Процессы твёрдофазного восстановления железа.

       Процесс повышения содержания железа в железорудных материалах получил название процесса металлизации, получаемый продукт — название металлизированного, под степенью металлизации понимают обычно процент железа в продукте.

       По назначению металлизированные продукты обычно делят на три группы:

       1) продукт со степенью металлизации до 85 % используется в качестве шихты доменной плавки;

       2) продукт со степенью металлизации 85—95 % используется в качестве шихты при выплавке стали;

       З) продукт, содержащий более 98 % Fе, используют для производства железного порошка.

Процессы металлизации железорудных материалов осуществляются при температурах, не превышающих 1000—1200 ^оС, т.е. в условиях, когда и сырье (железная руда или железорудный концентрат), и продукт представляют собой твердую фазу, а также не происходит размягчения материалов, их слипания и налипания на стенки агрегатов. Такие процессы прямого получения железа из руд получили название Процессов твердофазного восстановления. Поскольку получаемый материал напоминает пористую губку, его часто называют губчатым железом. Основная масса получаемых продуктов (в мире — более 20 млн. т/год) используется в качестве шихты сталеплавильных агрегатов.

       Для восстановления оксидов железа обычно используют в качестве восстановителя или уголь (твердый восстановитель), или природный газ (газообразный восстановитель). При этом предлочтительно использование не «сырого» природного газа, а горячих восстановительных газов, так как при этом не затрачивается тепло на диссоциацию углеводородов, а приход тепла определяется нагревом восстановительных газов. Восстановитедьные газы получают конверсиеи газообразных углеводородов, либо газификаiией твердого топлива.

       Конверсия может быть кислородной (воздушной) СН₄ + 1/2О₂ = СО + 2Н₂ , паровой СН₄ + Н₂О = СО + 3Н₂ или углекислотной СН₄ + СО₂ = 2С0 + 2Н₂ . Паровая и углекислотная конверсии для протекания реакпии требуют затрат тепла. Конверсию осуществляют в специальных аппаратах с использованием катализаторов.

       Газификапия твердого топлива осутествляется по следующим реакциям:

С + 1/202=СО;

С + Н₂0 = СО + Н₂ ;

С + СО₂=2СО.

       Существует несколько десятков типов процессов и установок прямого восстановления железа. Наиболее распространенными являются способы Мидрекс (примерно 2/3 всего мирового производства) и ХиЛ (примерно 1/4 ) (Рис. 2.25).

       Принципиальная схема способа Мидрекс представдена на Рис. 2.26. Главным отличием его является способ конверсии природного газа. Конверсия в этом процессе осуществляется диоксидом углерода, содержащимся в отходящем из печи газе. Перед подачей отходящего газа в конверсионную установку он проходит очистку от пыли и Н₂О. Конвертированный газ, содержащии 35 % СО и 65 % Н₂, подают в печь при температуре 750 °С. Кроме этого, в нижнюю часть печи подают охлажденный оборотный газ. Охлажденные окатыши содержат — 95 % Fе и 1 % С. Содержание углерода в губке при необходимости может быть повышено.

Рис. 2.25. Принципиальные схемы агрегатов прямого восстановления, используемые в различных процессах:

а — Мидрекс; б — ХиЛ; б — Круппа.

Обозначения: О железорудные окатыши; Р — руда; ГЖ — губчатое железо; ВГ — восстановительный газ; ОГ — отходящий газ; Т — топливо; У — уголь

Рис. 2.26. Принципиальная схема процесса Мидрекс:

1 — воздуходувка; 2— теплообменник; 3— смеситель газов; 4 — конверсионная

установка; 5 — компрессор; 6 — скруббер для колошникового газа; 7— шахтная печь; 8 — скруббер; 9 — вибрационный грохот; 10— брикетировочный пресс

       Металлизованные охлажденные окатыши непрерывно выгружаются в бункер,где хранятся в инертной атмосфере перед плавкой в дуговых печах. Расход природного газа на процесс составляет около 350 м³ на 1 т губчатого железа. Этот процесс осуществлен у нас на Оскольском электрометаллургическом комбинате.

       Процесс восстановления в периодически действующих ретортах известен как процесс ХиЛ. Основная особенность процесса — применение паровой конверсии природного газа, осуществляемой в аппаратах, в которых расположена кирпичная насадка с добавкой никеля в качестве катализатора. Газ перед конверсией подвергается десульфурации. Получаемый конвертированный газ содержит около 14 % СО, 58 % Н₂, 21 % Н₂0 и 4—5 % СО₂. Горячий газ проходит через котел-утилизатор и освобождается от паров воды. Сухой конвертированный газ содержит около 73 % Н₂, 15—16 % СО и 6—7 % СО₂. Он подогревается до температуры 980—1240 ⁰С в трубчатых рекуператорах, отапливаемых газом, выходящим из агрегатов восстановления. В этих агрегатах окатыши или руда нагреваются в результате использования физического тепла восстановительного газа, и при температуре 870— 1050 ^оС происходит восстановление железа водородом и оксидом углерода.

       На первых установках в качестве агрегатов восстановления применялись реторты. Устройство реторты показано на Рис. 2.27. Емкость каждой реторты 100—150 кг. Реторты переставляются с одной позиции на другую, что обусловливает циклический характер процесса, складывающегося из последовательных операций загрузки, нагрева и восстановления железорудной шихты, охлаждения и выгрузки губчатого железа. Реторты загружают и подают в них газ сверху. Для выгрузки готовой губки служат резец и специальные разгрузочные скребки. Губчатое железо поступает на желоб и далее на сборный конвейер, транспортирующий губку в сталеплавильвый цех.

Рис. 2.27. Реторта для металлизации по способу ХиЛ:

1 — гидравлический цилиндр; 2 - тележка; З — привод; 4 — кожух; 5 -  крышка; 6 — загрузочная горловина; 7 — площадка для обслуживания; 8 — резец с рычагами для удаления губки; 9 — футеровка; 10 -  механизм управления откидным днищем; 11 — откидное днище; 12— разгрузочный желоб

       На каждой установке в газовом цикле участвуют четыре реторты, в каждой из которых протекают различные процессы. В одной реторте происходит предварительный подогрев шихты и восстановление ее газом, выходящим из других реторт и прошедшим освобождение от Н₂О, и подогрев. В двух ретортах происходит довосстановление железа шихты подогретым газом, получаемым в конверсионной установке. В четвертой происходит науглероживание.

       Степень восстановления железа в готовом продукте составляет 75— 92 %. На 1 т продукта (губчатого железа) затрачивают 600 м³ природного газа и около 36 МДж электроэнергии.