Эксперимент по прямому жидкофазному восстановлению железа и получению стали углеродводородной смесью

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.

1. Global 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/S1068364X24600507

2. 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».

3. Распоряжение Правительства РФ от 28 декабря 2022г. №4260-р«Об утверждении Стратегии развития металлургической промышленности РФ на период до 2030 г.».

4. Распоряжение правительства РФ № 1523-р от 09.06.2020 «Энергетическая стратегия РФ на период до 2035».

5. 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.».

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. MIDREX / World direction statistics, 2020. URL: https://www.midrex.com/wp-content/uploads/Midrex-STATSbookprint-2020.Final_.pdf (Дата обращения: 25.02.2025).

10. 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.

11. Процесс Ромелт / В. А. Ромелт и др. / под ред. В. А. Роменца. – М.: «МИСИС», Издательский дом «Руда и Металлы», 2005. – 400 с.

12. 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.

13. 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/s10098-024-03050-3

14. 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.

15. 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.

16. Картавцев С. В. Интенсивное энергосбережение и технический прогресс черной металлургии: Монография. – Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2008. – 311 с.

17. 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.

18. Агрегат восстановления железа: пат. № 2815145, Российская Федерация, С2; заявл. 28.06.2023; опубл. 11.03.2024, Бюл. № 8. – 9 с.

19. 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.

20. Treatise on Process Metallurgy: Volume 3: Industrial Processes / S. Seetharaman. – Elsevier, 2024. – 786 p.

21. 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.

22. 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.

23. 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.

24. 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.

25. 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.

26. Гуляев А. П., Гуляев А. А. Металловедение: Учебник для вузов. 7-е изд., перераб. и доп. – М.: ИД Альянс, 2011. – 644 с.

27. 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.

28. Чехунова А. М., Пахаруков Ю. В. Неравномерное распределение углерода при мартенситном превращении // Челябинский физико-математический журнал. – 2019. – Т. 4. – №. 4. – С. 487-493.

29. Сычков А. Б. Неметаллические включения в высокоуглеродистой стали // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г. И. Носова. – 2007. – №. 4. – С. 40-49.

30. 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.

31. 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.