7 Производство чугунных гранул - наггетов в процессе iТmk3
Процесс IТmk3 - Iron Technology mark 3 - является естественным дальнейшим развитием процесса Фастмет (Fastmet), реализованным в кольцевых печах с вращающимся подом (КПВП). Данная технология разработана в Японии на металлургическом заводе Kobe Steel Inc., который является 100 % владельцем компании МИДРЕКС, США. Процесс осуществляется в КПВП при более высоких температурах, чем в процессе ФАСТМЕТ (FASTMET), благодаря чему эта технология обеспечивает достижение степени металлизации железа, равной 100 %. Более того, на завершающих стадиях технологии в КПВП осуществляется плавление композитных окатышей, жидкофазное разделение на металл и шлак, карбюризация металла и формирование конечного продукта - раздельных твердых гранул чугуна (наггетов) и шлака. Возможность осуществления процесса IТmk3 была случайно установлена в 1996 году, во время экспериментов по производству MO в процессе ФАСТМЕТ (FASTMET).
Технология IТmk3 использует железорудный концентрат и измельченный уголь. В отличие от технологии ФАСТМЕТ (FASTMET) в композитный окатыш добавляются флюсующие материалы - известняк и доломит. В качестве источника тепла для нагрева композитных окатышей в КПВП также используется природный газ или мазут. Частично тепло на процесс металлизации компенсируется горением угля равномерно рассыпанным тонким слоем на движущемся поду печи.
Упрощенная схема технологии IТmk3 представлена на рис. 10 из рассмотрения которой следует, что комплекс IТmk3 состоит из четырех основных отделений:
А - подготовки сырья, включающего формирование композитных окатышей и их сушку;
Б - печного, обеспечивающего термообработку железорудного сырья в кольцевой печи с вращающимся подом;
В - обработки горячего продукта, предназначенного для охлаждения и разделения чугунных гранул и шлака;
Г - утилизации тепла продуктов горения.
Сравнение технологии IТmk3, например, с технологией ФАСТМЕТ (FASTMET) и др., свидетельствует об определенной аналогии этой технологии производству металлизованного продукта в кольцевых печах с вращающимся подом.
Технология IТmk3 начинается с подготовки композитных окатышей. Измельченный уголь из мельницы - А.1. железорудные концентраты, флюсующие добавки - известняк, доломит, кварц, а также связующие хранятся в бункерах - 2. После смешения и окомкования в агрегатах - 3 и 4, поступают на сушку.
Рисунок 10 – Технологическая схема процесса IТmk3:
Отделения: А – подготовка сырья; Б – печное; В – обработки горячего продукта; Г – утилизация тепла продуктов горения; 1 – угольная мельница; 2 – бункера компонентов и дозаторов шихты; 3 – смеситель; 4 – окомкователь; 5 – сушильный агрегат; 6 – кольцевая печь с вращающимся подом; 7 – горелка; 8 – холодильник; 9 – грохот; 10 – магнитный сепаратор; 11 – котел-утилизатор; 12 – вентилятор; 13 – теплообменник; 14 – пылеуловитель; 15 – дымосос; 16 - дымовая труба; ЖРК – железорудный концентрат; У – уголь; И – известняк; Д – доломит; К – кварц; Св – связующие; В – вода; Т – топливо; ХВ – холодный воздух; ГВ – горячий воздух; ЧГ – чугунные гранулы; Ш - шлак
Сушильный агрегат - 5, использует воздух, подогретый в теплообменнике за счет тепла продуктов горения, покидающих КПВП. Сухие необожженные композитные окатыши, содержащие железорудный концентрат, уголь, связующие добавки и флюсы, загружаются в один слой на под КПВП. Особенность технологии процесса IТmk3, отличающей ее от технологии ФАСТМЕТ (FASTMET), состоит в том, что под печи покрывают тонким слоем измельченного угля для предотвращения эрозии пода образующимся шлаком, а также для получения дополнительного тепла при окислении угля и дополнительного науглероживания чугуна.
