alternativeАльтернативная энергетика и экология (ISJAEE)Alternative Energy and Ecology (ISJAEE)1608-8298Международный издательский дом научной периодики "Спейс10.15518/isjaee.2025.04.175-185alternative-2640Research ArticleXV. ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ. 35. Энергосберегающие технологии, системы, материалы и приборыXV. ENERGY SAVING. 35. Energy-Saving Technologies, Systems, Materials, and InstrumentsЭксперимент по прямому жидкофазному восстановлению железа и получению стали углеродводородной смесьюExperiment on direct liquid-phase reduction of iron and production of steel by carbon-hydrogen mixturehttps://orcid.org/0000-0003-3276-4403СтрогоновК. В.StrogonovK. V.

Строгонов Константин Владимирович - кандидат технических наук, доцент кафедры инновационных технологий наукоемких отраслей.

111250, Москва, ул. Красноказарменная, д. 14/1

+79629777447

Konstantin V. Strogonov – Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department of Innovative Technologies of High-Tech Industries.

111250, Moscow, Krasnokazarmennaya Street, 14/1

+79629777447

StrogonovKV@mpei.ruhttps://orcid.org/0009-0007-9576-8539МурашовВ. А.MurashovV. A.

Мурашов Вячеслав Андреевич - инженер кафедры инновационных технологий наукоемких отраслей.

111250, Москва, ул. Красноказарменная, д. 14/1

Viacheslav A. Murashov – Engineer of the Department of Innovative Technologies of High-tech Industries.

111250, Moscow, Krasnokazarmennaya Street, 14/1

https://orcid.org/0009-0000-5943-7993КозыревХ. М.KozyrevH. M.

Козырев Харитон Максимович - аспирант кафедры технологии металлов НИУ «МЭИ», инженер Научно-исследовательского отдела «Создание научно-технических основ получения композитов титан-сталь с применением аддитивных технологий», НИУ МЭИ.

111250, Москва, ул. Красноказарменная, д. 14/1

Khariton M. Kozyrev – Postgraduate student of the Department of Metal Technology at the NRU «MPEI», engineer of the Research Department «Development of the scientific and technical basis for the production of titanium-steel composites using additive technologies», NRU MPEI.

111250, Moscow, Krasnokazarmennaya Street, 14/1

https://orcid.org/0009-0005-2594-474XБастынецА. К.BastynetsA. K.

Бастынец Андрей Константинович - инженер Научно-исследовательского отдела «Разработка научных основ и общих технических решений по созданию технологии прямого восстановления железа и непрерывного производства стального листа», НИУ МЭИ.

111250, Москва, ул. Красноказарменная, д. 14/1

Andrey K. Bastynets - engineer of the Research Department «Development of scientific foundations and general technical solutions for the creation of technology for direct reduction of iron and continuous production of steel sheet», NRU MPEI.

111250, Moscow, Krasnokazarmennaya Street, 14/1

https://orcid.org/0000-0002-3808-2094ЛьвовД. Д.LvovD. D.

Львов Дмитрий Дмитриевич - аспирант, ассистент и инженер 1-ой категории кафедры Инновационных технологий наукоемких отраслей (ИТНО), инженер-исследователь Научно-исследовательского отдела «Разработка научных основ и общих технических решений по созданию технологии прямого восстановления железа и непрерывного производства стального листа», НИУ МЭИ.

111250, Москва, ул. Красноказарменная, д. 14/1

Dmitry D. Lvov - postgraduate student, assistant and 1st category engineer of the Department of Innovative Technologies of Science-Intensive Industries (ITNO), research engineer, Research Department «Development of scientific foundations and general technical solutions for creating a technology for determining the destruction of iron and continuous production of steel sheets», National Research University Moscow Power Engineering Institute.

111250, Moscow, Krasnokazarmennaya Street, 14/1

БезбердаА. А.BezberdaA. A.

Безберда Алиса Алексеевна – студент.

