alternativeАльтернативная энергетика и экология (ISJAEE)Alternative Energy and Ecology (ISJAEE)1608-8298Международный издательский дом научной периодики "Спейс10.15518/isjaee.2024.12.109-127alternative-2590Research ArticleIV. ВОДОРОДНАЯ ЭКОНОМИКА 12. Водородная экономика. 12-8-0-0 Конструкционные материалыПрименение водородных технологий в процессе плавки стали из металлических отходов в гранулированного железаApplication of hydrogen technologies in the process of steel smelting from metal waste and granulated ironhttps://orcid.org/0000-0002-3920-7389ГусевА. Л.GusevA. L.

Гусев Александр Леонидович, учредитель и главныйредактор Международного научного журнала «Альтернативная энергетика и экология»

452613, Республика Башкортостан, г. Октябрьский, ул. Юности, д. 18, ком. 1;

607190, Нижегородская область, г. Саров, Московская ул., 29, пом. 19;

8240, Европейский Союз, Болгария, область Бургас, г. Несебр, Афродита Палас, комната 19;

85310, Черногория, Црна Гора, Будва, Ядранский Путь, BB

WhatsApp, Telegram: +382 69 260 722

Web of Science Researcher IDF-8048-2014;

Scopus ID: 35589714900;

SciProfiles: 1840279;

Research Gate: https://www.researchgate.net/profile/Alexander-Gusev-5;

ISTINA: https://istina.msu.ru/profile/agusev/;

AuthorID (E-Library): 170854

 

 

Gusev Alexander Leonidovich, founder and editor-in-chief of the International scientific journal AlternativeEnergy and Ecology

452613, Republic of Bashkortostan, Oktyabrsky, st. Yunosti, 18, room. 1;

607190, Nizhny Novgorod Region, Sarov, Moscow Str., 29, room19;

8240, European Union, Bulgaria, Burgas region, Nessebar, Aphrodita Palas, room 19;

85310, Montenegro, Budva, Proletarskaja str., 24

Web of Science Researcher IDF-8048-2014;

Scopus ID: 35589714900;

Sci Profiles: 1840279;

Researchgate: https://www.researchgate.net/profile/Alexander-Gusev-5;

ISTINA: https://istina.msu.ru/profile/agusev/;

Author ID (E-Library): 170854

 

ceo@yaalgusev.ruhttps://orcid.org/0000-0002-5922-8785ДжаббаровТ. Г.JabbarovT. G.

Джаббаров Тахир Гаффар оглы, Доктор технических наук, ученый в области материаловедения, порошковых композиционных материалов и покрытий

AZ1010, Баку, пр. Азадлыг, 34, здание 2, комната 1618

Scopus ID: 5720840240;

Researchgate: https://www.researchgate.net/profil/Tahir-Jabbarov;

Googlescholar: https://scholar.google.com/citations?user=xtVjehIAAAAJ&hl=tr

Jabbarov Tahir Gaffar oglu, Head of the Department of «Materials Science and Technology of Materials». Doctor of Technical Sciences, researcher in the field of materials science, powdered composite materials, and coatings

AZ1010, Baku, 34 Azadliq ave., building 2, room 1618;

Scopus ID: 5720840240;

Researchgate: https://www.researchgate.net/profile/Tahir-Jabbarov;

Googlescholar: https://scholar.google.com/citations?user=xtVjehIAAAAJ&hl=tr

МамедовШ. Г.MamedovSh. G.

Мамедов Шикар Гаджи оглы, доцент кафедры «Электротехника и энергетика»

AZ5008, г. Сумгаит, 43-й квартал, здание 2, кабинет 1115

Mamedov Shikar Haji oqli, associate professor of the Department of Electrical Engineering and Power Engineering 

AZ5008, Sumgayit city, 43rd quarter, building 2, room 1115

https://orcid.org/0000-0003-2733-4994МеликовР. Х.MalikovR. Kh.

Меликов Рауф Халил оглы, кандидат технических наук, ученый в области механики жидкости, газа и плазмы

AZ1010, Баку, пр. Азадлыг, 34, здание 2, комната 1618

Malikov Rauf Khalil oglu, candidate of technical sciences, a scientist in the field of fluid, gas and plasma mechanics

AZ1010, Baku, 34 Azadliq ave., building 2, room 1618

https://orcid.org/0000-0002-8362-0891АбдуллаеваС. А.AbdullayevaS. A.

Абдуллаева Самира Афган кызы, доктор философиипо техническим наукам, в области надежности энергетического оборудования

AZ1012, Баку, проспект Г. Зардаби, 94

Abdullayeva Samira Afqan, Ph. D. in Technical Sciences, specializing in the reliability of energy equipment

AZ1012, Baku, H. Zardabi avenue, 94;

Scopus Author ID: 57199279133;

ResearchGate: https://www.researchgate.net/profile/Samira-Abdullayeva

https://orcid.org/0009-0005-9848-5919ЭйвазоваШ. М.EyvazovaSh. M.

