Темір кенінен және металл шығынынан болат өндіру процесі

Кіріспе

Темір кенінен және металл қалдықтарынан болат өндіру процесі

Болат өндірісі – темір кенінен және/немесе металл қалдықтарынан болат өндіру процесі. Болат өндірісінде азот, кремний, фосфор, күкірт және артық көміртек (ең маңызды қоспа) сияқты қоспалар алынатын темірден алынып тасталады, ал марганец, никель, хром, көміртек және ванадий сияқты қорытпа элементтер әртүрлі маркалы болаттар алу үшін қосылады. Болат жасау мыңжылдықтар бойы қолданылып келеді, бірақ ол 19 ғасырдың ортасына дейін ірі көлемде коммерциялық өндіріске енбеді. Болат жасаудың ежелгі әдістерінің бірі – тостағандағы (crucible) процесі. 1850 және 1860 жылдары Бессемер және Сименс-Мартин процестері болат өндірісін ауыр индустрияға айналдырды. Бүгінде болат өндірудің екі негізгі коммерциялық процесі бар: біріншісі – негізгі оттегімен болат өндіру, онда доменді пештен алынған сұйық шойын және металл қалдықтары негізгі шикізат ретінде қолданылады, екіншісі – электр доғалы пеште (EAF) болат өндіру, онда металл қалдықтары немесе тікелей тотықсыздандырылған темір (DRI) негізгі шикізат ретінде қолданылады. Оттегімен болат өндіру процесінде реакциялардың экзотермиялық сипаты басым роль атқарады; ал EAF болат өндірісінде қатты металл қалдықтарын және/немесе DRI материалдарын балқыту үшін электр энергиясы қолданылады. Соңғы жылдары EAF болат өндіру технологиясы оттегімен болат өндіру технологиясына жақындады, себебі процеске көбірек химиялық энергия енгізілуде. Болат өндірісі – әлемдегі көміртегі шығарылымы ең жоғары салалардың бірі. 2020 жылғы мәліметтерге сәйкес, болат өндірісі жалпы жылыжай газдарының шамамен 10%-ын құрайды. Жаһандық жылынуды жеңілдету үшін индустрия шығарындыларын айтарлықтай азайтуы керек.

Тарих

Болат жасау ежелгі, ортағасырлық және қазіргі заманғы технологиялық қоғамдардың дамуында шешуші рөл атқарды. Болат жасаудың алғашқы процестері ежелгі Қытай, Үндістан және Римде классикалық дәуірде жүзеге асырылды. Құйма темір – қатаң, сынғыш материал, оны өңдеу қиын, ал болат – серпімді, салыстырмалы түрде оңай қалыптасады және әмбебап материал болып табылады. Адамзат тарихының көп бөлігінде болат тек шағын көлемде ғана өндірілді. 19 ғасырдағы Ұлыбританияда Бессемер процесінің ойлап табылуынан және кейіннен инъекциялық технологиялар мен процестерді басқарудағы жетістіктерден бастап, болаттың көптеп өндірілуі әлемдік экономиканың ажырамас бөлігіне айналды және қазіргі заманғы технологиялық дамудың маңызды көрсеткішіне айналды. Болат өндірудің ең ерте әдісі – гүлдеу пеші болды. Ерте заманауи болат өндіру әдістері көбінесе көп еңбекті қажет ететін және жоғары біліктілік талап ететін өнер болды. Мысалы: финерлік ұстахана, онда неміс финерлік процесін басқару арқылы болат өндіруге болады. Көпіршікті болат және тостаған болат. Өнеркәсіптік революцияның маңызды аспектісі – іріктеліп алынған металлдың (темір немесе болат) көптеп өндірілуіне арналған кең ауқымды әдістерді әзірлеу болды. Пудлинг пештері бастапқыда тотсыз темір өндіру үшін қолданылды, бірақ кейіннен болат өндірісіне де пайдаланылды. Қазіргі заманғы болат өндірісіндегі нағыз революция 1850 жылдардың соңында ғана басталды, Бессемер процесі үлкен көлемде болат өндірісінің алғашқы табысты әдісі болды, одан кейін ашық ошақ пеші пайда болды.

