Практическое применение восстановления железа газообраз­ными восстановителями не имеют широкого распространения в связи с техническими трудностями производства восстановитель­ных газов и организации обработки ими руды в достаточно боль­ших масштабах. Восстановительные газы — водород, окись углеро­да и их смеси могут быть получены газификацией твердого и жид­кого топлива или конверсией природного газа. Осуществление этих процессов требует значительных капитальных и эксплуатационных затрат и связ‘ано с применением кислорода, производство которого в настоящее время является еще дорогим.

В связи с этим были проведены исследования процесса восста­новления железа непосредственно сырым природным газом [29]. При сравнении скорости восстановления железа водородом, окисью углерода и природным газом [16, 21] оказалось, что восстанови­тельная способность метана сопоставима с восстановительной спо­собностью окиси углерода (рис. 59). Зависимость скорости вос­становления от времени при 900—1000° С показывает, что при вос­становлении окисью углерода и водородом количество удаляемого кислорода все время падает, тогда как скорость восстановления природным газом сначала падает, а затем заметно возрастает

ПО

рис. 60). Увеличение скорости процесса связано с каталитическим
действием образующегося металлического железа на скорость раз-
ложения метана. Восстановительная способность природного газа

а в в

6

Рис. 59. Зависимость сте-
>7 пени восстановления ср
окатышей от времени т
4 и температуры при вос-
становлении:

'S а — СО; б — Н; в — влажным
Н 2(2—6) и сухим (7) при-
родным газом; / — 600° С;

. 2 — 800° С; 3 — 900° С; 4, 5 —

3 950° С: 6. 7 — 1000° С

>2

и ю го зо о w го зо о ю го зо

Время Восстановления, мин

увеличивается при насыщении его водяным паром (см. рис. 59), что связано с увеличением содержания водорода в газовой фазе вследствие паровой конверсии метана. Кинетические кривые про­водят через минимум и максимум скорости восстановления [21]. Первые нисходящие ветви (см. рис. 60) отвечают восстановитель­ным реакциям, протекающим до появления металлического же­леза с полным использованием молекул СН4. Образование же­леза и его накопление порож­дают все усиливающийся распад метана с обогащением газовой фазы водородом. Скорость вос­становления резко увеличивается, проходит через максимум и уменьшается к концу процесса в связи со снижением содержания кислорода в твердой фазе.

При практическом осуществ­лении процесса восстановления железа газообразными восстано­вителями очень важно опреде­лить оптимальную скорость филь­трации газа сквозь слой. Чем больше скорость газа, тем быст­рее будет происходить восстанов­ление, но тем меньше будет сте­
пень его использования и больше удельный расход. Между удель­ным съемом готового продукта и газонапряженностью объема ре­акционного пространства должно быть оптимальное соотношение. Для водорода подобная зависимость, полученная в результате лабораторных опытов, приведена на рис. 61. Для природного газа оптимальная газонапряженность реакционного пространст­ва составляет 0,017— 0,025 м31м?'-сек.

При восстановлении окисью углерода, водо­родом или конвертиро­ванным природным газом восстановитель является одновременно и теплоно­сителем. Он имеет темпе­ратуру, близкую к темпе­ратуре восстановления, а расход его позволяет внести в слой необходи­мое количество тепла и обеспечить достаточный нагрев отходящих газов. Природный газ можно нагревать без выделения сажистого углерода до температуры не выше 400—500° С. Учитывая также относительно низ­кий расход природного газа по сравнению с дру­гими газообразными вос­становителями, при вос­становлении неконвертированным природным газом необходим внешний подвод тепла, как и при восстановлении твердым топли­вом. Поэтому применение неконвертированного природного газа в шахтных печах невозможно. С увеличением объема восстанав­ливаемого материала увеличивается трудность организации необ­ходимого теплообмена. Так, для осуществления восстановления железа до металлического нужен подвод тепла через обогревае­мую извне трубу в следующем количестве (на 1 м2 трубы) [81]:

Количество восстанавливаемой

руды, кг.................................... 0,03 . 1 50 1000

Тепловой поток, ккал/м2*ч. . 6-Ю2 1,9-103 7,5-103 1,9-104

В соответствии с изложенным восстановление железа водоро­дом, окисью углерода и конвертированным природным газом осу­ществляют в установках шахтного типа, непрерывно-действующих или работающих периодически. При этом газ-восстановитель яв-

ляется и теплоносителем. Восстанавливать окатыши сырым при­родным газом можно продувкой слоя материала в трубчатой вращающейся печи и дожиганием газообразных продуктов над. слоем для его обогрева.

