. Это позволяет еще больше повысить качество металла. Освободившийся от газов и других нежелательных примесей металл разливается на машине непрерывного литья в сортовые заготовки.

Итак, процесс получения стали на ОЭМК состоит из двух главных стадий: первая – приготовление из железорудного концентрата окисленных окатышей и их металлизация, вторая – выплавка из них стали. Выходит, что если сравнивать эту технологию с традиционной по числу стадий, то выигрыша достигнуть не удалось. Это действительно так. Но арифметика здесь отступает на второй план, а на авансцену выходят технология, экономика и экология. Прежде всего бездоменная металлургия позволяет отказаться от постоянно дорожающего кокса, а значит, и от сложного хозяйства коксохимических, агломерационных и доменных цехов. Выплавленная бездоменным путем электросталь содержит значительно меньше серы и фосфора, попадающих в обычную сталь из руды и чугуна, и от ненужных для стали цветных металлов, встречающихся в металлоломе. Чистота стали – залог ее высоких механических, физических и технологических свойств, таких, как ударная вязкость, пластичность, магнитные характеристики, температурный порог хрупкости при низких температурах. Благодаря этому металл способен долго и надежно работать в трудных условиях, характерных для современной техники.

Трудозатраты на производство одной тонны металлизованных окатышей на ОЭМК ниже, чем на получение передельного чугуна.

Есть еще один важный аспект: для бездоменной металлургии характерна высокая культура производства: практически отсутствуют такие атрибуты традиционной технологии, как пыль, шум, грязь. Кроме того, почти полная автоматизация и механизация производства. Металлизационные установки, можно сказать, стерильны для окружающей среды, в то время как доменные и коксовые печи наносят довольно мрачные тона на голубую картину неба. Коксохимическое производство к тому же регулярно «снабжает» атмосферу сернистыми газами, фенолами, цианидами и другими вредными веществами. Но если действительно «мы не можем ждать милостей от природы», то природа вправе ждать милостей от нас. Примером такой милости, а точнее говоря, проявления разумного, бережного отношения к природе и служит, в частности, внедрение в металлургию бездоменной технологии получения железа.

В настоящее время в России установок металлизации всего 5, их общая мощность – 2,7 миллиона тонн стали в год. Эти установки, как и доменные печи, используют в качестве сырья железорудные окатыши. Окатыши (шарики 12–16 мм в диаметре) получают из магнетитового концентрата, который в свою очередь производится путем обогащения и измельчения исходной магнетитовой руды. Магнетитовый концентрат поступает в окомкователи, формирующие шарики. Полученные шарики обжигают на конвейерной машине. Затем окатыши загружают  в установки металлизации, где в условиях нагрева их восстановительным газом формируют конечный продукт – металлическое железо.

Показатели работы металлургических агрегатов  зависят от физико-химических свойств, или служебных характеристик окатышей. Среди них особое место играет прочность как исходных окатышей, так и в процессе их обработки в металлургических агрегатах.               

В Институте металлургии работы по изучению служебных характеристик окатышей  начались еще в 70-е годы прошлого века. Исследования проводились комплексно. Одновременно уделялось внимание двум моментам – закономерностям формирования качества окисленных окатышей и оптимизации тепловых схем обжиговых конвейерных машин, на которых эти окатыши производятся.

По вопросам формирования структуры окатышей и их поведения при восстановительно-тепловой обработке в агрегатах шахтного типа в то время уже был накоплен и опубликован обширный материал как в отечественной, так и иностранной литературе. Его обобщение, а также результаты исследований, выполненных в Институте металлургии В.А. Горбачевым, позволили сформулировать ряд новых принципов создания при окислительном обжиге окатышей такой структуры, которая была бы устойчивой к разрушению в условиях процесса металлизации.

К началу 80-х годов в нашей стране сложились определенные воззрения относительно того, какие элементы структуры шарика, или окатыша, определяют его свойства, и каким образом можно управлять этим процессом на обжиговой машине, или получать окатыши с заданными свойствами для того агрегата, где они будут в дальнейшем использоваться. В.М. Абзаловым, С.Н. Евстюгиным, Л.И. Леонтьевым, Г.М. Майзелем были разработаны оригинальные тепловые схемы, способствующие решению задачи и не имеющие аналогов в мировой практике. Этот симбиоз и определил успех комплексного подхода к проблеме формирования качества окатышей на конвейерных машинах с учетом специфики их восстановительно-тепловой обработки при выплавке чугуна и металлизации.

Таким образом, процессы прямого восстановления в черной металлургии являются альтернативой доменному процессу. Их можно классифицировать следующим образом:

процессы жидкофазного восстановления;

процессы твердофазного восстановления;

комбинированные процессы.