Přímá redukce železa je redukce železa ze železné rudy nebo pelet pomocí plynů (CO, H 2 , NH 3 ), pevného uhlíku , plynů a pevného uhlíku dohromady. Proces se provádí při teplotě asi 1000 °C, při které se hlušina rudy nepřivede do strusky , neobnoví se nečistoty ( Si , Mn , P , S ) a kov je čistý [1] . V literatuře se dále vyskytují tyto pojmy: metalizace (částečná metalizace) rud, přímá výroba železa, nedoménová (nedoménová) metalurgie železa, bezkoksová metalurgie železa [2] . Produkt procesu se nazývá železo přímé redukce (DRI z angl. Direct reduction iron ).
Pokusy získat ocel obcházením vysokopecního procesu se v SSSR prováděly od 50. let 20. století [3] . V 70. letech 20. století se objevila průmyslová výroba železa přímo z rudy, která obcházela vysokopecní (za použití koksu) . První zařízení na přímou redukci železa byla neefektivní a konečný produkt měl relativně velké množství nečistot. Široké využití tohoto procesu začalo v 80. letech 20. století , kdy se v hornicko-hutnickém komplexu začal hojně využívat zemní plyn , který se ideálně hodil pro přímou redukci železné rudy. Kromě zemního plynu se navíc v procesu přímé redukce železa ukázalo, že je možné použít produkty zplyňování uhlí (zejména hnědé uhlí ), související plyn na výrobu ropy a další redukční palivo.
Technologické změny, ke kterým došlo v 90. letech 20. století , umožnily výrazně snížit kapitálovou a energetickou náročnost různých procesů přímé redukce železa, v důsledku čehož došlo k novému skoku ve výrobě produktů DRI (z anglického Direct Reduction of Iron ) [4] .
Nejvýhodnější je podle většiny odborníků klasifikace podle typu získaného produktu:
Vysokopecní proces zajišťuje výrobu upravené litiny ze železných rud s libovolným obsahem železa, přičemž obsah železa ovlivňuje pouze technicko-ekonomické ukazatele procesu. Metalizace chudých rud může být účinná pouze pro získání blokového železa a tekutého kovu. Je neefektivní získávat částečně pokovené materiály a železnou houbu z chudých rud. Při získávání částečně pokovených materiálů z chudých rud je nutné vynaložit více tepla na ohřev hlušiny a zvýšit spotřebu redukčního činidla. Výroba železné houby z rud obsahujících více než 2,5–3,0 % odpadní horniny vede k prudkému nárůstu spotřeby energie v procesu tavení metalizovaných pelet v důsledku prudkého nárůstu množství strusky [5] .
Vysoká pec je schopna plně zajistit výrobu surového železa upraveného na síru. Odstraňování mědi, fosforu, arsenu z litiny ve vysoké peci je nemožné. Nízkoteplotní způsoby výroby železné houby nezajišťují odstraňování souvisejících prvků, to znamená, že všechny související prvky přítomné v původní rudě zůstávají v železné houbě a vstupují do ocelárenské jednotky. Totéž platí pro výrobu květového kovu (zde je možný určitý stupeň odstranění síry). Získávání tekutého kovu umožňuje odstranit z procesu těkavé prvky (zinek, alkalické kovy) a stupeň odstranění síry, arsenu a fosforu závisí na režimu procesu [6] .
Ve vysoké peci se zpracovává výhradně kusová železná ruda a velikost kusů by neměla být menší než 3-5 mm. Z toho plyne potřeba procesu aglomerace rud. Tento požadavek zůstává závazný pro výrobu houbovitého a bleskového železa v šachtových a rotačních pecích. Nízkoteplotní metalizace drcených rud je možná ve speciálních jednotkách (např. zařízení s fluidním ložem). U většiny metod off-domain výroby tekutého kovu nezáleží na velikosti kousků rudy, proto je možné z metalurgického stupně vyloučit nákladné procesy aglomerace drobných rud [7] .