Болат өндірісінің заманауи процестері

Қазіргі заманғы болат өндіру процестерін үш кезеңге бөлуге болады: бірінші, екінші және үшінші. Бірінші кезеңде темір болатқа балқытылады. Екінші кезеңде қорытқыштар және еріген газдар сияқты басқа элементтер қосылады немесе алынып тасталады. Үшінші кезеңде болат табақтарға, рулонға немесе басқа да нысандарға құйылады. Әр кезең үшін бірнеше техника қолданылады. Пештер 350 тоннаға дейін темірді 40 минуттан кем уақытта болатқа айналдыра алады, ал ашық ошақта бұл процеске 10–12 сағат уақыт кетеді.

Электрлік доға

Электрлік доғалы пешпен болат өндіру – электр доғалары арқылы балқытылған металл сынықтары немесе тікелей тотықтырылған темірден болат жасау процесі. Электрлік доғалы пеште темірдің бір партиясы ("қорыту") пешке жүктеледі, кейде бұрынғы қорытудан қалған балқыған болат ("қызыл өріс") қосылады. Балқытуға көмектесу үшін газ жағыштары қолданылуы мүмкін. Базалық оттегімен болат өндіру сияқты, пеш қабырғасын қорғау және қоспаларды кетіруді жақсарту үшін шлактар қосылады. Электрлік доғалы пешпен болат өндіруде әдетте 100 тоннаға дейін сыйымдылығы бар пештер қолданылады, олар 40-50 минут сайын болат шығарады.

Хисарна процесі

HIsarna темір өндіру процесінде темір кені дерлік тікелей сұйық темірге немесе ыстық металға өңделеді. Процесс циклонды конвертер пеші деп аталатын, ерекше типтегі домна пешіне негізделген, ол негізгі оттегімен болат өндіру процесі үшін қажетті шойын гранулаларын дайындау қадамын өткізіп жіберуге мүмкіндік береді. Осы алдын ала дайындық қадамының қажеттілігі болмағандықтан, HIsarna процесі дәстүрлі болат өндіру процестерімен салыстырғанда энергияны тиімдірек пайдаланады және көміртегі іздері аз.

Сутегін азайту

Болат тікелей азайтқан темірден өндірілуі мүмкін, ал темір кені сутегімен химиялық азаю арқылы тікелей азайтқан темірге айналады. Жаңаруға жарамды сутек отынды пайдаланбастан болат өндіруге мүмкіндік береді. 2021 жылы Швециядағы пилоттық қондырғы осы процесті сынақтан өткізді. Темір электр доғалы пеште көмірден алынған көміртектің әсеріне түседі. Электролиз арқылы өндірілген сутек бір тонна болат өндіру үшін шамамен 2600 кВт/сағ энергияны қажет етеді. Құны дәстүрлі әдістерге қарағанда 20-30% жоғары деп есептеледі. Дегенмен, шығарындылардың бағасы негізгі оттегі өндірісінің құнына қосылады, ал 2018 жылғы Science журналының зерттеуіне сәйкес, бағалар тоннасына 68 евроға жеткенде теңеседі, бұл 2030 жылдарға қарай күтілуде.

Екінші реттік болат жасау

Екінші реттік болат өндірісі көбінесе шүмекте жүргізіледі. Шүмекте жүргізілетін операциялардың арасында тотықсыздандыру (немесе "бейтараптандыру"), вакуумдық газдану, қоспалар қосу, қоспаларды жою, қоспалардың химиялық құрамын өзгерту, күкіртсіздендіру және біртектілендіру бар. Қазіргі кезде газбен араластырылған шүмектерде, пеш қақпағында электр доғасымен қыздыру арқылы шүмек металлургиялық операцияларын жүргізу кең таралған. Шүмек металлургиясын қатаң бақылау, химиялық құрамы мен тұрақтылығының талаптары жоғары болат сорттарын өндірумен байланысты.

