Rozdział 10

10.   Nowe/alternatywne techniki produkcji stali

10.1   Wstęp

Od ponad 500 lat żelazo było produkowane w wielkich piecach. W tym czasie wielkie piece przekształciły się w reaktory o wysokiej sprawności. Jednakże obecnie dostępne są także inne techniki, które mogłyby zastąpić procesy wielkopiecowej produkcji surówki żelaza.

Wielkie piece wymagają koksu, a koksownie są kosztowne i stwarzają wiele problemów środowiskowych związanych z ich eksploatacją. Stąd też, z ekonomicznego i środowiskowego punktu widzenia korzystne byłoby, gdyby surówka żelaza była produkowana bez stosowania koksu.

Obecnie w przypadku prawie wszystkich wielkich pieców zużycie koksu jest znacznie obniżane poprzez wtłaczanie środka redukującego do zestawu dysz powietrznych. Jednakże, koks nigdy nie będzie mógł być w całości zastąpiony w wielkich piecach z powodu jego podstawowej funkcji, jaką jest służenie za tworzywo wsadowe. Minimalny wskaźnik koksu wielkiego pieca wynosi około 200 kg/t surówki żelaza.

Aby osiągnąć działanie sprawne z energetycznego i ekonomicznego punktu widzenia, potrzebne są duże wielkie piece o dużych i stałych wydajnościach. Stąd też koszty inwestycyjne są wysokie, a elastyczność produkcji mała. Obecnie aby spełnić wymagania klientów, w niektórych przypadkach istnieje zapotrzebowanie na bardziej elastyczną produkcję w mniejszych seriach produkcyjnych..

Coraz więcej stali produkowane jest ze złomu w elektrycznych piecach łukowych. Produkcja stali ze złomu zużywa znacznie mniej energii w porównaniu do produkcji stali z rudy żelaza. Problemy z otrzymywaniem odpowiedniej jakości stali produkowanej na bazie złomu powodują pewne ograniczenia, a wykorzystanie bezpośrednio redukowanego żelaza jako tworzywa wsadowego, zwiększa możliwości procesu produkcji stali elektrycznej z wykorzystaniem elektrycznych pieców łukowych.

Podsumowując, poniższe aspekty należą do najbardziej istotnych zagadnień związanych z procesem produkcji stali z wykorzystaniem wielkich pieców:

-              Aspekty środowiskowe spiekalni

              -              Aspekty środowiskowe i ekonomiczne koksowni;

-              Względny brak elastyczności i skala produkcji surówki żelaza;

-              Zwiększająca się konkurencja ze strony procesu produkcji stali elektrycznej na bazie złomu i  procesu obejmującego bezpośrednią redukcję żelaza i elektryczny piec łukowy.

Należy jednak uwzględnić korzyści procesu wielkopiecowego w zakresie możliwości recyklingu i ekonomicznych inwestycji.

To wszystko spowodowało podjęcie działań zmierzających do ulepszenia procesu wielkopiecowego z punktu widzenia ochrony środowiska i aspektów ekonomicznych oraz do rozwoju alternatywnych procesów produkcji stali.

Poniżej przedstawiono dwa główne rodzaje alternatywnych procesów produkcji stali, które mogą być uważane za sprawdzone:

              1.              Bezpośrednia redukcja (DR)

                            Bezpośrednia redukcja obejmuje produkcję podstawowej stali uspokojonej z rud żelaza i środka redukującego (np. gazu ziemnego). Uspokojony produkt jest nazywany bezpośrednio zredukowanym żelazem i jest głównie stosowany jako tworzywo wsadowe w elektrycznych piecach łukowych. Proces redukcji bezpośredniej zaczął być wykorzystywany w celach komercyjnych w latach siedemdziesiątych i od tego czasu zostało wdrożonych wiele procesów.

2.              Redukcja wytapiania (SR)

                            Obejmuje ona połączenie redukcji rudy żelaza z wytapianiem (np. wielki piec) w reaktorze bez zastosowania koksu. Produktem jest płynna surówka żelaza, która może być oczyszczana i rafinowana w taki sam sposób jak surówka żelaza z wielkiego pieca. Obecnie jedynie jeden wariant redukcji wytapiania został sprawdzony jako proces komercyjny, ale kilka wariantów jest na zaawansowanym etapie rozwoju.