Из шахтных способов получения губчатого железа наибольшее распространение имеет способ Виберга. Процесс в шахтной печи осуществляется в три стадии (рис. 62). Печи Виберга могут рабо­тать только на материале определенной крупности. Наиболее под­ходящим материалом является руда или агломерат крупностью 25—80 мм или окатыши диаметром 20—40 мм. Производственный цикл процесса, являющегося непрерывным, длится 30—50 ч. Про­изводительность печи Виберга по губчртому железу составляет в среднем 0,85 т/м3-сутки. Скорость процесса восстановления можно существенно повысить увеличением давления восстановительного газа с 0,07 до 0,7—0,8 ати при одновременном уменьшении круп­ности руды или окатышей до 6,4—12,7 мм. Агрегатная производи­тельность шахтных печей составляет 20—ЗО тісутки губчатого же­леза. Увеличению агрегатной производительности печи препятству­ет ограничение размеров шахты. Вследствие низкой механической прочности вюстита высота шахты не может быть увеличена боль­
ше 9—10 м. Поперечные размеры печи определяются необходи­мостью равномерного распределения газа по сечению ее. На 1 т губчатого железа, содержащего 91% Ре0бщ, расходуется 1,36 т окатышей (67% Fe), 176 кг кокса, 109 м3 коксового газа, 925 квт-ч электроэнергии, 1,5 кг электродов, 70 кг доломита и 1,5 чел-час

Рис. 63. Технологическая схема опытной установки, работающей по способу Пурофера (ФРГ): / — вибропитатель для загрузки окатышей; 2 — предохранительный клапан; 3 — желоб для выгрузки металлизованных окатышей; 4 — барабан-охладитель; 5 — воздуходувка; 6—воз­духонагреватель; 7 — конверторы; 8 — охладитель-конденсатор водяного пара; 9 — шахтная печь для восстановления окатышей; / — конвертор, работающий на природном газе; II — то же. на колошниковом газе

трудовых затрат. Из окатышей, содержащих 66% Fe, получают губчатое железо, содержащее: 90% Fe06m, 82% FeMe-r, 0,9% С,

0, 01% Р, 0,01% S. Насыпной вес металлизованных окатышей из­меняется в пределах 1,5—1,7 т/м3. Общая мощность установок Ви - берга на заводах Швеции составляет 100—120 тыс. т губчатого железа в год.

В ФРГ разработана схема с применением природного газа в шахтной печи. Для получения металлизованных окатышей по этой схеме построены опытная и опытно-промышленная установки про­изводительностью соответственно 2,5 и 27,5 т/сутки (рис. 63). На этих установках высокотемпературная (1100—1200° С) кислородная или паровая конверсия природного газа осуществляется в аппара­тах регенеративного типа с катализатором, устойчивым к сере и отложениям сажистого углерода. Конвертированный газ (темпера­тура 1050—1100° С), содержащий 68,1% Н2, 25,4% СО, 4,7% СН4, 1,7% С02, 4,8% N2 и не менее 25 г/мъ Н20 (пар), вдувают в ниж­нюю часть шахтной печи, в которую загружают обожженные ока-

Рис. 64. Принципиальная схема установки в Монтеррейе (Мек­сика) для получения металлизованного материала в ретортах: / — пароперегреватель; 2 — паровой котел; 3 — десульфуризатор; 4 — ре - актор для конверсии природного газа; 5 — скруббер; 6 — первичные ретор­ты; 7 — вторичные реторты; 8 — реторты вне газового цикла; 9 — охлажде­ние первичного газа; 10 — охлаждение вторичного газа; // — охлаждение отходящего газа

тыши крупностью 30 мм. На опытной печи объемом 0,66 м3 при восстановлении окатышей, содержащих 68,9% железа и 0,57% кремнезема, расход конвертированного газа был равен 2570 мъ/т металлизованных окатышей (95% Fe06m, 92,5% FeMeT). Степень использования природного газа составила 23,4%, производитель­ность установки по металлизованным окатышам — 2,45 т/сутки.

На основании результатов работы установок спроектирована промышленная шахтная печь производительностью 550 т/сутки.

