CC BY
88
УДК 621.745.4
ОСНОВНЫЕ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
ПРОЦЕССА ORIEN
Г.А. Дорофеев, П.Р. Янтовский, К.Г. Смирнов, Я.М. Степанов
Представлены металлургические особенности нового способа производства стали на основе технологии ОШЕЫ, разработанной в России. Рассмотрены природа, механизм, кинетика, термодинамика и энергетика главной реакции черной металлургии-получения железа.
Ключевые слова: ОШЕЫ, рудное сырье, восстановление, углерод, энергия, электропечь, брикеты, синтиком.
Результаты экспериментальных исследований и широкие промышленные испытания разных видов синтикома в различных сталеплавильных агрегатах на заводах многих стран подтвердили возможность получения эффективного железа из его оксидов непосредственно в процессе выплавки металла, главными характеристиками которго являются особая природа, механизм, кинетика, термодинамика и энергетика реакции взаимодействия углерода и кислорода оксидов железа, протекающей с огромными скоростями по механизму жидкофазного восстановления.
На основе этих исследований разработан электрометаллургический комплекс ОМЕК. В качестве плавильного агрегата в процессе ОМЕК используется высокомощная дуговая сталеплавильная печь последнего поколения. Отличительными особенностями ее являются более высокая номинальная мощность трансформатора, особая система загрузки и система отвода газов без дожигания. Карботермическое восстановление железа протекает при этом исключительно за счет электроэнергии, генерируемой из собственных энергоресурсов (ВЭР).
Исходным материалом для выплавки стали служит рудное сырье природного и техногенного происхождения, объединенное с углеродистым восстановителем в одно целое - брикеты синтикома одинаковой формы, размеров, массы, состава, имеющие постоянные физические и химические свойства, известную наследственность и происхождение. Данное окуско-ванное сырье представляет собой своеобразный клонированный материал. По своим теплофизическим свойствам и составу оно принципиально отличается от применяемой металлической шихты-лома, чугуна, окатышей.
Вырабатываемое из рудных материалов первичное железо является первородной шихтой и создает предпосылки для выплавки в электропечах сталей лучшего качества по сравнению с вторичным металлическим сырьем (ломом).
Соединение оксидов железа и восстановителя-углерода обеспечивает образование тесной смеси реагентов с высокоразвитой поверхностью реагирования, создавая тем самым необходимые условия для карботерми-ческого восстановления железа из его оксидов. При высоких температурах эта смесь представляет жидкий гомогенный раствор оксидов железа и углерода в растворенном и свободном состоянии, отличающийся повышенной скоростью реагирования.
Источником теплоты служат электрические дуги, создающие наиболее высокий уровень рабочих температур порядка 4000...15000 0С по сравнению с другими металлургическими агрегатами. Температура поверхности металлической ванны в зоне горения дуг при этом достигает температуры кипения железа 3230 ос.
Вторым энергоносителем являются тепловая энергия обезуглероживания металлической ванны, представляющем с позиции энергетики процесс сжигания углерода, растворенного в железе, газообразным кислородом. Этот процесс протекает в объеме жидкого металла и поэтому обеспечивает практически полное усвоение тепла. В отличие от электроэнергии эта энергия представляет собой теплоту экзотермической реакции, протекающей в жидком металле при окислении углерода, которая одновременно является реакцией горения углерода.
Исходное сырье в виде брикетов синтикома подается в электропечь по ходу плавления в непрерывном или близком к нему режиме. Следует подчеркнуть, что получение брикетов происходит при нормальных температурах и позволяет сохранить исходные свойства компонентов в первоначальном виде. Подача материалов производится в наиболее горячую центральную зону печи в район расположения электродов, характеризующегося интенсивным переносом тепла, огромной концентрацией энергии и чрезвычайно высокой температурой. Брикеты синтикома при этом выполняют по отношению к зоне горения дуг роль своеобразных холодильников, повышая тем самым тепловой КПД печи и одновременно увеличивая скорость нагрева и плавления нагреваемых брикетов синтикома.
Использование для нагрева и плавления брикетов синтикома электрической энергии, обладающей наивысшим энергопотенциалом по сравнению с тепловой энергией - сжиганием топлива, создает исключительно благоприятные условия для реакции карботермического восстановления железа. В сочетании с высокоразвитой реакционной поверхностью между оксидами железа и восстановителем - углеродом - это обеспечивает необходимые и достаточные условия для восстановления железа, близкие к идеальным.
При этом процесс восстановления вместо твердофазного состояния приобретает жидкофазный характер, отличающийся более высокими скоростями восстановления железа и имеющий другую природу восстановления.