111250, Москва, ул. Красноказарменная, д. 14/1

Alicа A. Bezberda – student.

111250, Moscow, Krasnokazarmennaya Street, 14/1

Национальный исследовательский университет «Московский энергетический институт»РоссияNational Research University «Moscow Power Engineering Institute»Russian Federation20250807202504175185Copyright © 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/2640

Высокая себестоимость производства стали, введение новых мощностей и ограничительных пошлин, а также налогов на выбросы приводит к высокой конкуренции между производителями стали, что обуславливает необходимость создания новых технических решений по производству стали с большей эффективностью использования природных ресурсов. Одним из основных направлений является разработка и использование внедоменных способов восстановления железа, например, восстановление железа углеродводородной смесью или чистым водородом, которые исключают потребление металлургического кокса и снижают энергоемкость производства стали. С ростом температуры процессов возрастают и скорости протекания химических реакций, в том числе по восстановлению железа из оксидов, в этой связи максимальные скорости протекания реакций восстановления обеспечивают жидкофазные процессы. Теоретические предпосылки указывают на то, что применение углеродводородной смеси в барботажных реакторах жидкофазного восстановления может обеспечить двукратное снижение энергоемкости процесса производства стали. Однако экспериментально не доказана возможность жидкофазного восстановления железа углеродводородной смесью, поэтому для дальнейшей разработки данной технологии требуется экспериментальное исследование процесса. Таким образом, в лаборатории НИУ «МЭИ» проведен эксперимент по нагреву, плавлению и продувке металлургического концентрата углеродводородной смесью, по результатам плавки получен образец, исследованный металлографическим методом. Микроскопический анализ показал, что полученный сплав по составу и твердости сопоставим с инструментальной сталью У12.

High cost of steel production, introduction of new capacities and restrictive duties, as well as emissions taxes lead to high competition between steel producers, which necessitates the creation of new technical solutions for steel production with greater efficiency of natural resources. One of the main areas is the development and use of extra-blast furnace methods of iron reduction, for example, reduction of iron with a carbon-hydrogen mixture or pure hydrogen, which eliminate the consumption of metallurgical coke and reduce the energy intensity of steel production. With an increase in the temperature of the processes, the rates of chemical reactions also increase, including the reduction of iron from oxides, in this regard, liquid-phase processes provide the maximum rates of reduction reactions. Theoretical assumptions indicate that the use of a carbon-hydrogen mixture in bubbling reactors of liquid-phase reduction can provide a twofold reduction in the energy consumption of steel. However, the possibility of liquid-phase reduction of iron with a carbon-hydrogen mixture has not been experimentally proven, therefore, for further development of this technology, an experimental study of the process is required. Thus, an experiment on heating, melting and purging of metallurgical concentrate with a carbon-hydrogen mixture was carried out in the laboratory of the National Research University «MPEI». According to the results of melting, a sample was obtained, which was studied by the metallographic method. Microscopic analysis showed that the resulting alloy is comparable in composition and hardness to tool steel U12.

