Jan Mróz - Konference

METAL 2001
15. - 17. 5. 2001, Ostrava, Czech Republic
Jan Mróz
Politechnika Częstochowska
Alternative technologies of iron production
Alternatywne technologie produkcji żelaza
Abstract
The current state of development of iron production technologies as an alternative to the blast furnace
process has been presented. Two groups of these processes have been distinguished, namely:
I - direct reduction of iron ore processes (DRI) in which reduction of iron ores proceeds in the
solid state and the product of such processes is sponge iron containing some amount of
gangue. The following are described in the paper: shaft processes, rotary kiln processes,
fluidized-bed processes and rotary heart ones.
The predominating processes of direct reduction are processes based on the gaseous reducer.
They yield in total approx. 93% of the world’s production of sponge iron. The Midrex
technology is at the leading position (64.8% of the total production), with subsequent positions
being occupied by HyL III (18.8%), HyL I (7.8%) and Fior (1.2%).
In recent years a substantial growth of iron sponge reduction occured. In 1999 the iron sponge
output amounted to 38.6 mln tonnes i. e. the rise of the production since 1995 has gained ca
26%.
II - new technologies of iron production in the liquid state, which are based on using non-coking coals,
i. e. smelting reduction of iron (SRI) processes. In these new technologies (being at various stages of
development) the reduction of iron oxides may proceed in two-stages, i. e. at first in the solid state, and
then in the liquid state in a melter-gasifier reactor as it is in the Corex process, or in a single-stage
technology, e. g. the Romelt process.
At present, the Corex and the Romelt processes are the most advanced technologies of
reduction smelting. Presently operating installations yield an annual output of approx. 700 –
800 thousand tons of liquid iron (from a single facility) and they are the subject of broad
interest worldwide.
I. Redukcja bezpośrednia rud
Procesy redukcji bezpośredniej zyskują na znaczeniu wobec nadmiernej kumulacji w stali szkodliwych
pierwiastków takich jak Cu, Sn, As i in., w związku z coraz szerszym stosowaniem recyrkulacji
wyrobów stalowych. Rozcieńczanie tych domieszek w procesie stalowniczym poprzez dodawanie
żelaza gąbczastego o niskiej zawartości tych pierwiastków, jest skutecznym sposobem obniżenia tych
domieszek poniżej dopuszczalnego poziomu.
Procesy redukcji bezpośredniej można podzielić w zależności od rodzaju reduktora na procesy w
których stosowane są reduktory gazowe i procesy wykorzystujące reduktory stałe (Fig. 1). Jak widać na
rys. 1 procesy redukcji rud gazami są dominujące; ich produkcja osiąga 93% całości rocznej produkcji,
która w 1995 roku wyniosła 30,7 mln ton [1].
Pierwsze miejsce zajmuje proces Midrex, (64,8%) za nim proces Hyl III (18,8%). W obu tych
procesach przerabia się rudę kawałkową i są to procesy szybowe.
Proces Midrex opracowany w latach sześćdziesiątych przez firmę Midland-Ross (USA), polega na
prowadzeniu redukcji w górnej części i ochładzaniu zredukowanego żelaza w dolnej części (średn. 4,8
m., obj. 300 m3. Gaz redukcyjny jest wytwarzany w instalacji konwersji z mieszaniny gazu ziemnego i
gardzielowego (1/3 gazu gardzielowego do ogrzewania a 2/3 do konwersji). Temperatura. gazu w
zakresie od 760 do 900oC. Stopień metalizacji ok. 94%. Zużycie energii od 10,7 do 11,3 GJ/t. Instalacje
Midrex pracują m.in. w USA, Niemcy, Argentyna, Kanada, Wenezuela, Rosja, Wielka Brytania, Iran,
Trynidad, Nigeria, Turcja.
Proces HyL III został opracowany w firmie Hylsa w Meksyku w latach 1975-80 i powstał ze względu
na ograniczenie wydajności i efektywności procesu retortowego HyL I. Instalację przemysłową
-1-
METAL 2001
15. - 17. 5. 2001, Ostrava, Czech Republic
uruchomiono w maju 1980 roku w Monterrey w Meksyku. Piec szybowy podzielony na trzy strefy redukcyjną, izobaryczną i chłodzenia, pracuje pod ciśnieniem 5 atm. Zadaniem strefy izobarycznej jest
rozdzielenie strefy redukcyjnej i chłodzenia, i zapobieżenie mieszaniu się strumieni gazu. Gaz
redukcyjny pochodzi z konwersji gazu ziemnego za pomocą pary wodnej, przy czym przewiduje się też
możliwość konwersji gazami odlotowymi. Temperatura redukcji od 850 do 960oC.
