Тенденции развития современной металлургии и новые процессы получения железа

Тенденции развития современной металлургии и новые процессы получения железа


( Голосов: 2 ) 

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.

  • Дополнительная информация


    • Авторы:
    • E-mail:nedelin@gmail.com

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:

Производство стали по процессам

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)

 

 

Кислородно-конвертерное

Электростале-плавильное

Мартеновское (скрап-рудный процесс)

Мартеновское (скрап процесс)

Доля процесса в выплавке стали (мир)

69,8%

29,0%

1,2%

Доля процесса в выплавке стали (СНГ)

64,6%

21,1%

14,3%

Типовая шихта, %:

     

-жидкий чугун

75-80

0-30

25-55

-лом черных металлов

20-25

30-100

25-75

-чугун чушковый

 

0-5

5-15

-металлизованное сырье

 

0-70

 

Максимальная доля лома в металлошихте (технологическое ограничение)

28%

100%

45%

75%

Заменители лома

чугун жидкий*

чугун жидкий*

чугун жидкий*

чугун чушковый

чугун чушковый*

чугун чушковый*

чугун чушковый*

DRI

DRI

DRI

DRI

 

 

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:Схема классического производства стали

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:Схема производства стали из металлизованного полупродукта

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:Общий вид схемы производства металлизованного продукта

 

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) 

 2005 2010

Развитие процессов прямого восстановления железа

Особенности производства твёрдого металлизированного продукта

 

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

Причина

Следствие

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

Необходимость окускования исходных материалов для улучшения газопроницаемости шихты.

Восстановление происходит в твёрдом виде без образования жидких продуктов плавки и отделения пустой породы в виде шлака.

Ограничение по содержанию пустой породы в исходном материале. Для производства DRI требуется высококачественное кусковое железорудное сырьё с минимальным содержанием пустой породы.

Восстановление происходит в твёрдом виде, т.е. проходит без удаления примесей.

Ограничение по содержанию нежелательных примесей в исходном материале. Природное сырье должно содержать минимум примесей и нежелательных элементов.

Отсутствие крупнокусковых разрыхлителей в агрегате металлизации.

Необходимость обеспечения нормального газодинамического режима ведёт к необходимости снижения диаметра агрегатов. Негативным результатом этого является снижение удельной производительности агрегатов.

Продуктом является пористое свежевосстановленное железо, находящееся в восстановительной среде внутри агрегата металлизации.

Возникают условия для сваривания частиц материала внутри агрегата. Для снижения эффекта необходимо снижение температурного уровня процесса, что приводит к снижению удельной производительности.

Продуктом является пористое свежевосстановленное железо, находящееся в окислительной среде вне агрегата металлизации.

Высокая площадь контакта с кислородом воздуха в малом объёме приводит к пирофорности – возможности самовоспламенения. Для снижения этого негативного эффекта необходима пассивация: обработка нейтральными веществами, хранение и перевозка в нейтральной среде, брикетирование.

 

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

Динамика производства DRI

Производство DRI в 2010 г.

Производство DRI в 2010

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

 

Объем производства

2 млн. т в год

Потребление природного газа

700 млн. м куб. в год

Потребление электроэнергии

225 кВт×ч на тонну продукта

 

Качество металлизованного сырья, новый металлизованный продукт - HBI

 

Производимые DRI отличаются высокими качественными характеристиками:

Показатель

Содержание, %

Feобщ

92 ÷ 94

Feмет

84 ÷ 88

C

0,8 ÷ 1,5

P

0,025 ÷ 0,045

S

0,005 ÷ 0,030

SiO2+CaO+MgO+Al2O3

3,0 ÷ 6,5

Cu+Ni+Mo+Sn

до 0,050

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

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:

Размер брикета, мм

110 x 50 x 30

Вес, кг

0,5

Насыпная масса, т/м3

2,4 ÷ 2,8

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

Мировое производство DRI

Объем мировой торговли DRI по видам продукта

Объем мировой торговли DRI по видам продукта

Доля перевозимого DRI от его производства

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).

Удельные затраты при производстве стали

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

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.

  • Неделин Сергей Васильевич Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

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.

  • производство стали;
  • мартеновский процесс;
  • кислородно-конвертерное производство;
  • электросталеплавильный процесс;
  • чугун;
  • лом черных металлов;
  • металлизованное сырье;
  • Direct Reduction Iron (DRI).

ПОДЕЛИСЬ ИНТЕРЕСНОЙ ИНФОРМАЦИЕЙ

Опубликовано Неделин С. В.

Адрес электронной почты: nedelin@gmail.com
  • Образование: Московский институт стали и сплавов, 1987-1992, Металлургия черных металлов
  • Сфера научных интересов: Металлургия черных металлов
  • Место работы, должность: ЗАО «Северсталь Ресурс», менеджер по доменному производству

Оставь комментарий