Moderní vysoké pece používají jako palivo pouze hutnický koks . Za prvé je to způsobeno vysokými pevnostními vlastnostmi koksu, které jsou zachovány při vysokých teplotách. Žádný ze současně známých (2007) druhů tuhých paliv nemůže v tomto ohledu koksu konkurovat. Většina známých způsobů a technologií metalurgie železa nevyžaduje použití koksu jako složky vsázky. Lze použít redukční plyny získané různými způsoby (hlavně při výrobě železné houby), nedostatkové druhy uhlí, hnědé uhlí a jejich produkty, ropné produkty atd. [7]
Přestože není vyloučeno využití plazmových, jaderných a dalších nových zdrojů energie pro vysokopecní výrobu, největší efekt z jejich použití je pozorován v nedoménové výrobě kovů. To zvyšuje šance nových technologií v budoucnosti konkurovat vysokopecnímu procesu [8] .
Procesy získávání železné houby se provádějí při mírných teplotách za použití plynného nebo pevného redukčního činidla v různých jednotkách: šachtové, trubkové, tunelové, muflové , dozvukové , elektrické topné pece, vsádkové retorty, dopravníkové stroje, reaktory s fluidním ložem atd. Někdy tyto jednotky jsou spojeny do celků, ve kterých jsou nejčastěji kombinovány s elektrickou pecí (elektrická vysoká pec nebo oblouková ) k výrobě tekutého kovu (litiny a oceli ). Nejčastěji se železná houba používá jako vysoce čistá přísada do ocelového šrotu . Nejstabilnější poptávka po železné houbě je v zemích s nedostatečnými kapacitami vysokopecní výroby a zásobami ocelového šrotu.
Hlavní procesy používané v provozovaných, rozestavěných a projektových závodech na výrobu železné houby jsou procesy využívající šachtové pece a vsádkové retorty. Procesy využívající rotační pece a pevné redukční činidlo nacházejí průmyslové uplatnění především při zpracování hutních odpadů - prachu a kalů, které obsahují nečistoty zinku, olova apod., ale i komplexních železných rud (bohatých na titan, chrom, nikl). , mangan atd.), nevhodné pro použití ve vysokých pecích. Procesy ve fluidním loži se staly méně rozšířenými v důsledku řady specifických znaků (přísné požadavky na distribuci velikosti částic , plynodynamická omezení existence fluidního lože, teplotní podmínky atd.).
Procesy pokovování v šachtových pecích jsou v mnoha ohledech podobné procesům probíhajícím na šachtě vysokých pecí v oblasti mírných teplot. Existují však značné rozdíly: v šachtové peci není žádný koks; vodík hraje důležitou roli při redukci oxidů železa; redukční plyn je jediným zdrojem tepla, který zajišťuje veškeré tepelné požadavky procesu.
Během procesu redukce se pelety praží a upravují v šachtové peci s produkty konverze horkého plynu (tuhé palivo), které obsahují vodík . Vodík snadno redukuje železo :
,nekontaminuje železo nečistotami, jako je síra a fosfor , což jsou běžné nečistoty v uhlí . Železo se získává v pevné formě a poté se taví v elektrických pecích. K získání tuny železa přímou redukcí z rudy je potřeba spotřebovat přibližně 1000 m 3 vodíku.
Jádrem procesu přímé redukce železa je získávání železa z rud , obcházení vysokopecního procesu , to znamená, že koks není zapojen do procesu.
Nejvyspělejším a nejrozšířenějším procesem je proces Midrex . Od roku 1983 jsou v Elektrometalurgickém závodě Oskol v provozu čtyři moduly metalizačního procesu Midrex s celkovou kapacitou 1 700 tisíc tun metalizovaných pelet ročně . Každý modul obsahuje: šachtovou metalizační pec , reformátor (konverzní reaktor na zemní plyn); systém výroby inertního plynu; aspirační systém. Vodohospodářský systém, svíčka, velín a napájení jsou společné pro každou dvojici modulů.
Šachtová pec pro metalizaci se skládá z nakládací (mezi)násypky; horní dynamická brána s nakládacím rozdělovačem a nakládacím potrubím; zóny obnovy; střední zóna; chladicí zóny; žáruvzdorné obložení; stálá krmítka; spodní dynamická závěrka a kyvadlový podavač (pro vyložení hotového výrobku) [9] .