Горячий конвертированный природный газ нашел более широ­кое, чем в шахтных печах, распространение на установках перио­дического действия, где восстановление осуществляется в ретортах при просасывании газа через стационарный слой. В настоящее время в Мексике имеются такие установки производительностью 500 т/сутки и проектируются новые на 1000 т/сутки (рис. 64). Показатели работы установок с ретортами производительностью 30 (опытная), 200 и 500 т/сутки (промышленные) приведены в

Таблица 22 Показатели1 работы установок периодического действия Установки Показатели 200 т 500 т Производительность, т/су тки: губчатое железо............................................ . 280 430—460 металлическое железо....................................... 150 38Э—400 Расход на 1 т готового продукта: природного газа, м3 . . . .-.................................. 630—650 500-515 710—730 56Э—580 водяного пара, кг............ Нет данных 1105 Нет данных 1240 электроэнергии, квт-ч...................................... 75 84,5 7—10 7,9—11,2 8 3,56 воды для охлаждения, м3 ................................. 9 4 рабочей силы, чел.-час...................................... 0,89 0,45 1,0 0,50 6,2 5,0 тепла, млн. ккал. ................................... Средняя степень восстановления железа, % . . 85—90 85—90 1 Числитель—проектные показатели, знаменатель—фактические

табл. 22. Недостатком данного процесса является необходимость осуществления конверсии природного газа с охлаждением продук­тов конверсии для удаления из них паров и последующим нагревом восстановительного газа.

Использование сырого природного газа непосредственно для восстановления железа можно осуществить в трубчатых вращаю­щихся печах. При этом технологическая схема включает конвей­ерную колосниковую машину, на которой происходит сушка, на­грев и упрочнение окатышей в слабоокислительной, нейтральной пли слабовосстановительйой атмосферах горячих, отходящих из трубчатой печи, газов. Нагретые до 1000—1100° С окатыши загру­жают в трубчатую печь и продувают природным газом. Подача газа в печь осуществляется только через слой окатышей, чем до­стигается высокая степень использования его, особенно при доста­точной толщине слоя. Горючие компоненты газа (СО, Н2, СН4), выходящего из слоя, дожигаются в свободном пространстве печи, как и при металлизации окатышей в пересыпающемся слое твер­дого топлива в трубчатой печи.

Для изучения восстановления окатышей сырым природным газом с продувкой его через слой были проведены лабораторные
исследования и укрупненные испытания на трубчатой вращающей­ся печи [22, 23] диаметром 0,9 м и длиной 3,6 м, дооборудован­ной шахтным подогревателем и бесконтактным барабанным охла­дителем (рис. 65).

Шахгный подогреватель — теплообменник представляет собой усеченную пирамиду высотой 1500 мм с прямоугольными основа-

ниями размером 100X800 и 100X200 мм, установленную между загрузочным бункером и шнековым питателем. На длинных сторо­нах подогревателя имеются щели шириной 5 мм для прохода от­ходящих из печи газов. Бесконтактный барабанный охладитель был выполнен в виде металлической трубы диаметром 600 мм и длиной 850 мм, жестко соединенной с разгрузочным торцом печи. Охладитель имел разгрузочный порог высотой 50 мм. Внешняя поверхность охладителя интенсивно орошалась водой.

Газовоздушная система печи обеспечивала продувку слоя ма­териала природным газом и дожигание в полости печи газообраз­ных продуктов процесса восстановления. Продувочные фурмы располагались по длине печи на расстоянии 2,5 м от ее разгру­зочного конца, т. е. зона восстановления составляла около 70% длины печи. Для разжигания печи и поддержания восстанови­тельной атмосферы в охладителе в разгрузочном конце его была установлена торцовая горелка.

В качестве исходных материалов для металлизации применя­ли обожженные окатыши опытной окомковательной фабрики

Показатели работы опытной установки на окатышах О и на агломерате А без нагрева материала I и с предварительным его нагревом II в шахтном теплообменнике О Показатели I II I II Удельная производительность, т/м3 сутки: по исходному. ................................ 1,63 2,78 1,56 2,4 по металлическому железу.................... 0,66 1,13 0,62 0,96 Степень металлизации, % ............................ 71,0 70,5 71,2 71,5 Удельный расход природного газа м3/т: 850 по исходному материалу....................... 800 400 480 2000 980 2140 1080 Удельный расход тепла по исходному ма­ териалу, ккал/т............................... 6,6. W 3,3-10G 7-10° 3,96.10е Содержание в продуктах, 96 Feo6m......................................... 75,3 74,6 66,5 66,8 С....................... ..................................... 0,08 0,10 0,10 0,25 S.............................................. 0,012 0,01 0,01 0,009 Содержание в отходящих газах, 96: СО........................................................... 3,7 5,7 3,7 0,0 н.............................................. 4,2 1,7 4,2 0,7 сн4 ............................................ 0,0 1,5 1,2 0,0 Прочность металлиюванных продуктов на раздавливание, кг/окатыш................. 90 100 __ __ Стандартная барабанная проба, 96 ... 15,9 8,3 13,4 12,7 Содержание мелочи 5—0 мм в готовом продукте. ........................................... 10,0 9,4 7,7 11,8

