Традиционная двухступенчатая схема производства железа (сталей), достигшая высокой степени совершенства благодаря использованию опыта сотен поколений металлургов, является основой сегодняшней черной металлургии - по этой схеме в мире получают около 98% сталей. Современные металлургические агрегаты - доменные печи и кислородные конвертеры обладают колоссальной производительностью - до 12-15 тысяч т металла в сутки.
Вместе с тем, этот метод содержит серьезные внутренние противоречия, так как осуществляется по принципу «два шага вперед - один назад»: на первой стадии - в ходе доменной плавки - происходит не только восстановление железа из оксидов, но и его «перевосстановление» - насыщение железа углеродом. Это вынуждает организовывать вторую стадию - удаление избытка углерода и некоторых других элементов путем окисления.
Вторым противоречием доменной плавки является то, что полученные в результате глубокого обогащения железных руд частички концентрата размером меньше 0,05 мм, способные нагреваться и восстанавливаться за сотые и тысячные доли секунды, по условиям газодинамики доменного процесса должны окусковываться - их превращают в агломерат или окатыши. При этом реакционная поверхность рудного материала уменьшается в тысячи раз, и процессы прогрева и восстановления растягиваются на несколько часов.
Следующий недостаток традиционной технологии заключается в том, что первая стадия - доменная плавка - невозможна без использования кокса. Не только у нас в стране, но и во всем мире ощущается недостаток коксующихся каменных углей. Во многих странах их вообще нет. С каждым годом становится более дорогой добыча коксующихся углей - основная масса их добывается шахтным способом, при этом глубина шахт достигает 1 км и больше.
Серьезно ухудшает экологическую обстановку вблизи металлургического завода коксохимическое производство. Несмотря на применение систем очистки газа и воды, в воздух и воду попадает много вредных для человека веществ: серы, фенолов, альдегидов, других органических соединений, обладающих канцерогенными свойствами.
При продувке чугуна кислородом в конвертерах в атмосферу выделяется большое количество тонкодисперсных частиц оксида железа, что также осложняет экологическое состояние окружающей среды.
Все эти проблемы заставляют ученых и практиков - металлургов разрабатывать новые методы получения железа, которые не имели бы доменного и коксохимического производств. Несмотря на то, что все известные способы без-доменного получения железа пока дороже традиционного - двухступенчатого, работы по их совершенствованию продолжаются.
Следует сразу отметить, что многочисленные попытки получать в массовых масштабах жидкую сталь, минуя доменный процесс, оказались безуспешными. Промышленные способы бездоменной металлургии железа представляют различные варианты восстановления железных руд с получением губчатого или кричного железа, переплавляемого потом в сталеплавильных агрегатах.
Единственный вариант бездоменного получения восстановленного железа реализован в промышленных масштабах в России на Старо-Оскольском электрометаллургическом комбинате в 1984 г.
В качестве исходного сырья используется руда Лебединского месторождения КМА, способная обогащаться с получением «суперконцентрата», содержащего 68-70% Fe и пустой породы не более 3%. Из этого концентрата получают окисленные окатыши, которые затем восстанавливают в шахтных печах. Из рисунка 5.22, на котором представлена схема процесса получения металлизованных окатышей, видно, что кроме шахтной печи (Ш) произ-водственный комплекс имеет три участка: цикл конвертирования природного газа (КПГ), включающий реформер (Р), рекуператор (Т) и холодильник (X); цикл обработки колошникового газа (КГ), включающий скруббер Вентури (СВ) и холодильник (X) и цикл обработки охлаждающего газа (ОГ), состоящий из скруббера Вентури (СВ), компрессора и каплеотделителя (Ц).