энергоэффективностьвосстановлениежелезостальуглеродводородная смесьэнергоемкостьenergy efficiencyrecoveryironsteelcarbon-hydrogen mixtureenergy intensityРабота выполнена при поддержке грантов ФГБОУ ВО НИУ «МЭИ» на реализацию программы научных исследований «Приоритет 2030: Технологии будущего» в 2024-2026 гг.ReferencesGlobal Market for Metallurgical Coal / S. V. Nedelin, P. I. Chernousov, S. V. Myasoedov, A. N. Uzunova // Coke Chem. – 2024. – V. 67. – P. 271-277. https://doi.org/10.3103/S1068364X24600507S. V. Nedelin, P. I. Chernousov, S. V. Myasoedov, A. N. Uzunova. Global Market for Metallurgical Coal. // Coke Chem, 2024, vol. 67, pp. 271-277. https:// doi.org/10.3103/S1068364X24600507.Федеральный закон от 23.11.2009 № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации».Federal Law of 23.11.2009 No. 261-FZ «On Energy Saving and Improving Energy Efficiency and on Amendments to Certain Legislative Acts of the Russian Federation» (In Russ.).Распоряжение Правительства РФ от 28 декабря 2022г. №4260-р«Об утверждении Стратегии развития металлургической промышленности РФ на период до 2030 г.».Order of the Government of the Russian Federation of December 28, 2022 No. 4260-r «On approval of the Strategy for the development of the metallurgical industry of the Russian Federation for the period up to 2030» (In Russ.).Распоряжение правительства РФ № 1523-р от 09.06.2020 «Энергетическая стратегия РФ на период до 2035».Order of the Government of the Russian Federation No. 1523-r of 09.06.2020 «Energy Strategy of the Russian Federation for the Period up to 2035» (In Russ.).Распоряжение Правительства РФ от 29 октября 2021 г. № 3052-р «Об утверждении Стратегии социально-экономического развития РФ с низким уровнем выбросов парниковых газов до 2050 г.».Order of the Government of the Russian Federation of October 29, 2021 No. 3052-r «On approval of the Strategy for the socio-economic development of the Russian Federation with low greenhouse gas emissions until 2050» (In Russ.).Osipov S., Komarov I., Golosova P., Oparin M. & Shaikh M. M. (2024). Numerical simulation of different types of CO2 and O2 gas mixers. Applied Chemical Engineering, 7(2), 2063. https://doi.org/10.59429/ace.v7i2.2063.Osipov S., Komarov I., Golosova P., Oparin M. & Shaikh M. M. (2024). Numerical simulation of different types of CO2 and O2 gas mixers. Applied Chemical Engineering, 7(2), 2063. https://doi.org/10.59429/ace.v7i2.2063.Kindra V., Rogalev A., Oparin M., Kovalev D., Ostrovsky M. Research and Development of the Oxy-Fuel Combustion Power Cycle for the Combined Production of Electricity and Hydrogen. Energies. 2023; 16(16):5983. https://doi.org/10.3390/en16165983.Kindra V., Rogalev A., Oparin M., Kovalev D., Ostrovsky M. Research and Development of the Oxy-Fuel Combustion Power Cycle for the Combined Production of Electricity and Hydrogen. Energies. 2023; 16(16):5983. https://doi.org/10.3390/en16165983.Development of Direct Reduced Iron in China / Chengzhi Wei, Xin Zhang, Jin Zhang, Liangping Xu, Guanghui Li, Tao Jiang // Challenges and Pathways, Engineering. – 2024. – V. 41. – Pр. 93-109. https://doi.org/10.1016/j.eng.2024.04.025.Chengzhi Wei, Xin Zhang, Jin Zhang, Liangping Xu, Guanghui Li, Tao Jiang. Development of Direct Reduced Iron in China // Challenges and Pathways, Engineering, 2024, vol. 41, pp. 93-109. https://doi.org/10.1016/j.eng.2024.04.025.MIDREX / World direction statistics, 2020. URL: https://www.midrex.com/wp-content/uploads/Midrex-STATSbookprint-2020.Final_.pdf (Дата обращения: 25.02.2025).MIDREX / World direction statistics, 2020. Available at: https://www.midrex.com/wp-content/uploads/Midrex-STATSbookprint-2020.Final_.pdf (accessed: 25.02.2025).Natural gas as a relatively clean substitute for coal in the MIDREX process for producing direct reduced iron / Maziar Ramezani Moziraji, Ali Amani Tehrani, Mir Amir Mohammad Reshadi, Alireza Bazargan // Energy for Sustainable Development. – 2024. – V. 78. – P. 101356. https://doi.org/10.1016/j.esd.2023.101356.Maziar Ramezani Moziraji, Ali Amani Tehrani, Mir Amir Mohammad Reshadi, Alireza Bazargan. Natural gas as a relatively clean substitute for coal in the MIDREX process for producing direct reduced iron // Energy for Sustainable Development, 2024, vol. 78, pp. 101356. https://doi.org/10.1016/j.esd.2023.101356.