CC BY
38
МРНТИ 53.31.23
https://doi.org/10.48081/VTUX4454
Б. М. Боранбаева, А. Т. Мырзагулова, Ш. Х. Тажиев, Ж. Г. Майшина
Карагандинский технический университет, Республика Казахстан, г. Караганда
ПЕРСПЕКТИВНЫЙ СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ЖЕЛЕЗОСОДЕРЖАЩИХ СПЛАВОВ ИЗ РУДНОГО СЫРЬЯ
В данной статье речь идет о получении железосодержащих сплавов безуглеродным способом. Статья посвящена теоретическим, технологическим и экологическим вопросам металлургии, как наиболее значимой отрасли мировой экономики, где одним из главных проблем является загрязнение атмосферы и, соответственно, воздуха. Рассмотрены различные процессы получения металла. Поскольку традиционная технология производства металлов основана на углетермическом восстановлении, экологически вредно отражающемся на окружающей среде. Особое внимание обращается на технологию получения железа безуглеродным способом.
Основной проблемой производства железосодержащих сплавов следует считать выделения в колосальных объемах оксидов углерода в процессе восстановления рудных минералов. Оксиды углерода вместе с другими отходами металлургического производства весьма существенно отражаются на процессах потепления климата Земли со всеми вытекающими отсюда последствиями. В статье рассмотрены процессы получения железа различными способами, а именно доменный процесс, процесс получения железа из оксида с помощью алюминия, процессы прямого восстановления. Далее описана возможность использования водорода для восстановления оксида железа.
В статье также отмечены методы получения водорода, такие как паровая конверсия воды и метана, крекинг метана, электролиз воды и пиролиз.
Ключевые слова: железо, водород, выбросы, экология, прямое восстановление железа.
введение
Предприятия цветной и черной металлургии при извлечении металлов вынуждены использовать руду с очень низким содержанием полезных компонентов. Таким образом, на обогащение и плавку поступает огромный объём руды, а это, в свою очередь, порождает большие количества отходящих газов из неиспользуемых компонентов. Именно загрязнение атмосферы является главной причиной экологических проблем, возникающих в результате деятельности металлургических гигантов. Выбросы из труб приводят к загрязнениям почв, уничтожению растительности и образованию техногенных пустошей вокруг крупных заводов. К тому же, экологические проблемы отечественной металлургии обостряются из-за высокого износа оборудования и устаревших технологий.
Актуальность данной темы состоит в том, что технология восстановления оксидов железа водородом обеспечит экологическую безопасность.
Целью данной работы является выполнение анализа по альтернативному способу получения железа, исключающей загрязнение окружающей среды.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ Получение железа из железной руды производится в две стадии. Оно начинается с подготовки руды - измельчения и нагревания. Руду измельчают на куски диаметром не более 10 см. Затем измельченную руду прокаливают для удаления воды и летучих примесей.
На второй стадии железную руду восстанавливают до железа с помощью оксида углерода в доменной печи. Восстановление проводится при температурах порядка 700 °С:
Fe2O3 + 3СО = 2Fe + 3С02 (1)
Для повышения выхода железа этот процесс проводится в условиях избытка диоксида углерода СО2 [1].
Моноксид углерода сО образуется в доменной печи из кокса и воздуха. Воздух сначала нагревают приблизительно до 600 °С и нагнетают в печь через особую трубу - фурму. Кокс сгорает в горячем сжатом воздухе, образуя диоксид углерода. Железо, образующееся при восстановлении руды, загрязнено примесями песка и глинозема. Для их удаления в печь добавляют известняк. При температурах, существующих в печи, известняк подвергается термическому разложению с образованием оксида кальция и диоксида углерода. Оксид кальция соединяется с примесями, образуя шлак. Шлак содержит силикат кальция и алюминат кальция.
Производительность современных доменных печей повышается увеличением их рабочего объёма. Таковой у средней доменной печи около 5 тыс м3. Это обеспечивает выплавку стали до 4 млн т/год. Печь такой производительности расходует свыше 10 железнодорожных эшелонов сырья в сутки. Для хорошей производительности требуется тщательная подготовка руды и топлива к плавке, применении руд с усреднённым составом, самофлюсующегося агломерата. А также использование дутья с повышенной влажностью и температурой, автоматической аппаратуры для контроля и регулирования технологических процессов. При этом производство с использованием доменных печей вносит серьёзное загрязнение в окружающую среду. Металлургическое производство находится на втором месте среди всех других производств промышленности по атмосферным выбросам [2].
Далее рассмотрим процесс получения железа из оксида с помощью алюминия. Алюминотермия - способ получения металлов, неметаллов (а также сплавов) восстановлением их оксидов металлическим алюминием.
