Технологии переработки руд без использования доменных печей

3 000 лет назад человечество вошло в Железный век. В мире получили распространение технологии металлургии железа и изготовления железных орудий. Железо позволило расширить возможности человека.

Но шли столетия, менялись государства и технический уклад, а вместе с ними возрастала потребность в железе. Во второй половине 18 века началась промышленная революция, создавшая механический труд: в производстве стало появляться все больше машин.

А увеличение числа машин вызвало резкий рост потребности в металле. И уже эта потребность спровоцировала развитие металлургии.

Когда и случился технологический прорыв, главным достижением которого стала замена в металлургии древесного угля, использовавшегося средневековыми кузнецами, на каменноугольный кокс.

Доминирующая домна

Производительность современных доменных печей повышается увеличением их рабочего объёма. Таковой у средней доменной печи около 5 000 м3. Это обеспечивает выплавку стали до 4 млн тонн в год. Печь такой производительности расходует свыше 10 железнодорожных эшелонов сырья в сутки.

Для хорошей производительности требуется тщательная подготовка руды и топлива к плавке, применении руд с усреднённым составом, самофлюсующегося агломерата.

А также использование дутья с повышенной влажностью и температурой, автоматической аппаратуры для контроля и регулирования технологических процессов. Особое значение имеет применение кислородного или обогащённого кислородом дутья.

Кислородное дутьё способствует повышению температуры и концентрации окиси углерода, улучшает процессы восстановления и уменьшает объём газов.

При этом процесс плавки непрерывен. Для уменьшения расхода кокса и повышения производительности доменной печи воздух (дутьё) нагревают до 1000–1200 °С, обогащают кислородом, а в горн вдувают природный газ, мазут или пылеугольное топливо.

Подготовка руд к доменной плавке необходима для повышения производительности доменной печи, снижения расхода кокса и улучшения качества чугуна. После этого процесса в руде увеличивается содержание железа в шихте и уменьшается число вредных примесей — серы, фосфора, повышается её однородность по кусковатости и химическому составу. Метод подготовки добываемой руды зависит от её качества.

Зольность и сернистость кокса тоже оказывают большое влияние на его расход и производительность доменных печей. При расчётах обычно принимается повышение на 1,5-2% расхода кокса и примерно на столько же снижение производительности доменных печей на каждый процент повышения зольности кокса или на каждую 0,1% повышения его сернистости.

При этом производство с использованием доменных печей вносит серьёзное загрязнение в окружающую среду. Металлургическая отрасль находится на втором месте среди всех других отраслей промышленности по атмосферным выбросам.

Предприятия чёрной и цветной металлургии при извлечении металлов вынуждены использовать руду с очень низким содержанием полезных компонентов. Таким образом, на обогащение и плавку поступает огромный объём руды, а это, в свою очередь, порождает большие количества отходящих газов из неиспользуемых компонентов.

Именно загрязнение атмосферы является главной причиной экологических проблем, возникающих в результате деятельности металлургических гигантов.

Выбросы из труб приводят к загрязнениям почв, уничтожению растительности и образованию техногенных пустошей вокруг крупных заводов.

К тому же, экологические проблемы отечественной металлургии обостряются из-за высокого износа оборудования и устаревших технологий.

По данным Минпромэнерго, до 70% всех мощностей в отечественной металлургической промышленности являются изношенными, устаревшими и убыточными.

Альтернатива

Индустриальная эпоха потребовала от производителей металлов улучшения качества их продукции, уменьшения издержек в производстве (в доменном производстве расходуется 60-70% всех топливно-энергетических затрат на производство готовой металлургической продукции), а также выполнения повышающихся требований к экологичности производства.

Первая массированная атака на доменную плавку, как на основной вид передела железорудного сырья, пришлась на 1960-е годы. Открытие огромных нефтегазовых месторождений на Ближнем Востоке, в Северной и Центральной Африке, Латинской Америке породило эйфорию надежд в чёрной металлургии в виде замены доменного производства низкотемпературными твердофазными процессами металлизации железорудных материалов.

Так, в 1970-х годах стали появляться промышленные производства железа непосредственно из руды, минуя доменный (с использованием кокса) процесс. Одной из первых появились установки прямого восстановления железа (или губчатого железа).

Правда, они были малопроизводительны, а конечный продукт имел довольно много примесей. С совершенствованием процесса, эта технология всё же получила в 1980-х годах широкое распространение. Случилось это после того, как в горно-металлургическом комплексе стали активно применять природный газ, который идеально подошёл для прямого восстановления железной руды.