Oprócz rozwoju procesów produkcji stali, występuje tendencja do zastępowania procesów seryjnych procesami ciągłymi. Przejście z odlewania we wlewkach do odlewania ciągłego w latach osiemdziesiątych jest tego najlepszym przykładem. W przyszłości seryjna produkcja stali (np. konwertor tlenowy LD, elektryczny piec łukowy) będą prawdopodobnie zastąpione procesami ciągłego odlewania stali. Na rysunku 10.1 przedstawiono procesy produkcji żelaza i stali, które były używane dawniej, są używane obecnie lub będą używane w przyszłości.

Rysunek 10.1: Procesy produkcji żelaza i stali, używane dawniej i obecnie oraz alternatywne procesy produkcji żelaza i stali na świecie – na podstawie [Freuhan, 1993]

10.2   Redukcja bezpośrednia (DR)

10.2.1              Wiadomości ogólne

Koncepcja bezpośredniej redukcji żelaza ma ponad 45 lat, ale pierwsze zakłady handlowe zostały wybudowane pod koniec lat sześćdziesiątych. Ponieważ wiodące procesy redukcji bezpośredniej wymagają taniego źródła gazu ziemnego, większość zakładów znajduje się w pasie bogatym w olej i gaz wzdłuż równika. Do chwili obecnej w procesach bezpośredniej redukcji nie dokonano żadnego znaczącego przełomu. Na przełomie lat 1996 i 1997 wyprodukowano około 36,5 miliona ton bezpośrednio zredukowanego żelaza. Stanowi to 4,4% światowej produkcji surówki żelaza.

Redukcja bezpośrednia sprowadza się do redukcji rudy żelaza na rudę metaliczną w stanie stałym. Stąd temperatury procesu są mniejsze niż 1000°C. W procesie tym wytwarzany jest stały produkt nazywany bezpośrednio redukowanym żelazem. Bezpośrednio zredukowane żelazo ma prędkość metalizacji >92% i zawartość węgla < 2%. Bezpośrednio zredukowane żelazo jest zwykle wykorzystywane jako tworzywo zasilające dla elektrycznego pieca łukowego. Ujemną stroną bezpośrednio zredukowanego żelaza jest to, że może powodować niebezpieczeństwo pożaru. Dlatego bezpośrednio zredukowane żelazo może być stapiane w brykiety jako tak zwane gorące żelazo brykietowe, gdy produkt ma być magazynowany lub transportowany na większą odległość.

10.2.2              Dostępne procesy

W ciągu ostatnich 50 lat używano kilku metod produkcji bezpośrednio zredukowanego żelaza. W praktyce stosowane są trzy główne metody: MIDREX, HyL (I, II i III) i FIOR. Ostatnio rozwinięto pięć nowych technologii: FASTMET, IRON CARBIDE, CIRCORED, INMETCO i FINMET.

Około 92% bezpośrednio zredukowanego żelaza jest produkowane z użyciem gazu (reformowanego) ziemnego jako paliwa. Jedynie w kilku miejscach jako paliwa używa się węgla. W procesie z piecem szybowym jako wsad używane są pelety lub ruda w kawałkach (MIDREX, HyL), natomiast w procesie ze złożem fluidalnym używane są ruda miałka i koncentraty (CIRCORED, FINMET, IRON CARBIDE) podobnie jak w piecu karuzelowym (FASTMET, INMETCO).

Piec szybowy został zaprojektowany jako reaktor redukcyjny w procesie opartym na gazie. Dwa główne działające systemy to: MIDREX (22,9 Mt/rok w 1997) i HyL III (6,9 Mt/rok). Relatywnie mały jest FIOR w Wenezueli (0,4 Mt/rok), w którym do redukcji rudy żelaza używa się złoża fluidalnego. W HyL I i HyL II używa się reaktorów wsadowych do redukcji rudy żelaza, ale procesy te prawie na pewno zastąpione będą w odpowiednim czasie przez HyL III. W 1995 roku uruchomiony został pilotowy zakład w technologii FASTMET [Nagai, 1995]. Dwa zakłady FINMET, każdy o zdolności produkcyjnej 2 Mt/rok, są w stadium budowy w Australii i Wenezueli. Zakład z technologią CIRCORED o zdolności produkcyjnej 0,5 Mt/rok jest budowany w Trynidadzie.

Alternatywą dla bezpośrednio zredukowanego żelaza jest węglik żelaza (Fe3C). Węglik żelaza produkowany jest także przy pomocy redukcji bezpośredniej, ale produkt zawiera około 90 % wag. Fe3C. Zawartość węgla jest względnie wysoka: 6 % wag., co dostarcza wystarczającej energii pozwalającej na zmniejszenie zużycia energii elektrycznej w elektrycznym piecu łukowym. Węglik żelaza może być użyty w niektórych zastosowaniach tak samo jak bezpośrednio zredukowane żelazo. Pierwszy komercyjny zakład produkujący węglik żelaza o zdolności produkcyjnej 300000 ton na rok uruchomiono w Trynidadzie (aktualna produkcja w 1998 wynosi 150000 t/rok).

