Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии

DOI: 10.52150/2522-9117-2024-38-103-119

Нестеров Олександр Станіславович, к.т.н., с.н.с., Інститут чорної металургії ім. З. І. Некрасова НАН України, площа Академіка Стародубова, 1, Дніпро, 49107, Україна. ORCID: 0000-0002-0183-0327. E-mail: asn.dnepr@gmail.com

Гармаш Лариса Іванівна, к.т.н., с.н.с., відділ металургії чавуну, Інститут чорної металургії ім. З. І. Некрасова НАН України, площа Академіка Стародубова, 1, Дніпро, 49107, Україна. ORCID: 0000-0002-6873-6685. E-mail: larysagar@gmail.com

Муравйова Ірина Геннадіївна, д.т.н., с.н.с., пров.н.с., відділ металургії чавуну, Інститут чорної металургії ім. З.І. Некрасова НАН України, площа Академіка Стародубова, 1, Дніпро, 49107, Україна. ORCID: 0000-0001-5926-7787. E-mail: irinamuravyova@gmail.com

Чайка Олексій Леонідович, к.т.н., с.н.с., зав. лабораторією, лабораторія теплотехніки і енергозберігаючих технологій (ТЕТ), відділ металургії чавуну, Інститут чорної металургії ім. З.І. Некрасова НАН України, площа Академіка Стародубова, 1, Дніпро, 49107, Україна. ORCID: 0000-0003-1678-2580. E-mail: chaykadp@gmail.com

Лопатенко Костянтин Петрович, н.с., Інститут чорної металургії ім. З.І. Некрасова НАН України, площа Академіка Стародубова, 1, Дніпро, 49107, Україна. E-mail: lopkonst@gmail.com

Болденко Михайло Григорович, мл.н.с., Інститут чорної металургії ім. З.І. Некрасова НАН України, площа Академіка Стародубова, 1, Дніпро, 49107, Україна

ВПЛИВ ВОДНЮ НА ПРОЦЕСИ ВІДНОВЛЕННЯ В ДОМЕННІЙ ПЕЧІ

Анотація. Розробка та реалізація на виробництві нових низьковуглецевих технологій є невідкладним стратегічним завданням чорної металургії. Застосування в доменних процесах в якості відновника водню замість вуглецю є багатообіцяючим шляхом для значного скорочення шкідливих викидів, але його ефективне використання вимагає поглибленного вивчення впливу різноманітних факторів (температури, хімічного складу, пористості, часу відновлення та ін.) на перебіг процесів відновлення при використанні водневмісних газів. Незважаючи на велику кількість досліджень, однозначної і загальноприйнятої теорії, яка б узагальнювала всі закономірності процесів відновлення воднем в доменій печі, не існує і досі, а результати проведених в різних умовах досліджень доволі суперечливі. Для визначення перспектив та проблем використання водневмісних газів в умовах українських меткобінатів потрібно дослідити відновну поведінку різних типів сировини, характерних саме для українських реалій. В лабораторних умовах ІЧМ було проведено низку досліджень впливу водню на відновні процеси в доменній печі для різних типів залізорудної сировини українського виробництва. Процеси відновлення моделювались на лабораторному устаткуванні ІЧМ при використанні різних сумішей відновних газів, близьких по складу до промислових умов. Вивчали вплив вмісту водню, швидкості нагрівання та швидкості подачі газу на втрату маси навішувань і надалі розраховували показник відновлювальності R. Було визначено, що підвищення вмісту водню в суміші відновлювальних газів у температурному діапазоні 900-1000 °С супроводжується покращенням відновлювальності для різних шихтових матеріалів, але відновна поведінка агломерату і окатишів суттєво відрізняється для різних діапазонів вмісту водню в газовій суміші та різних швидкостей їх подачі. Аналіз експериментальних даних дозволив визначити найбільш ефективні для цих умов діапазони вмісту водню в відновному газі. Отримані результати підтверджують ефективність застосування водню як відновника для умов українського доменого виробництва, а виявлені закономірності та висновки можуть бути використані для вдосконалення технологій, які сприяють виробництву екологічно чистої сталі.

Ключові слова: декарбонізація, процеси відновлення, водень, залізорудна сировина, відновлювальність.

