Восстановление железа

Содержание

Введение. 2

Современное состояние и перспективы развития метода прямого

восстановления железа. 3

Практическая реализация метода прямого восстановления железа

в бывшем СССР. 8

Мировой опыт практической реализации метода прямого восстановления

железа в металлургическом производстве.

13

Заключение. 16

Введение.

Металлургия — одна из древнейших областей деятельности человека.

Неслучайно отдельные эпохи истории названы, исходя из распространения того

или иного металла: "бронзовый век", "железный век".

В глубокой древности была разработана оригинальная, весьма интересная

технология прямого получения железа. На территории нашей страны еще в 1400

году до нашей эры, как утверждают археологи, уже выплавляли железо так

называемым кричным методом. Сначала в гopнаx при температуре около 1000

градусов (такую температуру можно создать, не применяя современных способов

нагрева) восстанавливали железную руду обыкновенным углем, получали так

называемую крицу. Затем крицу, своего рода железную губку, - многократно

проковывали в горячем состоянии. В результате появилось довольно чистой

железо, из которого можно было изготовить различные предметы быта и оружие.

Кричным же способом изготовлена и знаменитая металлическая колонна,

которая высится близ города Дели. Воздвигнута она в начале V века нашей эры

и изготовлена из железа феноменальной чистоты - металл содержит лишь 0,28 %

примесей. Простояла колонна более 1500 лет без каких-либо признаков

коррозии.

Со временем двух ступенчатая система восстановления железа углем с

последующей ковкой – единственная тогда промышленная схема черной

металлургии – отошла в небытие. Ее заменил доменный процесс, который в

сочетании с мартеновским и кислородно-конверторным царствует в современной

металлургии.

Однако экономика и дополнительные требования к чистоте металла снова

вызвали к жизни старый, испытанный метод. Побуждающие причины достаточно

очевидны. Кроме дефицита энергоресурсов и в частности кокса, можно указать

быстро растущую потребность в высококачественном металле. Авиация, ракетная

техника, приборостроение – вот далеко не полный перечень потребителей

наиболее чистых металлов.

Современное состояние и перспективы развития метода прямого восстановления

железа.

Метод прямого восстановления железа в наши дни по принципу остался без

изменения – специально подготовленная, то есть обогащенная, руда, -

концентрат, где содержится основной окисел железа восстанавливается в

шахтной печи с помощью твердого топлива, как это было в древности, или для

этой цели используется конвертированный газ - природный метан, но

преобразованный в смесь водорода и угарного газа (СО).

Как установлено в настоящее время, можно восстанавливать концентраты

руды, которые еще не превращены в окатыши. Более того, оказалось, что

концентрат восстанавливается даже с большей скоростью, чем изготовленные из

него окатыши. Однако на пути к реализации этого процесса стоят трудности

чисто технологического порядка.

Еще одним, и, конечно, наиболее интересным способом восстановления

железа, является возможность – использовать чистый водород. Сам процесс

восстановления пойдет достаточно быстро, более того, при этом не возникает

лишних примесей: продукт восстановления – железо и вода. Однако получение и

хранение водорода сопряжено со множеством чисто технических и экономических

трудностей. Поэтому чистый водород пока что используют лишь для получения

металлических порошков.

Говоря о российских основах метода прямого восстановления железа,

следует вспомнить, что в начале семидесятых годов в Туле существовал филиал

ЦНИИчермета, где под руководством А. Н. Редько проводились работы по

прямому восстановлению железа. Во всем мире для этой цели использовали

шахтные печи, как и в древности, а Редько А. Н. создал опытно-промышленную

конвертерную машину, где окатыши восстанавливались продуктами кислородной

конверсии природного газа. Шахтные печи, с точки зрения специалистов, и

дороже и хуже управляемы. Кроме того, они дают металл, примеси которого

составляют не менее 8 %. А в установке Редько степень металлизации окатышей

достигает 98 %, так что количество примесей снижается в четыре раза. Эти

установки широко используются сейчас для получения порошков. Работы

лаборатории прямого восстановления и послужили основой первой

технологической модели Старо-Оскольского электрометаллургического

комбината, для получения губчатого железа высочайшего качества.

Как известно, черная металлургия после электроэнергетики прочно занимает

второе место по расходу топливных ресурсов. И подобно ей все увеличивает

свои аппетиты. Если прибавить к этому изрядную долю электроэнергии,

потребляемой многочисленными комбинатами металлургической промышленности —

а она стремительно растет,— становится ясно, сколь необходимо было бы найти

хотя бы для специальной металлургии новые источники энергии. Так родилась

идея радиационного переплава стали. Радиационные печи интересны, конечно, и

тем, что их можно питать энергией самого разнообразного происхождения, лишь

бы она была лучистой.

Гораздо приятнее вспомнить день рождения "мирного атома". Он

датируется абсолютно точно — это пуск первой в мире атомной электростанции

в городе Обнинске 26 июня 1954 года.

С тех пор освобожденная энергия атома хорошо послужила человечеству.

По подсчетам некоторых специалистов, к концу века доля энергии,

вырабатываемой атомными электростанциями мира, увеличится до 30—40

процентов. В разных странах строится сейчас около двухсот АЭС, причем

непрерывно улучшается технология, рождаются новые, более экономичные

конструкции, наконец, с появлением так называемых бридерных реакторов

-размножителей резко увеличились потенциальные запасы ядерного горючего.

Прежде чем посмотреть, как можно использовать атомную энергию в

металлургии, вспомним, что собой представляет современный ядерный реактор

классического типа, использующий реакцию деления ядер тяжелого металла -

урана.