Proces HyL I opracowany został przez firmę Hojolata y Lamina w Meksyku. Pierwszą instalację
uruchomiono w 1955 r w Meksyku. Proces polega na redukcji wsadu żelazodajnego w retortach
pracujących cyklicznie. Reduktorem jest gaz redukcyjny bogaty w wodór i tlenek węgla, otrzymywany
przez konwersję gazu ziemnego za pomocą pary wodnej. Ruda redukowana jest dwustopniowo a
otrzymane żelazo gąbczaste jest chłodzone i nawęglane w trzeciej retorcie. W wyniku nawęglania
tworzy się na powierzchni zredukowanych ziaren “cementytowy płaszcz” skutecznie chroniący przed
ponownym utlenieniem.
Proces FIOR jest jednym z nielicznych fluidalnych procesów redukcji stosowanym na skalę
przemysłową jest proces Fior w Wenezueli. Instalacja redukcji FIOR składa się z 4 reaktorów (reaktory
16,2m wysokości i średnicy 6,1m). W pierwszym reaktorze w którym panuje atmosfera utleniająca
wsad jest nagrzewany gorącymi spalinami do temperatury redukcji. Następnie ruda przechodzi do
następnych reaktorów w których 90-95% tlenków żelaza jest redukowana do żelaza metalicznego.
Gazem redukcyjnym jest wodór wytwarzany na bazie gazu ziemnego bądź ropy naftowej, zmieszany z
gazem recyrkulacyjnym i podgrzany do temp. 525oC. Jest on wprowadzany do ostatniego reaktora
fluidyzacyjnego, a następnie w przeciwprądzie do wsadu przechodzi przez kolejne reaktory.
Proces SL/RN jest kontynuacją dwóch niezależnych od siebie procesów RN i SL. Połączono je w 1964
roku. Proces ten prowadzi się w piecu obrotowym przy czym reduktorem jest tani węgiel enegetyczny a
także węgiel brunatny. Piec obrotowy umownie podzielony jest na strefę podgrzewania i redukcji.
Wsad nagrzewa się do temp. ok. 980oC. Ciepło dostarcza palnik zainstalowany u wylotu pieca i reakcja
dopalania tlenku węgla wytworzonego w warstwie wsadu. (RPA, Nowa Zelandia, Australia, Brazylia,
Japonia, USA, Kanada). Interesującym zastosowaniem procesu SL/RN jest jego wykorzystanie do
przeróbki odpadów hutniczych.
Obecnie rozwijają się również nowe procesy, co prezentuje Fig. 2. Do tych nowych procesów można
zaliczyć przede wszystkim:
a) procesy w warstwie fluidalnej (Finmet, zakład 2 mln ton budowany aktualnie w Australii, jest to
rozwinięcie procesu Fior),
b) Iron-Carbide (ruda o uziarnieniu 0.1 –1.0 mm) którego produktem jest węglik żelaza (Trynidad),
c) Circored (wodór) Circofer (węgiel) – w których stosuje się tzw. cyrkulującą warstwę fluidalną.
Pierwsze urządzenie Circored o rocznej zdolności produkcyjnej 500 tys. ton brykietowanego na gorąco
żelaza gąbczastego buduje konsorcjum Cleveland Cliffs Corp,. LTV Steel i Lurgi Metallurgie (udziały
7%) w Trynidadzie. Rozruch tego urządzenia zaplanowano na połowę 1989 roku.
Również nowymi procesami są procesy z obrotowym trzonem tj. Inmetco i Fastmet. Te dwa ostatnie
procesy te są opracowywane m.in. z myślą o utylizacji pyłów i szlamów hutniczych zawierających duże
ilości cynku, ołowiu i związków alkalicznych.
Urządzenia produkcyjne do redukcji gazami mają roczne zdolności produkcyjne 0,4 – 1,3 mln ton, a
przy redukcji za pomocą reduktorów stałych w piecach obrotowych – do 0,3 mln ton.
W ostatnich latach obserwuje się duży wzrost redukcji bezpośredniej z 30,7 mln ton w roku 1995 do
38,6 mln ton w 1999 roku tj. w ciągu czterech lat wzrost o prawie 26%.
