Полное руководство по производству прямовосстановленного железа (DRI/HBI): от руды до высокочистого сырья для сталеплавильного производства

В сталелитейной промышленности переработка железной руды осуществляется по двум основным направлениям: традиционная доменная плавка и прямое восстановление. Доменный процесс требует агломерации и коксования руды для восстановления оксидов железа до жидкого чугуна при высоких температурах. Прямое восстановление, напротив, восстанавливает оксиды железа в руде до твёрдого металлического железа при температурах ниже температуры плавления руды (обычно 900-1100°C). Продукт по структуре напоминает губку, отсюда и название «губчатое железо».

Прямовосстановленное железо (DRI) стало важным высококачественным сырьём для сталеплавильного производства, способным заменить металлолом, благодаря низкому содержанию примесей и стабильному составу. Содержание общего железа может достигать 90-93%, степень металлизации превышает 85%, а содержание вредных элементов, таких как сера и фосфор, чрезвычайно низко. Поскольку ресурсы металлолома в мире становятся всё более дефицитными, а цели «двойного углерода» продвигаются вперёд, спрос на DRI продолжает расти, и он считается одним из ключевых путей достижения «почти нулевых выбросов углерода» в сталелитейной промышленности.

В данной статье, исходя из характеристик железорудного сырья и опыта Hongke Heavy Industry в области угольного прямого восстановления в барабанных печах, систематически рассматривается полный технологический процесс производства DRI, основное оборудование, необходимое на каждом этапе, а также основные области применения продукта и рекомендации по выбору.

I. Основы сырья: какая железная руда пригодна для производства DRI?

Производство DRI предъявляет относительно высокие требования к сырью. Не все железные руды подходят для процессов прямого восстановления. Содержание железа, крупность частиц и состав пустой породы напрямую влияют на качество конечного продукта и экономическую эффективность.

Типы сырья:

В отношении требований к сырью степень металлизации DRI обычно должна составлять 85-93%, содержание диоксида кремния, как правило, ниже 2,5%, а содержание углерода контролируется на уровне 0,5-2,0%. Для низкосортных комплексных железных руд процесс обжига с прямым восстановлением и последующей магнитной сепарацией также позволяет получить высококачественный порошок DRI с содержанием железа 88-92% и степенью извлечения железа более 80%.

II. Ценность продукта: основные области применения прямовосстановленного железа (DRI)

После охлаждения, дробления, магнитной сепарации и других этапов обработки DRI в основном используется в следующих областях:

Электродуговая сталеплавильная печь (ЭДП) (более 70%): Это основное направление применения DRI. По сравнению с металлоломом, DRI имеет стабильный химический состав и низкое содержание примесей (особенно P, S, N), что благоприятно для выплавки высококачественных марок стали (таких как трубная сталь, подшипниковая сталь, материнский расплав для нержавеющей стали). Использование DRI позволяет сократить плавильный цикл, снизить расход электродов и увеличить срок службы футеровки печи. При высоких ценах на металлолом использование DRI также может значительно снизить затраты на сырьё.

Доменная плавка: DRI может использоваться как часть доменной шихты. Повышение степени металлизации доменной шихты на каждые 10% увеличивает выпуск чугуна примерно на 7% и снижает расход кокса примерно на 7%.

Охладитель для конвертерной плавки: DRI может использоваться в качестве охладителя в конвертерной плавке без изменения обычного режима плавки и способствует снижению содержания таких элементов, как P, S, Cu, N в стали.

Замена литейного чугуна: Используется при производстве высокопрочного чугуна и чугуна с вермикулярным графитом.

Другие применения: Сырьё для порошковой металлургии, прямая прокатка в готовые изделия и т.д. HBI (горячебрикетированное железо) после брикетирования имеет высокую плотность и стойкость к окислению, может длительное время храниться под открытым небом и удобно для морских перевозок. Это основная форма мировой торговли DRI (составляющая более 80% торгового оборота).

