Прямое восстановление железа

Недавно добытый и очищенный тип металла.

Горячебрикетированное железо

Железо прямого восстановления ( DRI ), также называемое губчатым железом , ^[1] производится путем прямого восстановления железной руды (в виде кусков, окатышей или мелочи) в железо восстановительным газом , который либо содержит элементарный углерод (полученный из природный газ или уголь ) или водород . Когда в качестве восстановительного газа используется водород, парниковые газы не образуются. Многие руды пригодны для прямого восстановления.

Прямое восстановление относится к твердофазным процессам, которые восстанавливают оксиды железа до металлического железа при температурах ниже точки плавления железа. Восстановленное железо получило свое название от этих процессов, одним из примеров является нагревание железной руды в печи при высокой температуре от 800 до 1200 ° C (от 1470 до 2190 ° F) в присутствии восстановительного газа синтез-газа , смеси водорода и углерода . монооксид или чистый водород. ^[2]

Производство железа прямого восстановления и разбивка по процессам

Процесс

Процессы прямого восстановления можно грубо разделить на две категории: на основе газа и на основе угля. В обоих случаях целью процесса является удаление кислорода, содержащегося в различных формах железной руды (сортировочная руда, концентраты, окатыши, прокатная окалина, печная пыль и т. д.), с целью перевода руды в металлическое железо без плавления. это (ниже 1200 ° C (2190 ° F)).

Процесс прямого восстановления сравнительно энергоэффективен. Сталь , изготовленная с использованием DRI, требует значительно меньше топлива, поскольку не требуется традиционная доменная печь. DRI чаще всего перерабатывается в сталь с использованием электродуговых печей , чтобы использовать тепло, выделяемое продуктом DRI. ^[3]

Преимущества

Процессы прямого восстановления были разработаны для преодоления трудностей обычных доменных печей . Заводы DRI не обязательно должны быть частью интегрированного сталелитейного завода, как это характерно для доменных печей. Первоначальные капиталовложения и эксплуатационные затраты установок прямого восстановления ниже, чем у комплексных сталелитейных заводов, и они больше подходят для развивающихся стран, где запасы высококачественного коксующегося угля ограничены, но где стальной лом обычно доступен для переработки. ^{[ нужна цитата ]} Многие другие страны используют варианты этого процесса.

Факторы, которые помогают сделать DRI экономичным:

• Железо прямого восстановления имеет примерно такое же содержание железа, как и чугун , обычно 90–94% общего количества железа (в зависимости от качества сырой руды), поэтому оно является отличным сырьем для электропечей, используемых на мини-заводах , что позволяет им использовать более низкие сорта лома для остальной части шихты или для производства более высоких марок стали.
• Горячебрикетированное железо (ГБЖ) представляет собой прессованную форму прямого восстановления, предназначенную для удобства транспортировки, обращения и хранения.
• Горячее железо прямого восстановления (HDRI) — это DRI, которое в горячем виде транспортируется непосредственно из восстановительной печи в электродуговую печь, тем самым экономя энергию.
• В процессе прямого восстановления используется гранулированная железная руда или природная «кусковая» руда. Единственным исключением является процесс с псевдоожиженным слоем, для которого требуются частицы железной руды определенного размера.
• В процессе прямого восстановления может использоваться природный газ, загрязненный инертными газами, что позволяет избежать необходимости удаления этих газов для другого использования. Однако любое загрязнение восстановительного газа инертным газом снижает эффективность (качество) этого газового потока и термический КПД процесса. Использование природного газа также приводит к образованию парниковых газов.
• Поставки порошкообразной руды и сырого природного газа доступны в таких регионах, как Северная Австралия , что позволяет избежать затрат на транспортировку газа. В большинстве случаев завод DRI расположен рядом с источником природного газа, поскольку транспортировать руду экономически выгоднее, чем газ.
• Чтобы исключить использование ископаемого топлива при производстве железа и стали, вместо синтез-газа можно использовать возобновляемый водород для производства прямого восстановления и устранения выбросов парниковых газов. ^[4]

Проблемы

Железо прямого восстановления очень восприимчиво к окислению и ржавлению , если его оставить без защиты, и обычно оно быстро перерабатывается в сталь. ^[5] Объемное железо ^{[ нужная страница ]} также может загореться, поскольку оно пирофорно . ^[6] В отличие от доменного чугуна , который представляет собой почти чистый металл, DRI содержит некоторое количество кремнеземистых примесей (если они изготовлены из лома, а не из нового железа из железа прямого восстановления природным газом), которое необходимо удалять в процессе выплавки стали. .

История

Производство губчатого железа и последующая его обработка были самым ранним методом получения железа на Ближнем Востоке , в Египте и Европе , где он использовался по крайней мере до 16 века.

Преимущество метода Блюмери состоит в том, что железо можно получить при более низкой температуре печи, всего около 1100 °C или около того. Недостаток по сравнению с доменной печью заключается в том, что за раз можно производить лишь небольшие количества.