Загруженные (рис. 11, А) на под печи - 7, композитные окатыши - 3, проходят последовательно (рис. 11, Б) зоны подогрева, выделения и разложения летучих угля, восстановления, металлизации, науглероживания в твердом состоянии, плавления, карбюризации в жидком состоянии и разделения на гранулы чугуна - наггеты, и шлак, охлаждения внутри печи до температуры около 1100 °C и выгрузки. Процессы металлизации и карбюризации протекают при температуре 1450-1500 °С. Для организации такого режима по наружной и внутренней стенам печи установлены горелки - 2. Герметизация рабочего пространства достигается за счет установки водяных затворов - 4. Тепловую энергия окатыши получают от продуктов горения и тепловою излучения стен, а также от окисления угля кислородом атмосферы рабочего пространства печи и кислородов рудной части композитных окатышей.
Рисунок 11 – Внутреннее устройство КПВП технологии IТmk3:
А – поперечное сечение печи; 1 – под печи; 2 – горелки; 3 – слой окатышей; 4 – водяной затвор; Б – план пода печи
Далее, в соответствии со схемой рис. 12. частично охлажденный в КПВП металлизованный продукт для дальнейшего, более глубокого охлаждения, направляется в холодильник - 8. выполненный в виде вращающейся печи с наружным водяным охлаждением. После выделения мелкой фракции на грохоте - 9. охлажденные гранулы чугуна и шлак разделяются на аппаратах сухой магнитной сепарации - 10. Подовый уголь, не содержащий летучих веществ, отсеивается от более крупного шлака и возвращается в процесс.
Физическое тепло продуктов горения, как и в технологии КПВП. утилизируется в котле-утилизаторе - 11, для производства и последующего использования пара для выработки электроэнергии. Остаточное тепло продуктов горения расходуется в теплообменнике - 13, на подогрев первичного и вторичного воздуха горения, а также воздуха для сушильного агрегата - 5. Транспорт горячего воздуха к указанным потребителям обеспечивается работой вентилятора - 12. После утилизации тепла продуктов горения они подвергаются очистке в пылеуловителе - 14, и с помощью дымососа - 15, через дымовую трубу - 16, поступают в атмосферу.
Так же как и в технологии КПВП, реализуется принцип противотока. когда под с находящимися на нем материалами движется навстречу горячему потоку газа.
Металлургический процесс производства гранул чугуна (наггетов) можно охарактеризовать как процесс, протекающий в нижней ступени теплообмена в доменной печи. Отличие в том. что в технологии ITmk3 процесс прямого восстановления сосредоточен в одиночном окатыше. Благодаря высокой температуре и громадной поверхности контакта между частицами угля, железорудным концентратом и флюсами внутри композитного окатыша процессы восстановления оксидов железа и насыщения металла углеродом протекают чрезвычайно быстро: требуется всего 8-10 мин. от момента загрузки сырья до получения готового продукта.
Основные химические и физические превращения в композитном окатыше в процессе восстановления, металлизации и плавления представлены на рис. 12. Так как в композитные окатыши добавляются флюсы, то при производстве гранул чугуна (наггетов) удаляется сера и частично фосфор. В этом состоит одно из преимуществ технологии ITmk3 перед технологией доменной плавки.
Рисунок 12 – Физико-химические превращения в композитном окатыше (технология ITmk3)
О гранулометрическом составе и приближенном химическом составе гранул чугуна (наггетов) можно получить представление из анализа табл. рис. 13. Первая промышленная установка ITmk3 начала работу в январе 2009 г. в штате Миннесота, США - завод Mesabi Nugget. Печь с вращающимся подом процесса ITmk3 является самой большой печью в мире. Ее диаметр достигает 60 м, а ширина кольца пода - 8 м. Установка к началу 2012 года еще не вышла на проектную мощность, равную 500 000 т чугунных гранул (наггетов) в год, хотя во время освоения этой технологии демонстрировала достижение 80 % проектной мощности в течение месяца.
Расход некоксующегося угля на восстановительный процесс металлизации составляет около 300-340 кг/т гранул. Расход таких же углей, размещаемых на поду КПВП, лежит в пределах 100-130 кг/т гранул. Таким образом, общий расход угля составляет 400-470 кг/т гранул или 12-14 ГДж/т гранул. Расходы природного газа и мазута по теплу не превысили 5,6 ГДж/т гранул.
В настоящее время ведется строительство нескольких заводов по технологии ITmk3 в Казахстане, Вьетнаме, США и Индии.