Шихта из порошкообразных материалов засыпается в плавильную шахту или тигель и поджигается с помощью запальной смеси. Если при восстановлении выделяется много теплоты, осуществляется внепечная алюминотермия, без подвода
тепла извне, развивается высокая температура (1900 - 2400 °С), процесс протекает с большой скоростью, образующиеся металл и шлак хорошо разделяются. Если теплоты выделяется недостаточно, в шихту вводят подогревающую добавку или проводят плавку в дуговых печах (электропечная алюминотермия) [3].
К основным недостаткам можно отнести существенные выбросы исходной шихты и продуктов реакции во время горения. Другим недостатком такого процесса является сложность получения сплошного однородного слитка металла малой массы (несколько десятков граммов) для разных целей, в том числе для проведения исследований [4].
Так, в 70-х годах XX столетия стали появляться промышленные производства железа непосредственно из руды, минуя доменный процесс, который работал с использованием кокса. Одной из первых появились установки прямого восстановления железа или губчатого железа. Процесс прямого восстановления железа водородом в наши дни, как технологический метод, остался без изменения - специально подготовленная, то есть обогащенная руда - концентрат, где содержится основной окисел железа восстанавливается в шахтной печи с помощью твердого топлива, как это было в древности, или для этой цели используется конвертированный газ - природный метан, но преобразованный в смесь водорода и угарного газа (СО) [5].
Железо прямого восстановления в основном производят в виде металлизированных окатышей: холодных CDRI (Cool Direct Reduced Iron) или горячих HDRI (Hot Direct Reduced Iron), а также горячебрикетированного железа HBI (Hot Briquetted Iron).
В настоящее время также можно восстанавливать концентраты руды, которые еще не превращены в окатыши. Более того, оказалось, что концентрат восстанавливается даже с большей скоростью, чем изготовленные из него окатыши. Однако на пути к реализации этого процесса стоят трудности чисто технологического характера.
Наиболее интересным способом восстановления оксида железа, является возможность использования водорода в режиме горения [6]. Сам процесс восстановления пойдет достаточно быстро и при этом не возникает лишних примесей: продукт восстановления - железо и вода. Существует технология среднетемпературного восстановления оксида железа, когда протекает процесс горения и прямого воздействия водорода при температуре 470-810 °С. Восстановитель - водород или в чистом виде, или с примесью окиси углерода. железо, естественно, находится в твердом состоянии, образуя при восстановлении своеобразную губку. Конечным продуктом везде являются железо, вода и углекислый газ, причем воду можно снова использовать для получения водорода и кислорода. Таким образом, появляются реальные возможности осуществить замкнутый цикл восстановления железа водородом и создать безотходное производство [7].
Существует более 100 различных методов добычи гидрогена - как теоретических, так и освоенных в промышленных масштабах. В зависимости
от выбранного вами вида получения ресурса, производство водорода потребует различного оборудования, сырья и других ресурсов. Рассмотрим 5 самых распространенных способов производства водорода [8].
Более 50 % всего водорода получается путём паровой конверсии воды и метана. При этом три основных составляющих (природный газ, водяной пар и оксиген) смешиваются в определённых пропорциях. Второй метод получения гидрогена - крекинг метана, простейшего по составу углеводорода. Благодаря специальному процессу сжиженный метан нагревается до температур свыше 1000-1400 °С, после чего газ начинает разлагаться на гидроген и карбон. Благодаря дешевизне метана, а также простому способу его получения, такой тип добычи водорода проще всего. Ещё один вид добычи гидрогена - электролиз воды. Это второй по распространённости метод добычи водорода, обеспечивающий достаточно высокую чистоту конечного продукта. Сопутствующим «бонусом» в этом технологическом процессе становится кислород, не менее важный элемент. Для такого способа производства требуются значительные запасы воды. Тем не менее он совсем не требователен к её качеству - для электролиза можно использовать промышленную, дождевую или даже сточную воду.
Последняя из наиболее распространённых методик - пиролиз. Иными словами - разложение органики при помощи термической обработки. «Топливом» для этого могут служить отходы сельского хозяйства и пищевых производств птичий помёт и другие побочные продукты животноводства; отходы рыбных, соко- и мясокомбинатов; некоторые виды технических культур, специально выращенных для получения биомассы.
Использование водорода для нужд черной металлургии - реальность сегодняшнего дня, и это возможно с применением водородных турбогенераторных установок. Впервые в мировой практике при проведении научных и опытно -конструкторских работ при испытании водородной турбогенераторной установки было выявлено уникальное новое явление - восстановление окиси железа водородом [9].
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
По изучению получения водорода в турбогенераторной установке была использована промежуточная горизонтальная газоотводящая труба диаметром 279 мм, толщиной стенки 8 мм и длиной 2500 мм, полностью покрытая окисью железа с наружной и внутренней сторон, находившейся около 10 лет под воздействием окружающей среды (рисунок 1).
