Лом та гарячебрикетоване залізо — шлях до «зеленої металургії»

Уже кілька десятиліть у світі поширюються сталеплавильні технології, основною сировиною для яких є матеріали з високим вмістом заліза. Щоб приготувати якісну сталь — їх потрібно просто розплавити та довести до потрібної кондиції. Класична технологія виробництва сталі та металопрокату має кілька масштабних етапів. Все починається з видобутку руди та її збагачення. Потім цю сировину в доменних печах переплавляють у чавун. І вже з чавуну в сталеплавильних цехах виробляють сталь.

Але цей складний технологічний ланцюжок містить процеси, на які в останні роки акцентували чимало уваги в контексті довгострокового сталого розвитку. Мова йде про видобуток природних ресурсів та про вплив промисловості на екологію.

Тому в усьому світі зайнялися пошуками можливостей для використання металургійної сировини, які дозволяють економити природні та енергетичні ресурси, скорочувати викиди в атмосферу. На практиці це означає скорочення потреби в будівництві нових доменних печей та коксових батарей, а також істотне зниження «вуглецевого сліду» при виробництві сталі та металопрокату.

Серед таких сировинних ресурсів варто виділити лом чорних металів і горячебрикетоване залізо (ГБЗ, HBI, Hot-Briquetted Iron) або залізо прямого відновлення (DRI, Direct Reduced Iron).

Брухт: просто взяти і переплавити
Брухт — це вторинний ресурс, який утворюється в процесі обробки металів або під час експлуатації інфраструктури і техніки. Адже рано чи пізно будь-які машини та механізми потрібно міняти на нові, а старі — утилізувати. Вторинна переробка металобрухту дозволяє скорочувати кількість чавуну і, відповідно, руди і коксу, які використовують металурги. Але, що більш важливо, — це чистий продукт, який не потрібно піддавати додатковому очищенню, щоб відокремити порожню породу, різні домішки і добавки, які можуть бути в руді або коксі.

Сьогодні основні споживачі брухту чорних металів — електрометалургійні підприємства. Чормет майже на 100% закриває їхні потреби у сировині. Після відносно нескладної попередньої підготовки його завантажують в дугові сталеплавильні печі (ДСП). Там відбувається переплавка металобрухту за допомогою високих температур від електричної дуги, що виникає між графітовими електродами і дзеркалом розплаву. Перетворення твердого брухту в рідку сталь триває 40-60 хвилин. Ще деякий час йде на доведення готового продукту до потрібних параметрів. Відтак, з понад 1 тонни брухту з добавками легуючих елементів виходить 1 тонна рідкої сталі.

Але і в класичних способах виплавки сталі — мартенівському і конвертерному — цей вид сировини також затребуваний. Річ у тім, що при переплавці гарячого рідкого чавуну в сталь виникає надлишкове тепло, яке може нашкодити металургійному процесу і дорогому обладнанню. Тому в кисневі конвертери не тільки можна, а й потрібно перед заливкою чавуну завантажувати 15-20% металобрухту. Він виконує роль не тільки сировини, але й охолоджуючого компонента.

Можна згадати скрап-процес і скрап-рудний процес, які раніше активно застосовувалися в мартенівських цехах. Їх особливістю була висока частка брухту в сировинній суміші (шихті) — 55-75% і 20-40% відповідно. Інша частина шихти формувалася з рідкого і / або твердого чушкового чавуну. Скрап-процес використовувався, як правило, на великих машинобудівних і металургійних підприємствах, де не було доменних печей, але були джерела утворення брухту.

У зв’язку з майже повною відмовою від мартенівської технології цей спосіб виплавки сталі повністю застарів. На зміну мартенам прийшли продуктивні ДСП. Для них потрібно все більше металобрухту, у якого є два основних джерела утворення.

