Μεταλλουργία Σιδήρου – Χυτοσιδήρου Ε.Μ. Πολυτεχνείο Σχολή Μηχανικών Μεταλλείων – Μεταλλουργών Εργ. Μεταλλουργίας Μεταλλουργία Σιδήρου – Χυτοσιδήρου Θεωρία και Τεχνολογία Μάθημα 8: Άμεση αναγωγή Κάμινοι Midrex - Hyl Δρ. Α. Ξενίδης

Μέθοδοι άμεσης αναγωγής Ορισμός άμεσης αναγωγής Χαρακτηριστικά γνωρίσματα Χαμηλή θερμοκρασία αναγωγικών αντιδράσεων μικρότερη από το σημείο τήξης του μεταλλεύματος (1000-1100οC). 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 Μεταλλουργία Fe I

Μέθοδοι άμεσης αναγωγής - Ιστορικό 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  1500οC 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 Μεταλλουργία Fe I

Μέθοδοι άμεσης αναγωγής - Ιστορικό 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 1860-1950 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 O2 αντί αέρα. Τεχνικά οικονομικά καλύτερος Η συμμετοχή του scrap είναι στο 25-28% Μεταλλουργία Fe I

Μέθοδοι άμεσης αναγωγής - Ιστορικό 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 Μεταλλουργία Fe I

Μέθοδοι άμεσης αναγωγής - Ιστορικό 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. Μεταλλουργία Fe I

Μέθοδοι άμεσης αναγωγής - Ιστορικό 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. Μεταλλουργία Fe I

Χρήσεις σπογγώδους σιδήρου 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 Μεταλλουργία Fe I

Χρήσεις σπογγώδους σιδήρου Στους μεταλλάκτες εμφύσησης Ο2 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 Μεταλλουργία Fe I

Συμμετοχή σπογγώδους σιδήρου στην παραγωγή χάλυβα 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 «κλασσική» Υ/Κ – Μ/Τ Ο2 «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 Οικονομικότητα της μεθόδου εξαρτάται Από τη θέση Διαθεσιμότητα πρώτων υλών, ηλεκτρικής ενέργειας και scrap Από τις περιβαλλοντικές απαιτήσεις και περιορισμούς Μεταλλουργία Fe I

Χαρακτηριστικά σπογγώδους σιδήρου 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/cm3 συμπιεσμένου Fe 4 g/cm3 Fe 7,9 g/cm3 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 Fetot) Μεταλλουργία Fe I

Τεχνολογική εξέλιξη μεθόδων άμεσης αναγωγής 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 1930 1935-1955: Εφαρμόστηκε σε βιομηχανική κλίμακα σε πολλές χώρες (Γερμανία, Τσεχοσλαβακία, Πολωνία, Ιαπωνία, Κορέα) Σχεδιασμένη για φτωχά σιδηρομεταλλεύματα με υψηλή περιεκτικότητα SiO2. Σχηματίζεται ημίρρευστη σκουριά Πρόδρομος των Π/Κ Μεταλλουργία Fe I

Τεχνολογική εξέλιξη μεθόδων άμεσης αναγωγής Σύγχρονες μέθοδοι άμεσης αναγωγής: Τρεις κατηγορίες: Στερεό αναγωγικό μέσο – στερεό μετάλλευμα Αέριο αναγωγικό μέσο – στερεό μετάλλευμα Αέριο αναγωγικό μέσο – ρευστοστερεή κατάσταση Μεταλλουργία Fe I

Αναγωγικό αέριο - παρασκευή Φυσικό αέριo (Φ.Α.)  Αναγωγικό αέριo (Α.Α.) Καταλυτική μετατροπή CH4 + H2O = CO + 3H2 CH4 + CO2 = 2CO + 2H2 CO + H2O = CO2 + H2 CH4 = C + 2H2 Μεταλλουργία Fe I

Μέθοδος Midrex 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 Μεταλλουργία Fe I

Μέθοδος Midrex Μεταλλουργία Fe I

Μέθοδος Midrex Μεταλλουργία Fe I

Μέθοδος Midrex Μεταλλουργία Fe I

Μέθοδος Midrex Μεταλλουργία Fe I

Μέθοδος Midrex Μεταλλουργία Fe I

Μέθοδος Midrex Μετάλλευμα Απαιτούμενη ενέργεια 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 Μεταλλουργία Fe I

Μέθοδος Hyl 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 Μεταλλουργία Fe I

Μέθοδος Hyl Μεταλλουργία Fe I

Μέθοδος Hyl Μεταλλουργία Fe I

Μέθοδος Hyl Μεταλλουργία Fe I

Μέθοδος SL-RN SL-RN: Stelco και Lurgi - Republic Steel και Natonal Lead Η RN αναπτύχθηκε στο διάστημα 1920-1930 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. Μεταλλουργία Fe I

Μέθοδος SL-RN - εξοπλισμός Οι αντιδράσεις αναγωγής λαμβάνουν χώρα σε περιστροφική κάμινο (Π/Κ) Π/Κ Θερμική συσκευή: Ξήρανση, Πύρωση, Φρύξη Περιστρεφόμενος κύλινδρος Μήκους 60 – 125 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) Κατά μήκος του κελύφους υπάρχουν: Πυρόμετρα Δειγματολήπτες Ανθρωποθυρίδες Μεταλλουργία Fe I

Μέθοδος SL-RN - εξοπλισμός 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 Μεταλλουργία Fe I

Μέθοδος SL-RN - εξοπλισμός Μεταλλουργία Fe I

Μέθοδος SL-RN - εξοπλισμός Μεταλλουργία Fe I