Рисунок 1 - Турбогенераторная установка
задачами, поставленными перед учеными в данный период испытаний, являлись определение температуры горения водорода на выходе газоотводящей трубы при помощи термопара ТП (предел определения температуры до 1500 °С) и анализ газов с применение прибора «Тесто-300». Время проведения эксперимента составило около 35 минут. За этот период времени научными работниками было обнаружено, что воздействие водорода при температуре горения 900 °С на используемую в данном опыте газоотводящую трубу способствовало процессу восстановления окиси железа во внутренней стороне на 100 % по всей толщине и частично с наружной стороны за счет воздействия горючего водорода, который выходил в ограниченном количестве.
Достоверные факты, опытно-экспериментальные исследования- все это даёт полное основание заявить о возможности применения водородных турбогенераторных установок в металлургии для восстановления оксида железа водородом с фантастически низкой себестоимостью, что открывает возможность приступить к переработке отходов на рудниках в виде оксида железа [10].
Будущее развитие металлургии возможно только при совместном сотрудничестве науки и имеющихся производств. Основная задача для научного мира в отрасли металлургии состоит в разработке новых технологий производства способных значительно снизить энергозатраты. Для устранения экологических проблем не хватает ресурсов, как финансовых, так и физических, поэтому в настоящий момент они находятся только в стадии разработки. Поиск новых способов продолжается, так как важность проблемы несомненна.
На сегодняшний день в ряде исследовательских коллективов активно обсуждаются вопросы водородной металлургии. Более того имеются опытно-промышленные варианты заводов будущего. В этом отношении в нашем коллективе также предприняты подобные исследования.
ВЫВОДЫ
В данной статье мы представили перспективный способ производства железосодержащих сплавов из рудного сырья. Прямое водородное восстановление
оксида железа - только начало технологического прогресса в черной металлургии. Но и остальные звенья - будь то конвертеры, электропечи, заводы-автоматы, аппараты малооперационной технологии - требуют хорошего исходного сырья. Им будет восстановленный водородом оксид железа.
Металлургию будущего не без основания часто называют водородной. В настоящее время водород обходится дорого. Его получение, хранение и транспортировка сопряжены с множеством чисто технических проблем. Впрочем, произведенные эксперименты и расчеты показывают, что можно получать водород с такой низкой себестоимостью и «водородная металлургия» обретет надежную экономическую основу, также необходимо учесть полную экологическую безопасность водородных турбогенераторных установок.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1 Юсфин, Ю. С. Металлургия железа / Ю. С. Юсфин, Н. Ф. Пашков // Учебник для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению Металлургия. - М., 2007. - 320 с.
2 Заяц, Т. М. Новые процессы и материалы в металлургии. Пособие для студентов, 2018.
3 Дорофеев, Г. А. О проблемах современного производства стали / Г. А. Дорофеев, С. З. Афонин, Л. Н. Щевелев, Е. Щивка // XIII Конгресс сталеплавильщиков. - 2008. - № 1. - С . 401-403.
4 Юсфин, Ю. С. Новые процессы получения металла (металлургия железа) : учеб. для вузов / Ю. С. Юсфин, А. А. Гиммельфарб, Н. Ф. Пашков. - М. : Металлургия, 1994. - 320 с.
5 Шнабель, С. От железа прямого восстановления до высококачественной стали / С. Шнабель // Черные металлы. - 2004. - № 6. - С. 20-23.
6 Дигонский, С. В. Неизвестный водород / С. В. Дигонский, В. В. Тен. - СПб. : Наука, 2006. - 292 с.
7 Farchmin, F. Hydrogen generation with SIYLZER РЕМ electrolyzers: Driving con vergence between energy and industrial markets, Vortrag Stahlinstitut VDEh, 12. Okt. 2015.
8 Йопп, К. Водород - «элемент надежный». - Черные металлы. - 2014. - № 9.
- 59 с.
9 Емельянов, А. И. Водородная энергетика. Перспективы использования водородных топливных элементов. Энергосбережение. Практикум. - 2014. - № 5.
- 47 с.
10 Дли, М. И. Водородная энергетика и перспективы ее развития. Альтернативная энергетика и экология. - 2015. - № 22. - 37-41 с.
Материал поступил в редакцию 29.12.20.
Б. М. Боранбаева, А. Т. Мырзагулова, Ш. Х. Тажиев, Ж. Г. Майшина
КараFанды техникальщ университет^
Казахстан Республикасы, КараFанды к.
Материал 29.12.20 баспаFа TY^i.