Тау-кен және өндіру

Көмір және темір кенін өндіру өте көп энергия қажет етеді және ластану, биологиялық түрлердің жоғалуы, орманды қырқу және парниктік газдар шығарылымдары сияқты көптеген қоршаған ортаға зиян келтіреді. Темір кені болат зауыттарына үлкен қашықтықтарға тасымалданады.

Көміртегіден тазарту

Шойынның көміртегі мөлшерін азайту және қалаған көміртегі мөлшерінде болат алу үшін, шойын қайтадан балқытылып, оған оттегі үрленіп жіберіледі. Бұл процесс негізгі оттегімен болат жасау деп аталады және ол қазандық ішінде жүзеге асырылады. Осы кезеңде оттегі қажетсіз көміртегімен байланысып, оны көмірқышқыл газы түрінде шығарып жібереді, бұл қосымша эмиссия көзі болып табылады. Осы кезеңнен кейін шойынның көміртегі мөлшері жеткілікті деңгейге дейін төмендеп, болат алынады.

Ыстық жарылыс

Қосымша көмірқышқыл газы ыстық үрлеуден шығады, ол доменді пештің қыздыруын арттыру үшін қолданылады. Ыстық үрлеу доменді пешке ыстық ауаны жібереді, онда темір кені шойынға дейін тотықсыздандырылады, бұл жоғары белсендіру энергиясын қамтамасыз етуге көмектеседі. Ыстық үрлеу температурасы пештің конструкциясына және жағдайына байланысты 900 °C-тан 1300 °C-қа дейін (1600 °F-тан 2300 °F-қа дейін) болуы мүмкін. Мұнай, кокс, табиғи газ, көмір ұнтағы және оттегі қосымша энергияны бөліп шығару және тотықсыздандыру газдарының пайыздық үлесін арттыру үшін пешке инъекциялануы мүмкін, бұл өнімділікті арттырады. Егер ыстық үрлеудегі ауа көбінесе табиғи отынды жағу арқылы қыздырылса, онда бұл көмірқышқыл газының қосымша көзі болып табылады.