II II. Procesy wytapiania redukcyjnego
Przez dziesięciolecia produkcja ciekłego żelaza była i nadal jest zdominowana przez technologię
wielkopiecowego wytapiania żelaza. Produkcja ta wynosi obecnie ok. 95 % całkowitej produkcji żelaza
w świecie z rud. Pomimo to, coraz bardziej upowszechnia się pogląd [2-6], że stopniowo, ale
systematycznie będzie rosnąć konkurencja dla procesu wielkopiecowego, ze strony innych technologii
tzw. procesów wytapiania redukcyjnego (smelting reduction). Zasadniczą cechą tych procesów jest
oparcie ich na surowym (nie koksowanym) węglu kamiennym jako źródle energii i reduktorze.
Poszerza to w ogromnym stopniu bazę węgli kamiennych do wykorzystania w procesach wytapiania
żelaza, a w konsekwencji znacznie obniża udział nakładów na energię w cenie jednostkowej produktu.
Drugą istotną cechą jest zmniejszenie nakładów inwestycyjnych, ponieważ budując instalację
-2-
METAL 2001
15. - 17. 5. 2001, Ostrava, Czech Republic
wytapiania redukcyjnego, unika się budowy kosztownych wydziałów koksowni i najczęściej także
spiekalni. Trzecim atutem są względy ochrony środowiska, ponieważ w nowej technologii spodziewać
się należy obniżonych nakładów na zapobieganie degradacji środowiska.
Stosując kryterium techniczno-technologicznych innowacji można wyróżnić dwa typy instalacji.
a) instalacje składające się z dwóch podstawowych agregatów, do redukcji wstępnej w stanie stałym i
końcowej w stanie ciekłym (Corex, HIsmelt, DIOS, AISI-DOE),
b) instalacje jednoagregatowe – redukcja tlenków żelaza w jednym agregacie (Romelt i CCF).
W ostatnich latach opracowano kilka rozwiązań, (Fig. 3) które mogą znaleźć szersze zastosowanie w
praktyce przemysłowej, bądź to ze względu na już istniejące i sprawdzone instalacje w skali
przemysłowej, półprzemysłowej, bądź też ze względu na duże zaawansowanie prac badawczorozwojowych, z zaangażowaniem badań podstawowych. Niewątpliwie, wiodącą technologią jest
technologia Corex.
Instalacja Corex składa się z dwóch podstawowych agregatów (Fig. 3a): z szybu redukcyjnego i
reaktora do roztapiania i zgazowania węgla. Kawałkową rudę, spiek grudki (6-30 mm), lub ich
mieszankę ładuje się do szybu redukcyjnego przez śluzowy lej samowykładowczy, gdzie są one
bezpośrednio redukowane do żelaza o stopniu metalizacji około 93 % za pomocą gazu redukcyjnego
płynącego w przeciwprądzie. Wyładowcze przenośniki ślimakowe transportują żelazo gąbczaste z
szybu redukcyjnego do reaktora, w którym następuje roztapianie końcowa redukcja w stanie ciekłym.
Źródłem energii cieplnej i chemicznej jest węgiel kamienny, który podawany do kopuły reaktora, ulega
w temperaturze ok. 1100oC przetworzeniu w półkoks. Wdmuchiwany do garu reaktora tlen tworzy w
wyniku gazyfikacji węgla gaz redukcyjny, składający się w 95% z CO i H2 i ok. 3 % CO2. Gaz ten po
wyjściu z reaktora, schłodzeniu i odpyleniu, służy do redukcji wstępnej wsadu żelazonośnego w szybie.
Posiada on wartość opałową ok. 7500 kJ/kg. Uzyskana nadwyżka gazu pozwala na wyprodukowane
energii elektrycznej w ilości 920 tys. MWh/rok (dotyczy instalacji C-2000, o rocznej wydajności 800
tys. ton ciekłej surówki [7]. Stosowany węgiel w procesie Corex powinien zawierać mniej niż 1 %
siarki, ilość popiołu nie powinna przekraczać 25 %, ilość substancji lotnych poniżej 35 %, zaś
zawartość węgla związanego powinna wynosić co najmniej 55%.
