Владимир Роменец
Заведующий кафедрой Московского государственного института стали и сплавов, профессор

    Несмотря на большое количество технических новинок в различных производственных переделах, технологической базой современной черной металлургии по-прежнему является металлургический цикл, основы которого были разработаны еще в прошлом столетии. Одним из главных звеньев металлургического цикла, определяющим его основные технико-экономические показатели, является коксодоменный передел и сопряженное с ним горно-обогатительное производство. Хотя в настоящее время опережающими темпами растет передельная мини-металлургия на базе электродуговой переплавки лома и совершенствуются многочисленные процессы получения металлизованного сырья на основе прямого восстановления железа (ПВЖ), доменная печь в целом по-прежнему сохраняет роль главного агрегата по производству так называемого первородного металла.
    Технология доменного процесса и конструкция печи совершенствовались на протяжении нескольких веков и достигли в настоящее время высокой степени эффективности. Этот процесс сегодня незаменим при крупномасштабном производстве передельного чугуна для последующей выплавки стали в кислородном конвертере, который сохраняет роль основного агрегата сталеплавильного передела. Гигантские доменные печи являются своеобразным символом не только большой металлургии, но и индустриальной мощи страны. Однако также очевидны и недостатки доменного процесса: использование дорогостоящего кокса в качестве энергоносителя и восстановителя и, следовательно, необходимость соответствующего коксохимического комплекса для его производства (при дефиците коксующихся углей); высокая капиталоемкость и энергоемкость доменного передела (на его долю вместе с рудообогащением и коксохимией приходится не менее половины капитальных затрат и около 70 % энергопотребления производственного цикла); весьма высокий уровень загрязнения окружающей среды (около 80 % вредных выбросов всего металлургического цикла).

    Семьдесят лет в поисках альтернативы
    В мировой металлургии на протяжении 70 лет велись активные поиски и разработки процессов и агрегатов, позволяющих производить металл внедоменным способом из железной руды с использованием менее дефицитных энергоносителей и восстановителей с приемлемыми технико-экономическими параметрами. К настоящему времени имеется значительное число технологий внедоменного и бескоксового производства металла, получивших промышленное распространение.
    Получение твердого продукта в процессе твердофазного восстановления с использованием в качестве восстановителя природного газа или – реже – энергетического угля достаточно подробно описано в технической литературе. Однако эти процессы, несмотря на то, что некоторые из них, например "Мидрекс", достаточно широко используются в промышленном масштабе, к сожалению, не свободны от существенных недостатков. В частности, для твердофазной металлизации требуются определенные по качеству руды; использование дорогостоящего природного газа существенно снижает экономическую эффективность процесса; использование энергетического угля ухудшает качество продукта, получаемого в виде губки или порошка для последующей переплавки в дуговых печах.
    По нашему мнению, более перспективными являются процессы получения жидкого продукта в виде чугуна. Среди технологий, сочетающих твердофазное и жидкофазное восстановление, следует прежде всего выделить процесс "Корекс", разработанный в конце 70-х годов в Германии при активном участии австрийской фирмы "Фест Альпине".
    В установке "Корекс" осуществляется комбинированный плавильно-восстановительный процесс в две стадии в двух отдельных агрегатах, представляющих по существу шахту и горн доменной печи. При этом удельный вес твердофазного восстановления железорудного сырья при помощи газа, полученного при газификации угля с помощью кислорода, составляет около 90 %, на долю собственно жидкофазного восстановления приходится не более 10 %. Технологические особенности процесса обуславливают потребность в использовании довольно сложных вспомогательных агрегатов и механизмов, поэтому конструктивные размеры установки превышают размеры доменной печи аналогичной мощности, что существенно повышает капитальные затраты. Однако отсутствие в составе производственного цикла коксохимического блока позволяет в целом сократить материальные и инвестиционные издержки. Таким образом в промышленной установке благодаря разделению в пространстве шахты и горна доменной печи впервые был реализован процесс выплавки чугуна бездоменным способом с использованием угля вместо кокса. В настоящее время компания "Фест Альпине" активно продвигает процесс "Корекс" на мировой рынок металлургических технологий. Довольно крупные промышленные установки работают в ЮАР, Республике Корея, Индии.