Көміртегі шығарындыларын азайту стратегиясы

Болат өнеркәсібі адам баласы тудырған CO2 эмиссиясының 7,8%-ын құрайды (әр тонна өндірілген болатқа шаққанда шамамен екі тонна), және ол Жердегі ең көп энергия тұтынатын салалардың бірі. Болат өндірісінде көміртегін азайту және декарбонизациялаудың бірнеше стратегиясы бар, олар негізгі өндіріс процесіне байланысты. Опциялар үш негізгі санатқа бөлінеді: энергия көзін қазба отынынан жел және күн энергиясына ауыстыру; өңдеу тиімділігін арттыру; және инновациялық жаңа технологиялық процестер. Бәрін де бірге қолдануға болады. "Жасыл болат" термині қазба отындарын пайдаланбастан болат өндіру үшін қолданылады, яғни, нөлдік эмиссиялық өнім. Алайда, "жасыл" болат өндіретінін мәлімдеген барлық компаниялар бұл критерийге сай келмейді. Кейбіреулері эмиссияны ғана азайтады. Австралия әлемдегі темір кенінің шамамен 40%-ын өндіреді, ал үкімет Австралияның жаңаруға қабілетті энергия агенттігі (ARENA) арқылы тікелей тотықсыздандырылған темір өндіруді (DRI) қамтитын көптеген зерттеу жобаларын қаржыландыруға көмектеседі, бұл жасыл болат және темір өндірісін арттыруға бағытталған. Rio Tinto, BHP және BlueScope сияқты ірі компаниялар жасыл болат жобаларын әзірлеуде. CO2 эмиссиясы энергия көздеріне қарай өзгереді. Электрлік доғалық пештерде немесе отын ретінде сутегін өндіру үшін жел немесе күн сияқты тұрақты энергияны пайдаланғанда, эмиссияны күрт азайтуға болады. HYBRIT, LKAB, Voestalpine және ThyssenKrupp компанияларынан еуропалық жобалар эмиссияны азайту стратегияларын жүзеге асыруда. 2017 жылғы зерттеу көрсеткендей, көміртегіді жинап сақтау арқылы эмиссия 56,5%-ға, ал тек редукторларды қайта өңдеу арқылы 26,2%-ға төмендейді. Көміртегінің атмосфераға түсуін болдырмау үшін оны сақтау немесе пайдалану әдісі табылуы керек. Жоғарғы газды пайдаланудың тағы бір жолы – жоғарғы қалпына келтіру турбинасында пайдалану, ол кейін электр энергиясын өндіреді, егер электрлік доғалық балқыту қолданылса, бұл процестің энергия интенсивтілігін азайтуға пайдалануға болады. Көміртегіні кокс пешіндегі газдардан да жинауға болады. 2022 жылдан бастап, CO2-ны басқа газдардан және жүйедегі компоненттерден бөлу және қажетті жабдықтар мен инфрақұрылымдық өзгерістердің жоғары құны осы стратегияны шектеулі ұстады, бірақ эмиссияны азайту әлеуеті 65%-дан 80%-ға дейін бағаланды. Сутегімен тікелей тотықсыздандыру (HDR) деп аталатын бұл технология жасыл болат технологияларының арасында ең басым болып табылады. Бұл кокстегі көміртекті редуктор ретінде (темір кенінен оттегіні алу үшін) пайдаланатын дәстүрлі болат өндіру процестерінен ерекшеленеді, нәтижесінде темір мен көмірқышқыл газы түзіледі. Егер сутегі жаңаруға қабілетті энергия көзінен редуктор ретінде де, отын ретінде де өндірілсе, CO2 эмиссиясы ең көп азаяды. 2021 жылға қарай Францияның ArcelorMittal, Австрияның Voestalpine және Нидерландының TATA компаниялары ғана темірді бастапқыдан жасау үшін жасыл сутегін пайдалануға міндеттенді. HDR Швециядағы HYBRIT жобасында қолданылады. Алайда, бұл тәсілге қажетті жаңаруға қабілетті сутегіні өндіру үшін жаңаруға қабілетті энергия көздерінің мол мөлшері қажет. Еуропалық Одақ үшін сутегіне негізделген болат өндірісіне қажетті сутегі сұранысы 180 ГВт жаңаруға қабілетті қуатты талап етеді деп есептеледі.

The steel industry produces 7 8% of CO2 emissions created by humans (almost two tonnes for every tonne of steel produced), and it is one of the most energy consuming industries on earth. There are several carbon abatement and decarbonization strategies in the steelmaking industry, which on the basic manufacturing process used. Options fall into three general categories: switching the energy source from fossil fuels to wind and solar; increasing the efficiency of processing; and innovative new technological processes. All three may be used in combination. "Green steel" is the term used for manufacturing steel without the use of fossil fuels, that is, zero emission products. However, not all companies claiming to produce green steel meet this criterion. Some merely reduce emissions. Australia produces nearly 40% of the world's iron ore, and the government, via the Australian Renewable Energy Agency (ARENA), is helping to fund many research projects involving direct reduced ironmaking (DRI) to increase green steel and iron production. Large companies such as Rio Tinto, BHP, and BlueScope are developing green steel projects. CO2 emissions vary according to energy sources. When sustainable energy such as wind or solar are used to power the process, either in electric arc furnaces or to create hydrogen as a fuel, emissions can be reduced dramatically. European projects from HYBRIT, LKAB, Voestalpine, and ThyssenKrupp are pursuing strategies to reduce emissions. while a 2017 study showed that emissions are reduced by 56.5% with carbon capture and storage, and reduced by 26.2% if only the recycling of the reducing agents is used. To keep the carbon captured from entering the atmosphere, a method of storing it or using it would have to be found. Another way to use the top gas would be in a top recovery turbine which then generates electricity, which could be used to reduce the energy intensity of the process, if electric arc smelting is used. Carbon could also be captured from gases in the coke oven. as of 2022, separating the CO2 from other gases and components in the system, and the high cost of the equipment and infrastructure changes needed, have kept this strategy minimal, but the potential for emission reduction has been estimated to be up to 65% to 80%. Known as hydrogen direct reduction (HDR), this is the most prominent among green steel technologies. This differs from conventional steel making processes, in which carbon in coke is used as the reductant (to strip oxygen from iron ore), which creates iron and carbon dioxide. Where hydrogen is generated from a renewable energy source as both the
alternative reductant and the fuel, the greatest gain in CO2 emissions is achieved. As of 2021, only ArcelorMittal in France, Voestalpine in Austria, and TATA in the Netherlands were committed to using green hydrogen to make steel from scratch. HDR is employed in the HYBRIT project in Sweden. However, this approach requires a substantial amount of renewables to produce the needed renewable hydrogen. For the European Union, it is estimated that the hydrogen demand for hydrogen based steelmaking would require 180 GW of renewable capacity.

