ΜΕΤΑΛΛΟΥΡΓΙΑ ΣΙΔΗΡΟΥ Ι Μεταλλουργία Σιδήρου Χυτοσιδήρου Θεωρία και Τεχνολογία Τμήμα Μηχανικών Μεταλλείων - Μεταλλουργών

Transcript

1 ΜΕΤΑΛΛΟΥΡΓΙΑ ΣΙΔΗΡΟΥ Ι Μεταλλουργία Σιδήρου Χυτοσιδήρου Θεωρία και Τεχνολογία Τμήμα Μηχανικών Μεταλλείων - Μεταλλουργών ΔΡ. Α. ΞΕΝΙΔΗΣ ΔΙΑΛΕΞΗ 8. ΚΑΜΙΝΟΙ MIDREX - HYL

2 ΑΔΕΙΑ ΧΡΗΣΗΣ 2 Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άδεια χρήσης άλλου τύπου, αυτή πρέπει να αναφέρεται ρητώς.

3 ΜΕΘΟΔΟΙ ΑΜΕΣΗΣ ΑΝΑΓΩΓΗΣ 3 Ορισμός άμεσης αναγωγής Χαρακτηριστικά γνωρίσματα Χαμηλή θερμοκρασία αναγωγικών αντιδράσεων μικρότερη από το σημείο τήξης του μεταλλεύματος ( ο C). Φρύξη αντί Τήξης μεταλλεύματος Τα οξείδια Si, Mn, Cr, P κλπ. δεν ανάγονται, παραμένουν όμως ως στείρο υλικό Λαμβάνεται μεταλλικός σίδηρος σε στερεή κατάσταση (DRI Direct Reduced Iron) σπογγώδης σίδηρος (sponge iron - πορώδες υλικό υψηλής καθαρότητας) Απoφυγή ρευστoύ ενανθρακωμένoυ χυτoσιδήρoυ Απoφυγή απανθράκωσης και κάθαρσης Δυνατότητα χρησιμoπoίησης ακατάλληλων καυσίμων για υψικαμίνους Χαμηλότερη παραγωγικότητα από την υψικάμινο Αντoχή πυριμάχων Κόστoς παραγωγής

4 ΜΕΘΟΔΟΙ ΑΜΕΣΗΣ ΑΝΑΓΩΓΗΣ - ΙΣΤΟΡΙΚΟ 4 Από τις αρχές του 19ου αιώνα υπήρχε ενδιαφέρον για παραγωγή σιδήρου σε στερεά κατάσταση γιατί Ήθελαν να αποφύγουν τις υψηλές θερμοκρασίες (ήταν δύσκολη η επίτευξη θερμοκρασιών 1500 ο C Υπήρχε ευελιξία στις διαθέσιμες πηγές αναγωγικών μέσων (π.χ. αέριων αναγωγικών μέσων) Ήθελαν να περιορίσουν τις φθορές στα πυρότουβλα (κυρίως στη ζώνη τήξης). Άμεση Αναγωγή Μεγάλα τεχνικά οικονομικά προβλήματα Δεν μπορούσε να ανταγωνιστεί τις μεθόδους παραγωγής χυτοσιδήρου μεταλλαγής σε χάλυβα Από το 1860, η μέθοδος χαλυβοποίησης ήταν η μέθοδος εμφύσησης αέρα σε μεταλλάκτες (Μ/Τ) τύπου Bessemer και Thomas με όξινη και βασική πυρίμαχη επένδυση αντίστοιχα. Μόνο το 6-8% του φορτίου μπορούσε να είναι scrap

5 ΜΕΘΟΔΟΙ ΑΜΕΣΗΣ ΑΝΑΓΩΓΗΣ - ΙΣΤΟΡΙΚΟ 5 Σχήμα 1. An illustration of a nineteenth-century Bessemer steel factory. Σχήμα 2. Bessemer Process.

6 ΜΕΘΟΔΟΙ ΑΜΕΣΗΣ ΑΝΑΓΩΓΗΣ - ΙΣΤΟΡΙΚΟ 6 Δημιουργία της καμίνου Siemens-Martin (S-M): Πολύ πιο ευέλικτη κάμινος στην κατανάλωση ρευστού μετάλλου και scrap (έως 100%) Η μέθοδος S-M κυριάρχησε στο διάστημα Σημασία σπογγώδη Fe στη χαλυβουργία f(απόλυτο κόστος, σχετικό ως προς αυτό των scraps) Χρησιμοποιούνταν (αυτή την περίοδο) Μόνο για παραγωγή χάλυβα Διαθέσιμες πρώτες ύλες 1950: Σταδιακή υποκατάσταση από τον μεταλλάκτη τύπου LD (Linz-Donawitz) που χρησιμοποιεί καθαρό O 2 αντί αέρα. Τεχνικά οικονομικά καλύτερος Η συμμετοχή του scrap είναι στο 25-28% Σχήμα 3. Basic Oxygen Steelmaking

