Тенденции развития современной металлургии и новые процессы получения железа

Мартеновский процесс, долгое время державший монополию в области производства стали, уступил в конце 60-х годов XX века место более производительному кислородно-конвертерному. Дальнейшая борьба шла уже между конвертерным и набирающим силу электросталеплавильным процессом.

Динамика развития процессов производства стали

Растущий спрос на специальные виды сталей и развитие мини-миллов (небольших прокатных заводов, имеющих в составе электропечи) упрочил позиции этого способа производства стали. Развитие основных процессов производства стали с середины XX века представлено на диаграмме:

Доля мартеновского производства по итогам 2008 года в мире составляла 2,2%. Мартеновское производство сосредоточено в основном в странах СНГ (23,4% от общего производства стали по итогам 2008 года). В связи с закрытием избыточных и малоэффективных производств на фоне мирового финансового кризиса доля мартеновского производства по итогам 2009 года значительно сократилась. Так, на российских предприятиях о закрытии мартеновских цехов объявили Череповецкий МК (Северсталь) и Нижнетагильский МК (Евраз). Таким образом, по итогам 2010 года доля мартеновского производства составляла уже 14,3% в странах СНГ и 1,3% - в мире.

Соотношение между конвертерным и электросталеплавильным процессами в общем объеме производства стали в ближайшей перспективе сохранится: с одной стороны растет количество предприятий неполного цикла (мини-миллы) с использованием электрометаллургии, с другой стороны – ведущий мировой производитель стали Китай наращивает производство именно конвертерной стали (доля кислородно-конвертерной стали в КНР по итогам 2010 года составляет 90,2%).

Основные компоненты металлошихты для сталеплавильных процессов

Компонентами металлошихты для производства стали в общем случае являются чугун, лом черных металлов и металлизованное сырье (Direct Reduction Iron – DRI).

Металлошихта для основных сталеплавильных процессов может варьироваться в довольно широком диапазоне и зависит в большинстве случаев от доступности ресурсов и ценовых соотношений между ними. Так, в периоды роста стоимости железорудного сырья и снижения цен на лом чёрных металлов комбинаты увеличивают использование лома за счёт снижения чугуна и наоборот.

Общее представление о технологических диапазонах изменения сталеплавильной шихты можно получить из следующей таблицы:

Кислородно-конвертерное Электростале-плавильное Мартеновское (скрап-рудный процесс) Мартеновское (скрап процесс)

Примечание:

* – ограниченное применение

Наибольшая вариативность металлошихты наблюдается в электросталеплавильном производстве. Источником тепла в ЭСП является энергия электрической дуги и необходимость в других теплоносителях отсутствует, что снимает потребность в приходе тепла от компонентов шихты.

Как уже говорилось выше, мартеновский процесс ввиду его незначительной доли в мировом производстве не играет значительной роли в потреблении металлосырья. Таким образом, в общем виде схема классического производства стали выглядит следующим образом:

Преимущества классической схемы:

• высокая степень извлечения железа;
• высокая удельная производительность;
• высокий тепловой КПД;
• эффективный расход энергоресурсов.

Недостатки классической схемы:

• высокие стартовые капитальные затраты при строительстве нового производства;
• необходимость предварительного окускования шихты;
• использование кокса в качестве основного энергоносителя и восстановителя;
• ограниченные ресурсы качественного лома черных металлов.

Новые процессы получения железа

Основные причины возникновения новых процессов получения железа вытекают из недостатков классической схемы: стремление сократить технологическую цепочку и снизить зависимость от использования кокса – основного восстановителя и источника тепла в классической схеме производства стали. Как следствие – в обозначении новых процессов часто используются термины «прямое получение железа» и «бескоксовая металлургия».

По виду производимого полупродукта новые процессы получения железа разделяют на твердофазные и жидкофазные. Доля последних крайне мала (5-6% от всей бескоксовой металлургии) и их полупродукт не может выступать в составе металлошихты в качестве полновесной альтернативы лому.