Процесс деления происходит в так называемой активной зоне. Там и

выделяется энергия. Тепло отводится из активной зоны специальным

теплоносителем - вода, тяжелая вода, жидкие металлы. Затем эту энергию

утилизируют. Схема устоявшаяся, традиционная: теплообменник - турбина -

генератор. И помчался по проводам электрический ток, полученный столь

необычным способом. "Атомное электричество", по сути дела, работает и на

металлургию, так как входит составной частью в электросистемы и,

следовательно, участвует в любых устройствах электрометаллургии.

Однако под атомной металлургией мы понимаем не только использование тепла

ядерного реактора. Будущий атомно-металлургический комплекс мыслится как

нечто передовое во всех своих звеньях.

Современная технология получения черных металлов требует достаточно

высоких температур: выплавка чугуна - 1600 градусов, нагрев – 1400

градусов, термическая обработка проката — 1250 градусов.

Прямо воспользоваться атомными реакторами пока что нельзя, так как

подобная «жара» наблюдается лишь внутри активной зоны.

Перевод тепла в зону, где сравнительно спокойно, также требует особых

условий. Необходимы металлические теплообменники, сооруженные из

жаропрочных коррозионных сплавов. Ведь им надо выдержать одновременно

воздействие сильных механических нагрузок, радиации и высокой температуры.

Таким образом, очевидно, что применение атомной энергии потребует

принципиального изменения всей технологии черной металлургии.

Конечно, есть второй путь — преобразовать атомную энергию в

электрическую, но всё-таки генеральный путь развития черной металлургии на

базе атомной энергии иной. Надо коренным образом изменить технологию, что

прежде всего означает переход к прямому восстановлению железа.

Сейчас имеются три принципиально отличающихся друг от друга вида

технологических процессов такого рода с участием атомной энергии.

Первый — высокотемпературное восстановление. Процесс требует 1600

градусов. Поскольку атомные реакторы такой температуры дать не могут,

главным агрегатом служит струйно-плазменный реактор, использующий для

генерации плазмы - ядерную энергию.

Восстановительный газ — водород, смешанный или без посторонних

примесей, расплавляет железо и его сплавы, восстанавливает, 'и в виде дождя

жидких капель металл попадает в плавильную печь, где идут операции

легирования.

Существует схема среднетемпературного восстановления, когда процесс

протекает при температуре 900 градусов. Восстановитель— водород или в

чистом виде, или с примесью окиси углерода. Железо, естественно, находится

в твердом состоянии, образуя при восстановлении своеобразную губку.

Метод позволяет полностью без промежуточных звеньев использовать атомно-

энергетическую установку. Большую часть газа-восстановителя нагревают в

теплообменнике атомного реактора. Правда, там температура невелика. Но это

не беда. К такому "холодному" газу можно подмешать более горячий, нагретый

за счет электроэнергии ядерного реактора. Получается смесь, вполне

пригодная для технологии.

Наконец, при низкотемпературном восстановлении тепло поставляется атомным

реактором. Можно считать, что тут в чистом виде используется ядерная

энергия.

Таковы три вида технологических процессов, которые, по мнению многих

специалистов, имеют право на существование.

Конечным продуктом везде являются железо, вода и углекислый газ, причем

воду можно снова использовать для получения водорода и кислорода. Таким

образом, появляются реальные возможности осуществить замкнутый цикл

восстановления железа, создать безотходное производство.

Металлургию будущего не без основания часто называют водородной.

Использование водорода для нужд черной металлургии — реальность недалекого

будущего.

Сейчас водород получают двумя испытанными методами — гидролизом воды и

ее электролитическим разложением, проще говоря, электролизом. Существует,

правда, химическое разложение, более выгодное, но оно не столь

распространено, на что имеется ряд чисто технических причин. Поиск новых

способов "продолжается, ибо важность проблемы несомненна.

В целом ряде лабораторий страны изучают взаимодействие молекул воды и

так называемых энергоаккумулирующих веществ - сплавов, в состав которых

входят алюминий, кальций и кремний. Опять-таки происходит разложение

молекул воды, отбирается кислород и, выделяется водород.

Предварительные расчеты и первые эксперименты показали: можно получать

водород с такой низкой себестоимостью, что "водородная металлургия"

обретет, наконец, надежную экономическую основу. А если учесть еще полную

экологическую безопасность водородных методик, то сомнений в том, что

именно они и представляют собой будущее нашей старинной профессии, ни у

кого не возникает.

При всей внешней таинственности наименования энергоаккумулирующие

вещества - ЭАВ - встречаются достаточно часто. Их, скажем, легко получить

из золы, запасы которой в нашей стране поистине неисчерпаемы.

Как видите, мы снова выяснили, что необходимо ввести в металлургию прямое

водородное восстановление железа, теперь мы пришли к тому же, исходя их

энергетических позиций. Кроме того, водородное производство безотходное.

Значит, атомная металлургия сулит выигрыш по всем трем направлениям, на

которых основано современное экономичное производство - минимум топлива и

сырья, максимум забот об окружающей природе.

Разумеется, водородное восстановление - только начало технологического

цикла металлургии. Но и остальные звенья - будь то конвертеры, электропечи,

заводы-автоматы, аппараты малооперационной технологии - требуют хорошего

исходного сырья. Им будет восстановленное водородом железо, то есть

побочный продукт ядерных реакторов. Когда речь идет о научно-техническом

Страницы: 1, 2