Основные металлургические характеристики процесса ORIEN

УДК 621.745.4

ОСНОВНЫЕ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОЦЕССА ORIEN

, ,

Представлены металлургические особенности нового способа производства стали на основе технологии ORIEN, разработанной в России. Рассмотрены природа, механизм, кинетика, термодинамика и энергетика главной реакции черной металлургии-получения железа.

Ключевые слова: ORIEN, рудное сырье, восстановление, углерод, энергия, электропечь, брикеты, синтиком.

Результаты экспериментальных исследований и широкие промыш­ленные испытания разных видов синтикома в различных сталеплавильных агрегатах на заводах самых различных стран подтвердили возможность эффективного железа из его оксидов непосредственно в процессе вы­плавки металла. Главными из них являются особая природа, механизм, ки­нетика, термодинамика и энергетика реакции взаимодействия углерода и кислорода оксидов железа, протекающая с огромными скоростями по ме­ханизму жидкофазного восстановления.

На основе этих исследований разработан электрометаллургический комплекс ORIEN. В качестве плавильного агрегата в процессе ORIEN ис­пользуется высокомощная дуговая сталеплавильная печь последнего поко­ления. Отличительной особенностью ее является 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, объединенные с углероди­стым восстановителем в одно целое – брикеты синтикома одинаковой формы, размеров, массы, состава, и имеющие постоянные физические и химические свойства, известную наследственность и происхождение. Дан­ное окускованное 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 карботерми­ческого 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 4000-15000⁰С по сравнению с другими металлургическими агрегатами. Температура по­верхности металлической ванны в зоне горения дуг при этом достигает температуры кипения железа 3230⁰С.

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 к. п.д.  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 ORIEN 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 форме позволяет значительно повысить скорость восстановления железа. Она примерно на два порядка превышает скорость восстановления в доменной и шахтной печах и достигает 20-50 кг/(м3∙с). Благодаря этому процесс ORIEN по объемам производства может конку­рировать с доменным производством и другими восстановительными пе­чами.

Целевыми продуктами плавки является сталь или полупродукт для внепечной обработки, монооксид углерода, являющиеся потенциальными источниками 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 придают процессу ORIEN 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 ORIEN.

Существование системы Fe-C 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 принципиально отли­чает получаемое в процессе ORIEN железо прямого восстановления от из­вестных. Возможность использования этого феномена представляет задачу дальнейших исследований. Особый интерес это представляет 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 ORIEN – электродуговой нагрев брикетов синтикома и тепловая энергия горения уг­лерода металлической ванны являются более эффективными по сравнению с топливными источниками.

Металлургическая природа процесса ORIEN не имеет аналогов. Она заключается в предварительном получении исходного сырья – синти­кома, 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 ORIEN носит односта­дийный совмещенный характер. Получение железа прямого восстановле­ния протекает в нем параллельно и одновременно с превращением в сталь, будучи совмещены во времени и пространстве.

Производимое в жидком виде способом ORIEN 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 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 ORIEN 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 ORIEN представляет собой газификатор металлургического типа, позволяющий превращать углеродные материалы в искусственное газообразное топливо.

Производство стали способом ORIEN строится по гибридному блочному принципу и включает в себя три блока: блок получения брике­тированного синтикома на основе системы Fe-C-O, 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 ORIEN. 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 ORIEN имеет особую 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, протекающем при обычных температурах. В силу этих причин исходная активность на­углероживателя, приближающаяся к показателю углерода в свободном со­стоянии и равная максимальной величине, переносится в готовые брикеты. Развитая поверхность частиц углеродного материала дополнительно уси­ливает сродство углерода к кислороду оксидов железа.

Сказанное выше относится также и к другому компоненту синти­кома – оксидам железа, присутствующих в виде рудного сырья самого раз­личного типа. Их соединение с восстановителем в одно целое – брикеты полностью сохраняют 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 сродство друг к другу 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 к. п.д. 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 ⁰С 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 восстановлением исключается реакция Будуара C + CO2 → 2CO, но­сящая энергоемкий характер.

Следовательно, природа, механизм, кинетика, термодинамика и энергетика реакции восстановления железа в процессе ORIEN 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 ORIEN свой восстановительный потенциал в максимальной степени, обес­печивая тем самым сокращение его расхода до уровня, приближающемуся к термодинамическому минимуму, равному для Fe2O3 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 ORIEN, 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, близкому к термодинамическому.

Список литературы

1.Шахпазов Г. А., Новые синтетические композиционные материалы и технологии выплавки с их использованием, М.: Интерконтакт Наука, 2008. 272с.

2. , Перспективы применения  композиционных материалов в электродуговых печах// Сталь, 2015, №10, с.13-16.

3. ,  Металловедение в большой металлургии. Трубные стали. М.: Металлургиздат,2012. 696с.

4., , и др. Современные технологии сталеплавильного производства// Электрометаллургия,2016. №3, с. 3-10.

5., , Непрерывна разливка стали, Липецк, , 2011. 221 с.

, канд. техн. наук, доц., *****@***ru, Россия, Тула, Интермет-Сервис»,

, генеральный директор, *****@***ru, Россия, Тула, ГК «Ферро-Технолоджи»,

, финансовый директор, *****@***ru, Россия, Тула, ГК «Ферро-Технолоджи»,

, генеральный директор, *****@***ru, Россия, Тула, «Инновационные технологии и материалы».

THE BASIC METALLURGICAL CHARACTERISTICS OF THE PROCESS ORIEN

G. A. Dorofeev, P. R.  Yantovskiy, K. G. Smirnov, Y. M. Stepanov

Presented to the metallurgical features of the new method of steel production on the basis of technology ORIEN developed in Russia. Considers the nature, mechanism, kinetics, thermodynamics, and energy of the main reaction of ferrous metallurgy producing iron.

Keywords: ORIEN, ore, recovery, carbon, energy, furnace, briquettes, sinticom.

Dorofeev Genrikh Alekseevich, candidate of technical science, docent, *****@***ru, Russia, Tula, OOO «NPMP Intermet-Service»,

Yantovskiy Pavel Rudolfovich, general director, *****@***ru, Russia, Tula, Ferro-Technology Group,

Smirnov Konstantin Gennadevich, financial director, *****@***ru, Russia, Tula, Ferro-Technology Group,

Stepanov Yaroslav Mihajlovich, general director, *****@***ru, Russia, Tula, production enterprise «Innovative technologies and materials» LLC.