Исходным сырьём для новых процессов являются железная руда или железорудные окатыши. Таким образом, стадия восстановления (перевод железа из окисленной формы в металлическую) также присутствует и в процессах альтернативной металлургии.

В качестве восстановителя в твердофазных процессах используют продукты конверсии (перевода в CO и H2) природного газа или продукты газификации углей. Вследствие относительно низкой эффективности применение газификации углей ограничено. В последнее время процессы, связанные с газификацией углей, наиболее активно развиваются в Индии.

В жидкофазных процессах основным восстановителем и источником тепла является уголь.

Схема производства стали из металлизованного полупродукта приведена ниже:

Многообразие идей и схем реализации породило множество названий для процессов и продуктов бескоксовой металлургии. Перечислим наиболее употребимые из них:

• DRI – Direct Reduced Iron
• SI, SPI – Sponge Iron
• HBI – Hot Briquetted Iron
• HDRI – Hot Direct Reduced Iron
• CDRI – Cold Direct Reduced Iron
• МП – металлизованный полупродукт
• ЖПВ – железо прямого восстановления
• ЖПП – железо прямого получения
• ПВЖ – прямовосстановленное железо
• ГЖ – губчатое железо
• ГБЖ – горячебрикетированное железо
• Наиболее часто встречающиеся:
• DRI – процессы и продукты производства «бескоксовой» металлургии
• SI, SPI (ГЖ) – продукт твердофазных процессов
• HBI (ГБЖ) – брикетированный продукт твердофазных процессов

В общем виде схема производства металлизованного продукта приведена ниже:

Классификация новых процессов производства железа

По виду используемого восстановителя новые процессы классифицируются по следующим группам:

I. Природный газ

• шахтная установка непрерывного действия (Midrex, Armco, Purofer, HYL-III);
• шахтная установка периодического действия – реторта (HYL-I, HYL-II);
• агрегат с кипящим слоем.

II. Природный газ + уголь

• вращающаяся трубчатая печь, шахтная установка (ITmk3).

III. Уголь

• одностадийные (Romelt);
• многостадийные (Corex, Finex, Hismelt, DIOS).

Для процессов I и II групп характерен твёрдый металлизованный продукт, процессы III группы производят жидкий полупродукт. Как уже говорилось выше, распространённость процессов III группы очень ограничена (5...6%), поэтому дальнейшее изложение будет касаться аспектов производства и использования твёрдых металлизованных продуктов.

Развитие технологий производства металлизованного полупродукта

Развитие процессов прямого восстановления идёт параллельно в двух направлениях: с одной стороны увеличивается количество реализованных проектов по технологии Midrex с использованием природного газа в качестве источника восстановителей, с другой стороны – развиваются процессы, основанные на конверсии углей. Наиболее популярна эта технология в Индии – государстве со значительными запасами железной руды и угля и с одним из самых незначительных удельных объёмов потребления стали (51 кг/человека), что делает её перспективной в отношении развития металлургического сектора.

Развитие процессов прямого восстановления железа (% от общего объёма производства DRI) 

Особенности производства твёрдого металлизированного продукта

Технологическая схема производства металлизованного продукта предъявляет определённые требования и накладывает некоторые ограничения на используемое сырье:

<tr">

Процесс металлизации проводится в агрегатах с противотоком твёрдых материалов и газов.

Необходимость окускования исходных материалов для улучшения газопроницаемости шихты.

Таким образом, основными недостатками новых процессов производства железа являются:

• низкая удельная производительность агрегатов;
• необходимость использования шихты с высоким содержанием железа и низким содержанием пустой породы и примесных элементов;
• высокая потребность в энергоносителях и кислороде;
• высокие требования к условиям хранения и транспортировки.

Страны-производители DRI

Условия целесообразности строительства установок по производству DRI:

• относительно малая потребность внутреннего рынка в стали;
• малые ресурсы металлического лома и коксующихся углей;
• значительные ресурсы железной руды и природного газа.