Перше джерело — це зовнішній світ. Переробкою металобрухту займаються брухтовики. Це спеціалізовані компанії, які заготовляють і поставляють сталеву вторсировину на металургійні заводи. Але також існує оборотний лом, який утворюється всередині металургійного або машинобудівного підприємства. Це метал, який з різних причин не можна використовувати у вигляді готової продукції. Наприклад, залишки сталевих заготовок у металургів або стружка у машинобудівників. Але боротьба за ефективність і зниження ресурсоємності веде до розвитку металургійних і ливарних технологій. В результаті, оборотного брухту стає все менше. Наприклад, повсюдне впровадження технології безперервного розливання сталі звело нанівець появу обрізків сталевих злитків на металургійних підприємствах. Крім того, нові технології металургійних процесів вимагають якісної вторинної сировини. Тому підготовка і переробка брухту кольорових і чорних металів в Україні та світі стає все складніших і дорожчим процесом. В окремих регіонах світу почав відчуватися дефіцит брухту. І металургам доводиться шукати нові джерела сировини з високим вмістом заліза.

Шлях ГБЗ: виключити витратні процеси
Металургів давно цікавила можливість безпосереднього отримання заліза з руди, минаючи два енерговитратних процеси — доменний і коксохімічний. Перші серйозні дослідження на цю тему почалися ще в середині ХХ століття, але помітні результати з’явилися лише в 1970-х. Тоді були побудовані перші промислові установки по виробництву ГБЗ або заліза прямого відновлення. Процес був не надто ефективним поки в ньому не почали використовувати природний газ.

На таких підприємствах з залізорудних окатишів і палива (газ або твердий вуглець), яке забезпечує необхідну температуру, в спеціальних печах отримують високоякісний продукт з вмістом заліза до 96-98%. Залежно від форми, яку на виході отримує продукт, його називають брикетами (горячебрикетоване HBI і холоднобрикетоване CBI залізо), металізованими окатишами, наггетсами тощо. Фактично, вони є замінником сталевого брухту або чушкового чавуну.

Сьогодні у світі є кілька популярних технологій з виробництва заліза прямого відновлення. Найпоширеніші з них використовують природний газ у якості джерела високої температури. Найбільш відомими постачальниками обладнання для таких заводів є компанії MIDREX і HYL. Але через дорожнечу газу процес набув поширення тільки в країнах і регіонах, які мають значні запаси цього виду палива. Наприклад, держави Перської затоки або Латинської Америки.

В інших регіонах будівництво промислових установок було практично неможливо. Але в 1990-х почалися розробки технологій виробництва ГБЖ без дорогого газу. Наприклад, японці запропонували процес ITmK3, в якому замість блакитного палива в якості відновника застосовується вугільний пил. Причому для цього підходять не тільки коксівне, а й енергетичне вугілля, яке видобувають в Україні та інших регіонах світу. Завдяки такому рішенню, можливість впровадження технології навіть розглядалася для українських гірничо-збагачувальних підприємств.

Тому сьогодні, в умовах домінуючого тренду на зниження викидів в атмосферу і скорочення «вуглецевого сліду» у світовій металургії активно розробляються нові методи прямого відновлення заліза без використання вуглецевих джерел енергії та відновників. Найбільш перспективним виглядає водень, але для повного заміщення природного газу і вугілля різної якості, будуть потрібні дуже великі інвестиції у збільшення потужностей з виробництва цього газу.

Крім того, для прямого відновлення заліза необхідно залучати до процесу сировину високої якості (із високим початковим вмістом заліза з мінімумом домішок), що також вимагає розвитку технологій і розширення потужностей по виготовленню окатишів з необхідними параметрами. Проте, цей метод отримання металізованої сировини в поєднанні зі збільшенням обсягів переплавки металобрухту дуже важливий в контексті сучасних екологічних і кліматичних тенденцій і здатний повністю змінити структуру технологічних потоків в чорній металургії вже в найближчій перспективі.

Зелене майбутнє металургії і людства
У світовій економіці в останні роки намітився стійкий тренд до скорочення вуглецевого сліду і переходу до технологій так званої «зеленої металургії». Простими словами — це шлях до скорочення викидів CO2 в атмосферу для зменшення навантаження на екологію та повторного використання ресурсів. Один з основних способів досягнення цих цілей — скорочення використання екологічно шкідливих технологій, якими в металургії є коксохімічне і доменне виробництво.

Вивчення і поступове впровадження нових технологій на металургійної кухні — це неминучий процес, тому що світова спільнота все сильніше стежить за впливом на клімат і глобальну економіку всіх галузей промисловості.

Джерело: Метінвест