Восстановительная плавка
Восстановительная плавка – производство жидкого чугуна на основе железной руды без использования кокса. Процессы восстановительной плавки принципиально разделяются на процессы с плавильным газогенератором и с реактором для плавки в жидкой ванне; кроме того, имеется ряд специфических процессов.
Процессы с плавильным газогенератором
Отличительные особенности
Процессы с плавильным газогенератором являются двухступенчатыми: с восстановлением руды до губчатого железа и после дующей плавкой с выделением восстановительного газа. Для плавки и получения восстановительного газа вводятся уголь и кислород.
Схема процесса Corex
Примером этому служит процесс Соrех, являющийся единственным процессом восстановительной плавки, используемым в промышленных масштабах [64].
Схема процесса Соrex представлена на рис. 8.15.
Рис. 8.15 Технологическая схема процесса Соrех
Механизм процесса Corex
В процессе Соrex все металлургические превращения происходят в двух отдельных реакторах процесса, а именно: в восстановительной шахтной печи и плавильном газификаторе. Энергетический уголь подается на свод плавильного газификатора через воронку – затвор и преобразуется в полукокс при температуре 1000-1050 °С . Нежелательные для окружающей среды побочные продукты (смолы, фенолы и углеводороды) моментально распадаются и не могут быть выпущены в окружающую среду, как это имеет место на коксохимических заводах. В плавильный газификатор вдувается кислород, там он реагирует с углем, выделяя высококачественный восстановительный газ, на 95 % состоящий из 
.
На выходе из плавильного газификатора восстановительный газ охлаждается рециркулированным газом данного процесса до требуемой температуры 800-850 °С . После очистки от пыли в циклонном уловителе горячих газов газ подается в восстановительную шахтную печь, где шихта, состоящая из определенного сочетания кусковой руды или окатышей, преобразуется в восстановленное прямым способом железо. После извлечения из шахтной печи с помощью специально спроектированных винтовых конвейеров восстановленное железо загружается в плавильный газификатор, где расплавляется. Процедура выпуска, температура выпуска и дальнейшая обработка передельного чугуна являются точно такими же, как и для передельного чугуна, выплавленного в доменной печи.
Схема использования энергии отходящего газа процесса Corex
Схема, отражающая использование энергии отходящего газа процесса Corex, представлена на рис. 8.16.
Рис. 8.16 Схема производства электроэнергии с использованием отходящего газа Corex
Перспективы использования процесса Corex
Использование такой комплексной технологии позволило значительно улучшить технико-экономические показатели этого процесса. Для математического описания процессов в восстановительной шахтной печи можно воспользоваться моделями, рассмотренными в §6 гл. 8, а для описания процессов в плавильном газификаторе – моделями, которые рассматриваются ниже и в §8 гл. 8.
Процесс Ромелт
Назначение процесса Ромелт
Процесс Ромелт, разработанный в Московском институте стали и сплавов под руководством профессора В.А. Роменца (рис. 8.17), ориентирован на переработку неподготовленного металлургического сырья.
Рис. 8.17 Технологическая схема процесса Ромелт
Этот одностадийный процесс получения чугуна без использования кокса характеризуется восстановительной плавкой железосодержащих материалов в барботируемой шлаковой ванне. В 1995 г. фирмы Nippon Steel и ICF Kaiser of Fairfax приобрели лицензию на процесс Romelt, затем было продано еще несколько лицензий. Настоящая стадия развития этого процесса характеризуется высоким потреблением угля и кислорода, но в проекте предусматривается комплексное использование энергии отходящих газов, аналогичное рассмотренному выше процессу Corex, что позволит значительно улучшить показатели этого процесса.
Зоны процесса Ромелт
Зоны, характерные для одностадийных процессов жидкофазного восстановления
В плавильно – восстановительной печи Ромелт имеют место четыре укрупненные зоны, характерные для одностадийных процессов жидкофазного восстановления, а именно: металлическая ванна, шлаковая барботируемая ванна, зона дожигания и зона свободного пространства в верхней части плавильно – восстановительной печи. Разработчики процесса Ромелт разделяют шлаковую ванну на три зоны в соответствии с особенностью протекающих в них процессов и выделяют, таким образом, в плавильно-восстановительной печи 5 зон, не считая зоны свободного подкупольного пространства печи.
