Что тормозит переход металлургии на пылегазовые процессы

Во второй половине XIX века постепенно накапливались примеры того, что иногда удобнее сжигать не куски угля, а угольную пыль в факелах дутья, или распыленное форсунками жидкое топливо.

Основную часть угля стали сжигать в виде угольной пыли лишь к концу XX века. Паровые котлы на угольной пыли далеко превзошли котлы на кусковом топливе по производительности и другим показателям. Такой пылеугольный котел может обеспечить паром, например, блок ТЭС мощностью 1 млн киловатт и сжигает несколько железнодорожных эшелонов угля в сутки. В целом переход от кусковых процессов к пылегазовым (или факельным) привел к радикальному усовершенствованию теплотехники. В процессе этого перехода был сделан также ряд важных изобретений, значение которых выходит далеко за пределы самой теплотехники. Нефть не имела значения в промышленности в эпоху кусковых реакций, но к настоящему времени стала главным топливом и даже важным фактором мировой политики.

Сейчас может показаться, что обсуждаемый переход от сжигания кусков топлива к сжиганию распыленных твердых или жидких частиц – это не столь уж сложное и глубокое усовершенствование. Но потребовалось примерно полтора столетия для того, чтобы такое усовершенствование было полностью осмыслено, внедрено на основных крупных паровых котлах и стало вполне привычным. Реакции с кусками сырья принадлежат к тем традициям, которые укореняются столетиями (даже тысячелетиями) и со временем приобретают особенности идеологии, веры, которая часто непримирима к конкурирующим подходам, как религия.

В черной металлургии уже примерно 500 лет господствует кусковой доменный процесс получения железа; на него приходится около 90% всего производства железа.

В таких случаях переход к новым принципам процесса сталкивается с большими психологическими трудностями, которые часто тормозят прогресс сильнее, чем реальные технические или финансовые сложности.

Такой переход затягивается, например, на столетие, и идет как трудная и болезненная ломка идеологии, которая сопровождается спорами и острой враждой сторон, напоминающей религиозные войны. Подобные процессы, в частности, происходили при переходе от классической механики Ньютона к квантовой механике. Металлургии еще предстоит пройти болезненную ломку идеологии и психологически трудный переход от кусковых реакций к пылегазовым в основных процессах получения металла.

«Доменная идеология» – дорого и неэкологично

В теплотехнике используется в основном высокая скорость пылегазовых реакций, которая позволяет создавать, в частности, котлы с высокой производительностью в расчете на единицу объема. Создаются также двигатели с высокой удельной мощностью, например, 50–100 лошадиных сил мощности на литр объема цилиндров в автомобильных двигателях.

Куски топлива в теплотехнике в основном природные, то есть такие, какие сами получаются при добыче или при небольшой обработке добытого топлива. Но металлургию уже давно стало невозможно обеспечить сырьем за счет богатых кусковых руд. Сейчас руда обычно сначала размалывается и обогащается; рудная компонента сырья давно уже изначально получается порошкообразной, но затем ценой больших затрат обратно спекается в куски агломерата. Аналогично получают прочные куски кокса. Первоочередная задача состоит в том, чтобы избавиться от дорогих процессов окускования сырья, измельченного для обогащения, выполнять реакции с исходным порошкообразным сырьем.

Так, Качканарскую руду с содержанием железа 12–14 % размалывают до крупности минус 74 микрона и выделяют из такого порошка магнитную часть – магнетит Fe3O4. В результате содержание железа повышается примерно до 65%. Затем полученный порошок концентрата спекают обратно в куски агломерата.

Уголь также обычно сначала измельчают для обогащения и коксования, затем спекают в куски кокса. При этом приходится применять дорогие сорта коксующегося угля. В результате цена кокса в 2–6 раз больше стоимости угля или угольной пыли.

Агломерат, в отличие от кокса, обычно не является биржевым товаром; он потребляется внутри предприятия, и цены на него являются внутризаводскими. Обычно эти цены не разглашаются, и о них приходится судить лишь по устным сообщениям. Но ясно, что стоимость окускованного железорудного сырья (агломерата или обож­женных окатышей) также, по крайней мере, вдвое больше стоимости порошка исходного концентрата, из которого спекаются эти куски агломерата. Спекание железорудного концентрата в куски проводят при высокой температуре около 1 200 0С, с использованием значительного количества топлива, на сложном дорогом оборудовании. Такое окускование явно дороже низкотемпературных операций добычи руды и ее обогащения.