Obecnie instalacje Corex pracują w firmie Iscor w Południowej Afryce oraz w Korei Południowej w
firmie Pohang Iron and Steel Co. (Posco). Ta druga jest instalacją C-2000 o nominalnej produkcji 2000
ton surówki na dobę. Umowę z VAI (Voest Alpine Industrieanlagenbau) na dostarczenie dwóch
urządzeń Corex C-2000 podpisała hinduska firma Iindal Group [7] dla budowanego od podstaw
kompleksu stalowniczego w stanie Karnataka. Podobną umowę, również na dostawę dwóch instalacji
Corex-2000 podpisała we wrześniu 1994 inna południowokoreańska firma Hanbo Steel. Obecnie VAI
prowadzi, wspólnie z koncernem Posco, prace badawczo-rozwojowe nad opracowaniem na skalę
przemysłową tzw. procesu Finex [7], w którym ciekłą surówkę będzie można wytwarzać z nie
spiekanych, miałkich rud żelaza i węgli niekoksujących.
Proces Hismelt był początkowo wynikiem współpracy australijskiej firmy CRA, firmy niemieckiej
Klockner oraz firmy Midrex (dwie ostatnie wycofały się pod koniec lat osiemdziesiątych) doprowadziły do konstrukcji pilotowej instalacji o wydajności 150 t/d w Australii [8,9]. W pierwszej wersji,
oryginalny reaktor HIsmelt był poziomo usytuowany i posiadał możliwość rotacji. Ze względu jednak
na zbyt duży stopień skomplikowania urządzenia zmieniono w 1998 roku jego konstrukcję na pionową.
W tym nowym reaktorze (2.7 m średnicy, i wydajności od 50 tys. do 100 tys. t/rok zależnie od rodzaju
wsadu) węgiel i świeżo zredukowana ruda żelaza są wdmuchiwane do fazy metalowej, gdzie następuje
szybkie rozpuszczanie i roztapianie (Fig. 3b). Unoszące się gazy generują duże fontanny ciekłej fazy,
silnie mieszając metal i żużel. Możliwe jest wzbogacenie dmuchu w tlen, ponieważ reakcja pomiędzy
dmuchem a rozpuszczonym węglem w kąpieli jest minimalizowana przez dużą objętość żużla w ciekłometalowej fontannie.
Instalacja DIOS jest wynikiem szerokiego programu rozwojowych badań japońskich [9,10],
zastosowano tutaj ładowanie węgla i częściowo zredukowanych materiałów do konwertora typu LD.
Górną część instalacji stanowi piec do wstępnej redukcji drobnej rudy w złożu fluidalnym lub rudy
kawałkowej w złożu stałym (Fig. 3c). Wstępnie zredukowany materiał przechodzi do konwertora
tlenowego z górnym dmuchem, w którym zachodzi końcowa redukcja rudy i stopienie metalu i żużla.
Źródłem ciepła i reduktora jest węgiel kamienny, który częściowo zostaje spalony w konwertorze, zaś
otrzymany gaz jest stosowany do wstępnej redukcji rudy w górnej części instalacji. Instalację DIOS o
wydajności 150 tys.ton/rok uruchomiono w 1993 roku w Keihin w Japonii.
-3-
METAL 2001
15. - 17. 5. 2001, Ostrava, Czech Republic
Proces AISI-DOE został opracowany w USA w wyniku współpracy Amerykańskiego Instytutu Żelaza
i Stali (AISI) i Departamentu Energii (DOE). Proces wytapiania redukcyjnego jest realizowany w
dwuagregatowej instalacji (Fig. 3d). Grudki rud żelaza redukowane są częściowo w piecu szybowym,
po czym drugi etap redukcji przebiega w reaktorze w spienionym żużlu ponad kąpielą metalową.
Spienienie żużla sprzyja przenoszeniu ciepła z gazów do kąpieli [9,11]. Pienienie żużli intensyfikuje
się za pomocą dodatków, które zwiększają ich lepkość bądź obniżają napięcia powierzchniowe.
Przewiduje się wysokość piany 3-5 m. Węgiel podawany jest od góry do reaktora, gdzie zachodzi jego
karbonizacja i utlenianie do CO, który jest dopalany nad kąpielą. Otrzymany
z konwertora gaz służ do wstępnego podgrzania i częściowego zredukowania grudek. Półprzemysłową
instalację o wydajności 36 tys. ton/rok uruchomiono w 1991 roku w Pittsburgu.
Instalacja Romelt Procesem jednoetapowej redukcji w stanie ciekłym, przebiegającym w jednym
agregacie jest rosyjski Romelt [12,13]. Wsad, składający się z materiału żelazonośnego, węgla
kamiennego i topnika jest podawany w sposób ciągły do roztopionej fazy żużlowej (Fig. 3e). Powietrze
wzbogacone tlenem, wdmuchiwane do kąpieli żużlowej utlenia część paliwa węglowego produkując
niezbędną energię cieplną i chemiczną. Tlenki żelaza redukowane są z ciekłej fazy żużlowej
reduktorem węglowym, zaś ciekłe nawęglone żelazo zbiera się w dolnej części pieca. Powyżej poziomu
pieniącego się żużla, podawane jest powietrze z tlenem dla dopalania generowanych w kąpieli gazów.