Центрального горно-обогатительного комбината (ЦГОК) и агло­мерат, прошедший калибровку на установке Ново-Криворожско­го горно-обогатительного комбината (НКГОК). Перед испытанием от исходных материалов отсеивалась мелочь 5—0 мм. Для восстановления применялся природный газ Шебелинского место­рождения. В опытах часовой расход природного газа изменялся в пределах 20—100 нм3 при постоянной производительности уста­новки, равной 80—82 кг/ч; и при постоянном расходе природного газа около 50 нм3/ч производительность печи изменялась от 30 до 160 кг/ч. Температура в рабочем пространстве печи по четы­рем точкам, равномерно расположенным по ее длиіне, поддержи­валась в оптимальных пределах 950—1030°С изменением расхода воздуха. Отходящие из печи газы обеспечивали нагрев окатышей и агломерата в шахтном теплообменнике до температуры 500— 600° С. Показатели работы опытной установки приведены в табл. 23.

Оптимальная степень металлизации равна примерло 70%, при этом достигается максимальная производительность по металли-
понентов. Металлизованные ную прочность.

Расчеты показывают, что при расположении про­дувочных фурм по всей длине печи и загрузке в нее окатышей или агломерата, нагретых до температуры 1000—1100° С, удельная про­изводительность по исход­ному материалу может до­стигнуть 3,6—3,9 т/'м3-сутки при оптимальной (около 70%) степени металлиза­ции, а удельный расход при­родного газа снизится до 320—350 м3/т.

в охладитель отсутствует и расход воды на бесконтактное охлаж* дение снизится.

При указанных в табл. 23 показателях работы трубча­той вращающейся печи тем пература металлизованных продуктов в барабанном охладителе снижалась с 850° С до 250° С. Расход воды на охлаждение в этом случае составлял 13 м3/т. Окончательное охлаждение металлизованных окатышей и агломерата на воздухе приводило к снижению сте­пени металлизации на 2— 5% (относительных). Пре­кращение подачи воды на орошение охладителя вызы­вало снижение степени ме­таллизации на 30—40% (относительных). При обо­собленной установке охла­дителя излучение из печи

Первые опыты по использованию металлизованных окатышей при выплавке чугуна были проведены на печи объемом 8,6 м3 с диаметром горна 1,2 м [17]. Результаты проведенных плавок по­казали, что применение предварительно восстановленных окаты­шей может быть весьма эффективным. Следует отметить, что ес­ли производительность доменной печи по мере повышения содер­жания металлического железа в шихте равномерно увеличи­вается, то расход кокса при этом снижается вначале быстро, а затем снижение его замедляется. Это объясняется тем, что при увеличении содержания железа в шихте выше 70—72% повы­шается содержание окиси углерода в колошниковом газе и ухуд­шается использование химической энергии кокса в шахте домен­ной печи. Полученные результаты были подтверждены дополни­тельными опытами при замене в шихте 30, 60 и 85% магнетито-

Таблица 24 Характеристика окатышей Показатели обожженные на конвейер­ной машине Окатыши обожженные в шахтной печи металлизо- ванные Содержание, %: 66,81 63,06 88,72 FeMeT......................................................... 0,0 9,0 80,35 SiO,................................................... 2,50 8,08 4,09 А!20з.................................................. . 0,32 0,29 0,46 СаО.......................................................... 0,46 0,77 0,66 MgO......................................................... 1,16 0,53 1,92 S.......................................................... . 0,005 0,005 0,026 н2о........................................................... 0,65 2,59 0,0 Фракции, мм: +25,4 ....................................................... 0,06 0,28 0,01 —25,4+15,8.............................................. 3,82 1,35 2,08 —15,8+12.7.............................................. 43,3 15,6 20,9 — 12,7+9,5 ........... 92,2 84,0 75,2 —9,5+6,35.............................................. 97,7 94,2 96,1 —6,35................................ 2,3 5,8 3,9 Барабанная проба ASTM, %........................... 93,1 96,1 99,3 Объемный вес, кг/м3........................................ 2093,6 2157,6 1964,7 Прочность на раздавливание, кг/окатыш. 163,2 231 111,1