Рисунок 13- Химический и гранулометрический составы чугунных гранул
8 СВС - процессы в металлургии
Практически, первой попыткой использовать экзотермические процессы в металлургии можно считать работы Н.Н.Бекетова по получению металлов и их сплавов с помощью реакций в термитных системах. Позже на базе полученных результатов было создано новое научное направление и отрасль промышленности, получившее название металлотермии (Н.П.Лякишев, Ю.Л.Плинер, А.С.Дубровин и др.). Наиболее широко на практике для получения ферросплавов и лигатур в качестве восстановителя используют алюминий (алюминотермия). Очень полезным оказалось использование термитных процессов для сварки рельсов. Другим широко используемым активным металлом является магний (магниетермия). Магниетермию на практике используют для получения титановой губки. Известны примеры использования и других активных элементов в качестве восстановителей (Ca, B, Si, Cu и др.).
В литературе описаны многочисленные попытки получения карбидов, боридов, силицидов, нитридов металлов и т.д. с помощью термитных реакций. Однако была отмечена невозможность использования этого метода для получения тугоплавких литых соединений ввиду взрывоподобного характера горения при высокой температуре.
Новые возможности для использования термитных реакций в научных и прикладных целях появились в связи с развитием в 70-е годы работ по самораспространяющемуся высокотемпературному синтезу тугоплавких неорганических соединений (СВС). Эти возможности связаны с использованием нового оборудования и новых методов. Исследования показали, что воздействие повышенным давлением и центростремительной силой подавляет разброс смесей термитного типа при горении и переводят горение в управляемый стационарный режим. Исследования показали также, что для широкого круга подобных смесей продуктом горения является высокотемпературный многофазный расплав, содержащий не растворимые друг в друге “металлическую” и оксидную фазы. В ряде случаев при неполном восстановлении исходных окислов, формируется однофазный оксидный расплав. Детальные фундаментальные и прикладные исследования показали, что горением и химическим составом расплава продуктов горения, а также последующими за горением процессами фазоразделения и кристаллизации, формирования фазового состава, макро–и микро– структуры можно управлять с помощью внутренних (состав и плотность смеси, дисперсность компонентов и т.д.) и внешних (перегрузка, давление газа, электромагнитное поле, высокочастотные колебания и т.д.) воздействий. Это новое направление исследований получило название СВС-металлургия.
Жидкофазное состояние продуктов синтеза после прохождения волны горения позволило решить три практических задачи:
1)получение слитков карбидов, боридов, силицидов и оксидов металлов, твердых и жаростойких сплавов, композиционных и градиентных материалов и т.д.;
2)получение литых изделий, в том числе труб из перечисленных выше материалов;
3) получение износостойких защитных покрытий на деталях машин и механизмов.
Методами СВС металлургии можно также осуществлять переработку промышленных отходов (металлическая стружка, окалина и металлургическая пыль и т. д.).
В рамках этих исследований в 80-е годы был создан ряд опытных производств: НПО “Черметмеханизация” (Днепропетровск), “Запсибмет” (Новокузнецк) и НИИ “Тракторсельхозмаш”.
Следует отметить также попытки использования металлургических СВС – процессов в черной и цветной металлургии для легирования литых заготовок для модифицирования алюминиевых сплавов, ремонта металлургических поддонов ВНИИмехчермет, (Днепропетровск), получения огнеупоров и ремонта металлургических печей.
В 1980-1982 г.г. О.Одавара с коллегами (Япония) провел исследование горения железо-алюминиевого термита и разработал технологию получения труб большого диаметра В 1990 году
С. Вуйтицкий (США) сконструировал радиальную центробежную установку и провел первые эксперименты по получению литых твердых сплавов на основе карбида вольфрама Широкое развитие центробежная СВС-технология получила в работах S.G. Zhang, X.X. Zhon, S. Yin и др. (Китай) и G. Cao (Италия) с сотрудниками .
