Производство стали — это процесс производства стали из железной руды и/или лома . При производстве стали из исходного железа удаляются такие примеси , как азот , кремний , фосфор , сера и избыток углерода (самая важная примесь), а для получения различных марок стали добавляются легирующие элементы, такие как марганец , никель , хром , углерод и ванадий . сталь .
Сталелитейное производство существовало на протяжении тысячелетий, но в массовом масштабе оно не было коммерциализировано до середины 19-го века . Древним процессом производства стали был тигельный процесс . В 1850-х и 1860-х годах бессемеровский процесс и процесс Сименса-Мартина превратили сталелитейное производство в тяжелую промышленность .
Сегодня существует два основных коммерческих процесса производства стали, а именно производство стали с кислородным кислородом , при котором в качестве основных исходных материалов используется жидкий чугун из доменной печи и стальной лом, и производство стали в электродуговых печах (ЭДП), при котором используется стальной лом или прямой восстановленное железо (DRI) в качестве основного сырья. Кислородное производство стали обусловлено преимущественно экзотермическим характером реакций внутри сосуда; напротив, при производстве стали в ЭДП электрическая энергия используется для плавления твердого лома и/или материалов прямого восстановления. В последнее время технология производства стали в ЭДП стала ближе к производству кислородной стали, поскольку в процесс вводится больше химической энергии. [1]
Сталелитейное производство является одной из самых емких отраслей промышленности в мире по выбросам углекислого газа . По состоянию на 2020 год [обновлять]на сталелитейное производство приходится около 10% выбросов парниковых газов . [2] Чтобы смягчить последствия глобального потепления , отрасли необходимо будет добиться значительного сокращения выбросов. [3]
Производство стали сыграло решающую роль в развитии древних, средневековых и современных технологических обществ. Ранние процессы производства стали были сделаны в классическую эпоху в Древнем Египте , Древнем Китае , Индии и Риме .
Чугун — твердый, хрупкий материал, с которым трудно работать, тогда как сталь — ковкий, относительно легко формуемый и универсальный материал. На протяжении большей части человеческой истории сталь производилась лишь в небольших количествах. С момента изобретения бессемеровского процесса в Великобритании в 19 веке и последующих технологических разработок в области технологий впрыска и управления процессами массовое производство стали стало неотъемлемой частью мировой экономики и ключевым индикатором современного технологического развития. [4] Самый ранний способ производства стали был в цветущем заводе .
Ранние современные методы производства стали часто были трудоемкими и требовали высокой квалификации. Видеть:
Важным аспектом промышленной революции было развитие крупномасштабных методов производства ковочного металла ( прутка или стали). Пудлинговая печь изначально использовалась для производства кованого железа , но позже была применена для производства стали.
Настоящая революция в современном производстве стали началась только в конце 1850-х годов, когда бессемеровский процесс стал первым успешным методом производства стали в больших количествах, за которым последовала мартеновская печь .
Современные процессы производства стали можно разделить на три этапа: первичный, вторичный и третичный.
Первичное производство стали включает в себя переплавку железа в сталь. Вторичное производство стали включает добавление или удаление других элементов, таких как легирующие агенты и растворенные газы. Третичное производство стали включает разливку в листы, рулоны или другие формы. Для каждого шага доступно несколько техник. [5]
Конверсионно-кислородная выплавка стали — это метод первичной выплавки стали, при котором богатый углеродом чугун плавится и превращается в сталь. Продувка кислородом расплавленного чугуна превращает часть углерода в чугуне в CO.−и CO2, превратив его в сталь. Огнеупоры — оксид кальция и оксид магния — выстилают плавильный резервуар, чтобы противостоять высокой температуре и коррозионной природе расплавленного металла и шлака . Химический состав процесса контролируется, чтобы обеспечить удаление из металла таких примесей, как кремний и фосфор.