В брикетах синтикома компоненты восстановления - рудное сырье и восстановитель образуют между собой тесную смесь с высокореакционной поверхностью реагирования. В сочетании с непрерывной подачей и вводом в зону горения дуг, обладающих чрезвычайно высокой температурой, это обеспечивает быстрый нагрев брикетов до плавления и восстановления, причем плавление опережает восстановление. Следовательно, процесс ОМЕК представляет собой особый способ восстановления, в котором восстановлению предшествует предварительное расплавление компонентов и образование расплава оксидов железа и частиц углерода, растворенных в железе или диспергированных в нем.
Высокотемпературное взаимодействие железа с углеродом в атомарной и дисперсной формах позволяет значительно повысить скорость восстановления железа. Она примерно на два порядка превышает скорость восстановления в доменной и шахтной печах и достигает 20...50 кг/(м с). Благодаря этому процесс ОМЕК по объемам производства может конкурировать с доменным производством и другими восстановительными печами.
Целевыми продуктами плавки являются сталь или полупродукт для внепечной обработки, монооксид углерода - потенциальные источники электроэнергии и тепла, а также шлак. Помимо этого данный процесс позволяет получать в качестве товарной продукции железо, паспортную шихтовую заготовку, чугун.
Одновременное производство трех товарных продуктов - стали, электроэнергии и шлака - придаёт процессу ОМЕК свойства тригенерации.
Продуктом карботермического восстановления оксидов железа, присутствующих в брикетах синтикома, является железоуглеродистый расплав особого типа, не имеющий аналогов в металлургии. В отличие от жидкого чугуна или высокоуглеродистого продукта аналогичного типа концентрация углерода в получаемом железе прямого восстановления может быть как ниже стандартного содержания углерода в чугуне 4,2... 4,5 %, так и существенно выше, изменяясь в пределах от 0,04 до 30 %. Возможность получения первичного металлического сырья с разным содержанием углерода - от 0,04 % для черного железа (полуфабриката) до ультравысоких концентраций, превышающих предел растворимости углерода в железе, равный 6,67 %, является одним из главных особенностей железа прямого восстановления, получаемого в процессе ОМЕК
Существование системы «Бе - С» с концентрацией углерода выше предела растворимости не противоречит диаграмме «железо - углерод». В этом случае большая часть углерода в металле находится в коллоидной форме, образуя самостоятельную коллоидную систему, имеющую границу раздела фаз с жидким железом, насыщенным углеродом до максимального предела 6,67 %. Двойственная форма присутствия углерода в атомно-дисперсном виде и в виде отдельных ультрадисперсных частиц принципи-
ально отличает получаемое в процессе ОМЕК железо прямого восстановления от известных. Возможность использования этого феномена представляет задачу дальнейших исследований, особенно с позиции возможности создания новых материалов.
Процесс плавки после восстановления железа из его оксидов в электропечи протекает следующим образом.
Образующееся в процессе восстановления науглероженное железо из зоны горения дуг стекает в металлическую ванну, внося в нее значительные количества дополнительного углерода. Образующийся при восстановлении высокоуглеродистый расплав при этом выполняет функции особого рода науглероживателя, не имеющего аналогов в производстве стали, а именно роль жидкого науглероживателя. Физически этот процесс аналогичен заливке жидкого чугуна в электропечь с момента начала плавления. Этот процесс протекает с начала плавления металлозавалки и продолжается до момента окончания подачи брикетов синтикома. Окисление, точнее сжигание углерода при этом аналогично традиционному обезуглероживанию ванны, однако, оно происходит на протяжении всей плавки и имеет более развитый характер. Данный процесс носит экзотермический характер и сопровождается с выделением около 2,9 кВт-ч/кг углерода. Объемный характер процесса и интенсивное перемешивание обеспечивают практически полное усвоение выделяющегося тепла, а также ускоряют процессы тепломассопереноса в металлической ванне.
С позиций энергетики оба источника тепла в процессе ОМЕК -электродуговой нагрев брикетов синтикома и тепловая энергия горения углерода металлической ванны являются более эффективными по сравнению с топливными источниками.
Металлургическая природа процесса ОМЕК не имеет аналогов. Она заключается в предварительном получении исходного сырья - синти-кома, подаче его в печь, нагреве и расплавлении железоуглеродных материалов, последующем восстановлении железа с образованием железоуглеродистого расплава различного состава и свойств и преобразованием в углеродистый полупродукт или сталь в одном сталеплавильном агрегате -электродуговой печи. В силу этих причин процесс ОМЕК носит одностадийный совмещенный характер. Получение железа прямого восстановления протекает в нем параллельно и одновременно с превращением в сталь, будучи совмещенным во времени и пространстве.