7 ΜΕΘΟΔΟΙ ΑΜΕΣΗΣ ΑΝΑΓΩΓΗΣ - ΙΣΤΟΡΙΚΟ 7 Ταυτόχρονα: ανακαλύφθηκε η Συνεχής Χύτευση Χάλυβα Απόδοση: 95% (έναντι 80-87% σε καλούπια) Τελικά: Ο συνδυασμός Υψικάμινος Μεταλλάκτης LD Συνεχής Χύτευση δημιουργεί λιγότερο scrap (λιγότερο από περίπου 27% που απαιτείται για την βέλτιστη λειτουργία του Μεταλλάκτη LD) Αντί για Scrap θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί σπογγώδης σίδηρος Σχήμα 4. General Bloom/Beam Blank Machine Configuration Σχήμα 5. Curved Section of Multi-Strand Beam Blank Caster.

8 ΜΕΘΟΔΟΙ ΑΜΕΣΗΣ ΑΝΑΓΩΓΗΣ - ΙΣΤΟΡΙΚΟ 8 Παράλληλα αναπτύχθηκε και η μέθοδος της Ηλεκτρικής Καμίνου Τόξου Τεχνικά και Οικονομικά συμφέρουσα για την παραγωγή χάλυβα Το 1998, το 34% της παγκόσμιας παραγωγής χάλυβα ήταν από Η/Κ Η δυνατότητα τους τήξης scrap και σπογγώδους σιδήρου έδωσε ώθηση στις μεθόδους άμεσης αναγωγής. 40% 35% % Παραγωγή χάλυβα από HK 30% 25% 20% 15% 10% 5% % % % 0% Έτος Σχήμα 6. Electric arc furnace.

9 ΧΡΗΣΕΙΣ ΣΠΟΓΓΩΔΟΥΣ ΣΙΔΗΡΟΥ 9 Στην χαλυβουργία κατά την παραγωγή χάλυβα στην Η/Κ τόξου Το μεγαλύτερο ποσοστό σπογγώδους σιδήρου διατίθεται για την παραγωγή χάλυβα στην Η/Κ τόξου Συνεχής τροφοδοσία σφαιριδίων (pellets) Βελτίωση της ειδικής κατανάλωσης ενέργειας Βελτίωση της ειδικής κατανάλωσης ηλεκτροδίων Καλύτερη ποιότητα χάλυβα (σε σύγκριση με αυτήν του scrap) Κύρια πρώτη ύλη σε χυτήρια για την παραγωγή χυτών αντικειμένων Περιέχει λίγο S Μικρή ποσότητα άλλων στοιχείων

10 ΧΡΗΣΕΙΣ ΣΠΟΓΓΩΔΟΥΣ ΣΙΔΗΡΟΥ 10 Στους μεταλλάκτες εμφύσησης Ο 2 και στην κάμινο Siemens-Martin Στον μεταλλάκτη LD αντικαθιστά το scrap μέχρι 40% Στην κάμινο Siemens-Martin Αντικαθιστά μέρος του scrap Δίδει καλύτερη ποιότητα χάλυβα Εφαρμόζεται στη Σουηδία για > 50 χρόνια Στην υψικάμινο για αύξηση της παραγωγικότητας (για μέχρι 50% προσθήκη σπογγώδους Fe στην τροφοδοσία) μείωση της ειδικής κατανάλωσης κωκ Στην μεταλλουργία Cu για την καταβύθιση του Cu (cementation) από αραιά υδατικά διαλύματα Cu

11 ΣΥΜΜΕΤΟΧΗ ΣΠΟΓΓΩΔΟΥΣ ΣΙΔΗΡΟΥ ΣΤΗΝ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΧΑΛΥΒΑ 11 Η παγκόσμια παραγωγή χάλυβα 1945 ήταν 115 εκ. τόνοι 1990 ήταν 783 εκ. τόνοι σπογγώδους Fe το 1996 ήταν 33 εκ. τόνοι παραγωγή χάλυβα με Η/Κ είναι περίπου 200 εκ. τόνοι Κυρίως προέρχεται από δυο μεθόδους Οικονομικότητα της μεθόδου εξαρτάται Από τη θέση Διαθεσιμότητα πρώτων υλών, ηλεκτρικής ενέργειας και scrap Από τις περιβαλλοντικές απαιτήσεις και περιορισμούς «κλασσική» Υ/Κ Μ/Τ Ο 2 «νέα» Άμεση αναγωγή Η/Κ Μεγαλύτερη δυνατότητα κατανάλωσης scrap Μειωμένη ρύπανση Ευελιξία στο ύψος παραγωγής Κατάλληλη για mini-χαλυβουργίες και χαλυβουργίες με ετήσια παραγωγή < 2 εκ. τόνους