Stopień dopalania gazów można zmienić w szerokim zakresie dochodząc do 95 %. Zwiększenie stopnia
dopalania zmniejsza zużycie paliwa i zwiększa wydajność procesów. Ciepło spalin można wykorzystać
do produkcji energii elektrycznej. Zużycie węgla w tym procesie zawiera się w granicach 650 – 900
kg/t surówki, w zależności od zawartości węgla w paliwie i bogactwa wsadu. Roczna wydajność
agregatu (w Nowolipiecku) wynosi ok. 750 tys. ton surówki. Proces ten może również być szeroko
stosowany ze względu na swoją elastyczność, do utylizacji różnorodnych odpadów żelazonośnych.
Proces CCF (Cyclone-Converter Furnace) Interesujacym technologicznie procesem w którym
wykorzystuje się jako wsad żelazonośny miałkie rudy żelaza, jest proces opracowany w latach 1989 –
92 wspólnie przez British Steel, koncern Ilva Laminati Piani (ILP) i hutę Hoogovens IJ-muiden [1415]. W odróżnieniu od Corexu, jest to instalacja jednoagregatowa, tzw. konwertor cyklonowy
(Convertor Cyclone Furnace – CCF). Cyklon i konwertor połączone ze sobą stanowią jednolity
reaktor. W cyklonie, który stanowi górną część urządzenia (Fig. 3f) ma miejsce etap wstępnej redukcji.
Rozdrobniony węgiel i tlen są podawane od góry, natomiast z boku wdmuchiwana jest rozdrobniona
ruda i tlen. Przeciętnie 93 % całkowitej ilości wdmuchiwanej rudy przechodziło do części
konwertorowej w formie ciekłej i wstępnie zredukowanej [9]. Ruda w formie ciekłej składa się z
hematytu o przeciętnym stopniu redukcji wstępnej około 20 %. W dolnej części urządzenia,
konwertorze, zachodzi dalszy proces redukcji w stanie ciekłym. Obecnie w Hucie Hoogovens znajduje
się instalacja półprzemysłowa o wydajności 20 t/dobę.
References
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
Schubert K.-H., Lűngen H. B., Steffen R.: Stahl u. Eisen, t.116, 1996, nr. 8, pp. 71-79.
Fruehan R.J., Ito K., Ozturk B.: Steel Research, 1989, nr 3-4, pp. 129-137.
Król L.: Procesy ”Smelting reduction” - metalurgia XXI wieku?, Mat. Konf. III Conference ”Metalurgy of
Iron”, Komorni Lhotka, 9-11.12.1993, s. 1-5.
Kor G.,Jan W.: Steel Research, 1989, nr 3-4, pp. 122-124.
Neuschütz D., Hoster T.: Steel Research, 1989, nr 3-4, pp. 113-119.
Szekely J., Trapaga G.: Stahl u.Eisen, 1994, nr 9, pp. 43-55.
Flickenschild J.: Metall. Bull. Monthly Sup., Aug. 1996, pp. 10-13.
Maculey D., Price D.: Steel Times Int., May 1999, pp. 22-26.
Feinman J.: Iron a. Steel Engineer, June 1999, pp. 75-77.
Inatani T.: The Current Status of JISF Research on the Direct Iron-Ore Smelting Reduction Processes, ISS
Ironmaking Conference Proceedings, vol. 50, 1991, pp.651-658.
Aukrust E.: Proceedings of Savard/Lee Symposium, Iron a. Steel Society, Warrendale, Pa., 1992, p.591.
Vegman E. F.: Steel in Translation, t.26, 1996, nr.11, pp.16-21.
Romenets V.: The Romelt Process, ISS Ironmaking 2000, Myrtle Beach SC, October, 1994.
van Langen J. et al.: Le Revue de Metallurgie, nr. 3, 1993, p.363.
Malgarini G., DeCesare A., DiDonato A., Granati P., Federico G.: Iron a. Steel Eng., January 1997, pp. 3031.
-4-
METAL 2001
15. - 17. 5. 2001, Ostrava, Czech Republic
-5-
METAL 2001
15. - 17. 5. 2001, Ostrava, Czech Republic
-6-