Železná houba je produkt, který se získává jako výsledek redukce materiálu železné rudy, aniž by došlo k jeho roztavení při teplotě nižší než 1000-1200 °C. V závislosti na druhu suroviny jsou železná houba porézní kusy redukované rudy (zřídka aglomerát ) nebo pelety a v některých případech kovový prášek. Protože objemové změny v materiálu jsou během redukce relativně malé, hustota železné houby je menší než hustota suroviny a pórovitost je velká. Obvykle je zdánlivá hustota hrudkovité železné houby 2–4 g/cm 3 a pórovitost 50–80 %.
V některých procesech pro redukci jemné rudy, okují nebo koncentrátu v pevném loži (například v procesu Hoganes) se výchozí práškový materiál současně slinuje. Hustota výsledné brikety závisí do určité míry na redukční teplotě. Vzhledem k nízké hustotě železné houby je její objemová hmotnost menší než u šrotu, což někdy vede k nutnosti briketování (lisování) před tavením. Briketování se provádí na lisech různých typů při specifických tlacích 1-3 tf/cm 2 ; při dosažení hustoty briket až 5 g/cm 3 .
Vysoce vyvinutý povrch a vysoká interkomunikační poréznost železné houby způsobuje její zvýšenou oxidovatelnost během skladování a přepravy za nepříznivých atmosférických podmínek, i když dostupné údaje o této problematice jsou rozporuplné. Briketování snižuje oxidaci.
Chemické složení železné houby je dáno především složením suroviny. Oproti šrotu je mnohem čistší z hlediska obsahu nečistot z barevných kovů . Obsah hlušiny v ní je vyšší než v původní rudě, úměrně stupni redukce. Jako suroviny obvykle slouží bohaté rudy nebo koncentráty, proto železná houba nepodléhá dodatečnému čištění a obsahuje všechny nečistoty odpadní horniny suroviny. Po příjmu železné houby z chudých surovin je podrobena obohacení magnetickou separací .
Železná houba se používá k tavení oceli (hlavně v elektrických pecích), nauhličování mědi (srážením z roztoků kyseliny sírové) a získávání železného prášku.
Pokovená vsázka je částečně redukovaná surovina železné rudy používaná ve vysoké peci a v kyslíkových konvertorech k chlazení taveniny (místo rudy a šrotu). Stupeň výtěžnosti pokovené vsázky obvykle nepřesahuje 80 %, zatímco u železné houby nejčastěji neklesne pod 90 %.
Nyní vyráběné blokovací železo se liší od blokovacího železa, které se před několika staletími získávalo v květinářských kovárnách ve formě velkých kusů a kovalo se přímo do výrobků. Žhavé železo se v současnosti vyrábí v trubkových rotačních pecích z chudých železných a železoniklových rud jejich redukcí při 1100-1200°C. Jedná se o poměrně malé (velikost 1-15 mm) kovové částice s mechanickými nečistotami a vměstky strusky . Množství struskových nečistot v závislosti na schématu mletí a magnetické separaci meziproduktu je 10–25 %. Při zpracování chromniklových rud výsledný výkvět obsahuje nikl. Obvykle má kritz také vysoký obsah fosforu a síry. Kritsa se zpravidla používá ve vysokých pecích a v některých zemích - v elektrických pecích pro tavení oceli nebo feronikelu .
Surové železné nebo uhlíkové polotovary se vyrábějí v rotačních pecích nebo v elektrických pecích přímo napojených na redukční pec, kde je redukčním činidlem tuhé palivo. Litina získaná nedoménovými metodami se neliší od běžné vysoké pece ; v některých případech se získá polotovar s nižším obsahem určitých nečistot než v litině. Redistribuce surového železa a polotovarů na ocel probíhá ve známých ocelárnách bez obtíží a v případě polotovarů s poněkud nižšími náklady než redistribuce vysokopecního surového železa [ 10] .
Rekuperace plynu
Obnova dřevěného uhlí
Hutnictví | |||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Obecné pojmy Kovy Slitina Hutní přerozdělování Železárny a ocelárny Hutní komplex Hutník Historie výroby a použití železa | |||||||||||||
Průmyslová odvětví |
| ||||||||||||
Základní procesy |
| ||||||||||||
Hlavní jednotky |
| ||||||||||||
Hlavní produkty a materiály |
| ||||||||||||
Vědní obory |
| ||||||||||||
jiný | |||||||||||||
Metalurgie podle zemí Rusko Ukrajina Kazachstán USA Indie Čína Japonsko Německo |