Стоимость самой доменной плавки сейчас составляет обычно лишь 8% стоимости чугуна. Основные затраты приходятся на приготовление сырья, особенно на его кускование. Стоимость топлива, кокса в традиционной доменной плавке составляет примерно 38,5% всей стоимости чугуна. Стоимость окускованной рудной компоненты, агломерата, составляет 53,5% стоимости чугуна.

При этом окускование сырья для доменной печи, производство агломерата и кокса, сопровождается также и наибольшим количеством экологических вредностей. Аглофабрика и коксохим – это обычно самые «грязные» участки металлургического производства. Еще и поэтому важно перейти к получению металла из порошкового сырья, убрать дорогие и «грязные» процессы окускования.

Таким образом, в настоящее время рудное сырье получают сначала в виде порошка концентрата; топливо можно взять в виде угольной пыли. С помощью пылегазовых процессов эти сравнительно дешевые порошковые материалы можно экономично переработать в чугун или в сталь. Но ценой больших затрат сырье окусковывают, чтобы приспособить эти современные порошковые материалы к древнему кусковому доменному процессу.

Основная причина такой «несообразности» в металлургии – психологическое давление древней «кусковой» идеологии в мышлении. Реальных технических или физических причин для этого нет. Однако специалистам доменной плавки признать это не позволяет доменная идеология, укоренившийся принцип «доменный процесс незаменим». В принципе приверженность своему агрегату и своему процессу вполне понятна психологически. Однако мнение представителей точных наук отличается от мнения металлургов.

Пылегазовый процесс и ничего лишнего

Вдувание пылеугольного топлива (ПУТ) в доменную печь (ДП) началось лишь в 1960-х годах, почти на столетие позже, чем вдувание такой пыли в паровой котел. Вдуваемая угольная пыль успевает практически полностью сгореть уже на расстоянии 300 мм от среза фурмы, то есть за то же время порядка 0,01 секунды от начала контактирования пыли с горячим воздухом, как и топливо в двигателях. Однако угольная пыль и сейчас вдувается в домну лишь в виде добавки, не меняющей суть основного процесса с кусками сырья, и далеко не на всех печах.

Переход к пылегазовым процессам позволит убрать куски сырья и вместе с ними причину тех опасных капризов плавки, которые возникают в зоне плавления кусковой шихты.

Рассмотрим следующую предлагаемую схему металлизации порошка железорудного концентрата в состоянии пылегазовой взвеси с угольной пылью. В прогретый доменный воздухонагреватель (его называют также регенератор, каупер) вдувается смесь порошка железорудного концентрата, например, магнетита Fe3O4, и угольной пыли. Пылегазовая взвесь, проходя регенератор, нагревается и реагирует за счет его дешевого тепла. Окислы восстанавливаются до металлического железа по реакции: Fe2O3+3C=2Fe+3СО.

На рисунке представлена схема таких нагревателей с «мартеновской» компоновкой, в которых предлагается вести металлизацию взвеси железорудного концентрата.

В конце процесса получается взвесь порошка железа, взвешенного в потоке газов СО. Такую полученную взвесь нужно пропустить через аппарат пылеочистки, например, типа «Циклон», чтобы разделить почти чистые газы и взвесь порошка железа повышенной концентрации, при которой обычно вдувают порошки в жидкий металл.

В исходной взвеси, полученной по реакции, крупинки железа занимают примерно лишь 10–3 объема. В концентрированной взвеси концентрация твердых частиц может быть в десятки, или даже в сотни раз больше. Сейчас хорошо изучено движение таких взвесей и их вдувание в ванну с металлическим и шлаковым расплавом. Применяется также пневмотранспорт подобных взвесей по трубам, например, на десятки километров.

Полученный порошок железа проще вдувать в сталеплавильную ванну при невысокой температуре. Для этого воздухонагреватель можно прогреть так, чтобы он имел горячую и низкотемпературную зону; исходную смесь концентрата и угольной пыли вводить в горячую зону, а готовый металлизованный порошок железа получать из низкотемпературной зоны нагревателя. Можно также вдувать этот порошок горячим, хотя это технически сложнее.