12 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΣΠΟΓΓΩΔΟΥΣ ΣΙΔΗΡΟΥ 12 Είναι ελεύθερος από στοιχεία που συνήθως υπάρχουν στα Scraps (Cu, Zn, Sn, Cr, Mo κλπ.) Έχει χαμηλή περιεκτικότητα S Για την παραγωγή του μπορούν εύκολα να χρησιμοποιηθούν χαμηλής ποιότητας καύσιμα και λεπτόκοκκα μεταλλεύματα Είναι ενεργός και οξειδώνεται εύκολα Συμπιέζεται ώστε να περιορίζεται η ελεύθερη επιφάνεια του Φαινόμενο βάρος σπογγώδους Fe 2 g/cm 3 συμπιεσμένου Fe 4 g/cm 3 Fe 7,9 g/cm 3 Είναι δυνατή η τροφοδοσία τους στην Η/Κ τόξου με συνεχή ροή Αύξηση της παραγωγικότητας (10 14%) Περιέχει άγονα υλικά σε ποσοστό 5% (μειονέκτημα έναντι των scrap) Περιέχει μη ανηγμένο Fe (3-15% του Fe tot )

13 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΗ ΕΞΕΛΙΞΗ ΜΕΘΟΔΩΝ ΑΜΕΣΗΣ ΑΝΑΓΩΓΗΣ 13 Μέθοδοι άμεσης αναγωγής Μικρότερη παραγωγικότητα για αυτό, αν και αρχαιότερες, αντικαταστάθηκαν Οι πρώτες κάμινοι Φρεατώδεις κάμινοι Περιστροφικές κάμινοι Κάμινος οριζοντίου, περιστρεφόμενου δαπέδου Μέθοδος Krupp-Renn Αναπτύχθηκε από την Krupp το : Εφαρμόστηκε σε βιομηχανική κλίμακα σε πολλές χώρες (Γερμανία, Τσεχοσλαβακία, Πολωνία, Ιαπωνία, Κορέα) Σχεδιασμένη για φτωχά σιδηρομεταλλεύματα με υψηλή περιεκτικότητα SiO 2. Σχηματίζεται ημίρρευστη σκουριά Σύγχρονες μέθοδοι άμεσης αναγωγής: Τρεις κατηγορίες: Στερεό αναγωγικό μέσο στερεό μετάλλευμα Αέριο αναγωγικό μέσο στερεό μετάλλευμα Αέριο αναγωγικό μέσο ρευστοστερεή κατάσταση Πρόδρομος των Π/Κ

14 ΑΝΑΓΩΓΙΚΟ ΑΕΡΙΟ - ΠΑΡΑΣΚΕΥΗ 14 Αναγωγικό αέριο Φυσικό αέριo (Φ.Α.) Αναγωγικό αέριo (Α.Α.) Καταλυτική μετατροπή CH 4 + H 2 O = CO + 3H 2 CH 4 + CO 2 = 2CO + 2H 2 CO + H 2 O = CO 2 + H 2 CH 4 = C + 2H 2

15 ΜΕΘΟΔΟΣ MIDREX 15 Συνεχής μέθοδος Κίνηση κατ αντιρροή Προθέρμανση του μεταλλεύματος στο άνω μέρος Κυκλική διατομή Κύλινδρος στο άνω μέρος Πυρίμαχη επένδυση Αντίστροφος κώλουρος κώνος στο κάτω Δεν απαιτείται πυρίμαχη επένδυση

16 ΜΕΘΟΔΟΣ MIDREX 16 Σχήμα 7

17 ΜΕΘΟΔΟΣ MIDREX 17 Σχήμα 8. Direct Reduced Flowsheet Σχήμα 9. Hotlink

18 ΜΕΘΟΔΟΣ MIDREX 18 Μετάλλευμα Χοντρόκοκκο (σφαιρίδια ή μπρικέττες) Θρυμματισμός σκόνη έως 15% της τροφοδοσίας Η περιεκτικότητα σε στείρα επηρεάζει την παραγωγικότητα και το κόστος της μεθόδου Περιεκτικότητα σε S Πρέπει να είναι < 0,01% Αν είναι μέχρι 0,02% αλλαγή μεθόδου (διέλευση των απαερίων από την κάμινο) Διαφορετικά καταστρέφεται ο καταλύτης (περιεκτικότητα S στα απαέρια < 15 ppm) Απαιτούμενη ενέργεια 3 Gcal / τόνο σπογγώδους σιδήρου από φυσικό αέριο και 120 kwh από ηλεκτρική ενέργεια

