Сталеплавление — 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 избыточный углерод (самая важная примесь), а для получения различных марок стали добавляются легирующие элементы, такие как марганец , никель , хром , углерод и ванадий .
Сталеплавление существует уже тысячелетия, но не было коммерциализировано в больших масштабах до середины 19 века. Древним процессом сталеплавления был тигельный процесс . В 1850-х и 1860-х годах бессемеровский процесс и процесс Сименса-Мартена превратили сталеплавление в тяжелую промышленность .
Сегодня существует два основных коммерческих процесса производства стали, а именно, производство стали в кислородном конвертере , в котором в качестве основных исходных материалов используется жидкий чугун из доменной печи и стальной лом, и производство стали в электродуговой печи (EAF), в котором в качестве основных исходных материалов используется стальной лом или железо прямого восстановления (DRI). Производство стали в кислородном конвертере в основном подпитывается экзотермическим характером реакций внутри сосуда; в отличие от этого, при производстве стали в EAF электрическая энергия используется для плавки твердого лома и/или материалов DRI. В последнее время технология производства стали в EAF приблизилась к производству стали в кислородном конвертере, поскольку в процесс вводится больше химической энергии. [1]
Сталелитейное производство является одной из самых интенсивных в мире отраслей с интенсивным выбросом углерода[обновлять] . По состоянию на 2020 год сталелитейное производство ответственно за около 10% выбросов парниковых газов . [2] Чтобы смягчить глобальное потепление , отрасли необходимо будет найти значительные сокращения выбросов. [3]
Сталеварение сыграло решающую роль в развитии древних, средневековых и современных технологических обществ. Ранние процессы сталеварения были реализованы в классическую эпоху в Древнем Китае , Индии и Риме .
Чугун — это твердый, хрупкий материал, который трудно обрабатывать, тогда как сталь — ковкий, относительно легко формуемый и универсальный материал. На протяжении большей части человеческой истории сталь производилась только в небольших количествах. С момента изобретения процесса Бессемера в Британии 19 века и последующих технологических разработок в области технологии впрыска и управления процессами , массовое производство стали стало неотъемлемой частью мировой экономики и ключевым показателем современного технологического развития. [4] Самым ранним способом производства стали был кричный завод .
Ранние современные методы производства стали часто были трудоемкими и требовали высокой квалификации. Смотрите:
Важным аспектом промышленной революции стало развитие крупномасштабных методов производства ковкого металла ( пруткового железа или стали). Пудлинговая печь изначально была средством производства кованого железа, но позднее была применена для производства стали.
Настоящая революция в современном сталеплавильном производстве началась лишь в конце 1850-х годов, когда бессемеровский процесс стал первым успешным методом производства стали в больших объемах, за которым последовала мартеновская печь .
Современные процессы производства стали можно разделить на три этапа: первичный, вторичный и третичный.
Первичное производство стали включает выплавку железа в сталь. Вторичное производство стали включает добавление или удаление других элементов, таких как легирующие вещества и растворенные газы. Третичное производство стали включает литье в листы, рулоны или другие формы. Для каждого шага доступно несколько методов. [5]
Конвертерное кислородное производство стали — это метод первичного производства стали, при котором углеродистый чугун плавится и превращается в сталь. Продувка кислорода через расплавленный чугун преобразует часть углерода в железе в CO−и СО2, превращая его в сталь. Огнеупоры — оксид кальция и оксид магния — выстилают плавильный сосуд, чтобы выдерживать высокую температуру и коррозионную природу расплавленного металла и шлака . Химия процесса контролируется, чтобы гарантировать, что примеси, такие как кремний и фосфор, будут удалены из металла.