Процесс Ромелт / В. А. Ромелт и др. / под ред. В. А. Роменца. – М.: «МИСИС», Издательский дом «Руда и Металлы», 2005. – 400 с.V. A. Romelt et al. The Romelt Process. «MISIS», Publishing House «Ore and Metals», 2005. 400 p. (In Russ.).Металлургия железа и чугуна: сырьевое и технологическое обеспечение. Логистика, прогнозы развития / О. В. Голубев, С. В. Неделин, Г. В. Торохов, А. Я. Травянов, П. И. Черноусов // Сборник трудов XVII международного конгресса сталеплавильщиков и производителей металла «От руды до стали – ISCON-2023», 03-07 апреля 2023 г., Магнитогорск: Изд-во ООО «Корпорация АльянсМеталлургия», 2023. – С. 266-271.Golubev O. V., Nedelin S. V., Torokhov G. V., Travyanov A. Ya., Chernousov P. I. Iron and cast iron metallurgy: raw materials and technological support. Logistics, development forecasts. Collection of works of the XVII international congress of steelmakers and metal producers «From ore to steel – ISCON-2023». April 03-07, 2023, Magnitogorsk: Publishing house of AllianceMetallurgy Corporation LLC, 2023. pp. 266-271. (In Russ.).Green steel: technologies enabling decarbonization from mine to steel / Araújo, O.d.Q.F., de Medeiros, J.L. // Clean Techn Environ Policy. – 2024. – V. 26. – Pр. 3151-3153. https://doi.org/10.1007/s10098-024-03050-3Araújo, O. d. Q. F., de Medeiros, J. L. Green steel: technologies enabling decarbonization from mine to steel // Clean Techn Environ Policy, 2024, vol. 26, pp. 3151-3153. https://doi.org/10.1007/s10098-024-03050-3.Строгонов К. В., Петелин А. Л., Терехова А. Ю., Львов Д. Д., Мурашов В. А., Борисов А. А. Жидкофазное восстановление железных руд углеродводородной смесью и водородом // Промышленная энергетика. – 2023. – № 8. – С. 43-49.Strogonov K. V., Petelin A. L., Terekhova A. Yu., Lvov D. D., Murashov V. A., Borisov A. A. Liquid-phase reduction of iron ores with a carbon-hydrogen mixture and hydrogen // Industrial Energy, 2023, vol. 8, pp. 43-49. (In Russ.).Calculation of individual elements of enclosing structures of a continuous steelmaking unit / K. V. Strogonov, A. A. Borisov, V. A. Murashov, D. D. Lvov // Paper presented at the Proceedings of the 2023 5th International Youth Conference on Radio Electronics, Electrical and Power Engineering, REEPE 2023. – Pр. 1-6. https://doi.org/10.1109/REEPE57272.2023.10086855.Strogonov K. V., Borisov A. A., Murashov V. A., Lvov D. D. Calculation of individual elements of enclosing structures of a continuous steelmaking unit. Paper presented at the Proceedings of the 2023 5th International Youth Conference on Radio Electronics, Electrical and Power Engineering, REEPE 2023. – Pp. 1-6. https://doi.org/10.1109/REEPE57272.2023.10086855.Картавцев С. В. Интенсивное энергосбережение и технический прогресс черной металлургии: Монография. – Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2008. – 311 с.Kartavtsev S. V. Intensive energy saving and technical progress in ferrous metallurgy: Monograph. – Magnitogorsk: State Educational Institution of Higher Professional Education «MSTU», 2008. – 311 p. (In Russ.).