19 ΜΕΘΟΔΟΣ HYL 19 Φρεατώδης κάμινoς Διακoπτόμενη λειτoυργία (Batch operation) Κίνηση σε oμoρρoή Φυσικό αέριo (Φ.Α.) Αναγωγικό αέριo (Α.Α.) Κύκλος που εφαρμόζεται: Εκφόρτωση - Φόρτωση Προαναγωγή Αναγωγή Ψύξη

20 ΜΕΘΟΔΟΣ HYL 20

21 ΜΕΘΟΔΟΣ SL- RN 21 SL-RN: Stelco και Lurgi - Republic Steel και Natonal Lead Η RN αναπτύχθηκε στο διάστημα για την κατεργασία πτωχών σιδηρομεταλλευμάτων Η SL αναπτύχθηκε περί το 1960 για την παραγωγή σπογγώδους Fe από πλούσια σιδηρομεταλλεύματα Η RN είναι παραλλαγή της Krupp-Renn που κατεργαζόταν φτωχά σιδηρομεταλλεύματα. Οι βασικές διαφορές RN και Krupp-Renn είναι: Η RN λειτουργεί σε χαμηλές θερμοκρασίες για να μη τήκεται το μετάλλευμα στην περιστροφική κάμινο Η RN χρησιμοποιούσε βασικό συλλίπασμα προς δέσμευση του S των καυσίμων και τη δεύσμευσή του στο σπογγώδη σίδηρο, ενώ στην Krupp-Renn παράγεται όξινη σκουριά.

22 ΜΕΘΟΔΟΣ SL- RN ΕΞΟΠΛΙΣΜΟΣ 22 Οι αντιδράσεις αναγωγής λαμβάνουν χώρα σε περιστροφική κάμινο (Π/Κ) Π/Κ Θερμική συσκευή: Ξήρανση, Πύρωση, Φρύξη Περιστρεφόμενος κύλινδρος Μήκους μέτρων Διαμέτρου 4 6 μέτρων Ελαφριά κλίση 2 % περίπου προς την έξοδο Περιστρέφεται με ταχύτητα 0,5 1,2 στροφές/λεπτό Χρόνος παραμονής = f(κλίση, rpm, άνοιγμα στομίου εξόδου, ρυθμό τροφοδοσίας)

23 ΜΕΘΟΔΟΣ SL- RN ΕΞΟΠΛΙΣΜΟΣ 23 Κατά μήκος του κελύφους υπάρχουν: Πυρόμετρα Δειγματολήπτες Ανθρωποθυρίδες Βοηθητικοί ανεμιστήρες Χρησιμεύουν για την προμήθεια αέρα ώστε να διατηρείται το θερμοκρασιακό διάγραμμα και να γίνεται καλύτερη καύση των πτητικών των στερεών καυσίμων Τα ακροφύσια κατασκευάζονται από πυρίμαχο χάλυβα Υψηλές θερμοκρασίες Απότομες θερμικές μεταβολές (θερμικά shocks) Ο αέρας οδηγείται παράλληλα στον άξονα Εύκολη αντικατάσταση Στόμιο (Καυστήρας με δύο ταχύτητες αέρα) Απαέρια Μυζητήρες για τον ελκυσμό τους Κονιοθάλαμος (χονδρόκοκκη σκόνη) Καύση σε δύο στάδια (πτητικές ουσίες και λεπτόκοκκος άνθρακας) Διέλευση από ατμολέβητα (ψύξη) Αποκονίωση Καπνοδόχος

24 ΜΕΘΟΔΟΣ SL- RN ΕΞΟΠΛΙΣΜΟΣ 24

25 ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΑΝΑΦΟΡΩΝ ΕΙΚΟΝΩΝ 25 Σχήμα 1. An illustration of a nineteenth-century Bessemer steel factory. Copyright : CORBIS Σχήμα 2. Bessemer Process. Σχήμα 3. Basic Oxygen Steelmaking. Σχήμα 4. General Bloom/Beam Blank Machine Configuration. Source: American Iron and Steel Institute. --basic-principles.aspx Σχήμα 5. Curved Section of Multi-Strand Beam Blank Caster. Source: American Iron and Steel Institute. --basic-principles.aspx Σχήμα 6. Electric arc furnace. Source: Σχήμα 7. Example of Direct Reduction Process. Σχήμα 8. Direct Reduced Flowsheet. Σχήμα 9. Hotlink Process.

26 ΧΡΗΜΑΤΟΔΟΤΗΣΗ Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα Ε.Μ.Π.» έχει χρηματοδοτήσει μόνο την αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους.