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. Не-случайно отдельные эпохи истории названы, исходя из распространения того или иного металла: "бронзовый век", "железный век".

В глубокой древности была разработана оригинальная, весьма интерес-ная технология прямого получения железа. На территории нашей страны еще в 1400 году до нашей эры, как утверждают археологи, уже выплавляли желе-зо так называемым кричным методом. Сначала в гopнаx при температуре около 1000 градусов (такую температуру можно создать, не применяя совре-менных способов нагрева) восстанавливали железную руду обыкновенным углем, получали так называемую крицу. Затем крицу, своего рода железную губку, - многократно проковывали в горячем состоянии. В результате появи-лось 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 призна-ков коррозии.

Со временем двух ступенчатая система восстановления железа углем с последующей ковкой – единственная тогда промышленная схема черной ме-таллургии – отошла в небытие. Ее заменил доменный процесс, который в со-четании с мартеновским и кислородно-конверторным царствует в современ-ной металлургии.

Однако экономика и дополнительные требования к чистоте металла снова вызвали к жизни старый, испытанный метод. Побуждающие причины доста-точно очевидны. Кроме дефицита энергоресурсов и в частности кокса, можно указать быстро растущую потребность в высококачественном металле. Авиа-ция, ракетная техника, приборостроение – вот далеко не полный перечень по-требителей 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 трудно-сти 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 получе-ние и хранение водорода сопряжено со множеством чисто технических и эко-номических 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 фи-лиал 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 про-дуктами кислородной конверсии природного газа. Шахтные печи, с точки зрения специалистов, и дороже и хуже управляемы. Кроме того, они дают ме-талл, примеси которого составляют не менее 8 %. А в установке Редько сте-пень металлизации окатышей достигает 98 %, так что количество примесей снижается в четыре раза. Эти установки широко используются сейчас для по-лучения порошков. Работы лаборатории прямого восстановления и послужи-ли основой первой технологической модели Старо-Оскольского электроме-таллургического комбината, для получения губчатого железа высочайшего качества.

Как известно, черная металлургия после электроэнергетики прочно зани-мает второе место по расходу топливных ресурсов. И подобно ей все увели-чивает свои аппетиты. Если прибавить к этому изрядную долю электроэнергии, потребляемой многочисленными комбинатами металлургической промышленности — а она стремительно растет,— становится ясно, сколь не-обходимо было бы найти хотя бы для специальной металлургии новые источники энергии. Так родилась идея радиационного переплава стали. Радиаци-онные 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 дати-руется абсолютно точно — это пуск первой в мире атомной электростанции в городе Обнинске 26 июня 1954 года.

С тех пор освобожденная энергия атома хорошо послужила человече-ству. По подсчетам некоторых специалистов, к концу века доля энергии, вы-рабатываемой атомными электростанциями мира, увеличится до 30—40 про-центов. В разных странах строится сейчас около двухсот АЭС, причем не-прерывно улучшается технология, рождаются новые, более экономичные конструкции, наконец, с появлением так называемых бридерных реакторов -размножителей резко увеличились потенциальные запасы ядерного горюче-го.

Прежде чем посмотреть, как можно использовать атомную энергию в металлургии, вспомним, что собой представляет современный ядерный реак-тор классического типа, использующий реакцию деления ядер тяжелого ме-талла - урана.

Процесс деления происходит в так называемой активной зоне. Там и выделяется энергия. Тепло отводится из активной зоны специальным тепло-носителем - вода, тяжелая вода, жидкие металлы. Затем эту энергию утили-зируют. Схема устоявшаяся, традиционная: теплообменник - турбина - гене-ратор. И помчался по проводам электрический ток, полученный столь не-обычным способом. "Атомное электричество", по сути дела, работает и на металлургию, так как входит составной частью в электросистемы и, следова-тельно, участвует в любых устройствах электрометаллургии.

Однако под атомной металлургией мы понимаем не только использование тепла ядерного реактора. Будущий атомно-металлургический комплекс мыс-лится как нечто передовое во всех своих звеньях.

Современная технология получения черных металлов требует достаточно высоких температур: выплавка чугуна - 1600 градусов, нагрев – 1400 граду-сов, термическая обработка проката — 1250 градусов.

Прямо воспользоваться атомными реакторами пока что нельзя, так как по-добная «жара» наблюдается лишь внутри активной зоны.

Перевод тепла в зону, где сравнительно спокойно, также требует особых условий. Необходимы металлические теплообменники, сооруженные из жа-ропрочных 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 элек-трическую, 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 мо-гут, 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 леги-рования.

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 на-гревают в теплообменнике атомного реактора. Правда, там температура не-велика. 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, при-чем воду можно снова использовать для получения водорода и кислорода.