COREX Ло: инновационный процесс прямого восстановления в сталелитейном производстве

Определение и основные концепции

COREX庐 (процесс COREX) — это процесс прямого восстановления и плавки, используемый в производстве стали, объединяющий восстановление железной руды и производство жидкой стали в одной интегрированной операции. Он классифицируется как среднетемпературный маршрут без доменной печи, предназначенный для производства расплавленного железа непосредственно из железной руды и угля без необходимости использования коксохимических печей и доменных печей.

Основная цель COREX庐 — обеспечить энергоэффективную и экологически более дружелюбную альтернативу традиционным методам с использованием доменной печи. Он направлен на сокращение зависимости от кокса, снижение выбросов парниковых газов и улучшение использования ресурсов. Процесс производит расплавленное железо, которое может быть напрямую перенесено в сталиварочные конвертеры, бесшовно интегрируясь в общую цепочку производства стали.

В рамках технологического процесса производства стали COREX庐 занимает этап первичного восстановления и плавки. Он связывает подготовку сырья и последующую очистку стали, обеспечивая плавный переход от сырой руды к жидкому железу. Его позиция позволяет гибко вводить сырье и обеспечивает общую эффективность процесса и экологическую соответствие.

Технический дизайн и эксплуатация

Основная технология

Процесс COREX庐 основан на конструкции шахтной печи противоточного типа, сочетающей восстановление железной руды с плавкой безкоксового угля. Основной инженерный принцип предполагает прямое восстановление оксидов железа с использованием восстанавливающих газов, образующихся при сгорании угля, с последующим плавлением восстановленного железа для получения расплавленного горячего металла.

Ключевые технологические компоненты включают восстановительную шахту, газификатор-куму, а также вспомогательные системы, такие как очистка газа, системы охлаждения и оборудование для обработки материалов. Восстановительная шахта — это резервуар вертикальной конструкции, облицованный огнеупорным материалом, высотой около 20-30 метров и диаметром 4-8 метров, предназначенный для равномерного восстановления.

Газификатор-кума — это крупный резервуар, облицованный огнеупорным материалом, обычно высотой 20-25 метров и диаметром 6-10 метров, оснащенный форсунками для подачи угля и выбросами отходящих газов. Он интегрирован с восстановительной шахтой через общую систему циркуляции газа.

Со временем конструкции оборудования развивались для повышения энергетической эффективности, уменьшения износа огнеупорных материалов и улучшения эксплуатационной стабильности. Вариации включают использование более прочных огнеупорных материалов, улучшенные системы циркуляции газа и автоматизацию.

Вспомогательные системы включают устройства очистки газа (электростатические осадители, скрубберы), системы охлаждения расплавленного железа и оборудование для обработки материалов, такое как конвейеры и краны для сырья и удаления шлака.

Химия и металлургия процесса

Химические реакции

Основные химические реакции включают восстановление оксидов железа (Fe₂O₃, Fe₃O₄, FeO) до металлического железа (Fe) с использованием восстанавливающих газов. Основные реакции:

• Восстановление гематита (Fe₂O₃):

Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂

• Восстановление магнетита (Fe₃O₄):

Fe₃O₄ + 4CO → 3Fe + 4CO₂

• Восстановление вюстита (FeO):

FeO + CO → Fe + CO₂

Термодинамически эти реакции благоприятны при высоких температурах, и равновесие сдвигается в сторону металлического железа по мере повышения температуры. Кинетика зависит от состава газа, температуры и размера частиц.

Отходящие газы в основном содержат CO₂, H₂O и остаточные CO и H₂, которые очищаются и рециркулируются. Угольный углерод выступает как топливо и восстановитель, частично окисляясь и газифицируясь.

Металлургические преобразования

В процессе оксиды железа подвергаются восстановлению до металлического железа, сопровождаясь фазовыми преобразованиями из твердых оксидов в жидкое железо. Микроструктурно восстановленное железо образует расплавленную фазу с рассеянным шлаком и остаточными примесями.

Производимое расплавленное железо обычно находится в жидком состоянии при рабочих температурах, с микроструктурными особенностями, такими как дендритные или глобулярные включения, в зависимости от скорости охлаждения. Также происходит образование шлака из минералов породных примесей, который отделяется от расплавленного железа.

