Direkte reduktion af jern

Direkte reduktion af jern  er reduktion af jern fra jernmalm eller pellets ved hjælp af gasser (CO, H 2 , NH 3 ), fast kulstof , gasser og fast kulstof sammen. Processen udføres ved en temperatur på omkring 1000 °C, hvorved malmens gråbjerg ikke bringes til slaggedannelse , urenheder ( Si , Mn , P , S ) gendannes ikke, og metallet er rent [1] . Følgende udtryk findes også i litteraturen: metallisering (delvis metallisering) af malme, direkte produktion af jern, ikke-domæne (ikke-domæne) jernmetallurgi, koksfri jernmetallurgi [2] . Produktet af processen kaldes direkte reduktionsjern (DRI fra engelsk.  Direct reduction iron ).

Historie

Forsøg på at få stål uden om højovnsprocessen er blevet gjort i USSR siden 1950'erne [3] . Industriel produktion af jern direkte fra malm, uden om højovnsprocessen (ved brug af koks), dukkede op i 1970'erne . De første installationer til direkte reduktion af jern var ineffektive, og slutproduktet havde en relativt stor mængde urenheder. Den udbredte brug af denne proces begyndte i 1980'erne , da naturgas begyndte at blive meget brugt i minedrift og metallurgiske kompleks , som var ideelt egnet til direkte reduktion af jernmalm. Derudover viste det sig, ud over naturgas, i processen med direkte reduktion af jern at være muligt at bruge kulforgasningsprodukter (især brunkul ), tilhørende olieproduktionsgas og andet reducerende brændstof.

Teknologiske ændringer, der fandt sted i 1990'erne , gjorde det muligt væsentligt at reducere kapital- og energiintensiteten af ​​forskellige direkte jernreduktionsprocesser, som et resultat af hvilke der var et nyt spring i produktionen af ​​DRI-produkter (fra det engelske  Direct Reduction of Iron ) [4] .

Klassificering af processer

Den mest foretrukne, ifølge de fleste eksperter, er klassificeringen i henhold til den opnåede type produkt:

• opnåelse af delvist metalliserede (metalliseringsgrad 30-50%) materialer til højovne;
• opnåelse af et højt metalliseret produkt (metalliseringsgrad 85-95%) i fast form (svampet jern) til omsmeltning i stålsmelteenheder for at opnå stål ;
• opnåelse af et metalliseret produkt i plastisk tilstand ( blomstrende jern) til forskellige formål, herunder som en variant af pyrometallurgisk berigelse af ildfaste, fattige og komplekse malme;
• fremskaffelse af flydende metal (støbejern eller mellemprodukt) til omsmeltning i stålovne [5] .

Sammenligning med en domæneproces

Muligheder for forarbejdning af lavkvalitets jernmalm

Højovnsprocessen sikrer fremstilling af konditioneret støbejern fra jernmalme med ethvert jernindhold, mens jernindholdet kun påvirker de tekniske og økonomiske indikatorer for processen. Metallisering af dårlige malme kan kun være effektiv til at opnå blomstrende jern og flydende metal. Det er ineffektivt at opnå delvist metalliserede materialer og jernsvamp fra dårlige malme. Når man opnår delvist metalliserede materialer fra dårlige malme, er det nødvendigt at bruge mere varme på at opvarme gråbjerget og øge forbruget af reduktionsmidlet. Fremstillingen af ​​jernsvamp fra malme indeholdende mere end 2,5-3,0 % gråbjerg fører til en kraftig stigning i strømforbruget i processen med smeltning af metalliserede pellets på grund af en kraftig stigning i mængden af ​​slagger [5] .

Tilstedeværelse af urenhedselementer

Højovnen er i stand til fuldt ud at sikre produktionen af ​​råjern konditioneret i form af svovl. Fjernelse af kobber, fosfor, arsen fra støbejern i en højovn er umulig. Lavtemperaturprocesser til fremstilling af jernsvamp sørger ikke for fjernelse af tilknyttede elementer, det vil sige, at alle tilknyttede elementer, der er til stede i den oprindelige malm, forbliver i jernsvampen og kommer ind i stålfremstillingsenheden. Det samme gælder for produktionen af ​​blomstrende metal (en vis grad af svovlfjernelse er mulig her). At opnå flydende metal giver dig mulighed for at fjerne flygtige elementer (zink, alkalimetaller) fra processen, og graden af ​​fjernelse af svovl, arsen og fosfor afhænger af procestilstanden [6] .