The modern process was developed in 1948 by Robert Durrer, as a refinement of the Bessemer converter that replaced air with more efficient oxygen. It reduced the capital cost of the plants and smelting time, and increased labor productivity. Between 1920 and 2000, labour requirements in the industry decreased by a factor of 1000, to just 0.003 man-hours per tonne. in 2013, 70% of global steel output was produced using the basic oxygen furnace.[6] Furnaces can convert up to 350 tons of iron into steel in less than 40 minutes compared to 10–12 hours in an open hearth furnace.[7]
Electric arc furnace steelmaking is the manufacture of steel from scrap or direct reduced iron melted by electric arcs. In an electric arc furnace, a batch ("heat") of iron is loaded into the furnace, sometimes with a "hot heel" (molten steel from a previous heat). Gas burners may be used to assist with the melt. As in basic oxygen steelmaking, fluxes are also added to protect the lining of the vessel and help improve the removal of impurities. Electric arc furnace steelmaking typically uses furnaces of capacity around 100 tonnes that produce steel every 40 to 50 minutes.[7] This process allows larger alloy additions than the basic oxygen method.[8]
In HIsarna ironmaking process, iron ore is processed almost directly into liquid iron or hot metal. The process is based around a type of blast furnace called a cyclone converter furnace, which makes it possible to skip the process of manufacturing pig iron pellets that is necessary for the basic oxygen steelmaking process. Without the necessity of this preparatory step, the HIsarna process is more energy-efficient and has a lower carbon footprint than traditional steelmaking processes.[citation needed]
Сталь можно производить из железа прямого восстановления, которое, в свою очередь, можно производить из железной руды, подвергающейся химическому восстановлению водородом. Возобновляемый водород позволяет производить сталь без использования ископаемого топлива . В 2021 году этот процесс был протестирован на пилотном заводе в Швеции. Прямое восстановление происходит при температуре 1500 ° F (820 ° C). Железо пропитывают углеродом (из угля) в электродуговой печи . Водород, полученный электролизом , требует примерно 2600 кВтч на тонну стали. Затраты оцениваются на 20-30% выше, чем при использовании традиционных методов. [9] [10] [11] Однако стоимость выбросов CO 2 увеличивает стоимость производства основного кислорода, и исследование журнала Science за 2018 год оценивает, что цены станут безубыточными, когда эта цена составит 68 евро за тонну CO. 2 , который, как ожидается, будет достигнут в 2030-х годах.
Вторичная выплавка стали чаще всего осуществляется в ковшах . Некоторые из операций, выполняемых в ковшах, включают раскисление (или «уничтожение»), вакуумную дегазацию, добавление сплава, удаление включений, химическую модификацию включений, десульфурацию и гомогенизацию. В настоящее время ковшовые металлургические операции принято выполнять в ковшах газового перемешивания с электродуговым нагревом в крышке печи. Жесткий контроль над ковшовой металлургией связан с производством высококачественной стали, в которой допуски по химическому составу и консистенции узки. [5]
По оценкам, по состоянию на 2021 год [обновлять]на производство стали будет приходиться около 11% глобальных выбросов углекислого газа и около 7% глобальных выбросов парниковых газов. [12] [13] При производстве 1 тонны стали выделяется около 1,8 тонны углекислого газа. [14] Основная часть этих выбросов возникает в результате промышленного процесса , в котором уголь используется в качестве источника углерода, который удаляет кислород из железной руды в следующей химической реакции, которая происходит в доменной печи : [15]
Fe 2 O 3 (т) + 3 CO(г) → 2 Fe(т) + 3 CO 2 (г)
Дополнительные выбросы углекислого газа возникают в результате добычи, переработки и транспортировки используемой руды, производства кислородно-конвертерной стали , прокаливания и горячего дутья . Улавливание и утилизация углерода или улавливание и хранение углерода — это предлагаемые методы сокращения выбросов углекислого газа в сталелитейной промышленности и сокращения добычи железной руды с использованием зеленого водорода, а не углерода. [16] Дальнейшие стратегии декарбонизации см. ниже.
Добыча угля и железной руды очень энергоемка и приводит к многочисленным экологическим ущербам : от загрязнения до потери биоразнообразия, вырубки лесов и выбросов парниковых газов. Железная руда доставляется на большие расстояния на сталелитейные заводы.
Для производства чистой стали необходимы железо и углерод. Само по себе железо не очень прочное, но низкая концентрация углерода — менее 1 процента, в зависимости от марки стали — придает стали важные свойства. Углерод в стали получают из угля , а железо — из железной руды . Однако железная руда представляет собой смесь железа, кислорода и других микроэлементов. Чтобы сделать сталь, железо необходимо отделить от кислорода и добавить небольшое количество углерода. И то, и другое достигается путем плавления железной руды при очень высокой температуре (1700 градусов по Цельсию или более 3000 градусов по Фаренгейту) в присутствии кислорода (из воздуха) и угля, называемого коксом . При таких температурах железная руда выделяет кислород, который уносится углеродом из кокса в виде углекислого газа.