W tabeli 10.1 przedstawiono parametry handlowe dostępnych metod bezpośredniego wytwarzania żelaza.

*1              w stadium budowy (stan: koniec roku 1998)

Tabela 10.1: Charakterystyka procesów bezpośredniej redukcji – na podstawie [Nagai, 1995]

Zastosowanie bezpośrednio zredukowanego żelaza jest odpowiednie w następujących sytuacjach:

-              Kiedy brak jest złomu o dobrej jakości i w związku z tym pogarsza się jakość produktów stalowych oraz kiedy niezbędne jest dodanie zredukowanego żelaza w celu podniesienia jakości surowca.

-              Zredukowane żelazo może być także użyte jak główny surowiec w mini hutach wybudowanych w regionach, gdzie dostawy złomu są utrudnione lub tam, gdzie ze względu na wielkość zapotrzebowania nie ma konieczności budowy zintegrowanego zakładu z wielkim piecem. [Nagai, 1995].

-              W wielkich piecach, w których wymagana jest większa zdolność produkcyjna gorącego metalu.

10.2.3              Aspekty środowiskowe bezpośredniej redukcji żelaza

Główną zaletą procesu bezpośredniej redukcji żelaza w porównaniu z wielkim piecem jest to, że zespół redukcji bezpośredniej wykorzystuje gaz ziemny lub węgiel jako paliwo. Stąd też nie są potrzebne baterie koksownicze i zostają znacząco ograniczone emisje. Wpływ na środowisko samego zespołu redukcji bezpośredniej żelaza jest bardzo ograniczony. Występuje niewielka emisja pyłu, która jest łatwa do wychwycenia. Zapotrzebowanie na wodę jest niewielkie, a woda może być w znacznym stopniu poddana recyklingowi. Ponadto, zespół redukcji bezpośredniej żelaza, którego działanie opiera się na metanie, produkuje znacznie mniej CO2 niż ten oparty na węglu.

Jednakże, bezpośrednio redukowane żelazo zawiera pewne ilości skały płonnej (3-6%), co prowadzi do zwiększenia zużycia mocy w elektrycznym piecu łukowym wraz ze wzrostem wsadu bezpośrednio zredukowanego żelaza [Nagai, 1995]. Brak jednak dokładnych danych na temat emisji.

10.3   Redukcja wytapiania (SR)

10.3.1              Wiadomości ogólne

W procesie redukcji wytapiania produktem jest płynna surówka lub (w niektórych przypadkach) płynna stal. Proces bezpośredniej redukcji wytapiania, bardziej niż sam procesu bezpośredniej redukcji, może być postrzegany jako bezpośredni konkurent tradycyjnego wielkiego pieca. Proces redukcji wytapiania posiada kilka zalet w porównaniu z procesem wielkopiecowym, co w przyszłości może prowadzić do przyjęcia redukcji wytapiania jako głównego procesu w produkcji surówki. Można wymienić następujące zalety tego procesu:

-              Mniejsze zespoły pozwalające na bardziej elastyczną produkcję;

-              Niewiele ograniczeń odnośnie surowców;

-              Wykorzystanie węgla jako paliwa i pominięcie operacji koksowni;

-              Mniejsze koszty inwestycji.

Wadami są:

-              W redukcja wytapiania nie można wykorzystywać drobnoziarnistych rud

-              Wymagania energetyczne i emisja CO2 są większe niż w procesie wielkiego pieca

-              Ekonomiczność zależy w dużym stopniu od zastosowania kupowanej energii.

Jednakże, aspekty ekonomiczne i możliwości są nadal w dużym stopniu nieznane i obecnie tylko jeden proces redukcji wytapiania jest gospodarczo uzasadniony.

Kilka procesów redukcji wytapiania jest na etapie rozwoju i jedynie jeden proces funkcjonuje obecnie jako proces handlowy. Jest to proces Corex. Odmiany tego procesu różnią się w zakresie liczby reaktorów, ilości produkowanego gazu opałowego, zasilania w rudę (pelety, ruda kawałkowa lub drobnoziarnista). Odmiany procesu, które są stosunkowo dobrze rozwinięte będą omówione bardziej szczegółowo w niniejszym rozdziale. Należą do nich procesy  Corex, HIsmelt, DIOS, AISI-DOE/CCF i ROMELT.

10.3.2              Corex

...