Несообразности металлургического цикла. Их устранение (стр. 1 )

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Уральский государственный горный университет»

НЕСООБРАЗНОСТИ

МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ЦИКЛА.

ИХ УСТРАНЕНИЕ

Научное издание

Екатеринбург – 2008

УДК 54

П 12

Рецензент: профессор, доктор химических наук , ведущий научный сотрудник Института металлургии УрО РАН.

в С. Б.,

Печатается по решению Редакционно-издательского совета

Уральского государственного горного университета

П 12 Несообразности металлургического цикла. Их устранение: Научное издание/ ; Урал. гос. горный ун-т. – Екатеринбург: Изд - во УГГУ, 2008.- 150 с.

Рассмотрены несообразности доменного процесса и, соответственно, металлургического цикла – неполное сжигание топлива, необходимость кокса, переуглероживание металла. Отмечено, что эти несообразности можно устранить, если перейти от современной совместной продувки руды и топлива к их последовательной продувке.

Книга предназначена для научных сотрудников и аспирантов, а также для дополнительного чтения студентов специальности 130405 – Обогащение полезных ископаемых, изучающих курс «Окускование и металлургия».

Рис. 8. Табл. 1. Библиогр. 32 назв.

УДК 54 ББК 24.1

Ó Уральский государственный

горный университет, 2008

Ó , 2008

ПРЕДИСЛОВИЕ

Мы стремились возможно полнее обсудить положения этой работы со специалистами теории металлургических процессов, доменного и сталеплавильного производства, рудоподготовки, обогащения полезных ископаемых и др. Для нас очень полезны были беседы с профессорами , , П, и другими. Автор благодарен также и

Обычно научно–технические вопросы излагаются строгим и «сухим» языком. В этой книге стиль изложения получился несколько более эмоциональным, близким к стилю популярных книг или полемически–дискуссионных. Дело в том, что ряд разделов здесь излагаются по материалам прошедших дискуссий, часто весьма оживленных, а также по материалам прочитанных лекций или докладов.

К тому же в книге потребовалось обсудить ломку идеологии в данной области, психологические сложности такой ломки, которые не поддаются сухому изложению. Несообразности или пороки металлургического цикла в той или иной мере осознаются, но понять их вполне и устранить мешает устоявшаяся идеология. Вопросы научной идеологии обычно не затрагиваются в работах по металлургии; между тем здесь они очень важны, поэтому в книге им отведено сравнительно много места – последняя глава 10.

Главы 8 и 9 написаны совместно с профессором

Мы были бы рады получить критические замечания или отзывы на эту книгу по адресу: E-mail: [e-mail]

ГЛАВА 1. ВВЕДЕНИЕ. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ КНИГИ

1.1. Причина несообразностей доменного процесса –

принцип совместной продувки рудо-топливной смеси

В книге рассмотрены «несообразности» или «врожденные пороки» современного металлургического цикла. Из-за них рядовая сталь оказывается, например, в 2-3 раза дороже, чем получилась бы в цикле без «несообразностей». Металлургический цикл [1-16] с его пороками сложился в донаучную эпоху, в результате многовекового стихийного развития, под воздействием многих случайностей. Основная цель книги – показать, что исходной причиной пороков цикла является принцип совместной продувки топлива и рудной компоненты при получении металла в домне; пороки можно устранить, если перейти к раздельной (последовательной) продувке компонентов, при которой газы дутья проходят сначала зону топлива, а затем зону рудной компоненты. При этом переход к последовательной продувке можно выполнить путем сравнительно небольших корректив к схеме доменного процесса, при сохранении его основных хорошо отлаженных элементов и его преимуществ.

В настоящее время основная масса черного металла (примерно 95 %) получается доменным процессом, то есть продувкой смеси кусков кокса и окатышей (или агломерата). Основную часть остальных 5-ти процентов черного металла получают процессом, идейно близким к доменному – путем продувки окатышей или кусков рудной компоненты природным газом в шахтных агрегатах типа «Мидрекс», «Хилл-3» и др. В принципе, известно много других способов получения черного металла, быстро появляются новые способы, однако, их суммарный вклад в производство незначителен. Нет способов, которые могли бы составить конкуренцию доменному процессу в получении основной массы металла. Подобная ситуация и в пирометаллургическом получении ряда цветных металлов.

Доменный процесс определяет общий вид современного металлургического цикла, является структурообразующим или системообразующим элементом всего цикла, хотя стоимость самого доменного процесса составляет теперь уже небольшую часть стоимости полного цикла.