Fe 2 O 3 (т) + 3 CO(г) → 2 Fe(т) + 3 CO 2 (г)
Реакция происходит из-за более низкого (выгодного) энергетического состояния диоксида углерода по сравнению с оксидом железа, и для достижения энергии активации этой реакции необходимы высокие температуры. Небольшое количество углерода связывается с железом, образуя чугун , который является промежуточным звеном перед сталью, так как в нем слишком высокое содержание углерода — около 4%. [17]
Чтобы снизить содержание углерода в чугуне и получить желаемое содержание углерода в стали, чугун переплавляют и продувают его кислородом в процессе, называемом кислородно-конверторной выплавкой стали , который происходит в ковше . На этом этапе кислород связывается с нежелательным углеродом, унося его в виде углекислого газа, что является дополнительным источником выбросов. После этого этапа содержание углерода в чугуне достаточно снижается и получается сталь.
Дальнейшие выбросы углекислого газа происходят в результате использования известняка , который плавится при высоких температурах в реакции, называемой кальцинированием , которая имеет следующую химическую реакцию:
CaCO 3 (тв) → CaO(тв) + CO 2 (г)
Углекислый газ является дополнительным источником выбросов в этой реакции. Современная промышленность в качестве замены представила оксид кальция (CaO, негашеную известь ). [18] Он действует как химический флюс , удаляя примеси (такие как сера или фосфор (например, апатит или фторапатит ) [19] ) в форме шлака и сохраняя выбросы CO 2 на низком уровне. Например, оксид кальция может реагировать на удаление примесей оксида кремния:
SiO 2 + CaO → CaSiO 3
Такое использование известняка для получения флюса происходит как в доменной печи (для получения чугуна), так и при производстве кислородно-конверторной стали (для получения стали).
Дальнейшие выбросы углекислого газа происходят в результате горячего дутья , которое используется для увеличения тепла в доменной печи. Горячий дутье нагнетает горячий воздух в доменную печь, где железная руда восстанавливается до чугуна, помогая достичь высокой энергии активации. Температура горячего дутья может составлять от 900 °C до 1300 °C (от 1600 °F до 2300 °F) в зависимости от конструкции и состояния печи. Нефть , деготь , природный газ , порошкообразный уголь и кислород также можно впрыскивать в печь для смешивания с коксом, чтобы высвободить дополнительную энергию и увеличить процент присутствующих восстановительных газов, повышая производительность. Если воздух в горячем дутье нагревается за счет сжигания ископаемого топлива, что часто бывает, это является дополнительным источником выбросов углекислого газа. [20]
В сталелитейной промышленности существует несколько стратегий снижения выбросов углерода и декарбонизации, в зависимости от используемого основного производственного процесса, из которых в настоящее время доминирующим процессом является доменная печь/конвертерная печь (ДП/КПК). Варианты делятся на три основные категории: переход от ископаемого топлива к ветру и солнечной энергии, повышение эффективности переработки и новые инновационные технологические процессы. Большинство из последних все еще находятся на спекулятивной или экспериментальной стадии.
Выбросы CO 2 различаются в зависимости от источников энергии. Когда для питания процесса используется устойчивая энергия , такая как ветер или солнечная энергия, в электродуговых печах или для создания водорода в качестве топлива, выбросы могут быть значительно сокращены. Эту стратегию реализуют европейские проекты компаний HYBRIT, LKAB , Voestalpine и ThyssenKrupp . [21]
Колошниковый газ из доменной печи — это газ, который обычно выбрасывается в воздух во время выплавки стали. Этот газ содержит CO 2 , а также богат восстановителями H 2 и CO. Колошниковый газ можно улавливать, CO 2 удалять, а восстановители повторно впрыскивать в доменную печь.
В одном исследовании утверждается, что этот процесс может снизить выбросы CO 2 доменной печи на 75%, [22] в другом исследовании утверждается, что выбросы сокращаются на 56,5% за счет улавливания и хранения углерода и уменьшаются на 26,2%, если используется только переработка восстановителей. . [23] Чтобы уловленный углерод не попадал в атмосферу, необходимо найти метод его хранения или использования.