Производимое в жидком виде способом ОМЕК железо прямого восстановления представляет собой качественно новый тип исходного металлического сырья для выплавки стали. Данный процесс устраняет эффект металлургической наследственности и влияние взаимосвязи твердого и жидкого состояния. Эта особенность получаемого металлического сырья
45
открывает возможности для улучшения качества стали и придания ей нового уровня свойств. Одновременное наличие в расплаве железа углерода в двух формах - растворенном и свободном состоянии - позволяет использовать этот эффект для возможного получения новых материалов.
Технология выплавки стали способом ОМЕК базируется на использовании собственной электрической энергии, вырабатываемой за счет утилизации вторичных энергоресурсов, а именно технологических газов, отводимых из электропечи без дожигания. Преимущественным компонентом этих газов является монооксид углерода. С этих позиций процесс ОМЕК представляет собой газификатор металлургического типа, позволяющий превращать углеродные материалы в искусственное газообразное топливо.
Производство стали способом ОМЕК строится по гибридному блочному принципу и включает в себя три блока: блок получения брикетированного синтикома на основе системы «Бе - С - О», сталеплавильный блок в виде комплекса электродуговой печи и энергетический блок. Три системообразующих блока конструктивно и технологически проработаны. Остается задача соединить эти блоки в единый электрометаллургический комплекс ОМЕК Можно ожидать, что соединение в один технологический цикл блоков, каждый из которых отдельно применяется в промышленности, не представит принципиальных трудностей. Это, в частности, касается генерации электроэнергии на основе паротурбинных установок для выработки пара высоких параметров, использования комбинированных парогазовых схем, применения новых способов генерации.
Карботермическое восстановление в процессе ОМЕК имеет особые природу и механизм. Углерод, введенный в состав синтикома, имеет максимальный восстановительный потенциал по отношению к оксидам железа. Это объясняется тем, что при изготовлении данного материала используют углеродные материалы в измельченном свободном состоянии, которые обладают повышенной термодинамической активностью, близкой к единице. При этом активность углерода в процессе изготовления сохраняется благодаря "холодному" характеру вибропресования, протекающего при обычных температурах. В силу этих причин исходная активность на-углероживателя, приближающаяся к показателю углерода в свободном состоянии и равная максимальной величине, переносится в готовые брикеты. Развитая поверхность частиц углеродного материала дополнительно усиливает сходство углерода с кислородом оксидов железа.
Сказанное выше относится также и к другому компоненту синти-кома - оксидам железа, присутствующим в виде рудного сырья самого различного типа. Их соединение с восстановителем в одно целое - брикеты -полностью сохраняет исходную термодинамическую активность. Следовательно, с позиции термодинамики объединение частиц восстановителя и
оксидов железа исключает какое-либо снижение активности компонентов, сохраняя ее на исходном уровне и закладывая тем самым благоприятные термодинамические условия для их будущего взаимодействия.
Во время нагрева и плавления синтикома углерод и кислород повышают свою термодинамическую активность, вследствие чего их химическое сходство друг с другом усиливается. В сочетании с повышенной активностью исходных компонентов это создает режим благоприятствования для восстановления железа после ввода брикетов в электропечь.
Брикетирование частиц восстановителем с оксидным сырьем обеспечивает получение тесной смеси исходных компонентов между собой. При этом свободная поверхность материалов превращается в общую реакционную поверхность. В соответствии с законами макрокинетики это уменьшает или исключает влияние стадий доставки углерода и кислорода к месту реакций, резко увеличивая скорость взаимодействия их между собой и, как следствие, обеспечивает максимизацию темпа восстановления. Поэтому с позиции кинетики реакций образование в процессе окускования смеси между восстановителем и окислителем создает благоприятные условия для взаимодействия компонентов, входящих в состав композита. Таким образом, брикетирование исходных материалов закладывает благоприятные термодинамические и кинетические условия для эффективного карботермического восстановления железа.
Восстановление железа из его оксидов представляет собой экзотермическую реакцию, требующую значительных затрат энергии. С этих позиций наиболее рациональным агрегатом для проведения процесса восстановления является электродуговая печь, особенно ее центральная зона. Эта зона характеризуется особо высокой скоростью подвода тепла и чрезвычайно высоким температурным уровнем. По этим параметрам электродуговая печь превосходит доменные печи и другие восстановительные агрегаты, которые используют другие менее эффективные тепловые источники тепла. Вводимые в зону горения дуг куски синтикома выполняют роль дополнительного поглотителя тепла, снижая температуру и испарение железа, а также повышают КПД электропечи.