Для металлургов очень важными были всегда две задачи: 1) достигнуть и поддерживать достаточно высокую температуру в доменной печи (или в горне); 2) обеспечить высокую скорость реакций между рудой и топливом. Для повышения температуры давали повышенный избыток топлива, хотя это часто нецелесообразно; наивысшая температура получается при стехиометрическом соотношении реагентов, без избытка топлива, остающегося после всех реакций. Для ускорения процессов восстановления куски руды и топлива смешивали, чтобы реагенты оказались ближе друг к другу. Сейчас вполне понятно, что нужную скорость реакций можно обеспечить и без смешивания компонентов; в этом убеждают, в частности, процессы типа «Мидрекс». Металлургический цикл сформировался в современном виде во многом потому, что получение металла практически всегда мыслили в основном как продувку рудо–топливной смеси при избытке топлива; это два основных принципа доменного процесса.

1.2. Принцип «доменный процесс незаменим!»

Исторически сравнительно быстро изменяются сталеплавильные металлургические процессы, корректирующие состав металла после доменной плавки, доводящие доменный чугун до состава стали. Быстро изменяются также процессы, предшествующие доменному (агломерация, коксование, окислительный обжиг руд, предварительный обжиг сидеритов или известняка, подготовка кусковой руды и др.), которые готовят сырье в соответствии с меняющимися требованиями доменного процесса. Изменяются подготовительные и доводочные процессы до и после доменного, но неизменным остается доменный принцип совместной продувки рудо–топливной смеси, который является основным способом получения металла на протяжении многих столетий и даже тысячелетий.

Когда резко изменялись условия производства, каждый раз торжествовал принцип «доменный процесс незаменим!». Металлурги каждый раз «не могли поступиться доменными принципами», «не соглашались» видоизменить доменный процесс получения металла соответственно новым условиям. Они скорее соглашались ввести новый дорогой передел, подготовительный или доводочный, ради того, чтобы сохранить доменный процесс неизменным.

Когда потребовалось от кусковых руд перейти на концентраты, можно было отлаживать вдувание порошка концентрата в домну, или металлизацию этого порошка и использование его в порошковой металлургии. Металлурги предпочли отладить окускование, превращающее порошок концентрата в прочные окатыши, подобные привычным кускам руды, хотя для этого пришлось преодолеть значительные трудности. Выигрыш состоял в том, что доменный процесс можно было вести по-прежнему, заменив куски руды окатышами.

Раньше, когда появился жидкий чугун, можно было убрать избыток топлива и искать такое видоизменение доменного процесса и доменной печи, при котором сталь получалась бы одним переделом. Проводились опыты по выжиганию углерода из чугуна в горне видоизмененными струями доменного дутья. Но после нескольких полуудачных и неудачных попыток в этом направлении был признан целесообразным двустадийный процесс. Предпочли сохранить традиционный вид доменного процесса, хотя ради этого потребовалось добавить в цикл новый дорогой сталеплавильный передел.

В результате сейчас металлургический цикл представляет собою довольно сложное нагромождение подготовительных и доводочных производств, «пристроек» и «приделок» к основному процессу, введенных в разное время и при разном стечении случайных обстоятельств. На пути от руды до изделия материалы проходят, например, 4-8 операций нагрева-охлаждения. В прошлом, в средневековой металлургии, продувкой руды и топлива в горне (или «домнице») получали крицу железа и затем ковали ее до изделия, периодически возвращая в горн. Весь процесс от руды до изделия укладывался в один передел, одну операцию «нагрев-охлаждение». При этом нагревали материалы до невысоких температур, порядка 800-900 0С. Современный цикл в этом плане намного расточительнее по затратам тепла. Это особенно ненормально при современном подорожании энергоресурсов и при множестве программ энергосбережения.

В донаучную эпоху, при стихийном эмпирическом развитии металлургии, в какой-то мере было естественно прежде всего сохранять неизменным надежный, давно и хорошо отлаженный доменный процесс, даже если приходилось ради этого добавлять дорогой новый передел. При этом каждый новый передел сначала долго апробировали в небольших масштабах, и ради таких незначительных производств неразумно было пытаться предпринять глубокое и рискованное преобразование основного доменного процесса. Сейчас можно вернуться к этим вопросам на новом научно-техническом уровне, ввести в доменный процесс соответствующие коррективы, не введенные в свое время, и убрать ряд «лишних» переделов, добавленных когда-то ради сохранения доменного процесса в неизменном виде.

1.3. «Врожденные пороки» доменного процесса

Ну, это все философия…

Перечислим «пороки» доменного процесса и, соответственно, металлургического цикла. Подробнее они рассматриваются ниже.