Современный процесс был разработан в 1948 году Робертом Дюррером как усовершенствование конвертера Бессемера , который заменил воздух более эффективным кислородом . Он снизил капитальные затраты на заводы и время плавки, а также увеличил производительность труда. В период с 1920 по 2000 год потребность в рабочей силе в отрасли снизилась в 1000 раз, до всего лишь 0,003 человеко-часов на тонну. В 2013 году 70% мирового производства стали было произведено с использованием кислородного конвертера. [6] Печи могут преобразовывать до 350 тонн железа в сталь менее чем за 40 минут по сравнению с 10–12 часами в мартеновской печи . [7]
Производство стали в электродуговой печи — это производство стали из лома или железа прямого восстановления, расплавленного электрическими дугами . В электродуговой печи партия («плавка») железа загружается в печь, иногда с «горячим пятком» (расплавленная сталь от предыдущей плавки). Для облегчения плавки могут использоваться газовые горелки. Как и в кислородно-конвертерном производстве стали, для защиты футеровки сосуда и улучшения удаления примесей также добавляются флюсы. В электродуговой печи обычно используются печи емкостью около 100 тонн, которые производят сталь каждые 40–50 минут. [7] Этот процесс позволяет добавлять больше легирующих добавок, чем кислородно-конвертерный метод. [8]
В процессе производства чугуна HIsarna железная руда перерабатывается практически напрямую в жидкий чугун или горячий металл . Процесс основан на типе доменной печи, называемой циклонной конвертерной печью , что позволяет пропустить процесс производства окатышей чугуна, который необходим для основного процесса производства стали с использованием кислорода . Без необходимости этого подготовительного этапа процесс HIsarna более энергоэффективен и имеет меньший углеродный след , чем традиционные процессы производства стали. [ необходима цитата ]
Сталь может быть произведена из железа прямого восстановления, которое, в свою очередь, может быть получено из железной руды, поскольку она подвергается химическому восстановлению водородом. Возобновляемый водород позволяет производить сталь без использования ископаемого топлива . В 2021 году пилотный завод в Швеции испытал этот процесс. Прямое восстановление происходит при температуре 1500 °F (820 °C). Железо пропитывается углеродом (из угля) в электродуговой печи . Водород, полученный электролизом, требует приблизительно 2600 кВт·ч на тонну стали. По оценкам, затраты на 20–30% выше, чем при традиционных методах. [9] [10] [11] Однако стоимость выбросов CO 2 добавляется к цене основного производства кислорода, и исследование журнала Science 2018 года оценивает, что цены станут безубыточными, когда эта цена составит 68 евро за тонну CO 2 , что, как ожидается, будет достигнуто в 2030-х годах.
Вторичное производство стали чаще всего выполняется в ковшах . Некоторые из операций, выполняемых в ковшах, включают раскисление (или «уничтожение»), вакуумную дегазацию, добавление легирующих добавок, удаление включений, изменение химии включений, десульфурацию и гомогенизацию. В настоящее время общепринято выполнять ковшовые металлургические операции в газовых ковшах с электродуговым нагревом в крышке печи. Жесткий контроль ковшовой металлургии связан с производством высококачественной стали, в которой допуски по химии и консистенции узкие. [5]
По оценкам, по состоянию на 2021 год [обновлять]на сталелитейное производство приходится около 11% мировых выбросов углекислого газа и около 7% мировых выбросов парниковых газов. [12] [13] Производство 1 тонны стали приводит к выбросам около 1,8 тонн углекислого газа. [14] Основная часть этих выбросов является результатом 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]
Fe2O3 ( тв ) + 3CO(г) → 2Fe(тв) + 3CO2 ( г )
Дополнительные выбросы углекислого газа возникают в результате добычи, переработки и транспортировки используемой руды, производства стали с использованием кислорода , прокалки и горячего дутья . Улавливание и использование углерода или улавливание и хранение углерода являются предлагаемыми методами для снижения выбросов углекислого газа в сталелитейной промышленности и восстановления железной руды с использованием зеленого водорода вместо углерода. [16] Ниже приведены дополнительные стратегии декарбонизации.
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 перевозится на большие расстояния на сталелитейные заводы.
Для изготовления чистой стали необходимы железо и углерод. Само по себе железо не очень прочное, но низкая концентрация углерода — менее 1 процента, в зависимости от типа стали — придает стали ее важные свойства. Углерод в стали получают из угля, а железо — из железной руды. Однако железная руда представляет собой смесь железа и кислорода, а также других микроэлементов. Для изготовления стали железо необходимо отделить от кислорода и добавить небольшое количество углерода. Оба процесса осуществляются путем плавления железной руды при очень высокой температуре (1700 градусов по Цельсию или более 3000 градусов по Фаренгейту) в присутствии кислорода (из воздуха) и типа угля, называемого коксом . При этих температурах железная руда выделяет свой кислород, который уносится углеродом из кокса в виде углекислого газа.
Fe2O3 ( тв ) + 3CO(г) → 2Fe(тв) + 3CO2 ( г )
Реакция происходит из-за более низкого (благоприятного) 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 продуктом 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 кислородом в процессе, называемом кислородно-конвертерным сталеплавильным производством , который происходит в ковше . На этом этапе кислород связывается с нежелательным углеродом, унося его в виде углекислого газа, дополнительного источника выбросов. После этого этапа содержание углерода в чугуне достаточно снижается и получается сталь.