Расчет полной энергоемкости производства стали: учебное пособие по курсу «Технологические процессы и оборудование металлургических предприятий» по направлению 13.03.01 «Теплоэнергетика и теплотехника» / К. В. Строгонов, В. А. Мурашов. Нац. исслед. ун-т «МЭИ» (НИУ «МЭИ»). – Москва: Изд-во МЭИ, 2024. – 72 с.Strogonov K. V., Murashov V. A. Calculation of the full energy intensity of steel production: a tutorial on the course «Technological processes and equipment of metallurgical enterprises» in the direction 13.03.01 «Thermal power engineering and heat engineering». National Research University «MPEI». Moscow, MPEI Publishing House, 2024. – 72 p. (In Russ.).Агрегат восстановления железа: пат. № 2815145, Российская Федерация, С2; заявл. 28.06.2023; опубл. 11.03.2024, Бюл. № 8. – 9 с.Strogonov K. V., Lvov D. D. Iron reduction unit. Patent RF, no. 2815145, 2024. (In Russ.).Общая металлургия: учебник для вузов / В. Г. Воскобойников, В. А. Кудрин, А. М. Якушев / 6-е изд., перераб и доп. – М.: ИКЦ «Академкнига», 2005. – 768 с.Voskoboynikov V. G., Kudrin V. A., Yakushev A. M. General metallurgy: a textbook for universities. Moscow, ICC «Akademkniga», 2005. – 768 p. (In Russ.)Treatise on Process Metallurgy: Volume 3: Industrial Processes / S. Seetharaman. – Elsevier, 2024. – 786 p.Seetharaman S. Treatise on Process Metallurgy: Volume 3: Industrial Processes // Elsevier, 2024. – 786 p.Direct reduction of iron to facilitate net zero emissions in the steel industry: A review of research progress at different scales / Junhao Ling, Haitao Yang, Guocai Tian, Jiaxin Cheng, Xin Wang, Xiaohua Yu. // Journal of Cleaner Production. – 2024. – V. 441. – P. 140933. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2024.140933.Junhao Ling, Haitao Yang, Guocai Tian, Jiaxin Cheng, Xin Wang, Xiaohua Yu. Direct reduction of iron to facilitate net zero emissions in the steel industry: A review of research progress at different scales // Journal of Cleaner Production. – 2024, vol. 441, pp. 140933. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2024.140933.Cavaliere P., Perrone A., Marsano D. Effect of reducing atmosphere on the direct reduction of iron oxides pellets // Powder Technology. – 2023. – V. 426. – P. 118650.Cavaliere P., Perrone A., Marsano D. Effect of reducing atmosphere on the direct reduction of iron oxides pellets //Powder Technology. – 2023, vol. 426, pp. 118650.Green steel at its crossroads: Hybrid hydrogen-based reduction of iron ores / Isnaldi R. Souza Filho, Hauke Springer, Yan Ma, Ankita Mahajan, Cauê C. da Silva, Michael Kulse, Dierk Raabe. // Journal of Cleaner Production, – 2022. – V. 340. – P. 130805. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2022.130805.Isnaldi R. Souza Filho, Hauke Springer, Yan Ma, Ankita Mahajan, Cauê C. da Silva, Michael Kulse, Dierk Raabe. Green steel at its crossroads: Hybrid hydrogen-based reduction of iron ores // Journal of Cleaner Production. – 2022, vol. 340, pp. 130805. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2022.130805.Подготовка микрошлифов и металлографические исследования металла проволок каната / Т. П. Муравьева, М. В. Горячкина, Е. В. Терентьев, А. Ю. Марченков // Технология металлов. – 2012. – № 10. – С. 48-51.Preparation of microsections and metallographic studies of the metal of rope wires / T. P. Muravyova, M. V. Goryachkina, E. V. Terentyev, A. Yu. Marchenkov // Technology of metals. – 2012. – Vol. 10. – Pp. 48-51. (In Russ.).Применение нейронных сетей для определения микроструктур сталей / В. А. Ланцев // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Тезисы докладов Тридцатой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов, Москва, 29 февраля – 02 марта 2024 года. – Москва: Общество с ограниченной ответственностью «Центр полиграфических услуг «РАДУГА», 2024. – С. 306.Lantsev V. A. Application of neural networks for determining the microstructure of steels Radio electronics, electrical engineering and power engineering: Abstracts of the reports of the Thirtieth international scientific and technical conference of students and postgraduates, Moscow, February 29 – March 2, 2024. Moscow, Limited Liability Company «Rainbow Printing Services Center», 2024. – Pp. 306.