О восстановлении железа из магнетита газообразными восстановителями

Химический процесс восстановления железа из магнетита посредством газообразных восстановителей является основой технологии Мидрекс, внедренной на Оскольском электрометаллургическом комбинате (ОЭМК). Данный процесс в представленной работе смоделирован с помощью программного комплекса Терра, разработанного в МГТУ им. Н.Э. Баумана. В ходе моделирования проведен анализ термодинамической системы Fe‒С‒О‒Н при постоянной температуре (900  °С) и давлении газа (0,2026 МПа). В качестве восстановителей принимались смеси монооксида углерода и водорода в разных соотношениях, а также отдельные компоненты природных углеводородных газов. Химические составы восстановителей оценивали брутто-формулой С_рО_rH_q , где p, r и q – стехиометрические коэффициенты. Результатами расчетов были расходы восстановительного газа m, необходимые для полного восстановления железа из магнетита, что соответствовало степени металлизации железа φ  =  1. В дальнейшем величины m использовали для оценки восстановительных способностей различных газовых смесей, а величины φm – для определения потребных расходов этих смесей на восстановление железа. Последующий анализ показал, что машинный расчет величины m может быть с высокой точностью (до 0,001) аппроксимирован формулой    , где m_С и m_Н – парциальные расходы углерода и водорода на восстановление железа соответственно, а m_О – парциальный расход кислорода на окисление железа. Установлено также, что параметры m_С и m_Н зависят от температуры процесса и являются взаимосвязанными в соответствии с уравнением  , где K – константа химического равновесия реакции водяного газа СО + Н₂ О = СО₂ + Н₂, одновременно протекающей в газовой фазе. Параметр m_О фактически является константой, не зависящей от температуры и численно равной значению (–4/3) моля на 1 моль железа. Аргументами парциальных расходов могут быть также характерные молекулярные соединения, сопровождаемые соответствующими стехиометрическими коэффициентами. В практике ОЭМК принят учет расхода природного газа V, измеряемый в кубических метрах на 1 т губчатого железа. Прогноз этой величины можно выполнять по формуле  .В целом предложенный расчетный алгоритм химического процесса может корректно применяться в области температур 800 ‒ 900 °С. Возможные вариации рабочего давления газа не потребуют существенных корректив в  результатах расчетов.

1. Князев В.Ф., Гиммельфарб А.И., Неменов А.М. Бескоксовая металлургия железа. Москва: Металлургиздат, 1972. 272 с.

2. Развитие бескоксовой металлургии / Н.А. Тулин, В.С. Кудрявцев, С.А. Пчелкин и др. М.: Металлургия, 1987. 328 с.

3. Юсфин Ю.С., Пашков Н.Ф. Металлургия железа. Москва: ИКЦ «Академкнига», 2007. 464 с.

4. Ünal H., Turgut E., Atapek S., Alkan A. Direct reduction of ferrous oxides to form an iron-rich alternative charge material // High Temperature Materials and Processes. 2015. Vol. 34. No. 8. P. 751–756. https://doi.org/10.1515/htmp-2014-0125

5. Tanaka H. Resources trend and use of directly reduced iron in steelmaking process // R and D: Research and Development Kobe Steel Engineering Reports. 2014. Vol. 64. No. 1. P. 2‒7.

6. Direct Reduction of Iron (DRI/HBI). 2nd Edition. Moscow: AO Informine, 2018.

7. Atsushi M., Uemora H., Sakagushi T. MIDREX processes // R and D: Research and Development Kobe Steel Engineering Reports. 2010. Vol. 60. No. 1. P. 5‒11.

8. Mouer A. Direct from Midrex. 2nd Quarter. 2009. P. 3‒9.

9. Справочник химика. Том 2. Ленинград: Химия, Ленинградское отделение, 1971. 1168 с.

10. Бердников В.И., Гудим Ю.А. Химические реакции в процессах газификации углерода // Известия вузов. Черная металлургия. 2019. Т. 62. № 9. С. 705‒712. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2019-9-705-712

11. Бердников В.И., Гудим Ю.А. Химические реакции при восстановлении железа из оксидов в среде монооксида углерода // Известия вузов. Черная металлургия. 2021. Т. 64. № 3. С. 211‒213. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2021-3-211-213

12. Трусов Б.Г. База данных и программный комплекс TЕРРА, редакция 6.3 (электронный ресурс). Москва: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2013.

13. Gurvich L.V., Iorish V.S., etc. IVTANTHERMO ‒ A thermodynamic database and software system for the personal computer. CRC Press Inc., Boca Raton, 1993.

14. Kam E., Hughes R. A model for the direct reduction of iron ore by mixtures of hydrogen and carbon monoxide in a moving bed // Transactions of the Institution of Chemical Engineers. 1981. Vol. 59. No. 3. P. 196–206.

15. Valipour M., Hashemi M., Saboohi Y. Mathematical modeling of the reaction in an iron ore pellet using a mixture of hydrogen, water vapor, carbon monoxide and carbon dioxide // Advanced Powder Technology. 2006. Vol. 17. No. 3. P. 277–295. https://doi.org/10.1163/156855206777213375

16. Михайлов Г.Г., Кузнецов Ю.С., Качурина О.И., Чернуха А.С. Анализ фазовых равновесий в системе «оксиды железа – углерод – СО – СО2 » // Вестник ЮУрГУ, серия «Металлургия», 2013. Т. 13. № 1. С. 6‒13.

17. Кузнецов Ю.С., Михайлов Г.Г., Качурина О.И. Термодинамический анализ реакции водяного газа // Вестник ЮУрГУ, серия «Металлургия», 2014. Т. 14. № 1. С. 5‒11.

18. Кузнецов Ю.С., Качурина О.И. Термодинамический анализ процессов восстановления оксидов железа с использованием углерода и паров воды // Известия вузов. Черная металлургия. 2019. Т. 62. № 5. С. 394‒400. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2019-5-394-406