Эти металлургические преобразования влияют на такие свойства, как пластичность,прочность и чистота конечной стали. Правильный контроль охлаждения и удаления шлака обеспечивает нужные микроструктуры и минимальное содержание включений.

Взаимодействия материалов

Взаимодействия между расплавленным металлом, шлаком, огнеупорным облицовкой и атмосферой критически важны для стабильности процесса. Расплавленное железо может реагировать с огнеупорными материалами, вызывая износ и возможное загрязнение в случае коррозии огнеупора.

Шлак взаимодействует с расплавленным металлом, способствуя удалению примесей, но также может захватывать нежелательные элементы, если его правильное управление нарушается. Атмосфера внутри реактора, богатая CO и H₂, влияет на кинетику восстановления и химию шлака.

Для контроля нежелательных взаимодействий выбирают огнеупорные материалы с высокой коррозионной стойкостью, а химию шлака регулируют добавками. За состоянием газовой атмосферы следят, чтобы предотвратить окисление и другие нежелательные реакции.

Поток процесса и интеграция

Вводные материалы

Основные исходные материалы — это железная руда (пеллеты или крупные куски), безкоксовый уголь и вспомогательные материалы, такие как флюсы (известняк или доломит). Характеристики железной руды обычно требуют высокого содержания железа (>60%), низкого уровня примесей и подходящего размера частиц.

Уголь должен иметь высокую теплотворную способность, низкое содержание золы и серы для обеспечения эффективного восстановления и минимального воздействия на окружающую среду. Обработка включает хранение в силосах, конвейеры и подготовку для обеспечения стабильного качества подачи.

Качество вводимого сырья влияет на эффективность процесса, степень металлургической обработки и качество конечного продукта. Вариации в качестве руды или угля могут привести к колебаниям температуры, скорости восстановления и состава расплавленного железа.

Последовательность процесса

Рабочая последовательность начинается с подготовки сырья, включая дробление, просеивание и пеллетизацию железной руды. Обработанная руда подается в восстановительную шахту, в то время как безкоксующий уголь подготавливается и вводится в газификатор.

Восстановление происходит в шахте при повышенных температурах, производя восстановленное железо. Одновременно уголь газифицируется в газификаторе, создавая восстанавливающие газы и расплавленный шлак. Восстановленное железо переносится в газификатор, где оно плавится в расплавленное железо.

Расплавленное железо периодически сливается из газификатора в ковши для дальнейшей сталеплавильной обработки. Шлак непрерывно удаляется и перерабатывается для утилизации или переработки. Отходящие газы очищаются, рециркулируются или используют для выработки энергии.

Типичное время цикла для слива расплавленного железа составляет от 8 до 12 часов, а общий пропускной объем предприятия — от 1 до 3 миллионов тонн в год, в зависимости от размера и конфигурации установки.

Точки интеграции

COREX庐 интегрируется с upstream-элементами подготовки сырья и downstream-процессами металлургии, такими как BOF (основной кислородный конвертер) или EAF (дугооксидный стан). Вложения материалов включают сырье, уголь, флюсы и шлак.

Информационные потоки включают данные контроля процессов, параметры качества и обновления эксплуатационного статуса. Буферные системы, такие как промежуточные силосы и шлаковые ямы, позволяют компенсировать колебания поставок и спроса.

Беспрепятственная интеграция обеспечивает непрерывную работу, оптимальное использование ресурсов и минимальные простои, что способствует общей эффективности предприятия.

Эксплуатационная эффективность и контроль

Параметр эффективности	Типичный диапазон	Факторы влияния	Методы управления
Степень металлургической обработки	90-98%	Качество сырья, температура	Контроль состава газа, регулировка температуры
Температура расплавленного железа	1500-1600°C	Вход топлива, рекуперация тепла	Датчики температуры, автоматические горелки
Чистота газа (CO, H₂)	20-30% CO, 10-15% H₂	Циркуляция газа, эффективность сгорания	Газовые анализаторы, клапаны управления потоком
Степень износа огнеупора	0,5-1 мм/месяц	Рабочая температура, химия шлака	Выбор огнеупорных материалов, корректировка процесса

Эксплуатационные параметры напрямую влияют на качество продукции, включая содержание примесей, микроструктуру и механические свойства. Поддержание стабильных условий обеспечивает постоянство сортов стали.