На заводах нередко имеются простаивающие воздухонагреватели, в которых можно было бы начать такую металлизацию концентрата.
Воздухонагреватели на заводах обычно отап­ливаются отходами соседних агрегатов, например, коксовым и доменным газом. В калькуляциях стоимости производства чугуна расходы на отопление нагревателей обычно не упоминаются, их тепло считается как бы бесплатным. В предлагаемом процессе топливо расходуется лишь на реакцию восстановление окислов. Расход пылеугольного топлива по реакции составляет 4 грамм-атома углерода на три грамм-атома железа, то есть 4*12/3*56=0,285 массы железа, или 285 кг углерода на тонну железа (12 и 56 здесь – атомные веса углерода и железа). Если в доменной плавке на тонну чугуна расходуется около 550 кг кокса, то в предлагаемом процессе на тонну эквивалентного порошкового сталеплавильного сырья потребуется лишь 285 кг угольной пыли.

В целом получение порошка железа в предлагаемом процессе будет, по крайней мере, вдвое дешевле, чем выплавка доменного чугуна. Сырье для сталеплавильного передела будет вдвое дешевле. Сама плавка стали станет намного короче.

Сейчас основное время процесса уходит на выжигание из металла «лишнего» углерода, так как домна неизбежно дает многократно переуглероженный металл.

Растворимость углерода в твердом железе незначительна, поэтому металлизованный порошок невозможно получить переуглероженным.
Согласно расчетам, в агрегате потребуется сжечь примерно 50 кг угольной пыли на плавление, нагрев металла и шлакообразование при вдувании горячего порошка железа. При вдувании холодного порошка расход топлива составит 100 кг на тонну стали.

Опасные капризы доменной печи

Обсудим вопрос: почему в доменную печь вдувают угольную пыль, но не вдувают аналогичный порошок железорудного концентрата? Очевидно, дело в том, что перед металлургами почти столетие стоял яркий пример успешного вдувания угольной пыли в паровые котлы, и к 1960-м годам созрело решение вдувать такую пыль и в ДП. Для вдувания концентрата такого примера не было, и его не вдувают. Здесь опять основной причиной являются не технические сложности, а наличие примера. Если решиться на вдувание концентрата, например, вдувать не угольную пыль, а ее смесь с концентратом, то технически очень легко получается пылегазовая плавка чугуна в ДП.

Сейчас вдувание ПУТ ограничивается тем, что опасно уменьшается доля кокса в кусковой шихте. Если же достигнутую замену 40% кокса угольной пылью дополнить еще тем, что заменить 40% агломерата порошком концентрата, то восстановится то соотношение агломерата и кокса в шихте, которое было до вдувания ПУТ, и которое считается комфортным. При этом будут примерно удвоены те экономические преимущества, которые достигнуты к настоящему времени вдуванием ПУТ. Не видно препятствий, которые не позволяли бы увеличивать долю вдуваемых порошковых материалов и дальше, сверх 40%.

При недостатке кокса в шихте возрастает вероятность расстройств нормального хода процесса, которые могут привести к огромным убыткам.
Любые изменения процесса в ДП затруднены еще и тем, что эта плавка склонна к опасным капризам, к зависаниям и обрушениям шихты. В прошлом подобные расстройства приводили иногда даже к закозлению печи и ее приходилось ломать. Непонятные, опасные и пугающие расстройства плавки в ДП приводят к тому, что металлурги очень настороженно относятся к любым новшествам в этой плавке.
В ответ на предложения вдувать концентрат металлурги говорят обычно, что здесь возникает множество вопросов. На многие такие вопросы в литературе имеются вполне ясные ответы, но они излагаются на языке физхимии.

Можно, например, заменить вдуваемым концентратом сначала 1% агломерата, убедиться в том, что ничего страшного не происходит, и добавить еще 1% и т. д. Однако таким экспериментам мешает господствующая кусковая доменная идеология. Поэтому, возможно, пылегазовые процессы легче пройдут в таких агрегатах, которые почти ничем не напоминают доменную печь, даже если это технически намного сложнее, как в предыдущем примере.