Malmens fysiske egenskaber

I en højovn forarbejdes udelukkende klumpet jernmalm, og stykkernes størrelse bør ikke være mindre end 3-5 mm. Derfor behovet for processen med agglomerering af malme. Dette krav forbliver obligatorisk for fremstilling af svamp og lynjern i skakt- og roterovne. Lavtemperaturmetallisering af knuste malme er mulig i specielle enheder (for eksempel fluid bed-apparater). For de fleste metoder til off-domæne produktion af flydende metal er størrelsen af ​​malmstykker ligegyldig, derfor er det muligt at udelukke dyre processer til agglomerering af små malme fra det metallurgiske stadie [7] .

Brug af ikke-mangelfulde brændstoffer

Moderne højovne bruger kun metallurgisk koks som brændsel . Først og fremmest skyldes dette koksets højstyrkeegenskaber, som bevares ved høje temperaturer. Ingen af ​​de i øjeblikket kendte (2007) typer fast brændsel kan konkurrere med koks i denne henseende. De fleste af de kendte metoder og teknologier inden for jernmetallurgi kræver ikke brug af koks som en ladningskomponent. Reducerende gasser opnået på forskellige måder (hovedsageligt ved fremstilling af svampejern), ikke-mangelfulde kultyper, brunkul og deres produkter, olieprodukter osv., kan anvendes [7]

Brug af nye energiformer

På trods af at brugen af ​​plasma, nukleare og andre nye energikilder til højovnsproduktion ikke er udelukket, observeres den største effekt af deres anvendelse i ikke-domæneproduktion af metal. Dette øger chancerne for, at nye teknologier kan konkurrere med højovnsprocessen i fremtiden [8] .

Teknologi

Processerne til at opnå jernsvamp udføres ved moderate temperaturer under anvendelse af et gasformigt eller fast reduktionsmiddel i forskellige enheder: aksel, rør, tunnel, muffel , efterklangsovne , elektriske varmeovne, batch-retorter, transportmaskiner, reaktorer med fluidiseret leje osv. Nogle gange disse enheder er forbundet i komplekser, hvor de oftest kombineres med en elektrisk ovn (elektrisk højovn eller lysbue ) for at producere flydende metal (støbejern og stål ). Oftest bruges jernsvamp som et højrent additiv til stålskrot . Den mest stabile efterspørgsel efter jernsvamp er observeret i lande med utilstrækkelig højovnsproduktionskapacitet og forsyninger af stålskrot.

De vigtigste processer, der anvendes i drift, under opførelse og projektanlæg til fremstilling af jernsvamp, er processer, der anvender skaktovne og batch-retorter. Processer, der anvender roterovne og et fast reduktionsmiddel finder industriel anvendelse, hovedsageligt i behandlingen af ​​metallurgisk affald - støv og slam, som indeholder urenheder af zink, bly osv., samt komplekse jernmalme (rige på titanium, krom, nikkel , mangan osv. .), ikke egnet til brug i højovne. Processer i et fluidiseret leje er blevet mindre udbredt på grund af en række specifikke egenskaber (strenge krav til partikelstørrelsesfordeling , gasdynamiske begrænsninger for eksistensen af ​​et fluidiseret leje, temperaturforhold osv.).

Metalliseringsprocesserne i skaktovne ligner i mange henseender de processer, der forekommer i højovnes skakt i området med moderate temperaturer. Der er dog væsentlige forskelle: der er ingen koks i skaktovnen; brint spiller en vigtig rolle i reduktionen af ​​jernoxider; den reducerende gas er den eneste varmekilde, der leverer alle processens varmebehov.

Under reduktionsprocessen ristes pellets og behandles i en skaktovn med varmgas (fast brændsel) omdannelsesprodukter, der indeholder brint . Brint reducerer let jern :

det forurener ikke jernet med urenheder som svovl og fosfor , som er almindelige urenheder i kul . Jern opnås i fast form og smeltes derefter ned i elektriske ovne. For at opnå et ton jern ved direkte reduktion fra malm er det nødvendigt at bruge cirka 1000 m 3 brint.

I sin kerne er processen med direkte reduktion af jern genvinding af jern fra malme , uden om højovnsprocessen , det vil sige, at koks ikke er involveret i processen.