Мониторинг процесса в реальном времени использует датчики для определения температуры, состава газа и давления, интегрированные в системы управления для автоматической настройки. Стратегии оптимизации включают моделирование процесса, обратную связь и предиктивное обслуживание для повышения эффективности и качества продукции.

Оборудование и техническое обслуживание

Основные компоненты

Ключевое оборудование включает восстановительную шахту, газификатор-куму, системы очистки газа и вспомогательные системы. Восстановительная шахта — вертикальный сосуд с огнеупорной облицовкой, высотой около 20-30 метров и диаметром 4-8 метров, предназначенный для равномерного восстановления.

Газификатор-кума изготовлен из прочных огнеупорных материалов, часто с водоохлаждаемыми панелями для критических зон. Устройства очистки газа используют электростатические осадители и скрубберы для удаления частиц и серосодержащих соединений.

Критические изнашиваемые части включают огнеупорные облицовки, форсунки и вентиляторы циркуляции газа. Типичный срок службы огнеупорных облицовок — от 3 до 5 лет, в зависимости от условий эксплуатации.

Требования к техническому обслуживанию

Плановое обслуживание включает инспекцию огнеупоров, ремонт облицовки и калибровку оборудования. Плановые остановки запланированы для замены огнеупоров и крупных ремонтов.

Предиктивное обслуживание использует контроль состояния с помощью термографии, анализ вибраций и газов, чтобы выявлять ранние признаки износа или отказа. Такой подход сокращает внеплановые простои и продлевает срок службы оборудования.

Крупные реконцепции могут включать облицовку огнеупоров, обновление компонентов и модернизацию систем управления, обычно планируемые каждые 5-10 лет на основе эксплуатационных данных.

Эксплуатационные проблемы

Распространенные проблемы включают деградацию огнеупоров, утечки газа, перенос шлака и засорение оборудования. Причины обычно связаны с колебаниями температуры, изменениями сырья или износом оборудования.

Диагностика включает системное выявление дефектов, осмотры, анализ данных датчиков и моделирование процесса. Корректирующие действия могут включать изменение параметров процесса, ремонт или замену изношенных частей, а также оптимизацию качества сырья.

Аварийные процедуры включают быстрое отключение, системы пожаротушения и эвакуацию для устранения критических отказов, таких как повреждение огнеупоров или утечка газа.

Качество продукции и дефекты

Качественные характеристики

Основные параметры качества расплавленного железа включают химический состав (углерод, сера, фосфор, кремний), температуру и чистоту. Анализы проводятся спектроскопическими методами, измерениями термопар и анализом шлака.

Методы контроля включают отбор проб, Металлографические исследования и анализ включений. Системы классификации качества делят стальные марки по уровню примесей, микроструктуре и механическим свойствам.

Распространенные дефекты

Типичные дефекты включают захват шлаком, включения, чрезмерное содержание серы или фосфора и нестабильность температуры. Эти дефекты возникают из-за примесей сырья, нестабильности процессов или износа огнеупоров.

Меры предотвращения включают строгий контроль сырья, оптимизацию параметров процесса и эффективное управление шлаком. Восстановление и легирование, а также дополнительные обработки могут использоваться для устранения дефектов.

Постоянное совершенствование

Оптимизация процесса осуществляется с помощью методов статистического контроля процессов (SPC) для мониторинга тенденций качества и выявления отклонений. Анализ причин выявляет источники отклонений и способствует корректирующим действиям.

Примеры успешных инициатив включают обновление огнеупоров для снижения износа или автоматизацию процессов для повышения стабильности, что ведет к увеличению качества стали и снижению затрат.

Энергия и ресурсы

Энергопотребление

COREX庐 расходует около 4-6 ГДж на тонну горячего металла, преимущественно за счет сгорания угля и вспомогательных источников энергии. Меры повышения энергетической эффективности включают системы рекуперации тепла, использование отходящих тепловых потоков и автоматизацию процессов.

