Современное состояние и перспективы развития метода прямого восстановления железа.

Введение.

Металлургия — одна из древнейших областей деятельности чело­века. Неслучайно отдельные эпохи истории названы, исходя из распространения того или иного металла: "бронзовый век", "желез­ный век".

В глубокой древности была разработана оригинальная, весьма интересная технология прямого получения железа. На территории нашей страны еще в 1400 году до нашей эры, как утверждают археологи, уже выплавляли железо так называемым кричным методом. Сначала в гopнаx при температуре около 1000 градусов (такую температуру можно создать, не применяя современных способов нагрева) восстанавливали железную руду обыкновенным углем, получали так называемую крицу. Затем крицу, своего рода железную губку, - много­кратно проковывали в горячем состоянии. В результате появилось довольно чистой железо, из которого можно было изготовить различные предметы быта и оружие.

Кричным же способом изготовлена и знаменитая металлическая колонна, которая высится близ города Дели. Воздвигнута она в начале V века нашей эры и изготовлена из железа феноменальной чистоты - металл содержит лишь 0,28 % примесей. Простояла колонна более 1500 лет без каких-либо признаков коррозии.

Со временем двух ступенчатая система восстановления железа углем с последующей ковкой – единственная тогда промышленная схема черной металлургии – отошла в небытие. Ее заменил доменный процесс, который в сочетании с мартеновским и кислородно-конверторным царствует в современной металлургии.

Однако экономика и дополнительные требования к чистоте металла снова вызвали к жизни старый, испытанный метод. Побуждающие причины достаточно очевидны. Кроме дефицита энергоресурсов и в частности кокса, можно указать быстро растущую потребность в высококачественном металле. Авиация, ракетная техника, приборостроение – вот далеко не полный перечень потребителей наиболее чистых металлов.

Современное состояние и перспективы развития метода прямого восстановления железа.

Метод прямого восстановления железа в наши дни по принципу остался без изменения – специально подготовленная, то есть обогащенная, руда, - концентрат, где содержится основной окисел железа восстанав­ливается в шахтной печи с помощью твердого топлива, как это было в древности, или для этой цели используется конвертированный газ - природный метан, но преобразованный в смесь водорода и угарного газа (СО).

Как установлено в настоящее время, можно восстанавливать концентраты руды, которые еще не превращены в окатыши. Более того, оказалось, что концентрат восстанавливается даже с большей скоростью, чем изготовленные из него окатыши. Однако на пути к реализации этого процесса стоят трудности чисто технологического порядка.

Еще одним, и, конечно, наиболее интересным способом восстановления железа, является возможность – использовать чистый водород. Сам процесс восстановления пойдет достаточно быстро, более того, при этом не возникает лишних примесей: продукт восстановления – железо и вода. Однако получение и хранение водорода сопряжено со множеством чисто технических и экономических трудностей. Поэтому чистый водород пока что используют лишь для получения металлических порошков.

Говоря о российских основах метода прямого восстановления железа, следует вспомнить, что в начале семидесятых годов в Туле существовал филиал ЦНИИчермета, где под руководством А. Н. Редько проводились работы по прямому восстановлению железа. Во всем мире для этой цели исполь­зовали шахтные печи, как и в древности, а Редько А. Н. создал опытно-промышленную конвертерную машину, где окатыши восстанавли­вались продуктами кислородной конверсии природного газа. Шахтные печи, с точки зрения специалистов, и дороже и хуже управляемы. Кроме того, они дают металл, примеси которого составляют не менее 8 %. А в установке Редько степень металлизации окатышей достигает 98 %, так что количество примесей снижается в четыре раза. Эти установки широко используются сейчас для получения порошков. Работы лаборатории прямого восстановления и послужили основой первой технологической модели Старо-Оскольского электрометаллургического комбината, для получения губчатого железа высочайшего качества.

Как известно, черная металлургия после электроэнергетики прочно занимает второе ме­сто по расходу топливных ресурсов. И подоб­но ей все увеличивает свои аппетиты. Если прибавить к этому изрядную долю электро­энергии, потребляемой многочисленными ком­бинатами металлургической промышленно­сти — а она стремительно растет,— становится ясно, сколь необходимо было бы найти хотя бы для специальной металлургии новые источ­ники энергии. Так родилась идея радиационного перепла­ва стали. Радиационные печи интересны, конечно, и тем, что их можно питать энергией самого разнообразного происхождения, лишь бы она была лучистой.

Гораздо приятнее вспомнить день рожде­ния "мирного атома". Он датируется абсолют­но точно — это пуск первой в мире атомной электростанции в городе Обнинске 26 июня 1954 года.

С тех пор освобожденная энергия атома хорошо послужила человечеству. По подсчетам некоторых специалистов, к концу века доля энергии, вырабатываемой атомными электростанциями мира, увеличится до 30—40 процентов. В раз­ных странах строится сейчас около двухсот АЭС, причем непрерывно улучшается техноло­гия, рождаются новые, более экономичные конструкции, наконец, с появлением так назы­ваемых бридерных реакторов -размножителей резко увеличились потенциальные запасы ядерного горючего.

Прежде чем посмотреть, как можно использовать атомную энергию в металлургии, вспомним, что собой представляет современ­ный ядерный реактор классического типа, ис­пользующий реакцию деления ядер тяжелого металла - урана.

Процесс деления происходит в так называ­емой активной зоне. Там и выделяется энер­гия. Тепло отводится из активной зоны специ­альным теплоносителем - вода, тяжелая во­да, жидкие металлы. Затем эту энергию утилизируют. Схема устоявшаяся, традиционная: теплообменник - турбина - генератор. И по­мчался по проводам электрический ток, полу­ченный столь необычным способом. "Атомное электричество", по сути дела, работает и на металлургию, так как входит составной частью в электросистемы и, следовательно, участву­ет в любых устройствах электрометаллур­гии.