    "Ромелт": особенности и преимущества
    В нашей стране разработка жидкофазного восстановления железа была начата в Московском институте стали и сплавов также в конце 70-х годов. В отличие от процесса "Корекс" с самого начала была принята ориентация на одноступенчатый восстановительный процесс в одном агрегате с использованием жидкой шлаковой ванны. Определенную роль в этом сыграли некоторые идеи, ранее реализованные профессором А.В.Ванюковым при разработке технологии окислительных процессов в производстве меди, в частности барботаж (вспенивание) шлаковой ванны при продувке ее кислородсодержащим дутьем. В процессе "Ромелт" (расшифровка: российская плавка) принцип барботажа использовался для осуществления восстановительных процессов с частичным сжиганием энергетического угля в качестве источника тепла и создания восстановительной атмосферы. Для конкурентоспособного производства жидкого металла требуется расход угля в пределах 1 т на тонну жидкого метала. Необходимое дополнительное тепло получается в процессе сжигания (дожигания) газов (смесь СО и Н), выходящих из ванны, при подаче кислорода в надшлаковое пространство агрегата. При этом происходит возврат большей части тепла от дожигания обратно в барботируемую ванну для протекания восстановительных реакций. Сравнительно простые и эффективные конструктивные решения позволяют поддерживать стабильный температурный режим в агрегате, работающем под разрежением. Это не требует его герметизации. Кроме того, физическое тепло отходящих газов используется в котле-утилизаторе, что повышает энерго-экономическую эффективность агрегата.
    По технологическим разработкам МИСиСа (под руководством и при участии автора настоящей статьи) был спроектирован и введен в эксплуатацию в 1985 году на Новолипецком металлургическом комбинате опытно-промышленный агрегат "Ромелт" с площадью пода около 20 м². Опытно-промышленная установка создавалась в период, когда идея одностадийного процесса жидкофазного восстановления практически не находила поддержки среди специалистов и даже считалась многими бесперспективной по причине многочисленных неудачных попыток в этом направлении за рубежом. Это не могло не сказаться на финансировании проекта и несколько осложнило последующую эксплуатацию установки. Тем не менее результаты оказались впечатляющими. Всего за период эксплуатации было получено около 40 тыс.т чугуна, который затем был переработан на сталь в конвертерах. Тем самым была убедительно доказана практическая осуществимость одностадийного процесса жидкофазного восстановления и работоспособность конструкции агрегата.
    В чем же состоят основные технико-экономические преимущества процесса "Ромелт" по сравнению с другими технологиями бескоксового получения металла?
    Во-первых, процесс, при котором восстановление железа происходит из расплава железосодержащих материалов, открывает возможность переработки их без окускования и классификации по размерам. Это позволяет перерабатывать железорудную мелочь, железорудную пыль, шламы и другие низкосортные виды сырья, в том числе руды с относительно низким содержанием железа (в пределах 45 – 55 %), что обеспечивает существенную экономию капитальных и эксплуатационных затрат. Замена кокса углем исключает капитальные затраты и текущие издержки на его производство. При этом отсутствие необходимости предварительной подготовки железосодержащей шихты принципиально отличает процесс "Ромелт" от процессов типа "Корекс", значительно сокращает и удешевляет цикл получения жидкого металла.
    Во-вторых, установка "Ромелт" является энерготехнологическим агрегатом, в котором вся энергия расходуемого угля используется полезно для восстановления железа и производства энергии в виде пара или электроэнергии. Эта энергия полностью покрывает внутренние потребности, связанные с производством кислорода и работой электродвигателей. Часть энергии (около одной трети) может быть направлена внешним потребителям без дополнительного преобразования. В доменных печах и многостадийных процессах восстановительной плавки химическая энергия отходящих газов может быть полезно использована внешними потребителями только после преобразования в энергетических установках определенной мощности, что обычно связано с дополнительными инвестиционными затратами.
    В-третьих, в конструкции установки используется стандартное оборудование, широко применяемое в практике металлургического производства (ленточные конвейеры, котел-утилизатор, горизонтальные фурмы, газоочистка, дымосос и др.). В реакционной зоне взамен огнеупорной футеровки применяются медные водоохлаждаемые кессоны. К принципиальным моментам можно также отнести использование раздельных сифонных выпусков металла и шлака через отстойники, что существнено снижает трудоемкость обслуживания агрегата. Все это дает существенный выигрыш в капитальных затратах по сравнению с установками "Корекс", для работы которых необходимо иметь герметичный корпус, шлюзовые затворы, шнековые питатели и другие довольно сложные механизмы и агрегаты. Кроме того, достоинством установки "Ромелт" является простота запуска и остановки. У доменных же печей и установок "Корекс", как известно, задувка и внеплановые остановки, как правило, связаны с очень серьезными проблемами.