Другим способом использования колошникового газа может быть установка верхней рекуперационной турбины, которая затем вырабатывает электроэнергию, которую можно использовать для снижения энергоемкости процесса, если используется электродуговая плавка. [21] Углерод также можно улавливать из газов в коксовой печи. В настоящее время отделение CO2 от других газов и компонентов в системе, а также высокая стоимость необходимого оборудования и изменений в инфраструктуре позволили сохранить эту стратегию минимальной, но потенциал сокращения выбросов оценивается в 65–80 %. . [24] [21]
Под ломом в сталелитейном производстве понимается сталь, срок эксплуатации которой либо истек, либо которая образовалась при производстве стальных компонентов. Сталь легко отделить и переработать благодаря присущему ей магнетизму, а использование лома позволяет избежать выбросов 1,5 тонн CO 2 на каждую тонну использованного лома. [25] В настоящее время уровень переработки стали высок: весь собираемый лом также перерабатывается в сталелитейной промышленности.
В доменной печи оксиды железа восстанавливаются за счет сочетания CO, H 2 и углерода. Только около 10% оксидов железа восстанавливаются H 2 . При обработке с обогащением H 2 доля оксидов железа, восстановленных H 2 , увеличивается, так что потребляется меньше углерода и выделяется меньше CO 2 . [26] Этот процесс может сократить выбросы примерно на 20%.
Альтернативно, водород можно использовать в шахтной печи для восстановления оксидов железа. Это позволяет полагаться исключительно на водород (или природный газ) для сокращения выбросов и, следовательно, обеспечивает практически нулевые выбросы. Эта технология используется в проекте HYBRID в Швеции. Однако этот подход требует значительного количества возобновляемых источников энергии для производства необходимого возобновляемого водорода. По оценкам, в Европейском Союзе потребность в водороде для производства стали на основе водорода потребует 180 ГВт возобновляемых мощностей. [27]
Процесс производства чугуна HIsarna был описан выше как способ производства железа в циклонной конвертерной печи без стадий предварительной обработки дросселирования/агломерации, что снижает выбросы CO 2 примерно на 20%. [28]
Одной из спекулятивных идей является текущий проект SuSteel по разработке технологии водородной плазмы, которая восстанавливает оксиды водородом, а не CO или углеродом, и плавит железо при высоких рабочих температурах. [21] Этот проект все еще находится на стадии разработки.
Другой возможной развивающейся технологией является электролиз железной руды, где восстановителем являются просто электроны, а не H 2 , CO или углерод. [21] Одним из методов для этого является электролиз расплавленного оксида. Здесь ячейка состоит из инертного анода, жидкого оксидного электролита (CaO, MgO и т. д.) и расплавленной стали. При нагревании железная руда восстанавливается до железа и кислорода. Компания Boston Metal находится на полупромышленной стадии этого процесса и планирует достичь коммерциализации к 2026 году. [29] Расширяя пилотный завод в Уобёрне, штат Массачусетс , и строя производственное предприятие в Бразилии, компания была основана профессорами Массачусетского технологического института Дональдом Садовеем и Антуан Алланор. [30]
Исследовательский проект, в котором участвовала сталелитейная компания ArcelorMittal, протестировал другой тип процесса электролиза железной руды в рамках пилотного проекта под названием Siderwin. [31] Он работает при относительно низких температурах (около 110°C), тогда как процесс Boston Metal работает при высоких температурах (~ 1600°C). ArcelorMittal в настоящее время выясняет, хочет ли компания расширить масштабы технологии и построить более крупный завод, и ожидает принятия инвестиционного решения к 2025 году. [32]
В сталеплавильном производстве уголь и кокс используются для восстановления топлива и железа. Биомасса , такая как древесный уголь или древесные гранулы, является потенциальным альтернативным топливом, но на самом деле она не снижает выбросы, поскольку сжигаемая биомасса по-прежнему выделяет углерод, а просто обеспечивает «компенсацию выбросов углерода », когда выбросы «торгуются» против секвестрации источника. биомассы, «компенсируя» выбросы на 5–28% от текущих значений CO 2 . [21]
Компенсация имеет очень низкую репутацию во всем мире, поскольку вырубка деревьев для производства пеллет или древесного угля не связывает углерод, а прерывает естественную секвестрацию, которую обеспечивали деревья. Компенсация – это не сокращение.
В целом, существует ряд инновационных методов снижения выбросов CO 2 в сталелитейной промышленности. Некоторые из них, такие как извлечение колошникового газа и использование восстановления водорода в DRI/EAF, вполне осуществимы при нынешнем уровне инфраструктуры и технологий. Другие, такие как водородная плазма и электролиз железной руды, все еще находятся на стадии исследований или полупромышленной стадии. Несмотря на эти усилия, выбросы при производстве стали не снизятся в 2023 году .