Эйвазова Шукуфа Микаил кызы, доктор философиипо химии, ученый в области органической химии

AZ 1073, Баку, проспект Гусейна Джавида, 25, 4-й корпус, 112-я комната

Eyvazova Shukufa Mikail, Doctor of Philosophy in Chemistry, scientist in the field of organic chemistry

AZ 1073, Baku, Huseyn Javid Avenue 25, 4th building, 112 room

 

Институт водородной экономики; Научно-технический центр «ТАТА»; Фермалтех Лимитед; Фермалтех Монтенегро ЛимитедРоссияInstitute Hidrogen Ekonomy; Scientific Technikal Centre «TATA»; Fermaltech LTD; Fermaltech DOORussian FederationАзербайджанский государственный университет нефти и промышленностиАзербайджанAzerbaijan State Oil and Industry UniversityAzerbaijanСумгаитский государственный университетАзербайджанSumgayit State UniversiteAzerbaijanАзербайджанский научно-исследовательский и проектно-изыскательский институт энергетикиАзербайджанAzerbaijan Scientific-Research and Design-Prospecting Power Engineering InstituteAzerbaijanАзербайджанский технический университетАзербайджанAzerbaijan Technical UniversityAzerbaijan202415032025012109127Copyright © Международный издательский дом научной периодики "Спейс, 20252025Международный издательский дом научной периодики "СпейсМеждународный издательский дом научной периодики "Спейсhttps://www.isjaee.com/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://www.isjaee.com/jour/article/view/2590

Использование водородных технологий в металлургии, особенно в процессе плавки стали из металлических отходов и гранулированного железа, становится все более актуальным. Водород может заменить углерод в качестве восстановителя, что значительно снижает выбросы углекислого газа и делает процесс более экологичным.

Основные преимущества применения водорода включают:

Эти технологии находятся на стадии активного развития и внедрения, и многие компании уже начинают использовать водород в своих производственных процессах для достижения более устойчивого и экологически чистого производства стали.

В статье рассматривается вопрос о повышении эффективности процесса плавления при производстве стали с применением горячебрикетированных окатышей (HBI) в шихте, которая в основном состоит из металлических отходов. Проведен анализ особенностей процесса плавления при использовании сложного состава шихты. Для активации кипения металлической ванны рекомендуется вводить в нее углеродсодержащее сырье, такое, как отходы стали, в объеме более 80%. Установлено, что использование HBI практически не снижает выхода при- годного металла, что обусловлено высоким содержанием металлических отходов в составе шихты.

Одновременно производится анализ влияния процессов окисления кремния и марганца на очистку жидкой стали в ходе плавления легированных отходов в электродуговой печи, используемых в качестве шихтового материала. Представлены графики зависимости равновесных концентраций кислорода и кремния при различных температурах в системе Fe–Si–O. Также создан график, отражающий зависимость продуктов окисления марганца в жидком железе от температуры и концентрации марганца в сплаве MnO–FeO. Установлены равновесные концентрации кислорода и кремния при наличии разжижающего воздействия углерода как в области жидких силикатов, так и в области твердого SiO2.

Эффективное окисление кремния и марганца в ходе плавления стали из металлических отходов и горячебрикетированных окатышей (HBI) способствует максимальной очистке жидкой стали через фазы металл-шлак или металл-газ. Установлено, что при производстве электростали содержание кремния уменьшается до минимальных значений. Поэтому, когда металлические отходы и окатыши используются в качестве состава шихты для сталеплавильного процесса, реакция окисления кремния не завершается до достижения равновесия. В случае кислого процесса окисления кремния может происходить восстановление кремния при более высокой температуре, что вызвано теплом электрической дуги (процесс кремневосстановления), при условии достижения равновесного состояния окисления. Рекомендуется осуществлять основной процесс плавления шихты, включающего металлические отходы и горячебрикетированные окатыши, в электродуговой печи. В этот период восстановление плавления акцентируется на очистке металла, избавлении от серы, достижении заданного химического состава стали и регулировании температуры процесса. Все эти задачи решаются параллельно в течение всего периода восстановления. После полного удаления оксидного шлака в печь добавляют шлакообразующие смеси вместе с разжижителями, тем самым вводя новый шлак (карбидный или белый). При повышении температуры в ванне печи уменьшается константа равновесия марганца. Следовательно, в отсутствии введения ферромарганца в ванну в процессе завершения плавки, по манере взаимодействия марганца в ванне можно судить о температуре металла.

Применение водородных технологий в процессе плавки стали мы покажем подробно в английской версии статьи, которая будет опубликована в Международном научном журнале по водородной энергетике – IJHE.