Новые технологии сосредоточены на интеграции систем рекуперации тепла, использовании возобновляемых источников энергии и оптимизации сгорания для снижения общего потребления энергии.

Использование ресурсов

Типичное потребление сырья — 1,2-1,5 тонны железной руды и 0,8-1,0 тонны безкоксового угля на каждую тонну расплавленного железа. Водопотребление сводится к минимуму за счет закрытых систем охлаждения.

Стратегии повышения эффективности ресурсов включают переработку шлака и пыли, оптимизацию подготовки сырья и повторное использование воды. Эти меры значительно снижают экологический след.

Воздействие на окружающую среду

Процесс COREX庐 производит выбросы таких веществ, как CO₂, SO₂, NOₓ и твердые частицы. Твердые отходы включают шлак и пыль, которые могут перерабатываться для восстановления или утилизации.

Технологии экологического контроля включают системы очистки газа, пылеуловители и мониторинг выбросов. Соблюдение нормативных требований включает постоянный контроль, отчетность и применение лучших практик по контролю загрязнений.

Экономические аспекты

Капитальные вложения

Начальные затраты на сооружение установки COREX庐 варьируются от 200 до 500 миллионов долларов США, в зависимости от мощности и технологического уровня. Основные затраты — это реакторные сосуды, системы очистки газа и вспомогательное оборудование.

Факторы стоимости зависят от региона из-за различий в оплате труда, материалах и нормативных активах. Оценка инвестиций включает методы, такие как чистая приведенная стоимость (NPV), внутренняя норма рентабельности (IRR) и анализ окупаемости.

Эксплуатационные расходы

Эксплуатационные расходы включают оплату труда, энергию, сырье, обслуживание и расходные материалы. Типичные годовые затраты составляют примерно 50-100 долларов за тонну горячего металла.

Меры снижения затрат включают рекуперацию энергии, автоматизацию процесса и контроль качества сырья. Сопоставление с отраслевыми стандартами помогает выявить возможности для улучшения.

Рыночные особенности

Процесс COREX庐 повышает конкурентоспособность продукции за счет более дешевого, экологически чистого производства стали. Он обеспечивает гибкость в использовании сырья и снижает зависимость от коксования.

Требования рынка к более экологичной стали и ужесточение экологических нормативов стимулируют совершенствование процессов. Экономические циклы влияют на инвестиционные решения, увеличивая интерес в периоды высокого спроса на сталь и ужесточения экологических требований.

Историческое развитие и будущие тенденции

Эволюция истории

Процесс COREX был разработан в конце 20 века как альтернатива традиционным маршрутам с использованием доменной печи, а коммерческие установки начали работу в 1990-х годах. Внедрение включает усовершенствованные огнеупоры, повторное использование газов и автоматизацию.

Ключевые прорывы включали интеграцию восстановления и плавки в одном сосуде, снижение капитальных и операционных затрат, а также уменьшение экологического воздействия.

Рыночные обстоятельства, такие как рост цен на кокс и экологические проблемы, способствовали его распространению, особенно в регионах, ищущих устойчивые способы производства стали.

Текущее состояние технологий

COREX庐 считается зрелой технологией, с несколькими функционирующими заводами по всему миру, особенно в Южной Африке, Индии и Китае. Региональные различия включают адаптацию под местное сырье и экологические стандарты.

Лучшие установки достигают эффективности свыше 60%, с высоким уровнем металлургической обработки и низкими выбросами. Постоянные усовершенствования фокусируются на рекуперации энергии, автоматизации и долговечности огнеупоров.

Новые разработки

Будущие инновации включают цифровизацию, интеграцию Industry 4.0 и расширенное управление процессами для повышения эффективности и стабильности. Исследования изучают альтернативные восстановители, такие как водород, для еще большего снижения углеродного следа.

Потенциальные прорывы связаны с объединением COREX с другими технологиями прямого восстановления, созданием вариантов с нулевыми выбросами и использованием возобновляемых источников энергии. Эти достижения направлены наMaking steelmaking more sustainable and cost-effective.