Однако под атомной металлургией мы по­нимаем не только использование тепла ядер­ного реактора. Будущий атомно-металлургический комплекс мыслится как нечто передо­вое во всех своих звеньях.

Современная технология получения черных металлов требует достаточно высоких темпе­ратур: выплавка чугуна - 1600 градусов, на­грев – 1400 градусов, термическая обработка прока­та — 1250 градусов.

Прямо воспользоваться атомными реакто­рами пока что нельзя, так как подобная «жара» наблюдается лишь внутри активной зоны.

Перевод тепла в зону, где сравнительно спокойно, также требует особых условий. Не­обходимы металлические теплообменники, сооруженные из жаропрочных коррозионных сплавов. Ведь им надо выдержать одно­временно воздействие сильных механических нагрузок, радиации и высокой темпера­туры.

Таким образом, очевидно, что применение атомной энергии потребует принципиального изменения всей технологии черной металлур­гии.

Конечно, есть второй путь — преобразо­вать атомную энергию в электрическую, но всё-таки генеральный путь развития черной металлургии на базе атомной энергии иной. Надо коренным образом изменить технологию, что прежде всего означает переход к прямому восстанов­лению железа.

Сейчас имеются три принципиально отли­чающихся друг от друга вида технологических процессов такого рода с участием атомной энергии.

Первый — высокотемпературное восстанов­ление. Процесс требует 1600 градусов. По­скольку атомные реакторы такой темпера­туры дать не могут, главным агрегатом слу­жит струйно-плазменный реактор, использую­щий для генерации плазмы - ядерную энер­гию.

Восстановительный газ — водород, сме­шанный или без посторонних примесей, расплавляет железо и его сплавы, восстанавли­вает, 'и в виде дождя жидких капель металл попадает в плавильную печь, где идут опера­ции легирования.

Существует схема среднетемпературного восстановления, когда процесс протекает при температуре 900 градусов. Восстановитель— водород или в чистом виде, или с примесью окиси углерода. Железо, естественно, находит­ся в твердом состоянии, образуя при восста­новлении своеобразную губку.

Метод позволяет полностью без промежуточных звеньев использовать атомно-энергетическую установку. Большую часть газа-восстановителя нагревают в теплообменнике атомного реактора. Правда, там температура невелика. Но это не беда. К такому "холодно­му" газу можно подмешать более горячий, нагретый за счет электроэнергии ядерного ре­актора. Получается смесь, вполне пригодная для технологии.

Наконец, при низкотемпературном восста­новлении тепло поставляется атомным реакто­ром. Можно считать, что тут в чистом виде используется ядерная энергия.

Таковы три вида технологических процес­сов, которые, по мнению многих специалистов, имеют право на существование.

Конечным продуктом везде являются же­лезо, вода и углекислый газ, причем воду можно снова использовать для получения во­дорода и кислорода. Таким образом, появля­ются реальные возможности осуществить замкнутый цикл восстановления железа, создать безотходное производство.

Металлургию будущего не без основания часто называют водородной. Использование водорода для нужд черной металлургии — реальность недалекого будущего.

Сейчас водород получают двумя испытан­ными методами — гидролизом воды и ее элек­тролитическим разложением, проще говоря, электролизом. Существует, правда, химичес­кое разложение, более выгодное, но оно не столь распространено, на что имеется ряд чи­сто технических причин. Поиск новых спосо­бов "продолжается, ибо важность проблемы несомненна.

В целом ряде лабораторий страны изучают взаимодействие молекул воды и так называе­мых энергоаккумулирующих веществ - спла­вов, в состав которых входят алюминий, кальций и кремний. Опять-таки происходит разло­жение молекул воды, отбирается кислород и, выделяется водород.

Предварительные расчеты и первые экспе­рименты показали: можно получать водород с такой низкой себестоимостью, что "водород­ная металлургия" обретет, наконец, надежную экономическую основу. А если учесть еще пол­ную экологическую безопасность водородных методик, то сомнений в том, что именно они и представляют собой будущее нашей ста­ринной профессии, ни у кого не возни­кает.

При всей внеш­ней таинственности наименования энергоакку­мулирующие вещества - ЭАВ - встречаются достаточно часто. Их, скажем, легко получить из золы, запасы которой в нашей стране по­истине неисчерпаемы.

Как видите, мы снова выяснили, что необ­ходимо ввести в металлургию прямое водо­родное восстановление железа, теперь мы пришли к тому же, исходя их энер­гетических позиций. Кроме того, водородное производство безотходное. Значит, атомная металлургия сулит выигрыш по всем трем направлениям, на которых основано современ­ное экономичное производство - минимум топлива и сырья, максимум забот об окружа­ющей природе.

Разумеется, водородное восстановление - ­только начало технологического цикла метал­лургии. Но и остальные звенья - будь то конвертеры, электропе­чи, заводы-автоматы, аппараты малооперационной технологии - требуют хорошего исход­ного сырья. Им будет восстанов­ленное водородом железо, то есть побочный продукт ядерных реакторов. Когда речь идет о научно-техническом прогрессе, нельзя ограничиваться технологи­ческими схемами - сами по себе они ничего не решают. Необходимы новые формы содру­жества науки, техники и производства. Без них новшество, интереснейшие проекты, блестящие разработки ученых застрянут в лабораториях или предстанут в натуре лишь в виде небольших опытных установок, а производство, промыш­ленность по-прежнему будет ориентироваться на "дедовскую" технологию.