Установки внедоменного получения железа сооружаются, в основном, в развивающихся странах, которые отвечают перечисленным выше условиям: Индия, Венесуэла, Иран, Мексика, Саудовская Аравия. Динамика производства DRI в разбивке по странам приведена на диаграммах.

Динамика производства DRI

Производство DRI в 2010 г.

Стоимость greenfield-проекта по производству DRI в объёме 2 млн. т в год оценивается в $350...$500 млн. Основные параметры проекта:

Качество металлизованного сырья, новый металлизованный продукт - HBI

Производимые DRI отличаются высокими качественными характеристиками:

Выше отмечалось, что губчатое железо ввиду большой площади поверхности склонно к пирофорности в результате окисления на открытом воздухе. Даже если не происходит самовозгорания, то в результате окисления активного свежевосстановленного железа происходит снижение содержания железа и потеря металлургической ценности DRI. Динамика изменения содержание Fe в губчатом железе, хранящемся на открытом воздухе, приведена на диаграмме.

Поведение SPI при хранении

Для снижения пирофорности и улучшения насыпных и утилизационных характеристик DRI применяют технологию брикетирования в горячем состоянии. В результате брикетирования улучшаются физические (насыпной вес), логистические (хранение, транспортировка) и технологические (удобство использования в электропечах) характеристики DRI. Характеристики брикета:

Эффекты брикетирования:

• увеличение насыпного веса в 1,3...1,8 раза;
• увеличение плотности в 1,4...1,6 раза;
• снижение химической активности (пирофорности) на порядок;
• удобство использования в ДСП (снижение времени загрузки, расположение на границе шлак-металл).

Мировое производство и перевозки металлизованного полупродукта

Динамика производства DRI с 1970 г. приведена на диаграмме.

Мировое производство DR

Объем мировой торговли DRI по видам продукта

Доля перевозимого DRI от его производства

Преимущества и недостатки использования DRI в EAF

Основным потребителем DRI является электросталеплавильное производство – доля DRI в металлошихте может достигать 70%. При этом DRI обладает определёнными преимуществами относительно других компонентов шихты:

• стабильность химсостава;
• низкое содержание нежелательных примесей (сера, фосфор);
• отсутствие сопутствующих элементов (свинец, медь);
• простота хранения, погрузки/выгрузки, транспортировки;
• высокая насыпная плотность;
• возможность подачи в электропечь без остановки процесса плавления;
• габаритное сырье гарантирует сохранность электродов от механических повреждений.

Но использование DRI в электропечах имеет свои недостатки:

• увеличение расхода электроэнергии (каждые 10% DRI: +15 кВт•ч/т стали);
• увеличение удельного расхода электродов (каждые 10% DRI: +0,2 кг/т стали);
• снижение выхода годного (каждые 10% DRI: –0,4 % объёма производства);
• увеличение времени плавки и снижение производительности (каждые 10% DRI: +2,5 минуты);
• увеличение тепловой нагрузки на футеровку в начале процесса.

Эти особенности применения DRI в качестве компонента шихты электрометаллургического производства находят отражение в стоимости DRI.

Справедливая цена DRI

При замещении 30% лома на DRI с аналогичной стоимостью удельные затраты при производстве стали растут на $8/т (см. диаграмму).

Для выполнения условия равенства затрат на 1 т выплавляемой стали цена DRI должна быть меньше цены высококачественного лома на 7%.

Эта оценка подтверждается фактическими данными – исторически цена DRI ниже цены металлолома в среднем на 5% (максимальное отклонение -13%):

Динамика цен DRI и металлолома

Следует отметить, что DRI является прямой альтернативой только для высококачественного лома сравнимого качества и типоразмера. При отсутствии достаточного количества высококачественного лома производство стали сравнимого качества возможно только при условии вовлечения металлизованного сырья.

Таким образом, новые технологии производства железа нашли свою нишу в современной металлургии и могут играть значительную роль в регионах с подходящими для их развития условиями.