Дополнительные выбросы углекислого газа происходят в результате использования известняка , который плавится при высоких температурах в ходе реакции, называемой прокаливанием , которая имеет следующую химическую реакцию:
CaCO 3 (тв) → CaO(тв) + CO 2 (г)
Углекислый газ является дополнительным источником выбросов в этой реакции. Современная промышленность ввела оксид кальция (CaO, негашеная известь ) в качестве замены. [18] Он действует как химический поток , удаляя примеси (такие как сера или фосфор (например, апатит или фторапатит ) [19] ) в виде шлака и поддерживает выбросы CO2 на низком уровне. Например, оксид кальция может реагировать, удаляя примеси оксида кремния:
SiO2 + CaO → CaSiO3
Использование известняка в качестве флюса происходит как в доменной печи (для получения чугуна), так и в кислородно-конвертерном производстве стали (для получения стали).
Дальнейшие выбросы углекислого газа происходят из горячего дутья , которое используется для увеличения тепла доменной печи. Горячее 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 до 1300 °C (от 1650 до 2370 °F) в зависимости от конструкции и состояния печи. Нефть, смола , природный газ, порошкообразный уголь и кислород также могут быть введены в печь для соединения с коксом для высвобождения дополнительной энергии и увеличения процента присутствующих восстановительных газов, увеличивая производительность. Если воздух в горячем дутье нагревается путем сжигания ископаемого топлива, что часто имеет место, это является дополнительным источником выбросов углекислого газа. [20]
Сталелитейная промышленность производит 7-8% выбросов CO2, создаваемых людьми (почти две тонны на каждую тонну произведенной стали), и это одна из самых энергоемких отраслей на Земле. [21] [22] Существует несколько стратегий снижения выбросов углерода и декарбонизации в сталелитейной промышленности, которые основаны на основном производственном процессе. Варианты делятся на три общие категории: переключение источника энергии с ископаемого топлива на ветер и солнце ; повышение эффективности обработки; и инновационные новые технологические процессы. Все три могут использоваться в сочетании. [ необходима цитата ]
«Зеленая сталь» — это термин, используемый для производства стали без использования ископаемого топлива , [23] то есть продукции с нулевым уровнем выбросов . Однако не все компании, заявляющие о производстве зеленой стали, соответствуют этому критерию. Некоторые просто сокращают выбросы. [24] Австралия производит почти 40% мировой железной руды, и правительство через Австралийское агентство по возобновляемым источникам энергии (ARENA) помогает финансировать многие исследовательские проекты, включающие производство железа прямого восстановления (DRI) для увеличения производства зеленой стали и железа. Крупные компании, такие как Rio Tinto , BHP и BlueScope, разрабатывают проекты по производству зеленой стали. [25]
Выбросы CO 2 различаются в зависимости от источников энергии. Когда для питания процесса используются такие устойчивые источники энергии , как ветер или солнце, либо в электродуговых печах, либо для создания водорода в качестве топлива, выбросы могут быть значительно сокращены. Европейские проекты HYBRIT, LKAB , Voestalpine и ThyssenKrupp преследуют стратегии по сокращению выбросов. [26] HYBRIT утверждает, что производит настоящую «зеленую сталь». [24]
Колошниковый газ из доменной печи — это газ, который обычно выбрасывается в воздух во время производства стали. Этот газ содержит CO2 , а также богат восстановителями H2 и CO. Колошниковый газ можно уловить, CO2 удалить , а восстановители повторно закачать в доменную печь. [ требуется ссылка ] Исследование 2012 года показало, что этот процесс может сократить выбросы CO2 в доменной печи на 75% [27] , тогда как исследование 2017 года показало, что выбросы сокращаются на 56,5% при улавливании и хранении углерода и на 26,2%, если используется только переработка восстановителей. [28] Чтобы уловленный углерод не попадал в атмосферу, необходимо найти способ его хранения или использования.