Den mest modne og udbredte proces er Midrex- processen . Siden 1983 har fire moduler af Midrex-metalliseringsprocessen med en samlet kapacitet på 1.700 tusinde tons metalliserede pellets om året været i drift på Oskol Electrometallurgical Plant . Hvert modul inkluderer: akselmetalliseringsovn , reformer (naturgaskonverteringsreaktor); inert gas produktionssystem; aspirationssystem. Vandstyringssystemet, stearinlys, kontrolrum og strømforsyning er fælles for hvert modulpar.

Skaktovnen til metallisering består af en læsse (mellemliggende) tragt; øvre dynamisk port med læssefordeler og læsserør; genvindingszoner; mellemliggende zone; kølezoner; ildfast foring; permanente foderautomater; nedre dynamisk lukker og pendulfremfører (til aflæsning af det færdige produkt) [9] .

Direkte reduktionsprodukter

Svampejern

Svampejern er et produkt, der opnås som et resultat af reduktion af jernmalmmateriale uden at smelte det ved en temperatur på mindre end 1000-1200 ° C. Afhængigt af typen af ​​råmateriale er svampejern porøse stykker af reduceret malm (sjældent sinter ) eller pellets, og i nogle tilfælde - metalpulver. Da volumetriske ændringer i materialet er relativt små under reduktion, er densiteten af ​​jernsvamp mindre end densiteten af ​​råmaterialet, og porøsiteten er stor. Normalt er den tilsyneladende tæthed af klumpet jernsvamp 2-4 g/cm 3 , og porøsiteten er 50-80%.

I nogle processer til reduktion af fin malm, kedelsten eller koncentrat i et fast leje (f.eks. i Hoganes-processen), sintres det oprindelige pulvermateriale samtidigt. Densiteten af ​​den resulterende briket afhænger til en vis grad af reduktionstemperaturen. På grund af den lave massefylde af jernsvamp er dets bulkmasse mindre end skrotets, hvilket nogle gange fører til behovet for brikettering (presning) før smeltning. Brikettering udføres på presser af forskellige typer ved specifikke tryk på 1-3 tf/cm 2 ; samtidig med at densiteten af ​​briketterne opnås op til 5 g/cm 3 .

Den højtudviklede overflade og høje indbyrdes kommunikerende porøsitet af svampejern forårsager dets øgede oxiderbarhed under opbevaring og transport under ugunstige atmosfæriske forhold, selvom de tilgængelige data om dette spørgsmål er modstridende. Brikettering reducerer oxidation.

Den kemiske sammensætning af jernsvamp bestemmes hovedsageligt af sammensætningen af ​​råmaterialet. Sammenlignet med skrot er det meget renere med hensyn til indholdet af ikke-jernholdige metalurenheder . Indholdet af gråbjerg i den er højere end i den oprindelige malm, i forhold til graden af ​​reduktion. Sædvanligvis tjener rige malme eller koncentrater som råmaterialer; derfor udsættes jernsvamp ikke for yderligere rensning, og det indeholder alle urenhederne i råmaterialets råmateriale. Ved modtagelse af jernsvamp fra dårlige råmaterialer udsættes det for berigelse ved magnetisk adskillelse .

Svampejern bruges til at smelte stål (hovedsageligt i elektriske ovne), karburering af kobber (udfælde det fra svovlsyreopløsninger) og opnå jernpulver.

Metalliseret ladning

En metalliseret ladning er et delvist reduceret jernmalmråmateriale, der bruges i en højovn og i oxygenkonvertere til at afkøle smelten (i stedet for malm og skrot). Genvindingsgraden af ​​den metalliserede ladning overstiger normalt ikke 80 %, mens den for jernsvamp oftest ikke falder under 90 %.

Flash jern

Det blomstrende jern, der nu produceres, adskiller sig fra det blomstrende jern, som for flere århundreder siden blev opnået i blomstrende smedjer i form af store stykker og smedet direkte til produkter. Varmt jern produceres i øjeblikket i rørformede roterovne fra dårlige jern- og jern-nikkelmalme ved at reducere dem ved 1100-1200°C. Det er en ret lille (størrelse 1-15 mm) metalpartikler med mekaniske urenheder og indeslutninger af slagger . Mængden af ​​slaggeurenheder, afhængigt af formalingsskemaet og magnetisk adskillelse af mellemproduktet, er 10-25%. Ved forarbejdning af krom-nikkelmalme indeholder den resulterende opblomstring nikkel. Normalt har kritz også et højt indhold af fosfor og svovl. Som regel bruges kritsa i højovne og i nogle lande - i elektriske ovne til smeltning af stål eller ferronickel .