    В-четвертых, опыт эксплуатации опытно-промышленной установки показал, что при суммировании по принятым коэффициентам опасности отдельных загрязняющих веществ общие выбросы процесса "Ромелт" ниже в 7 – 11 раз. При этом экологические преимущества металлургического цикла с процессом "Ромелт" дополняются сокращением добычи, обогащения и окомкования железорудного сырья, которое осуществляется за пределами металлургического завода, и отсутствием высокотоксичного коксохимического передела.
    Наконец, в-пятых, получаемый чугун, как показала опытно-промышленная эксплуатация установки, имеет содержание кремния и марганца в пределах 0,15 % вследствие температурных условий восстановления при 1400 – 1500 ^ОС, что сокращает шлакообразование при выплавке из него стали.
    Процесс "Ромелт" можно использовать для переработки железосодержащих отходов, в том числе сталеплавильных шлаков с высоким содержанием примесей цветных металлов, в частности цинка и свинца. Это практически решает сложнейшую проблему ухудшения качества стали из-за накопления нежелательных примесей, а также создает возможность улавливания соединения цветных металлов для последующего извлечения из них первичных металлов. В результате перерабатывается в чугун не только текущий выход железосодержащих шламов, но и ликвидируются их многолетние накопления, загрязняющие окружающую среду.

    Перспектива, подтвержденная лицензиями
    Процесс "Ромелт" получил признание на рынке новых металлургических технологий. Однако при всех его достоинствах было бы преждевременным ставить вопрос о замене доменных печей агрегатами жидкофазного или комбинированного восстановления. Современное металлургическое производство с его огромными масштабами действующих мощностей и сложившимся многостадийным металлургическим циклом весьма инерционно. Ликвидация или исключение одного из главных переделов представляет серьезную проблему. Создание и монтаж новых установок жидкофазного восстановления требуют значительных первоначальных инвестиций. Поэтому экономическая эффективность большинства действующих доменных цехов, оборудование которых в значительной степени амортизировано, будет выше, чем у новых установок, несмотря на более низкую себестоимость металла последних. Наконец, доменный процесс, скорее всего, далеко не исчерпал возможности технического совершенствования, главным образом в направлении экономии кокса, управления плавкой, повышения экологической безопасности и т.д. Поэтому период действия доменных печей будет определяться сроком их службы с учетом капитальных ремонтов, а также сроком службы сопряженных аглофабрик и коксовых батарей. Кроме того, вопрос внедрения агрегатов жидкофазного восставновления, очевидно, будет решаться с учетом конкретных экономических, природных, географических условий данного региона и предприятия.
    С учетом вышеизложенного реальные возможности широкого промышленного использования агрегатов жидкофазного восстановления, по нашему мнению, можно прогнозировать не ранее 2005 года. Это не исключает, однако, более раннего внедрения этого процесса в странах с быстро растущим металлургическим производством (Индия, Китай), располагающих соответствующими ресурсами (железная руда, уголь). Немаловажное значение имеет также возможность привлечения частного капитала для развития компактных и менее капиталоемких по сравнению с аглодоменным переделом установок жидкофазного восстановления. В настоящее время МИСиС совместно с АО "НЛМК" организовали в Индии совместную фирму "САИЛ-РОМЕЛТ" для продвижения своих разработок. Уже приобретена лицензия на строительство установки "Ромелт" для Национальной минеральной компании Индии и ведется разработка соответствующего технического проекта. По заказу Стальной корпорации Вьетнама разрабатывается технико-экономическое обоснование строительства такого агрегата. В России в настоящее время установки "Ромелт" могут быть эффективно использованы для переработки металлургических отходов в целях защиты окружающей среды и сокращения безвозвратных потерь железа. Особое положение может занять применение процесса "Ромелт" на мини-заводах, работающих на шихте из лома. Использование первородного жидкого чугуна из агрегата "Ромелт" может снизить зависимость завода от поставок лома и колебаний цен на него и уменьшит содержание примесей цветных металлов в стали. По такому принципу работает завод фирмы "Искор" в ЮАР, использующий жидкий чугун из агрегата "Корекс".
    Процесс жидкофазного восстановления "Ромелт" по своим технико-экономическим и качественным параметрам был высоко оценен фирмами "Ниппон Стил" (Япония) и "И.С.Ф. Кайзер" (США), которые приобрели лицензию на его использование. Он относится к значительным научно-инженерным достижениям современной техники и может сыграть существенную роль в будущем техническом и экологическом обновлении металлургического производства.
    В целом процесс жидкофазного восстановления "Ромелт" по своим технико-экономическим и качественным параметрам безусловно относится к значительным научно-инженерным достижениям современной металлургии. По мнению российских и зарубежных экспертов, эта технология может сыграть существенную роль в будущем техническом и экологическом обновлении металлургического производства.