III. Полный технологический процесс и анализ основного оборудования

Существует несколько технологических маршрутов производства DRI, среди которых наиболее широко используются угольный метод в барабанной печи (около 20% мирового производства DRI) и газовый метод в шахтной печи (около 75% мирового производства DRI). В регионах, где природный газ дефицитен, но уголь имеется в изобилии (Китай, Индия, Южная Африка, Вьетнам), угольный метод в барабанной печи остаётся наиболее экономически эффективным маршрутом производства DRI. В данной статье в качестве основного рассматривается метод барабанной печи, описывается полный технологический процесс и необходимое оборудование от сырья до готового продукта.

Обзор общего технологического процесса

Производство DRI представляет собой непрерывный физико-химический процесс. Полный цикл от подготовки сырья до выпуска готовой продукции может быть обобщён следующим образом:

Подготовка сырья (предварительная обработка руды/угля/десульфуризатора) → Дозирование и смешивание → Восстановительный обжиг в барабанной печи (950-1100°C) → Охлаждение → Магнитная сепарация → Продукт DRI → (Опционально) Горячее брикетирование → Продукт HBI

Этап 1: Подготовка и предварительная обработка сырья

Цель процесса: Обработка железорудного сырья до формы и крупности, пригодных для подачи в печь, и смешивание с восстановителем, десульфуризатором и другими вспомогательными материалами в заданной пропорции.

1. Предварительная обработка железной руды

• Грохочение кусковой руды: Руда разделяется вибрационным грохотом на фракции 10-20 мм (для подачи в печь) и <10 мм (мелкая фракция требует окомкования или реализуется отдельно).

• Окомкование (при использовании мелкой фракции): Мелкая фракция формуется в окатыши Φ8-16 мм с помощью тарельчатого гранулятора, затем сушится и предварительно нагревается до 300-500°C в обжиговой машине для достижения необходимой прочности перед подачей в печь.

• Промывка руды (опционально): Промывка руды с высоким содержанием глины для снижения содержания SiO₂ и Al₂O₃.

• Необходимое оборудование: Щёковая дробилка (крупное дробление), Конусная дробилка (среднее/мелкое дробление), Вибрационный грохот, Шаровая мельница (измельчение руды до класса -200 меш >80%), Магнитный сепаратор (обогащение), Тарельчатый гранулятор/Брикетный пресс (формование сырых окатышей или брикетов), Обжиговая машина (сушка и предварительный нагрев).

2. Предварительная обработка угля

• Дробление и грохочение: Исходный уголь дробится и разделяется вибрационным грохотом на фракции 10-25 мм (для подачи в печь) и <10 мм (мелкая фракция может использоваться как топливо или для приготовления угольной пыли).

• Шихтовка углей: Различные марки угля смешиваются в соответствии с показателями содержания фиксированного углерода, летучих веществ и серы для обеспечения стабильного качества угля, подаваемого в печь.

• Необходимое оборудование: Щёковая дробилка, Вибрационный грохот, Система дозирующих весов.

3. Подготовка десульфуризатора/флюса

Известняк дробится до фракции 5-15 мм и смешивается с рудой и углем в заданной пропорции.

• Необходимое оборудование: Дробилка, Вибрационный грохот.

Этап 2: Восстановительный обжиг в барабанной печи – Основной процесс

Цель процесса: Восстановление оксидов железа до металлического железа при высоких температурах (950-1150°C) с использованием твёрдого углерода (угля) в качестве восстановителя.

Это ключевой этап производства DRI. Предварительно обработанные материалы, восстановительный уголь и десульфуризатор смешиваются в заданной пропорции и подаются в барабанную печь со стороны хвостовой части (более высокий конец). Материал непрерывно пересыпается и движется к головной части печи по мере вращения корпуса, вступая в противоточный контакт с потоком горячих газов.

Температурные зоны и реакции внутри печи:

1. Зона сушки/предварительного нагрева (хвост печи, 200-600°C) : Удаляется свободная и адсорбированная вода, начинается выделение летучих веществ из угля. Структура руды приобретает микротрещины из-за дегидратации, что облегчает диффузию восстановительных газов внутрь.

2. Зона предварительного восстановления (600-800°C) : CO и H₂, образующиеся при пиролизе фиксированного углерода и летучих веществ угля, начинают восстанавливать Fe₂O₃ → Fe₃O₄ → FeO. На эту зону приходится примерно 40-50% общего восстановления.

3. Основная зона восстановления (800-1000°C) : Это область с наиболее интенсивной реакцией восстановления. FeO в значительной степени восстанавливается до металлического железа (Fe). Реакции: FeO + CO → Fe + CO₂; FeO + C → Fe + CO. На эту зону приходится примерно 40-50% общего восстановления. Наиболее предпочтительно контролировать температуру на уровне 950±30°C.

4. Зона окончательного восстановления/науглероживания (1000-1100°C, головка печи) : Остаточный FeO восстанавливается далее, в то время как часть металлического железа поглощает углерод (науглероживание), образуя Fe₃C. Контроль конечной температуры на уровне 1050-1100°C позволяет достичь степени металлизации 90-93%.

Ключевые параметры процесса:

• Степень металлизации (M): M = Fe_металл / Fe_общее × 100%. Целевой показатель: 85-93%.

• Атмосфера в печи: Необходимо поддерживать сильно восстановительную атмосферу (CO/CO₂ ≥ 2.5, H₂/H₂O ≥ 2.0).

• Степень заполнения: Обычно 8-12%.

• Скорость вращения печи: 0,3-1,0 об/мин, с частотным регулированием.

• Время пребывания материала: Обычно 6-10 часов (зависит от длины печи, скорости, угла наклона и степени заполнения).

• Соотношение уголь/железо (C/Fe): Обычно 0,6-1,0.

Основное оборудование: Барабанная печь

Барабанная печь является ключевым оборудованием с самыми высокими инвестициями и энергопотреблением на линии производства DRI. Её ключевые особенности включают:

• Соотношение длины к диаметру (L/D): Рекомендуется 14-18:1, что значительно короче, чем у цементных печей.

• Огнеупорная футеровка: Для зоны восстановления (800-1100°C) рекомендуется использовать высокоглинозёмистый кирпич (Al₂O₃ ≥ 70%).

• Уплотнительное устройство: Это «линия жизни» печи для DRI; необходимо использовать комбинированное уплотнение с коэффициентом подсоса воздуха <3%.

Этап 3: Охлаждение

Цель процесса: Охлаждение высокотемпературного губчатого железа (около 1000-1100°C), выгружаемого из печи, до температуры, необходимой для последующей обработки, предотвращая его повторное окисление.

Необходимое оборудование:

• Однобарабанный холодильник: Предпочтительный выбор для линий DRI; охлаждает до <100°C за счёт противоточного теплообмена с холодным воздухом.

• Шахтный холодильник: Подходит для крупных линий (>300 000 т/год); высокая эффективность охлаждения, коэффициент рекуперации тепла >70%.

DRI склонен к «вторичному окислению» (2Fe + O₂ → 2FeO) кислородом воздуха в интервале температур 400-600°C. Поэтому в холодильнике необходимо поддерживать небольшое избыточное давление или использовать продувку азотом для предотвращения попадания воздуха.

Этап 4: Разделение продуктов и постобработка

Цель процесса: Отделение губчатого железа от невосстановленной пустой породы, остаточной золы угля и т.д. для получения чистого продукта DRI.

1. Дробление и грохочение: Охлаждённое DRI необходимо дробить и грохотить.

• Необходимое оборудование: Щёковая дробилка, Вибрационный грохот.

2. Магнитная сепарация: Разделение достигается за счёт разницы в магнитных свойствах между DRI (магнитное) и пустой породой (немагнитное).

• Необходимое оборудование: Постоянный магнитный барабанный сепаратор (напряжённость магнитного поля 1500-2500 Гаусс), двухстадийная сепарация (грубая + чистовая) для обеспечения содержания Fe в DRI ≥ 90%.

3. Горячее брикетирование (процесс HBI, опционально, но является основным) :

• Цель процесса: Высокотемпературное DRI (около 800-900°C) непосредственно из головки печи подаётся в брикетный пресс для формирования высокоплотных брикетов (плотность ≥ 5.0 г/см³).