Гуляев А. П., Гуляев А. А. Металловедение: Учебник для вузов. 7-е изд., перераб. и доп. – М.: ИД Альянс, 2011. – 644 с.Gulyaev A.P., Gulyaev A.A. Metal Science: Textbook for Universities. 7th ed., revised and enlarged. – M.: ID Alliance, 2011. – 644 p. (In Russ.).Муруев, С. В. Совершенствование окислительно-восстановительных процессов при производстве легированной стали на основе теоретического анализа результатов опытных плавок: специальность 05.16.02 «Металлургия черных, цветных и редких металлов» : диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук / Муруев Станислав Владимирович, 2018. – 119 с.Muruev, S.V. Improvement of oxidation-reduction processes in the production of alloy steel based on theoretical analysis of the results of pilot smelting: specialty 05.16.02 «Metallurgy of ferrous, non-ferrous and rare metals»: dissertation for the degree of candidate of technical sciences / Muruev Stanislav Vladimirovich, 2018. – 119 p. (In Russ.).Чехунова А. М., Пахаруков Ю. В. Неравномерное распределение углерода при мартенситном превращении // Челябинский физико-математический журнал. – 2019. – Т. 4. – №. 4. – С. 487-493.Chekhunova A. M., Pakharukov Yu. V. Uneven distribution of carbon during martensitic transformation // Chelyabinsk Physics and Mathematics Journal. – 2019. – Vol. 4. – No. 4. – Pp. 487-493. (In Russ.).Сычков А. Б. Неметаллические включения в высокоуглеродистой стали // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г. И. Носова. – 2007. – №. 4. – С. 40-49.Sychkov A. B. Non-metallic inclusions in high-carbon steel // Bulletin of Magnitogorsk State Technical University named after G. I. Nosov. – 2007. – No. 4. – Pp. 40-49. (In Russ.).Шибаева Т. В. Исследование формирования неметаллических включений при внепечной обработке трубных сталей и разработка методик контроля их чистоты и коррозионного поведения: специальность 05.16.02 «Металлургия черных, цветных и редких металлов»: диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук / Шибаева Татьяна Владимировна, 2018. – 133 с.Shibaeva T. V. Study of the formation of non-metallic inclusions during extra-furnace processing of pipe steels and development of methods for monitoring their purity and corrosion behavior: specialty 05.16.02 «Metallurgy of ferrous, non-ferrous and rare metals»: dissertation for the degree of candidate of technical sciences / Shibaeva Tatyana Vladimirovna. – 2018. – 133 p. (In Russ.).Ключникова И. А. Влияние рабочей среды на характеристики оптического спектра при лазерном воздействии на поверхность металла / И. А. Ключникова, К. Т. Бородавкина // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Тезисы докладов Тридцатой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов, Москва, 29 февраля – 02 марта 2024 года. – Москва: Общество с ограниченной ответственностью «Центр полиграфических услуг «РАДУГА». – 2024. – С. 1089.Klyuchnikova I. A. Influence of the working environment on the characteristics of the optical spectrum during laser action on the metal surface / I. A. Klyuchnikova, K. T. Borodavkina // Radio electronics, electrical engineering and power engineering: Abstracts of reports of the Thirtieth international scientific and technical conference of students and postgraduates, Moscow, February 29 - March 2, 2024. – Moscow: Limited Liability Company «Printing Services Center RADUGA». – 2024. – P. 1089. (In Russ.).

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