Ещё одним удачным решением стало возможность использовать в процессе прямого восстановления железа продуктов газификации углей (в частности, бурых), попутного газа нефтедобычи и другого топлива-восстановителя.

В 1990-е годы технологические изменения позволили значительно снизить капиталовложения и энергоёмкость в нескольких процессах прямого восстановления железа, в результате чего произошёл новый скачок в производстве продукции в виде металлизированных окатышей DRI (Direct Reduced Iron), которые продолжаются до сих пор.

Эксперты отмечают, что использование губчатого железа при выплавке стали (в основном, в электродуговых печах) позволяет производить наиболее высококачественный, экономически выгодный (с относительно низкой энергоемкостью) и экологически чистый металл (по сравнению с доменным процессом), пригодный для удовлетворения самых высоких требований таких отраслей-потребителей, как машиностроение (авиа-, судостроение и т. д.).

В типовом процессе восстановления железа основной компонент природного газа — метан — разлагают окислением в присутствии катализатора в специальных аппаратах — реформерах, получая смесь восстановительных газов — окиси углерода и водорода. Эта смесь поступает в высокотемпературный реактор, в который подаётся также обрабатываемая железная руда. Есть технологии DRI, использующие метан непосредственно в реакторе, а также восстановительные пылеугольные смеси.

При этом формы и конструкции реакторов очень разнообразны, например, это вращающаяся трубчатая печь или шахтная печь. Сама реакция восстановления максимально эффективно идёт только на поверхности твёрдых частиц руды, поэтому необходим определённый компромисс между сырьём (пылеобразная или пористая форма) и конечной продукцией (спечёнными окатышами, брикетами и т. п.).

Разнообразие технологий, оборудования и сырья создало большое разнообразие названий способов прямого восстановления, число которых перевалило за два десятка. Однако только немногие из них прошли опытно-промышленную и промышленную проверку, доказав свою высокую производительность и рентабельность, а также создавая готовую продукцию высокого и стабильного качества.

Все эффективные методы прямого восстановления качественного железа фактически используют единственный процесс: богатое железорудное сырьё (руда или окатыши с содержанием железа не менее 70%) восстанавливается при высоких температурах до содержания железа (85–90% и более) специальной газовой смесью.

Именно поэтому основное производство железа прямого восстановления главным образом сосредоточено в странах, обладающих большими запасами нефти с попутным газом, собственно природного газа и железной руды — это страны Латинской Америки, Ближнего и Среднего Востока.

На сегодня в мире наиболее широко распространены технологии прямого восстановления железа компании Midrex (США), установки которой работают во многих странах с 1971 года. Лидирующие позиции в DRI эта компания удерживает до сих пор.

Даже среди российских предприятий встречаются те, что используют технологии Midrex — это Оскольский электрометаллургический комбинат, который за 1983–1987 годы построил и запустил четыре модуля Midrex, общей мощностью 1,67 миллионов тонн металлизированных окатышей DRI в год, и Лебединский ГОК, который с 1999 года выпускает брикеты HRI мощностью 0,9 миллионов тонн в год.

При этом Россия занимает сейчас седьмое место в рейтинге крупнейших стран — производителей подобной продукции в мире.

Железо прямого восстановления почти полностью используется в электрометаллургии. Доменный процесс в таком производстве полностью исключен.

Поэтому получаемые продукты от этой технологии позволяет снизить негативное влияние металлургического производства на окружающую среду, в том числе за счёт уменьшения выбросов углекислого газа (оксида серы и др.) в атмосферу.

Высокий расход природного газа — до 400 м3 на 1 т DRI — считался главным недостатком технологий Midrex и её аналогов. Неуклонный рост цен на нефть и газ в последние годы угрожал рентабельности производства железа прямого восстановления.

При всей неустойчивости мировых цен на сырьё рентабельность производства железа прямого восстановления сохраняется, тем более в странах, имеющих оптимальные условия для такого производства, включая Россию.

Но аналитики сходятся в позитивных оценках развития мирового рынка DRI. По их мнению, баланс спроса и предложения на этом рынке не будет достигнут, по крайней мере, в течение ближайших 3–4 лет.

Мировое производство стали прямым восстановлением не превышает 2-3% от общего её производства. Другой технологией для работы с рудой без использования доменных печей является гидрометаллургический метод, который находится в стадии совершенствования.