The use of hydrogen technologies in metallurgy, especially in the process of melting steel from metal waste and granular iron, is becoming more and more relevant. Hydrogen can replace carbon as a reducing agent, which significantly reduces carbon dioxide emissions and makes the process more environmentally friendly.

The main advantages of hydrogen use include:

These technologies are at the stage of active development and implementation, and many companies are already beginning to use hydrogen in their production processes to achieve a more sustainable and environmentally friendly production of steel.

The article examines the issue of improving the efficiency of the melting process in steel production by using hot briquetted iron (HBI) in the charge, which mainly consists of metallic waste. An analysis of the characteristics of the melting process when using a complex charge composition has been conducted. To activate the boiling of the metal bath, it is recommended to introduce carbon-containing raw materials, such as steel scrap, in a volume of more than 80%. It has been established that the use of HBI practically does not reduce the yield of usable metal, which is due to the high content of metallic waste in the charge composition.

At the same time, an analysis is carried out on the influence of silicon and manganese oxidation processes on the purification of liquid steel during the melting of alloyed waste in an electric arc furnace, where they are used as charge materials. Graphs are presented showing the equilibrium concentrations of oxygen and silicon at different temperatures in the Fe–Si–O system. Additionally, a graph is created illustrating the dependence of manganese oxidation products in liquid iron on temperature and manganese concentration in the MnO–FeO alloy. The equilibrium concentrations of oxygen and silicon are determined, considering the liquefying effect of carbon in both the liquid silicate region and the solid SiO2 region.

Effective oxidation of silicon and manganese during the melting of steel from metallic waste and hot briquetted iron (HBI) contributes to the maximum purification of liquid steel through metal-slag or metal-gas phases. It has been established that during electric steel production, the silicon content is reduced to minimal levels. Therefore, when metallic waste and HBI are used as charge components in the steelmaking process, the silicon oxidation reaction does not reach equilibrium. In the case of an acidic process, silicon oxidation may be followed by silicon reduction at higher temperatures due to the heat of the electric arc (the silicon reduction process), provided that equilibrium oxidation conditions are achieved.

It is recommended to conduct the primary melting process of the charge, which includes metallic waste and hot briquetted iron, in an electric arc furnace. During this period, the melting process focuses on metal purification, sulfur removal, achieving the required chemical composition of steel, and regulating the process temperature. All these tasks are performed simultaneously throughout the entire refining period. After the complete removal of oxide slag, slag-forming mixtures with fluxes are added to the furnace, introducing new slag (carbide or white slag). As the temperature in the furnace bath increases, the equilibrium constant of manganese decreases. Consequently, in the absence of ferromanganese addition to the bath during the final stage of melting, the interaction of manganese in the bath can be used to assess the metal temperature.

The use of hydrogen technologies in the process of smelting steel we will show in detail in the English version of the article, which will be published in the International Scientific Journal of Hydrogen Energy – IJHE.