Зона спокойного металла (металлическая ванна)
Зона спокойного металла (температура 1350 – 1400 °С) в горне печи, где происходит накопление металла и окончательно формируется его состав в реакциях между чугуном и расположенным на нем слоем относительно спокойного шлака:
Зона спокойного шлака
Зона спокойного шлака (температура 1400 – 1450 °С) под уровнем барботажных фурм. В этой зоне происходит каолесценция капель металла, их стекание через слой шлака в металлическую ванну и реакции между шлаком и металлом, формирующие окончательный состав чугуна:
Нижняя часть зоны барботируемого шлака
Нижняя часть зоны барботируемого шлака (температура 1450°С) расположена непосредственно над барботажными фурмами. В этой зоне идут многочисленные теплообменные и физико-химические процессы, а именно, горение частиц твердого топлива, диссоциация гематита, плавление частиц руды, растворение углерода в металле, восстановление оксидов железа из жидкого шлака углеродом, окисление серы из шлака кислородом и десульфурация металла шлаком:
Верхняя часть зоны барботируемого шлака
Верхняя часть барботируемого слоя шлака температурой 1500 – 1550 °С (поверхностный слой). В этом слое идет пиролиз и деструкция угольных частиц, выделение и разложение летучих веществ угля, испарение и разложение влаги, газификация углерода и частичное его окисление, образование частичек полукокса, диссоциация гематита, расплавление железорудных материалов и флюса и переход их в шлаковую фазу. Здесь восстанавливаются оксиды железа, и идет реакция науглероживания чугуна. Из этой зоны происходят интенсивные выплески шлака вверх, в зону дожигания. Основные химические реакции в этой зоне следующие:
Зона дожигания
Зона дожигания ( 1750 – 1850 °С). В этой зоне выделяется основное количество тепла в результате окисления 
до 
и 
до 
и идет интенсивная теплопередача от газовой фазы шлаку за счет конвективного теплообмена и излучения. В этой зоне происходит также частичное окисление мелких частиц угля, выносимых потоком газа:
Задача создания моделей статики (термодинамики)
Представленная выше краткая характеристика физико-химических процессов, протекающих в выделенных зонах, может служить основой для создания моделей статики (термодинамики). Для решения этой задачи может быть использована, например, программно – инструментальнаясистемана основе базы термодинамических данных “Астра”, рассмотренная в §4 гл. 3. Попытка же математического описания гетерогенной кинетики (см. §2 гл. 3) потребует более глубоких знаний о механизме протекающих процессов. Необходима информация о размерах и потоках частиц (угля, оксидов, капель металла, пузырьков газа), а также процессах, протекающих на этих частицах. Интересные данные для вскрытия этих механизмов представлены в работе, а в обстоятельной обзорной статье профессора В.А. Роменца дан сравнительный анализ некоторых из известных в настоящее время процессов прямого жидкофазного восстановления.
Возможности процесса Ромелт
Процесс Ромелт отрабатывался на пилотной установке с площадью пода 20 
. За период 1985-1998 гг. было проведено более 40 кампаний, во время которых выплавлено более 40000 т чугуна. В опытных плавках использовали самые различные природные и техногенные железорудные материалы, а в качестве топлива – различные энергетические угли с широким диапазоном содержания летучих веществ и золы. Получаемый чугун по содержанию углерода и серы мало отличался от доменного чугуна, но практически не содержал кремния и других трудно восстановимых элементов. Содержание фосфора в чугуне Ромелт зависит от содержания закиси железа в шлаке, которое варьирует в пределах 1,5-3,0 %. Фосфор в процессе Ромелт лишь частично (на 20-30 %) переходит в шлак. Плавки на пилотной установке показали широкие возможности процесса Ромелт по утилизации металлургических и других отходов. В процессе Ромелт успешно перерабатывались отходы, содержащие до 7,6 % 
и 0,86% 
, а также щелочные элементы в форме хлоридов и оксидов. Температурно-восстановительные условия в рабочем пространстве плавильно-восстановительной печи Ромелт обеспечивают удаление этих металлов и части щелочей из ванны и возможность их улавливания в системе газоочистки.
Таким образом, промышленные испытания пилотной установки процесса Ромелт позволили получить очень ценные результаты, которые оказали определенное влияние также на развитие других процессов прямого жидкофазного восстановления.