Гидрометаллургический метод основан на вытеснении более активным металлом менее активного из получаемого раствора с последующей обработкой этих растворов для выделения металла в свободном виде. Для этой технологии используются руды с незначительным содержанием различных металлов.

Руду подвергают процессу гидрометаллургической переработки, т. е. её обрабатывают водными растворами кислот или щелочей. При этом часть соединений отдельных металлов переходят в состояние раствора. Также руду могут предварительно обработать кислородом или хлором, это позволяет повысить содержание в ней соединений, легко растворимых в воде.

Одним из существенных преимуществ гидрометаллургических методов, по сравнению с металлургическими переделами, является то, что они позволяют проводить более полную переработку бедных и полиметаллических руд.

При этом с раздельным получением всех полезных компонентов, а основного — в виде продукта с высокой степенью чистоты. Например, цинковые заводы одновременно с цинком выпускают кадмий, свинец, соли или концентраты меди, кобальта, ряд редких металлов и концентратов, а также серную кислоту.

Или взять медерафинировочные заводы, на которых выпускают не только медь, но и соли цветных металлов, шламы, содержащие благородные металлы.

Стоимость получаемых попутно продуктов может стать весьма важным экономическим фактором для металлургического производства. Важно всегда понимать, что рентабельность гидроэлектрометаллургического производства по сравнению с пирометаллургическим меняется значительно, поскольку в будущем ожидается вовлечение в переработку бедных и забалансовых руд.

А для этого необходимо разработать наиболее целесообразные пути извлечения всех полезных компонентов руд, с последующим их разделением и получением металлов или концентратов. При этом пирометаллургические процессы будут заменены гидрометаллургическими.

Правда, несовершенство современного состояния технологии обладает существенным недостатком: сложность технологических процессов и их аппаратурного оформления, приводящая к технико-экономической дороговизне его использования, так, например, вместе с цинком в растворимую форму переходит много железа, а это сильно усложняет последующую гидрометаллургическую переработку обожженного концентрата.

Но при этом эксперты отмечают, что технология имеет хорошие перспективы. развитие гидрометаллургических методов переработки рудного сырья в ближайшие десятилетия сможет обеспечить комплексное использование всех компонентов руд вплоть до пустой породы.

Оставшаяся после извлечения полезных компонентов пустая порода может быть тоже использована, так как в ней остаются бедные соединение полезных ископаемых, которые трудно добыть традиционными способами. такая технология будет способствовать превращению производств в полностью безотходные.

Уже сейчас гидрометаллургическим методом получают до 25% всей добываемой меди. тем более, что этот способ позволяет получать металлы, не извлекая руду на поверхность.

Принципиально новым развитием гидрометаллургического метода стала технология использования водных растворов с бактериально-химическим выщелачивание металлов.

Основу этого процесса составляет окисление содержащихся в рудах сульфидных минералов тионовыми бактериями. к таким минералам относятся сульфиды железа, меди, никеля, цинка, кобальта, свинца, молибдена, серебра, мышьяка. При этом металлы переходят из нерастворимой сульфидной формы в растворимую сульфатную.

Широкое распространение бактериальное выщелачивание получило при разработке сульфидных золотосодержащих концентратов. Подобно автоклавному выщелачиванию, оно заключается в окислении золотосодержащих сульфидов с помощью кислорода.

Однако приемлемая скорость окисления достигается в этом случае не за счёт применения повышенных температур и давлений кислорода, а введением в пульпу микроорганизмов бактерий), содержащих ферменты, являющиеся биокатализаторами окислительных процессов. Выделяющуюся при окислении энергию бактерии используют для своей жизнедеятельности.

Перспективы

Технологии подготовки руды без использования доменных печей находят все большее количество приверженцев по всему миру. Этот процесс позволяет избежать «дорогого» доменного передела, тем самым снизив сырьевые и энергетические расходы на фоне роста мировых цен на кокс, металлолом и железную руду, а также сокращения поставок сырья необходимого качества.

Учёные и инженеры во всём мире продолжают технологические поиски различных вариаций методов, использующих менее качественную руду и различные типы топлива.

При этом всё больше уделяется внимания экологии процесса и качеству металла. рассматривая вопросы модернизации своего производства, можно задуматься о внедрении новых перспективных технологий без использования доменных печей.

Это позволит производству войти в новый технологический уклад и начать снижать свои издержки как материально-финансовые, так и экологические. В ряде стран, в том числе и в России, имеются особо благоприятные условия для развития новых производств.

Текст: Дмитрий Трапезников