окатышэлектродуговая плавкамеханические характеристики сталиотходы с легирующими добавкамиоксидный шлакочистка металлакислый процессхимический состав сталиэлектрическая дугаpelletselectric arc meltingmechanical properties of steelwaste with alloying additivesoxide slagmetal purificationacidic processchemical composition of steelelectric arcReferencesГородец В. Г., Гаврилова М. Н. Производство стали в дуговой печи. Москва: Металлургия, 1986. – 208 с.Gorodets V. G., Gavrilova M. N. Steel production in an electric arc furnace. Moscow: Metallurgy, 1986. – 208 p.Ефроимович Ю. Е. Оптимальные электрические режимы дуговых сталеплавильных печей. Москва: Металлургия, 1996. – 158 с.Efroimovich Yu. E. Optimum electric modes of electric arc steel-smelting furnaces. Moscow: Metallurgy, 1996. – 158 p.Мюллер Ф. Электросталеплавильное производство в начале XXI века // Сталь. – 2004. – Вып. 11. – С. 32-36.Müller F. Electric steelmaking at the beginning of the 21st century // Steel. – 2004. – Issue. 11. – P. 32-36.Явойский В. И. Теория процессов производства стали. Москва: Металлургия, 1993. – 450 с.Yavoyskiy V. I. Theory of steel production processes. Moscow: Metallurgy, 1993. – 450 p.Производство стальных отливок: учеб. / Козлов Л. Я., Колокольцев В. М., Вдовин К. Н. и др.; Л. Я. Козлов (ред.). Москва: «МИСИС», 2003. – 352 с.Production of steel castings: textbook. / Kozlov L. Ya., Kolokoltsev V. M., Vdovin K. N. et al.; L. Ya. Kozlov (ed.). Moscow: «MISiS», 2003. – 352 p.Кудрин В. А. Теория и технология производства стали: учеб. Москва: «Мир», ООО «Издательство АСТ», 2003. – 528 с.Kudrin V. A. Theory and technology of steel production: textbook. Moscow: «Mir», OOO «AST Publishing House», 2003. - 528 p.Гусовский В. Л., Оркин Л. Г., Тымчак В. М. Методические печи. – Москва: Металлургия, 2010. – 430 с.Gusovsky V. L., Orkin L. G., Tymchak V. M. Methodical furnaces. - Moscow: Metallurgy, 2010. – 430 p.Процессы и машины электрометаллургического производства: монография / Рахманов С. Р., Топалов В. Л., Гасик М. И., Мамедов А. Т., Азимов А. А. Баку-Днепр: «Системные технологии». – Издательство «Сабах», 2017. – 568 с.Processes and machines of electrometallurgical production: monograph / Rakhmanov S. R., Topalov V. L., Gasik M. I., Mamedov A. T., Azimov A. A. Baku-Dnepr: «System technologies». – Publishing house «Sabah», 2017. – 568 p.Dunp E., Pardaens S., Freibnuth A. Fachberichte H. // Metallweiterverarbeitund – 2013. – Vol. 21, Issue 10. – P. 777-782.Dunp E., Pardaens S., Freibnuth A. Fachberichte H. // Metallweiterverarbeitund – 2013. – Vol. 21, Issue 10. – P. 777-782.Knep K., Rommerswinkel H. W. Arch. Eisenhwttenwesen. – 2015. – Issue 8. – P. 492-496.Knep K., Rommerswinkel H. W. Arch. Eisenhwttenwesen. – 2015. – Issue 8. – P. 492-496.Олетт М., Гателлер К. Чистая сталь // Труды 2-ой международной конференции в Балатонфреде, 2011 г. – С. 122-137.Olett M., Gateller K. Clean Steel // Proceedings of the 2nd International Conference in Balatonfred, 2011. – P. 122-137.Сидоренко М. Ф., Магидсон И. А., Смирнов Н. А. Скан инжект // 3-я международная конференция по обогащению железа и стали методом порошкового впрыска. – Лулеа, 2013 г. – С. 7/1-7/36.Sidorenko M. F., Magidson I. A., Smirnov N. A. Scan Inject // 3rd International Conference on Iron and Steel Beneficiation by Powder Injection. – Lulea, 2013. – P. 7/1-7/36.Трубин К. Г., Ойкс Г. Н. Металлургия стали. – Москва: Металлургия, 1997. – 515 с.Trubin K. G., Oix G. N. Metallurgy of Steel. – Moscow: Metallurgy, 1997. – 515 p.Ефимов В. А. Разливка и кристаллизация стали. – Москва.: Металлургия, 2006. – 550 с.Efimov V. A.Casting and crystallization of steel. – Moscow: Metallurgy, 2006. – 550 p.Повольский Д. Я. Раскисленные стали. – Москва.: Металлургия, 1992. – 207 с.Povolsky D. Ya. Deoxidized steels. – Moscow: Metallurgy, 1992. – 207 p.Кудрин В. А. Металлургия стали. – Москва.: Металлургия, 1991. – 488 с.Kudrin V. A. Steel metallurgy. – Moscow: Metallurgy, 1991. – 488 p.Бигеев А. М. Металлургия стали. – Москва.: Металлургия, 2007. – 440 с.Bigeev A. M. Steel metallurgy. – Moscow: Metallurgy, 2007. – 440 p.Bewar J. Fachber H. // Metallweiterverarbeiten. – 2011. – Issue 1. – P. 56-61.Bewar J. Fachber. H. // Metallweiterverarbeiten. – 2011. – Issue 1. – P. 56-61.Yashimura M., Yochikawa S. Mitsubishi sted // Mtg. Techn, Rev. – 2010. – Vol. 14, Issue 1-2. – P. 4-11.Yashimura M., Yochikawa S. Mitsubishi sted // Mtg. Techn. Rev. – 2010. – Vol. 14, Issue 1-2. – P. 4-11.Abratis H., Langhammer H. J. Radex Kdsh. – 2011. – Issue 1-2. – P. 437-441.Abratis H., Langhammer H. J. Radex Kdsh. – 2011. – Issue 1-2. – P. 437-441.Ицкович Г. М. Раскисление стали и модификация неметаллических включений. – Москва.: Металлургия, 2011. – 306 с.Itskovich G. M. Deoxidation of steel and modification of non-metallic inclusions. – Moscow: Metallurgy, 2011. – 306 p.Трубин К. Г., Ойкс Г. Н. Металлургия стали. – Москва.: Металлургия, 2004. – 535 с.Trubin K. G., Oyks G. N. Metallurgy of steel. – Moscow: Metallurgy, 2004. – 535 p.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.