Другой способ использования колошникового газа — использование турбины верхнего восстановления, которая затем вырабатывает электроэнергию, которую можно использовать для снижения энергоемкости процесса, если используется электродуговая плавка. [26] Углерод также можно улавливать из газов в коксовой печи. По состоянию на 2022 год [обновлять], отделение CO2 от других газов и компонентов в системе, а также высокая стоимость необходимого оборудования и изменений инфраструктуры позволили сохранить эту стратегию минимальной, но потенциал сокращения выбросов оценивается до 65%-80%. [29] [26]
В качестве альтернативы водород может использоваться в шахтной печи для восстановления оксидов железа. В качестве побочного продукта реакции между оксидом железа и водородом образуется только вода, что приводит к производству железа без выбросов. [30] Известное как прямое восстановление водородом (HDR), это наиболее известная среди технологий производства зеленой стали. Это отличается от традиционных процессов производства стали, в которых углерод в коксе используется в качестве восстановителя (для удаления кислорода из железной руды), что создает железо и диоксид углерода. Когда водород вырабатывается из возобновляемого источника энергии как альтернативный восстановитель и топливо, достигается наибольший прирост выбросов CO2. По состоянию на 2021 год только ArcelorMittal во Франции, Voestalpine в Австрии и TATA в Нидерландах взяли на себя обязательство использовать зеленый водород для производства стали с нуля. [31]
HDR используется в проекте HYBRIT в Швеции. [32] Однако этот подход требует значительного количества возобновляемых источников энергии для производства необходимого возобновляемого водорода. Для Европейского Союза, по оценкам, спрос на водород для сталеплавильного производства на основе водорода потребует 180 ГВт возобновляемых мощностей. [33]
Другая развивающаяся возможная технология — электролиз железной руды, где восстановителем являются просто электроны, а не H 2 , CO или углерод. [26] 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. Boston Metal находится на полупромышленной стадии этого процесса, и планирует достичь коммерциализации к 2026 году. [34] Расширяя пилотный завод в Уоберне, штат Массачусетс , и строя производственный объект в Бразилии, она была основана профессорами Массачусетского технологического института Дональдом Садовеем и Антуаном Алланором. [35]
Исследовательский проект, в котором участвовала сталелитейная компания ArcelorMittal, протестировал другой тип процесса электролиза железной руды в пилотном проекте под названием Siderwin. [36] Он работает при относительно низких температурах (около 110 °C), в то время как процесс Boston Metal работает при высоких температурах (~1600 °C). По состоянию на март 2023 года [обновлять]ArcelorMittal изучает, хочет ли компания масштабировать технологию и построить более крупный завод, и ожидает инвестиционного решения к 2025 году. [37]
Лом в сталеплавильном производстве относится к стали, которая либо достигла конца срока службы, либо была получена в процессе производства стальных компонентов. Сталь легко отделяется и перерабатывается из-за ее присущего ей магнетизма, а использование лома позволяет избежать выбросов 1,5 тонн CO2 на каждую тонну использованного лома. [38] По состоянию на 2023 год [обновлять]сталь имеет один из самых высоких показателей переработки среди всех материалов, при этом около 30% стали в мире производится из переработанных компонентов. Однако сталь нельзя перерабатывать вечно, и процессы переработки с использованием дуговых печей используют электричество. [21]
В доменной печи оксиды железа восстанавливаются за счет комбинации CO, H 2 и углерода. Только около 10% оксидов железа восстанавливаются H 2 . При обогащении H 2 доля оксидов железа, восстановленных H 2 , увеличивается, поэтому потребляется меньше углерода и выделяется меньше CO 2 . [39] Этот процесс может сократить выбросы примерно на 20%. [ необходима цитата ]
Процесс производства чугуна в Хисарне был описан выше как способ производства железа в «циклонной конвертерной печи» без предварительных стадий заглушения/агломерации, что снижает выбросы CO2 примерно на 20%. [40]
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. [26]
В сталелитейном производстве уголь и кокс используются для топлива и восстановления железа. Биомасса, такая как древесный уголь или древесные гранулы, является потенциальным альтернативным топливом, но это фактически не сокращает выбросы, так как сжигание биомассы все еще выделяет углерод, оно просто обеспечивает « углеродную компенсацию », где выбросы «торгуются» против секвестрации исходной биомассы, «компенсируя» выбросы на 5–28 % от текущих значений CO 2. [26] Компенсация имеет очень низкую репутацию во всем мире, так как вырубка деревьев для создания гранул или древесного угля не секвестрирует углерод, а прерывает естественную секвестрацию, которую обеспечивало дерево. Компенсация не является сокращением. [ необходима цитата ]
В целом, существует ряд инновационных методов сокращения выбросов CO2 в сталелитейной промышленности. Некоторые из них, такие как рекуперация верхнего газа и использование восстановления водородом в DRI/EAF, вполне осуществимы при нынешнем уровне инфраструктуры и технологий. Другие, такие как водородная плазма [41] и электролиз железной руды [42], все еще находятся на стадии исследований или полупромышленной стадии.