Интенсивный подвод тепла и высокие температуры электродуговой печи в сочетании с непрерывной загрузкой позволяют обеспечить быстрый нагрев и расплавление брикетов синтикома. Вследствие этого реакция восстановления переходит в режим жидкофазного восстановления, протекающий с высокими скоростями. Одной из причин достижения высоких значений скорости восстановления железа является увеличение активности оксида железа в результате его диссоциации и выделения газообразного кислорода, создающего дополнительный эффект перемешивания. Кислородный потенциал расплавленных оксидов железа, характеризующих их активность, при 1600 ос достигает 25-105 Па (25 атм.) и значительно превышает активность чистого газообразного кислорода.
Одновременно с этим происходит изменение механизма и характера восстановления. В отличие от доменной печи восстановление оксидов железа углеродом протекает исключительно по механизму прямого восстановления при полном отсутствии косвенного механизма, доля которого в доменном производстве достигает 0,4...0,6. Одновременно с этим из процесса восстановления исключается реакция Будуара С + СО2 ^ 2СО, носящая энергоемкий характер.
Следовательно, природа, механизм, кинетика, термодинамика и энергетика реакции восстановления железа в процессе ОШЕК отличаются в лучшую сторону от доменной, шахтной и других восстановительных печей. Поэтому дуговая электропечь по этим параметрам является наиболее подходящим агрегатом для получения железа прямого восстановления.
Отмеченные выше факторы позволяют углероду использовать в ОМЕК свой восстановительный потенциал в максимальной степени, обеспечивая тем самым сокращение его расхода до уровня, приближающегося к термодинамическому минимуму, равному для Бе2О3 321 кг углерода на 1 тонну железа. Дополнительным благоприятным фактором для восстановления железа служит увеличение сродства углерода к кислороду по мере возрастания температуры.
Резюмируя изложенное выше, приходим к выводу о том, что процесс ОМЕК, предусматривающий предварительное объединение восстановителя-углерода с оксидами железа, подачу их в печь по ходу плавления и загрузку в наиболее горячие центральные зоны электродуговой печи, создает необходимые и достаточные условия для полного использования восстановительного потенциала углерода и минимизации его расхода до уровня, близкого к термодинамическому.
Список литературы
1.Шахпазов Е.Х. Дорофеев Г. А. Новые синтетические композиционные материалы и технологии выплавки с их использованием. М.: Интерконтакт Наука, 2008. 272 с.
2. Дорофеев Г.А. Перспективы применения композиционных материалов в электродуговых печах // Сталь. 2015. №10. С. 13-16.
3. Эфрон Л.И. Металловедение в большой металлургии. Трубные стали. М.: Металлургиздат, 2012. 696 с.
4. Современные технологии сталеплавильного производства / В. А. Синельников [и др.] // Электрометаллургия, 2016. №3. С. 3-10.
5. Паршин В.М., Буланов Л.В. Непрерывна разливка стали. Липецк, ОАО «НЛМК», 2011. 221 с.
Дорофеев Генрих Алексеевич, канд. техн. наук, доц., imsk alisl.ru, Россия, Тула, ООО «НПМП Интермет-Сервис»,
Янтовский Павел Рудольфович, генеральный директор, sintikom@,mail.ru, Россия, Тула, ГК ««Ферро-Технолоджи»
Смирнов Константин Геннадьевич, финансовый директор, sintikom@,mail.ru, Россия, Тула, ГК «Ферро-Технолоджи»
Степанов Ярослав Михайлович, генеральный директор, sintikom@,mail.ru, Россия, Тула, ООО «НПП «Инновационные технологии и материалы»
THE BASIC METALLURGICAL CHARACTERISTICS OF THE PROCESS ORIEN G.A. Dorofeev, P.R. Yantovskiy, K.G. Smirnov, Y.M. Stepanov
The metallurgical features of the new method of steel production on the basis of technology ORIEN developed in Russia are presented. The nature, mechanism, kinetics, thermodynamics, and energy of the main reaction of ferrous metallurgy producing iron are considered.
Key words: ORIEN, ore, recovery, carbon, energy, furnace, briquettes,
sinticom.
Dorofeev Genrikh Alekseevich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Tula, LCD «NPMP Intermet-Service»
Yantovskiy Pavel Rudolfovich, general director, sintikom@,mail. ru, Russia, Tula, Ferro-Technology Group,
Smirnov Konstantin Gennadevich, financial director, sintikom@,mail. ru, Russia, Tula, Ferro-Technology Group,
Stepanov Yaroslav Mihajlovich, general director, sintikom@,mail. ru, Russia, Tula, LLC Production enterprise «Innovative technologies and materials»