Støbejern eller kulstof mellemprodukt

Råjerns- eller kulstofhalvfabrikata fremstilles i roterovne eller i elektriske ovne direkte forbundet med reduktionsovnen, hvor reduktionsmidlet er fast brændsel. Støbejern opnået ved ikke-domænemetoder adskiller sig ikke fra almindelig højovn ; i nogle tilfælde fås et halvfabrikat med et lavere indhold af visse urenheder end i støbejern. Omfordelingen af ​​råjern og halvfabrikata til stål sker uden problemer i velkendte stålsmelteanlæg og for halvfabrikata til noget lavere omkostninger end omfordelingen af ​​højovnsråjern [ 10] .

Processer implementeret i praksis og deres aggregater

Gasgenvinding

• Råmaterialer (oxiderede pellets og klumpmalm) → Skaktovne (Purofer, Midrex, Arex, Hyl III, Hyl ZR)
• Råmaterialer (oxiderede pellets og klumpmalm) → Retorter (Hyl I)
• Råmaterialer (malm, affald) → Fluid bed-reaktorer (Fior, Finmet, Cincored, Spirex, Iron Carbide)

Trækulsgenvinding

• Rørovne (OSI, TDR, DRC, Ghaem, SL/RN, Jindal, Siil, Codir)
• Roterende ildstedsovne (Comet, Fastmet, Inmetco, Dry Iron, Iron Dynamics)
• Fluid bed reaktor (Circofer)
• Roterovn med flere ildsteder (Primus)

• Smeltegeneratorprocesser ( Corex , Finex)
• Wet Bath Processes (DIOS, Romelt (også kendt som IPL-proces), Hismelt, AusIron, Tecnored, AISI Direct, Ironmaking, CCF)
• Jet-emissionsprocesser (IRSID, BISRA, SER)

• Dored, Krupp-Renn, Ecketorp-Wallack, Boucher-metoden, Kawasaki fluidiseret slagge bed-proces, COIN [12]

Se også

• Varmt briketjern
• Oskol elektrometallurgisk anlæg

Links

• Big Encyclopedia of Oil and Gas

Noter

1. ↑ Yusfin, 1994 , s. 178.
2. ↑ Yusfin, Pashkov, 2007 , s. 5-6.
3. ↑ Pegushin. På tærsklen til fremtiden . Hentet 10. oktober 2018. Arkiveret fra originalen 16. august 2016. (ubestemt)
4. ↑ Yusfin, 1994 , s. 4-5.
5. ↑ 1 2 Yusfin, Pashkov, 2007 , s. 7.
6. ↑ Yusfin, Pashkov, 2007 , s. 7-8.
7. ↑ 1 2 Yusfin, Pashkov, 2007 , s. otte.
8. ↑ Yusfin, Pashkov, 2007 , s. 8-9.
9. ↑ Yusfin, 1994 , s. 180-181.
10. ↑ Knyazev, 1972 , s. 12-13.
11. ↑ 1 2 Rybenko, 2018 , s. atten.
12. ↑ Khodosov, 2016 , s. 24.

Litteratur

• Yusfin Yu. S. , Gimmelfarb A. A. , Pashkov N. F. Nye metalproduktionsprocesser / anmeldere:V. I. Loginov,S. E. Lazutkin. -M .: Metallurgi, 1994. - 320 s. -2000 eksemplarer.  —ISBN 5-229-02229-X.
• Khodosov IE Udvikling og forskning af processer til opnåelse af metalliserede materialer ved hjælp af råmaterialebasen fra Kuzbass. Resumé af afhandlingen for graden af ​​kandidat for tekniske videnskaber . - Novokuzetsk: som manuskript, 2016. - 164 s.
• Knyazev V. F. , Gimmelfarb A. I. , Nemenov A. M. Koksfri jernmetallurgi. - Moskva: Metallurgi, 1972. - 272 s.
• Yusfin Yu. S. , Pashkov N. F. Jernmetallurgi : en lærebog for universiteter / anmelder G. N. Elansky . -M .: ICC "Akademkniga", 2007. - 464 s. -2000 eksemplarer.  —ISBN 978-5-94628-246-8.
• Rybenko IA Udvikling af teoretiske grundlag og udvikling af ressourcebesparende teknologier til direkte reduktion af metaller ved hjælp af metoden og det instrumentelle system til modellering og optimering. Resumé af afhandlingen til doktorgraden i Tekniske Videnskaber . - Novokuzetsk: som manuskript, 2018. - 308 s.