• Необходимое оборудование: Брикетный пресс (гидравлический, 630T-1000T), Водоохлаждаемый шнековый конвейер.

• Преимущества HBI: Высокая плотность облегчает морские перевозки; изоляция от воздуха предотвращает повторное окисление DRI (DRI медленно окисляется на воздухе с выделением тепла и может самовозгораться).

Вспомогательные системы: Очистка дымовых газов и использование отходящего тепла

Высокотемпературный дымовой газ из хвостовой части печи содержит CO (до 10-20%) и обладает высокой теплотворной способностью. Обычно он оснащается:

• Системой пылеулавливания: Циклонный предуловитель + Рукавный фильтр (фильтровальная ткань PPS или PTFE с покрытием).

• Системой рекуперации тепла: Котёл-утилизатор для выработки электроэнергии или предварительного нагрева сырья за счёт тепла отходящих газов.

• Установками десульфурации и денитрификации: SNCR + полусухая десульфурация для обеспечения соответствия выбросов нормам.

IV. Сводный перечень основного оборудования (Справочно для линии 200 000 т/год)

Ниже приведена типовая конфигурация линии на основе использования высокосортной кусковой руды и смеси битуминозного/антрацитового угля, с продукцией DRI или HBI:

Типовые печи для различной производительности:

V. Часто задаваемые вопросы

В1: Как предотвратить и устранять частое кольцеобразование внутри барабанной печи?

О: Кольцеобразование в печах для DRI является наиболее распространённой и серьёзной проблемой, вызванной локальным перегревом, который приводит к размягчению и прилипанию поверхности материала. Существует три распространённых типа: ① Низкотемпературное шламовое кольцо (хвост печи, 400-600°C): Мелкая пыль и влага образуют липкий шлам. Профилактика: Усиление грохочения, контроль влажности подаваемого материала <3%. ② Среднетемпературное спекшееся кольцо (800-950°C): Образующийся при восстановлении FeO реагирует с SiO₂/Al₂O₃, образуя легкоплавкий силикат железа (Fe₂SiO₄, Tпл ≈ 1200°C), который размягчается и спекается в зонах локального перегрева. Профилактика: Контроль содержания SiO₂+Al₂O₃ в руде <5%, обеспечение равномерной температуры в печи ниже 1050°C, добавление известняка для повышения температуры плавления шлака. ③ Высокотемпературное пережжённое кольцо (>1100°C): Локальный перегрев вызывает полуплавление материала. Профилактика: Пламя горелки не должно касаться материала, контроль температуры головной части печи <1100°C. Устранение: Лёгкие кольца можно удалить повышением температуры или снижением скорости вращения для стирания; тяжёлые кольца требуют остановки печи для пневматического или ручного удаления. Фундаментальное решение – сочетание предварительной обработки сырья, точного контроля температуры и контроля атмосферы.

В2: Продукт DRI имеет высокое содержание серы (>0.05%), как снизить содержание серы?

О: Сера в DRI в основном поступает из угля (сера в угле → газообразные H₂S/COS → поглощение DRI). Пути снижения серы: ① Использовать малосернистый уголь (S<0.6%); ② Увеличить добавку десульфуризатора (известняка) до 5-8%, чтобы CaO реагировал с H₂S, образуя CaS, переходящий в шлак; ③ Повысить основность шлака (CaO/SiO₂ ≥ 1.5) для улучшения термодинамических условий десульфурации; ④ Контролировать атмосферу в печи (высокое CO/CO₂ способствует стабильности CaS, предотвращая ресульфуризацию); ⑤ При необходимости добавлять десульфуризатор для глубокой очистки на этапе ЭДП, но это дороже. Рекомендуется достигать результата в печи за один этап.

В3: Может ли DRI самовозгораться на воздухе? Как его безопасно хранить?