Посилання для цитування: Вплив водню на процеси відновлення в доменній печі / О. С. Нестеров, Л. І. Гармаш, І. Г. Муравйова, О. Л. Чайка, К. П. Лопатенко, М. Г. Болденко // Фундаментальні та прикладні проблеми чорної металургії. 2024. Вип. 38. С. 103-119. https://doi.org/10.52150/2522-9117-2024-38-103-119.

DOI: https://doi.org/10.52150/2522-9117-2024-38-103-119

Перелік посилань

  1. https://unfccc.int/resource/docs/2015/cop21/eng/l09r01.pdf
  2. Kinetics of Direct Iron Ore Reduction with CO-H2 Gas Mixtures / E. Nyankson, Leiv Kolbeinsen // International Journal Of Engineering Research & Technology (IJERT). 2015. Vol. 04, Iss. 04. http://dx.doi.org/10.17577/IJERTV4IS040955
  3. Spreitzer D., Schenk J. Iron Ore Reduction by Hydrogen Using a Laboratory Scale Fluidized Bed Reactor: Kinetic Investigation-Experimental Setup and Method for Determination. Metall Mater Trans. 2019. 50(5). https://doi.org/10.1007/s11663-019-01650-9
  4. Lin H. Y., Chen Y. W., Li C. The Mechanism of Reduction of Iron Oxide by Hydrogen. Thermochim Acta. 2003. Vol. 400. Iss. 1-2. P. 61-67. https://doi.org/10.1016/S0040-6031(02)00478-1
  5. Heihachi Kamura. Properties of Iron Made by the Process of Hydrogen Reduction. Journal of Electrochemical Society. 1932. Vol. 62. Iss. 1. P. 283-296.
  6. Effect of Hydrogen Addition on Reduction Kinetics of Iron Oxides in Gas-injection BF // Y. Qie, Q. Lyu, J. Li et al // ISIJ Int. 2017. Vol. 57, 404. https://doi.org/10.2355/isijinternational.ISIJINT-2016-356
  7. Solid State Reaction Kinetics of Iron Oxide Reduction Using Hydrogen as a Reducing Agent / Barde A. A., Klausner J. F., Mei R. // Int. J. Hydrogen Energy. 2016. Vol. 41, 10103-10119. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2015.12.129
  8. Patisson F., Mirgaux O. Hydrogen Ironmaking: How it Works. Metals. 2020, Vol. 10, 922. https://doi.org/10.3390/met10070922
  9. Review on the Kinetics of Iron Ore Reduction by Hydrogen / Heidari A., Niknahad N., Iljana M. et al // Materials. 2021. Vol. 14, 7540. https://doi.org/10.3390/ma14247540
  10. Final Stage of Reduction of Iron Ores by Hydrogen / Fruehan R. J., Li Y., Brabie L., Kim E. J. / Scand. J. Metall. 2005. Vol. 34. P. 205-212. https://doi.org/10.1111/j.1600-0692.2005.00722
  11. Reduction Kinetics of Iron Oxide Pellets with H2 and CO Mixtures / Zuo H. B., Wang C., Dong J. J. et al // Miner. Metall. Mater. 2015. Vol. 22. P. 688-696. https://doi.org/10.1007/s12613-015-1123-x
  12. Biswas K. Principles of Blast Furnace Ironmaking: Theory and Practice. Cootha Publishing House, Brisbane. 1981. 240 p.
  13. Action Rules of H2 and CO in Gas-Based Direct Reduction of Iron Ore Pellets / Yi L., Huang Z., Peng H. et al // Cent. South. Univ. 2012. Vol. 19. P. 2291-2296. https://doi.org/10.1007/s11771-012-1274-0
  14. Solid State Reaction Kinetics of Iron Oxide Reduction Using Hydrogen as a Reducing Agent / Barde A. A., Klausner J. F., Mei R. // Int. J. Hydrogen Energy 2016. Vol. 41. P. 10103-10119. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2015.12.129
  15. McKewan W.M. Kinetics of Iron Oxide Reduction. Trans. Am. Inst. Min. Metall. Eng. 1960. Vol. 218. P. 2-6
  16. Isothermal and Non-Isothermal Reduction Behaviors of Iron Ore Compacts in Pure Hydrogen Atmosphere and Kinetic Analysis / Abourehab Hammam, Ying Li, Hao Nie1 et al // Mining, Metallurgy & Exploration. 2020. https://doi.org/10.1007/s42461-020-00317-318