В настоящее время СВС - металлургия - это одно из наиболее интересных и полезных для практики направлений в СВС, имеющее большие перспективы развития и следующие наиболее значимые достижения:
создано оригинальное оборудование, методики экспериментальных и прикладных исследований (центробежные установки, реакторы, закалочные устройства, компьютеризованные комплексы экспериментальной диагностики, методики получения трубчатых изделий и защитных покрытий и т.д.);
развиты представления об особенностях процессов в “жидком пламени”, предложены структурные схемы химического превращения в волнах горения, показана возможность управления стадиями с помощью вариации соотношения дисперсностей реагентов;
показано сильное влияние высокотемпературных гидродинамических процессов (принудительная фильтрация расплавов, конвективное движение расплава над фронтом горения, движение двухфазного потока вдоль открытой поверхности и т.д.) на горение и формирование литых продуктов;
реализовано горение в перемешанных и слоевых системах, с полным и частичным восстановление исходных окислов, а также изучены их закономерности;
реализованы процессы с полным и частичным фазоразделением в продуктах горения, разработаны основы получения литых однофазных, керметных и градиентных тугоплавких неорганических материалов;
построены модели “жидкого пламени”, фазоразделения и динамического взаимодействия высокотемпературного расплава с плавящейся основой, включая стадию растекания по поверхности основы, адекватно отражающие экспериментальные закономерности;
синтезировано более 100 литых химических соединений (карбиды, бориды, силициды, оксиды, нитриды, твердые сплавы, жаростойкие и композиционные, абразивные и износостойкие материалы );
разработаны опытные СВС-технологии литых материалов, производства труб и нанесения защитных покрытий;
изготовлены трубы с керметной, слоевой и градиентной структурой;
осуществлено нанесение защитных покрытий из твердых сплавов на основе карбидов и боридов титана и хрома толщиной от 1 до 30мм на поверхностб стальных изделий;
апробирован в промышленности широкий круг материалов (сплавы для напыления и наплавки защитных покрытий, абразивные оксидные материалы), литых защитных покрытий (металлургия, тракторное и сельскохозяйственное машиностроение, дорожно-строительная техника), керметных труб (разливка расплавов из цветных металлов);
организованы малотоннажные производства ряда литых материалов и покрытий;
Перспективы развития металлургического направления СВС связаны с созданием новых методик и оборудования, расширением экспериментальных и теоретических исследований горения смесей термитного типа в условиях принудительной фильтрации расплава и конвективного движения в расплавленных продуктах горения; изучением взаимосвязи восстановительной стадии и “СВС” в волне горения и возможностью управления составом и структурой продуктов горения с помощью внутренних и внешних воздействий.
Развитие прикладных исследований должно быть направлено на создание технологий новых материалов и изделий для промышленности: литой полупроводниковой керамики, трубчатых нагревателей, преобразователей тепловой энергии в электрическую, жаростойких материалов и покрытий для авиационной техники, износостойких покрытий на деталях машин и механизмов, переработка промышленных отходов, в том числе и радиоактивных. Ниже приводится перечень новых задач, перспективных для науки и практики.
Закономерности и механизм процессов
влияние высокотемпературных гидродинамических процессов на распространение и структуру волн горения
горение гибридных систем и влияние принудительной фильтрации высокотемпературного расплава на горение безгазовых систем
химическая стадийность в системах MeOx+ B2O3 +Al, MeOx+ SiO2 +Al и структура волн горения;
деформационные процессы в волнах горения;
горение под воздействием высоких перегрузок (более 1000g);
продолжить исследования влияния внешних полей на СВС-процесс и формирование градиентных структур, и разработку центробежных методов закалки продуктов горения.
Технологические процессы и оборудование
разработать радиальные центробежные установки с перегрузкой более 1000g;
разработать осевые высокоточные центробежные установки для получения трубчатых изделий;
разработать опытные высокопроизводительные установки для процессов СВС-металлургии и СВС-переработки промышленных отходов;
использовать СВС - составов термитного типа для моделирования аварийных процессов в атомном реакторе;
создать основы космической СВС-металлургии.
Продукты синтеза
создать композиционные жаростойкие материалы и твердые сплавы на на основе карбидов и боридов металлов с интерметаллидными матрицами;
создать высокотемпературные электропроводящие оксидные композиционные материалы ;
создать литые градиентные материалы;
создать защитные покрытия на поверхности легкоплавких и активных металлов;
создать литые трубы из электропроводящих оксидных и композиционных материалов.
Переработка индустриальных отходов и ремонтные работы.
СВС-переплавка отходов металлообработки и бракованных деталей;
СВС-переплавка радиоактивных неметаллических отходов;
залечивание технологических отверстий и литейного брака в изделиях с помощью СВС-процессов и СВС- материалов;
восстановление изношенных поверхностей.