вых окатышей металлизованными. Производительность печи при этом повысилась соответственно на 29, 56 и 75%, а удельный рас­ход кокса сократился на 23, 38 и 47%. Первый промышленный опыт использования металлизованных окатышей был осуществ­лен на печи объемом 587 м3. Для исследования было использо­вано И тыс. т металлизованных окатышей, восстановленных в рудно-флюсоугольном слое в трубчатой вращающейся печи до

степени металлизации 90,6%. В течение всего периода испытаний в доменную шихту подавали окатыши одинакового состава (табл. 24). Длительность плавок составила 15 суток (табл. 25). В опытных плавках использовали кокс, содержащий 7,4% золы и 0,62% серы. Были проведаны также две серии опытов с исполь­зованием природного газа и без него.

Показатели работы доменной печи на металлизованных окатышах

Таблица 25 Показатели Периоды і II ш IV Содержание FeMeT в шихте, %....................... 0,0 25,1 23,1 0,0 Степень металлизации шихты, % .... 0,0 34,7 32,4 0,0 Производительность печи, т/су тки. . . 1126 1382 1341 1151 Увеличение производительности, % ... 0,0 22,5 16 0,0 Расход кокса, кг/т чугуна............................ 558 443,5 421,5 507,5 Расход природного газа, м3/т чугуна. . 0,0 0,0 33,4 38,5 Дутье: расход, м3/т чугуна............................... температура, °С...................................... 1455 1175 1210 1425 890 895 889 894 давление, ати......................................... 1,38 1,40 1,34 1,37 влажность, г/м3....................................... 23,0 23,0 24,0 20,0 Рудная нагрузка, т/т кокса......................... 2,44 2,75 2,94 2,61 Содержание в чугуне, %: Si.............................................................. 0,78 0,83 0,81 0,82 S.............................................................. 0,028 0,028 0,024 0,025 Выход шлака, кг/т чугуна............................ 215 186 186 192 Основность шлака. ...................................... 1,15 1,13 1,14 1,17 Содержание S в шлаке, % . .......................... 1,42 1,25 1,20 1,44 Колошниковый газ: выход, м3/т чугуна............................... 2151 1715 1801 2085 температура, °С...................................... 139 127 163 138 давление, атм........................................ СО отношение...... ....................................... 0,119 0,114 0,114 0,119 1,05 1,33 1,29 1,02 со. содержание Н2, % .................................. 2,0 2,8 5,6 4,5 калорийность, ккал/м3........................... 694 756 802 730

Расчеты показывают, что оптимальные условия работы домен­ной печи достигаются при степени металлизации шихты около 30%. При более высокой степени металлизации шихты нару­шается оптимальный тепловой баланс плавки и эффективность предварительного восстановления уменьшается. Фактические (числитель) и максимально возможные (знаменатель) улучшения показателей работы доменной печи в оптимальных условиях при использовании металлизованной шихты приведены ниже:

Показатели, %

Повышение производительности, пе­чи

Снижение удельного расхода кокса

Одной и той же средней степени металлизации рудной части доменной шихты (например 30%) может соответствовать либо

смесь из окисленных и вы - сокометаллизованных ока­тышей, либо цизкометалли - зованная однокомпонентная шихта. В первом случае доля кислорода, связанного Fe203, будет больше, чем в низкометаллизованной ших­те, а восстановительная спо­собность доменного газа будет использоваться эф­фективнее. Во втором случае окислы железа, значитель­ная часть которых восста­новлена только до вюстита, покрыты плотным слоем ме­таллического железа, что затрудняет их восстановле­ние. Специальными опы­тами подтверждено, что при восстановлении и противо­токе смеси гематитовых и высокометаллизованных окатышей металлическое железо окисляется незначи­тельно вследствие достаточ­ной его плотности, что достигается только при высокой степени металлизации (более 70—80%) окатышей. Поэтому рекомендуется для получения доменной шихты с заданной степенью металли­зации (около 30%) смешивать обычные окисленные окатыши с окатышами возможно более высокой степени металлизации.

Значительный эффект достигается при использовании метал - лизованных материалов в электропечах (рис. 67), в шихте кон­верторов и мартеновских печей. Металлизованные материалы, предназначенные для сталеплавильного производства, должны иметь минимальное содержание пустой породы, возможно боль­шую степень металлизации и плотность. Так как металлизован­ные окатыши имеют низкий насыпной вес, их следует брикетиро­вать на прессах высокого давления (3000—4000 кГ/см2).