  17. Kinetics of Reduction of Iron Oxides by H2: Part I: Low Temperature Reduction of Hematite / A. Pineau, N. Kanari, I. Gaballah // Thermochimica Acta. 2006. Vol. 447. Iss. 1. P. 89-100. https://doi.org/10.1016/j.tca.2005.10.004
  18. Kinetics of Reduction of Iron Oxides by H2: Part II. Low Temperature Reduction of Magnetite / A. Pineau, N. Kanari, I. Gaballah // Thermochimica Acta. 2007. Vol. 456, Iss. 2. P. 75-88. https://doi.org/10.1016/j.tca.2007.01.014
  19. Kinetics of Hydrogen Reduction of Magnetite Ore Fines / Saikat Kumar Kuila, Ritayan Chatterjee, Dinabandhu Ghosh // International Journal of Hydrogen Energy. 2016. Vol. 41. Iss. 22. P. 9256-9266. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2016.04.075
  20. Experimental Study of the Resistance duo to the Rate of Gas Flow on the Hydrogen Reduction of an Iron Oxide Pellet / Ohmi M., Usui T., Naito M. et al // Tetsu-to-Hangane 1981. Vol. 67. P. 1943-1951.
  21. The Modeling of Hematite Reduction with Hydrogen Plus Carbon Monoxide Mixtures: Part II. The Direct Reduction Process in a Shaft Furnace Arrangement / Tsay Q. T., Ray W. H., Szekely J. // AIChE J. 1976. Vol. 22. P. 1072-1079. https://doi.org/10.1002/aic.690220617
  22. El-Geassy A. A. Influence of Doping with CaO and/or MgO on Stepwise Reduction of Pure Hematite Compacts. Ironmak Steelmak. 1999. Vol. 26. P. 41-52 https://doi.org/10.1179/irs.1999.26.1.41
  23. Effect of Basicity on the Reduction Behavior of Iron Ore Pellets / Manoja Kumar Mohanty, Srishti Mishra, Bhagiratha Mishra et al // Arabian Journal for Science and Engineering. 2018. https://doi.org/10.1007/s13369-018-3107-4
  24. Investigation of Iron Oxide Reduction by TEM / Rau M. F., Rieck D., Evans J. W. // Metall. Trans. B. 1987. Vol. 18. P. 257-278. https://doi.org/10.1007/ BF02658451
  25. Der Mechanismus der Reduktion von porigen Eisenerzen durch Wasserstoff / Bogdandy V. L., Schulz H. P., Wiirzner B. et al. // Arch. Eisenhuttenwes. 1963. Vol. 34. P. 401-409
  26. El-Geassy A. H. Rate Controlling Step in the Reduction of Iron Oxides, Kinetics and Mechanism of Wustite-Iron Step in H2, CO and H2/CO Gas Mixtures // IOP Conf. Ser. Mater. Sci. Eng. 2017. Vol. 229. P. 1-10. https://doi.org/10.1088/1757-899X/229/1/012002
  27. Comparison of Microstructures of Magnetite Reduced by H2 and CO under Microwave Field / Zhou M., Ai L., Hong L. et al // Metals. 2023. Vol. 13, 1367. https://doi.org/10.3390/met13081367
  28. Influence of Microstructure and Atomic-Scale Chemistry on the Direct Reduction of Iron Ore with Hydrogen at 700 °C / Se-Ho Kim, Xue Zhang, Yan Maa et al // Acta Materialia. 2012, 212. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.116933
  29. Reduction of Iron Ore Pellets, Sinter, and Lump Ore under Simulated Blast Furnace Conditions / Heikkilä A., Iljana M., Bartusch H. et al // Steel Res. Int. 2020. Vol. 91, 2000047.  https://doi.org/10.1002/srin.202000047
  30. Effect of Hydrogen Concentration in Reducing Gas on the Changes in Mineral Phases during Reduction of Iron Ore Sinter // Taichi Murakami, Hiroki Wakabayashi, Daisuke Maruoka et al // ISIJ International. 2020. Vol. 60. Iss. 12. P. 2678-2685. https://doi.org/10.2355/isijinternational.ISIJINT-2020-180
  31. Modelling a New, Low CO2 Emissions, Hydrogen Steelmaking Process / A. Ranzani da Costa, D. Wagner et al // J. Clean. Prod. 2013. Vol. 46. P. 27-35. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2012.07.045

No widgets added. You can disable footer widget area in theme options - footer options

Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии
Logo