Темір кенін электролиз

Тағы бір дамып келе жатқан мүмкін технология – темір кенінің электролизі, онда H2, CO немесе көміртекке қарағанда редукциялаушы агент электрон болып табылады. Массачусетс штатының Вобурн қаласындағы пилоттық өндірісті кеңейту және Бразилияда өндірістік нысан салу жобаларын MIT профессорлары Дональд Садоуэй мен Антуан Алланоре іске қосты. "ArcelorMittal" компаниясының қатысуымен жүргізілген зерттеу жобасы "Siderwin" пилоттық жобасы аясында темір кенінің электролизінің басқа бір түрін сынап көрді. Ол салыстырмалы түрде төмен температурада (шамамен 110 °C) жұмыс істейді, ал "Boston Metal" процесі жоғары температурада (~1600 °C) жұмыс істейді. 2023 жылғы наурыз айынан бастап "ArcelorMittal" компаниясы технологияны кеңейту және ірі өндіріс орнын салу мүмкіндігін қарастырып жатыр, сондай-ақ 2025 жылға дейін инвестициялық шешім қабылдауды күтуде.

Қалдықтарды пайдалану

Болат өндірісіндегі металл қоқысы – өмірлік циклын аяқтаған немесе болат бөлшектерін жасау кезінде пайда болған болат. Болаттың өзіндік магниттік қасиеттерінің арқасында оны бөліп, қайта өңдеу оңай. Металл қоқысын пайдалану әрбір тоннасына 1,5 тонна көміртегі диоксидінің шығарылуын қысқартады. 2023 жылғы мәліметтер бойынша, болат кез келген материалдың ішінде қайта өңдеу деңгейі ең жоғары материалдардың бірі болып табылады, әлемдегі болаттың шамамен 30 пайызы қайта өңделген компоненттерден жасалған. Дегенмен, болатты шексіз қайта өңдеуге болмайды, ал қайта өңдеу процестері, яғни доғалық пештерді пайдалану электр энергиясын қажет етеді. Бұл процесс шығарындыларды шамамен 20 пайызға төмендетуге мүмкіндік береді.

Басқа стратегиялар

HIsarna темір өндіру процесі жоғарыда "циклонды конвертерлік пеште" темір өндірудің бір жолы ретінде сипатталды, ол тұншығу/агломерация сияқты алдын ала өңдеу қадамдарысыз жүзеге асырылады, бұл CO2 шығарындыларын шамамен 20%-ға төмендетеді. SuSteel компаниясының бір болжамдық идеясы және ағымдағы жобасы – сутек плазмасы технологиясын әзірлеу, ол CO немесе көміртек емес, сутек арқылы оксидтерді тотықтырады және темірді жоғары температурада балқытады. Ал темір кенінің электролизі әлі зерттеу немесе жартылай өнеркәсіптік деңгейде жүргізілуде.