КЕН ШИК1ЗАТЫНАН Ц¥РАМЫНДА ТЕМ1Р БАР ЦОРЫТПАЛАРДЫ ЭНД1РУДЩ ПЕРСПЕКТИВАЛЬЩ ТЭС1Л1
Бул мацалада цурамында meMip бар цорытпаларды KeMipmeKcis алу туралы айтылады. Мацала элемдж экономиканыц аса мацызды саласы реттде металлургияныц теориялыц, технологиялыц жэне экологиялыц мэceлeлepiнe арналган, мунда басты проблемалардыц 6ipi атмосфераныц жэне тшстше ауаныц ластануы болып табылады. Металл алудыц эpmypлi пpоцecmepi царастырылады. Металл eндipудiц дэcmypлi технологиясы цоршаган ортага экологиялыц зиянды эсер ететт кeмip термиялыц цалпына кeлmipугe нег1зделген. Тeмipдi кeмipmeкciз тэалмен алу технологиясына ерекше назар аударылады.
Цурамында meмip бар цорытпаларды eндipудiц нeгiзгi проблемасы кен минералдарын цалпына кeлmipу процестде масацты кeлeмдeгi кeмipmeгi оксидтерШц белтут царастырган жен. Кeмipmeк окcидmepi металлургиялыц eндipicmiц басца цалдыцтарымен бipгe Жер климатыныц жылыну пpоцecmepiнe айтарлыцтай эсер етедь Мацалада meмipдi эpmypлi тэсшдермен алу пpоцecmepi, атап айтцанда Домна пpоцeci, алюминий кeмeгiмeн оксидтен meмip алу процеа, ткелей цалпына кeлmipу пpоцecmepi царастырылады. Теменде meмip оксидт азайту ушт cуmeкmi пайдалану мумктдг сипатталган.
Мацалада сонымен цатар су мен метанныц бу конверсиясы, метанныц ^ern^i, судыц элeкmpолизi жэне пиролиз сияцты cуmeгi алу эдicmepi керсетшген.
KUmmi сездер: meмip, cуmeгi, шыгарындылар, экология, meмipдi ткелей цалпына кeлmipу.
B. M. Boranbaeva, A. T. Myrzagulova, Sh. Kh. Tajiev, J. G. Maishina
Karaganda Technical University,
Republic of Kazakhstan, Karaganda.
Material received on 29.12.20.
A PROMISING METHOD FOR PRODUCING IRON-CONTAINING ALLOYS FROM ORE RAW MATERIALS
This article deals with the preparation of iron-containing alloys by a carbonfree method. The article is devoted to theoretical, technological and environmental issues of metallurgy, as the most important branch of the world economy, where one of the main problems is air pollution. Various processes of metal production are considered. The traditional technology of metal production is based on carbon-thermal recovery, which is harmful to the environment. Special attention is paid to the technology of obtaining iron by a carbon-free method.
The main problem in the production of iron-containing alloys should be
considered the release of carbon oxides in colossal volumes during the reduction of ore minerals. Carbon oxides, together with other wastes from metallurgical production, have a very significant impact on the processes of warming the Earth's climate with all the consequences that follow from this. The article discusses the processes of obtaining iron by various methods, namely the blastfurnace process, the process of obtaining iron from oxide using aluminum, and direct reduction processes. The possibility of using hydrogen to reduce iron oxide is described below.
The article also highlights methods for producing hydrogen, such as steam conversion of water and methane, methane cracking, water electrolysis, and pyrolysis.
Keywords: iron, hydrogen, emissions, ecology, direct reduction of iron.
МРНТИ 53.03.05, 55.35.37
https://doi.org/10.48081/DKTJ9805
А. Ж. Касенов, К. К. Абишев, П. О. Быков, Р. Б. Муканов, А. Т. Амеркулов
Торайгыров университет, Республика Казахстан, г. Павлодар
ПРОЧНОСТНОЙ АНАЛИЗ ЭЛЕМЕНТОВ ПЛЕНКОУКЛАДЧИКА
В статье приведен расчёт элементов проектируемого пленкоукладчика с применением системы APM FEM. Применение современных программных средств позволит качественно, надежно и конкурентоспособно проектировать и выполнять всесторонний инженерный анализ и на его основе принимать конструктивные решения.
На основании результатов расчёта были выбраны наиболее оптимальные значения основных параметров, а также выполнен инженерный анализ для повышения качества проектных решений и сокращения затрат времени на этапе технологической подготовки.
Применение системы APM FEM при расчёте элементов сельскохозяйственной техники позволяет повысить производительность проектирования без натурных испытаний, возможно определить недостатки конструкции.
Ключевые слова: APM FEM, пленкоукладчик, моделирование, МКЭ, анализ.
ВВЕДЕНИЕ
г» " "
В настоящее время развитие аграрного сектора является одной из важнейших задач в Республике Казахстан. Его трудно реализовать без соответствующей сельскохозяйственной техники, отвечающей современным требованиям и подходящей для регионов республики [1-7].
Ранее при проектировании сельскохозяйственных машин и режущего инструмента, проводились расчеты с применением различных программ (Autodesk
