Железо прямого восстановления

Железо, полученное из руды без использования доменной печи.

Горячебрикетированное железо

Железо прямого восстановления ( DRI ), также называемое губчатым железом , ^[1] производится путем прямого восстановления железной руды (в форме кусков, гранул или мелочи) в железо восстановительным газом , содержащим элементарный углерод (полученный из природного газа или угля ) и/или водород . При использовании водорода в качестве восстановительного газа не образуется диоксид углерода. Многие руды подходят 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 оксида углерода или чистого водорода. ^[2]

Производство железа прямого восстановления и его распределение по процессам

Процесс

Процессы прямого восстановления можно условно 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 (сортовая руда, концентраты, окатыши, окалина, печная пыль и т. д.), чтобы преобразовать руду в металлическое железо, не расплавляя ее (ниже 1200 °C (2190 °F)).

Процесс прямого восстановления сравнительно энергоэффективен. Сталь , произведенная с использованием DRI, требует значительно меньше топлива, поскольку традиционная доменная печь не нужна. 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 капитальные вложения и эксплуатационные расходы заводов прямого восстановления ниже, чем у интегрированных сталелитейных заводов, и они больше подходят для развивающихся стран, где ограничены поставки высококачественного коксующегося угля, но где стальной лом, как правило, доступен для переработки. ^{[ необходима цитата ]} Во многих других странах используются варианты этого процесса.

Факторы, помогающие сделать DRI экономичным:

• Железо прямого восстановления имеет примерно такое же содержание железа, как и передельный чугун , обычно 90–94% общего железа (в зависимости от качества сырой руды), поэтому оно является отличным сырьем для электропечей, используемых на мини-заводах , позволяя им использовать более низкие сорта лома для остальной части шихты или производить более высокие сорта стали.
• Горячебрикетированное железо (ГБЖ) — это прессованная форма железа прямого восстановления, разработанная для удобства транспортировки, обработки и хранения.
• Горячее железо прямого восстановления (HDRI) — это железо прямого восстановления, которое транспортируется в горячем виде непосредственно из восстановительной печи в электродуговую печь, что позволяет экономить энергию.
• В процессе прямого восстановления используется гранулированная железная руда или природная «кусковая» руда. Исключением является процесс в псевдоожиженном слое, для которого требуются частицы железной руды определенного размера.
• Процесс прямого восстановления может использовать природный газ, загрязненный инертными газами, избегая необходимости удаления этих газов для другого использования. Однако любое загрязнение восстановительного газа инертными газами снижает эффект (качество) этого газового потока и тепловую эффективность 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 транспортных расходов на газ. В большинстве случаев завод DRI располагается вблизи источника природного газа, поскольку более рентабельно перевозить руду, а не газ.
• Чтобы исключить использование ископаемого топлива при производстве чугуна и стали, вместо синтез-газа можно использовать возобновляемый водородный газ для производства железа прямого восстановления и устранения выбросов парниковых газов. ^[4]

Проблемы

Железо прямого восстановления очень восприимчиво к окислению и ржавлению , если его не защищать, и обычно быстро перерабатывается в сталь. ^[5] Массовое железо ^{[ нужная страница ]} также может загореться (оно пирофорно ). ^[6] В отличие от доменного чугуна , который представляет собой почти чистый металл, железо прямого восстановления содержит некоторое количество кремнистой пустой породы (если оно изготовлено из лома, а не из нового железа, полученного путем прямого восстановления с использованием природного газа), которую необходимо удалить в процессе производства стали.

История

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

Преимущество метода крицы в том, что железо можно получить при более низкой температуре печи, всего около 1100 °C. Недостатком по сравнению с доменной печью является то, что за один раз можно производить лишь небольшие количества.

Химия

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

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

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

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

При 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]

Использует

Губчатое железо само по себе бесполезно, но может быть обработано для создания кованого железа или стали. Губку извлекают из печи, называемой кричной печью, и многократно бьют тяжелыми молотами и складывают, чтобы удалить шлак, окислить любой углерод или карбид и сварить железо вместе. Такая обработка обычно создает кованое железо с примерно тремя процентами шлака и долями процента других примесей. Дальнейшая обработка может добавлять контролируемые количества углерода, что позволяет проводить различные виды термической обработки (например, «сталь»).

Сегодня губчатое железо создается путем восстановления железной руды без ее плавления. Это делает его энергоэффективным сырьем для производителей специальной стали, которые раньше полагались на металлолом .

Еда

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

Смотрите также

• Процесс Круппа-Ренна
• Доменная печь
• Чугун
• Сталелитейный завод
• Прямое сокращение

Ссылки

Примечания

1. "Что такое железо прямого восстановления (DRI)? определение и значение". Businessdictionary.com. Архивировано из оригинала 2018-01-04 . Получено 2011-07-11 .
2. "Железо прямого восстановления (DRI)". Международная ассоциация металлистов железа. 14 ноября 2019 г.
3. RJ Fruehan и др. (2000). Теоретические минимальные энергии для производства стали (для выбранных условий)
4. "Стальпроизводство сегодня и завтра". Архивировано из оригинала 20 декабря 2020 г.
5. "Direct Reduced Iron (DRI) - Cargo Handbook - крупнейший в мире веб-сайт с рекомендациями по перевозке грузов". www.cargohandbook.com . Получено 18.06.2022 .
6. Хатвиг, Мартин; Стин, Хенрикус (2004), Справочник по предотвращению и защите от взрывов, Wiley-VCH, стр. 269–270, ISBN 978-3-527-30718-0.(ссылка не работает 24 октября 2019 г.)
7. "МИДРЕКС" (PDF) .
8. "2023 World Direct Reduction Statistics" (PDF) . Midrex Technologies. 2023 . Получено 4 сентября 2024 .
9. Циммерманн, Майкл Б.; Виничагун, Паттани; Говачирапант, Суэппонг; Хесс, Соня Й.; Харрингтон, Мэри; Чавасит, Визит; Линч, Шон Р.; Харрелл, Ричард Ф. (2005). «Сравнение эффективности закусок на основе пшеницы, обогащенных сульфатом железа, электролитическим железом или восстановленным водородом элементарным железом: рандомизированное, двойное слепое, контролируемое исследование с участием тайских женщин». Американский журнал клинического питания . 82 (6): 1276–1282. doi : 10.1093/ajcn/82.6.1276 . PMID  16332661.
10. Шах, Бхагван Г.; Жиру, Александр; Белонье, Бартоломеус (1977). «Спецификации восстановленного железа как пищевой добавки». Журнал сельскохозяйственной и пищевой химии . 25 (3): 592–594. doi :10.1021/jf60211a044. PMID  858856.

Библиография

• Валипур М.С. и Сабухи, Й., «Численное исследование неизотермического восстановления гематита с использованием синтез-газа: исследование в масштабе шахты», Modelling Simul. Mater. Sci. Eng. 15(5), стр. 487, 2007.
• Гроблер, Ф. и Миннитт, Р.К.А. «Возрастающая роль железа прямого восстановления в мировом производстве стали», Австралазийский институт горного дела и металлургии.

Внешние ссылки