О: Да, DRI (особенно мелкий порошок DRI) медленно окисляется на воздухе с выделением тепла. Когда тепло накапливается до температуры воспламенения (около 200-300°C), оно может самовоспламениться. Это признанное опасное вещество. Меры безопасности: ① Отдавать приоритет производству HBI: Высокая плотность и малая удельная поверхность после горячего брикетирования делают его менее склонным к окислению, позволяя безопасно хранить его 3-6 месяцев. ② Хранение под азотной подушкой: В силосах DRI и упаковке должна быть азотная защита с O₂ <5%. ③ Контроль влажности: Контакт DRI с водой приводит к выделению H₂ (3Fe + 4H₂O → Fe₃O₄ + 4H₂↑), что вызывает потери железа и образование взрывоопасного газа. Необходимо защищать от влаги. ④ Управление складированием: Высота штабеля DRI <3 м, температура <60°C, регулярный контроль температуры и мониторинг CO. ⑤ Транспортировка: Использовать герметичные автоцистерны или контейнеры с азотной продувкой; использование открытых вагонов запрещено.

В4: Каков примерный срок окупаемости новой линии барабанной печи для DRI мощностью 200 000 т/год?

О: Приблизительный расчёт (угольный маршрут, включая брикетирование HBI): Общие инвестиции составляют примерно 150-250 миллионов юаней (включая горные работы/обеспечение сырьём, барабанную печь, магнитную сепарацию, HBI, природоохранное оборудование, строительно-монтажные работы, электроавтоматику). Стоимость сырья (руда + уголь) составляет около 1800-2200 юаней/т DRI, себестоимость переработки (электроэнергия + оплата труда + амортизация + экология + обслуживание) около 600-900 юаней/т. Общая себестоимость тонны составляет примерно 2400-3100 юаней. Цена DRI на заводе (в зависимости от региона и качества) составляет около 3200-4000 юаней/т, HBI может дать дополнительную премию в 200-400 юаней/т. Чистая прибыль на тонну составляет около 500-900 юаней. При полной загрузке мощностей 200 000 т/год годовая чистая прибыль составляет около 100-180 миллионов юаней. Срок окупаемости составляет примерно 2-3 года (включая 1-1,5 года на строительство). Если построить линию по производству HBI для экспорта, срок окупаемости может сократиться до 1,5-2,5 лет. Это основная логика, делающая проекты DRI привлекательными для инвестиций.

В5: Каким должен быть целевой показатель энергопотребления для DRI в барабанной печи?

О: Передовые показатели теплопотребления для DRI в угольной барабанной печи: Расход условного топлива составляет примерно 0,65-0,85 т у.т./т DRI (эквивалентно примерно 13-17 ГДж/т). Влияющие факторы: ① Содержание железа в руде (каждое повышение TFe на 1% снижает энергопотребление примерно на 3%); ② Наличие подогревателя на хвосте печи (рекуперирует тепло отходящих газов, снижая энергопотребление на 8-12%); ③ Рекуперация тепла горячего воздуха из холодильника (возврат горячего воздуха 400-600°C в качестве вторичного дутья, снижение энергопотребления на 5-8%); ④ Теплоизоляция корпуса печи (композит из алюмосиликатного волокна и легкого кирпича, снижение теплопотерь на 3-5%); ⑤ Утилизация тепла для выработки электроэнергии (крупные линии могут оснащаться чистыми низкотемпературными котлами-утилизаторами, обеспечивая 30-50% собственных потребностей в электроэнергии). При обязательствах перед клиентами расход условного топлива ≤0,75 т у.т./т DRI является разумным и конкурентоспособным показателем.

Услуги по индивидуальному проектированию решений

Каждый проект по производству DRI уникален – тип руды, содержание железа, масштаб производства, топливные условия и области применения продукта различны. Мы предлагаем профессиональные услуги по индивидуальному проектированию решений, охватывающие полный цикл проектирования технологического процесса и подбора оборудования от обработки сырья до выпуска готовой продукции.

Свяжитесь с нами: Независимо от того, на каком этапе находится ваш проект – оценка сырья, технологическое обоснование или выбор оборудования – мы будем рады вашему обращению.

Правильный способ обращения к производителю: Сообщите нам тип вашей руды, содержание железа, целевую производительность и область применения продукта (например, DRI для электродуговой печи), и наши инженеры предложат вам индивидуальное решение для производства DRI.