Химия

Следующие реакции последовательно превращают гематит (из железной руды ) в магнетит , магнетит в оксид железа и оксид железа в железо путем восстановления окисью углерода или водородом . ^[7]

${\displaystyle {\ce {3 Fe2O3 + CO/H2 -> 2 Fe3O4 + CO2/H2O}}}$

${\displaystyle {\ce {Fe3O4 + CO/H2 -> 3 FeO + CO2/H2O}}}$

${\displaystyle {\ce {FeO + CO/H2 -> Fe + CO2/H2O}}}$

В результате цементации образуется цементит (Fe ₃ C):

${\displaystyle {\ce {3 Fe + CH4 -> Fe3C + 2H2}}}$

${\displaystyle {\ce {3 Fe + 2CO -> Fe3C + CO2}}}$

${\displaystyle {\ce {3 Fe + CO +H2 -> Fe3C + H2O}}}$

Экономика

Индия является крупнейшим в мире производителем железа прямого восстановления. ^[8]

Использование

Губчатое железо само по себе бесполезно, но его можно переработать для создания кованого железа или стали. Губку вынимают из печи (это называется блюмери), ее несколько раз отбивают тяжелыми молотками и складывают, чтобы удалить шлак, окислить углерод или карбид и сварить железо. В результате такой обработки обычно получается кованое железо, содержащее около трех процентов шлака и доли процента других примесей. Дальнейшая обработка может добавлять контролируемое количество углерода, что позволяет проводить различные виды термообработки (например, «сталеплавление»).

Сегодня губчатое железо получают путем восстановления железной руды без ее плавления. Это обеспечивает энергоэффективное сырье для производителей специальной стали, которые раньше полагались на металлолом .

Еда

Восстановленное водородом железо используется в качестве источника пищевого железного порошка , для обогащения пищевых продуктов и для удаления кислорода . Эта элементарная форма не усваивается так же хорошо, как формы железа, ^[9] но функция поглощения кислорода сохраняет ее привлекательность. Стандарты чистоты для этого использования установлены в 1977 году. ^[10]

Смотрите также

• Процесс Круппа-Ренна
• Доменная печь
• Чугун
• Металлургический комбинат
• Прямое сокращение

Рекомендации

Примечания

1. «Что такое железо прямого восстановления (DRI)? Определение и значение». Бизнес-словарь.com. Архивировано из оригинала 4 января 2018 г. Проверено 11 июля 2011 г.
2. «Железо прямого восстановления (DRI)» . Международная ассоциация производителей железа и металлов. 14 ноября 2019 г.
3. Р. Дж. Фрухан и др. (2000). Теоретический минимум энергии для производства стали (для выбранных условий)
4. «Производство стали сегодня и завтра». Архивировано из оригинала 20 декабря 2020 года.
5. «Железо прямого восстановления (DRI) - Справочник по грузовым перевозкам - крупнейший в мире веб-сайт с рекомендациями по грузовым перевозкам» . www.cargohandbook.com . Проверено 18 июня 2022 г.
6. Хаттвиг, Мартин; Стин, Хенрикус (2004), Справочник по предотвращению и защите взрывов, Wiley-VCH, стр. 269–270, ISBN 978-3-527-30718-0.(неактивная ссылка 24 октября 2019 г.)
7. "МИДРЕКС" (PDF) .
8. «Мировая статистика прямого сокращения за 2022 год» (PDF) . Мидрекс Технологии. 2021 . Проверено 25 января 2021 г.
9. Циммерманн, Майкл Б.; Виничагун, Паттани; Говачирапант, Суеппонг; Хесс, Соня Ю.; Харрингтон, Мэри; Чавасит, Визит; Линч, Шон Р.; Харрелл, Ричард Ф. (2005). «Сравнение эффективности закусок на основе пшеницы, обогащенных сульфатом железа, электролитическим железом или элементарным железом с пониженным содержанием водорода: рандомизированное двойное слепое контролируемое исследование с участием тайских женщин». Американский журнал клинического питания . 82 (6): 1276–1282. дои : 10.1093/ajcn/82.6.1276 . ПМИД  16332661.
10. Шах, Бхагван Г.; Жиру, Александр; Белонье, Варфоломеус (1977). «Технические условия на восстановленное железо в качестве пищевой добавки». Журнал сельскохозяйственной и пищевой химии . 25 (3): 592–594. дои : 10.1021/jf60211a044. ПМИД  858856.

Библиография

• Валипур М.С. и Сабухи Ю., «Численное исследование неизотермического восстановления гематита с использованием синтез-газа: исследование масштаба шахты», Modeling Simul. Матер. наук. англ. 15(5), с. 487, 2007.
• Гроблер Ф. и Миннитт, RCA «Растущая роль железа прямого восстановления в мировом производстве стали», Австралазийский институт горного дела и металлургии.

Внешние ссылки