За последние два столетия доменный процесс прошел лишь два значительных усовершенствования – переход к горячему дутью, который продолжался весь XIX век, и вдувание угольной пыли в XX веке. Вдувание угольной пыли (ПУТ) также за 60 лет охватило далеко не все печи, а в России применяется сейчас лишь на трех предприятиях. Потребовалось 60 лет и для того, чтобы вдувание ПУТ от начальных значений 60 и 100 кг/т выросло до современных величин порядка 250 кг/т.

Отметим для сравнения, что сталеплавильный передел за эти два столетия прошел несколько радикальных качественных изменений. Пудлинговые печи сменились воздушными конвертерами Бессемера и Томаса, затем пришла эпоха мартеновских печей, которые, в свою очередь, уступили место кислородным конвертерам и электропечам. При этом новые процессы плавки стали быстро распространялись по всему миру.

Переход к пылегазовым процессам позволит убрать куски сырья и вместе с ними причину тех опасных капризов плавки, которые возникают в зоне плавления кусковой шихты.

Можно ожидать, что получение металла на основе пылегазовых процессов сможет совершенствоваться значительно быстрее доменной плавки, например, так, как сталеплавильный процесс. Если мы освобождаемся от давления древней кусковой идеологии, то быстро находятся возможности и для новых применений пылегазовых процессов.

Доменная плавка не очень изменилась качественно за все 500 лет ее существования. Быстрый рост спроса на металл и общий технический прогресс привели к огромным количественным изменениям в размерах и производительности печей, в совершенствовании воздуходувных установок и другого механического оборудования.

В стоимости чугуна доля затрат на саму доменную плавку составляет порядка 8%, а в стоимости конечного металла, стали – примерно 5%. Но когда резко меняются условия, металлурги предпочитают изменить любую другую стадию металлургического цикла или даже добавить в цикл новый дорогой передел, но не затрагивать доменную плавку с ее опасными капризами. Такой жестко-консервативный подход к любым новшествам сильно затрудняет внедрение пылегазовых реакций в доменной плавке.

Эта стадия цикла стоимостью около 5% стоимости стали властно диктует условия всем остальным стадиям, соответствующим 95% цены стали. Так, в начале ХХ века потребовалось начать размалывать некоторые руды для обогащения, и не представлялось возможным перерабатывать в домнах даже те небольшие количества порошка концентрата, которые впервые тогда появились. Эту проблему могло бы решить вдувание концентрата в ДП. Но в действительности в металлургический цикл был добавлен новый передел – окускование рудного сырья, агломерация.

Сталеплавильный передел добавился в свое время потому, что доменная печь могла давать лишь переуглероженный металл – чугун, и не представлялось возможным перестроить эту плавку на получение металла с нормальным для стали содержанием углерода.

Специалисты точных наук не столь подвержены влияниям традиционной идеологии металлургии, как специалисты доменного процесса.

По мнению ученых, переуглероживание чугуна в доменной печи является явной «несообразностью» современного металлургического цикла, так как потом приходится выполнять специальный дорогой сталеплавильный передел в основном для того, чтобы выжечь этот лишний углерод из металла.

В 30-40-х годах ХХ века потребовалось освоить производство ряда новых металлов в связи с созданием первой атомной бомбы в США и формированием атомной промышленности. Тогда металлургия была рассмотрена с позиций физики руководителями «атомного проекта».

Известный американский металлург и физик Сyril Smith, руководивший разработкой металлургии урана, называл доменный процесс «жерновом на шее металлургии, повешенным в наказание за грехи в научных исследованиях». Однако в срочных практических разработках и он не смог обойтись без использования процессов типа доменного.

Предлагается пропускать через прогретый доменный воздухонагреватель смесь порошка железорудного концентрата и угольной пыли. На выходе получится взвесь порошка железа в потоке газов. Такой порошок может быть сырьем для сталеплавильного процесса, примерно эквивалентным доменному чугуну, но вдвое дешевле. Применению подобных пылегазовых процессов мешает господство старой кусковой идеологии металлургии.

текст: Валерий Павлов, доктор химических наук, профессор кафедры химии УГГУ. фото: metal.promcrm.ru