Процесс Krupp-Renn

Процесс Krupp-Renn — это пирометаллургический способ переработки бедных и труднообогатимых железных руд, основанный на восстановительной плавке во вращающейся трубчатой печи с получением металлизованного продукта (круппа) и последующим его магнитным обогащением. Процесс был разработан в 1930-х годах германским концерном Krupp и применялся для вовлечения в промышленное производство руд с низким содержанием железа (менее 30–40 %), а также отходов горно-обогатительных комбинатов.

История

Разработка процесса Krupp-Renn началась в 1930 году на заводе фирмы Krupp в Эссене (Германия). Целью исследований было создание экономически эффективного метода переработки силикатных железных руд, которые не поддавались традиционным методам обогащения (например, магнитной сепарации или флотации). Первая промышленная печь была запущена в 1935 году на заводе в Рейнхаузене. К началу Второй мировой войны в Германии действовало несколько установок, обеспечивавших сырьём металлургическую промышленность.

В послевоенные годы технология получила распространение в Японии, Чехословакии, Польше и Югославии. В СССР процесс Krupp-Renn был внедрён в 1950-х годах на ряде металлургических заводов, в частности на Синарском трубном заводе (Каменск-Уральский) и на Керченском металлургическом комбинате. Наибольшее развитие процесс получил в 1960–1970-х годах, когда были построены печи большой единичной мощности (до 100 м в длину). Однако с 1980-х годов, в связи с ростом цен на энергоносители и развитием альтернативных методов прямого восстановления железа, использование процесса Krupp-Renn стало сокращаться. К началу XXI века большинство установок было остановлено.

Сущность процесса

Процесс Krupp-Renn основан на восстановлении оксидов железа углеродом (коксом или углём) при температурах 1200–1350 °C в среде вращающейся трубчатой печи. В отличие от доменной плавки, где получается жидкий чугун, в данном процессе железо выделяется в виде твёрдых губчатых частиц, которые затем отделяются от пустой породы магнитной сепарацией.

Основные стадии

1. Подготовка шихты. Исходная руда измельчается до крупности 0–10 мм, смешивается с коксовой мелочью (10–15 % от массы руды) и флюсами (известняк, доломит) для регулирования состава шлака.
2. Плавка во вращающейся печи. Шихта загружается в печь, которая вращается со скоростью 0,5–1,5 об/мин. Печь имеет наклон 2–3° к горизонту, что обеспечивает продвижение материала. В зоне нагрева (1200–1350 °C) происходит восстановление оксидов железа углеродом и монооксидом углерода. Частицы восстановленного железа (губчатое железо) слипаются в комки размером 5–30 мм, называемые круппами. Пустая порода плавится, образуя шлак.
3. Охлаждение и дробление. Продукт плавки (крупп и шлак) выгружается из печи, охлаждается и дробится до крупности 0–5 мм.
4. Магнитная сепарация. Дроблёный материал пропускается через магнитные сепараторы. Круппы (содержащие 85–95 % железа) извлекаются в магнитную фракцию, а шлак (с содержанием FeO 2–5 %) направляется в отвал или используется в строительстве.
5. Доводка. Полученный концентрат (крупп) может быть подвергнут дополнительному обогащению или брикетированию для последующей переработки в сталеплавильных агрегатах.

Технические характеристики

Вращающаяся печь для процесса Krupp-Renn представляет собой стальной барабан, футерованный огнеупорным кирпичом. Типичные размеры печей: длина 60–100 м, внешний диаметр 3,5–5 м. Производительность одной печи составляет 100–300 тыс. тонн круппа в год. Удельный расход кокса — 200–300 кг на тонну круппа, расход электроэнергии — 50–80 кВт·ч на тонну.

Применение

Процесс Krupp-Renn применялся в основном для переработки следующих типов сырья:

• Бурые железняки (лимониты, гётиты) с содержанием Fe 25–35 %.
• Силикатные руды (например, керченские руды) с высоким содержанием кремнезёма и фосфора.
• Хвосты обогатительных фабрик и шламы металлургических производств.

Полученный крупп использовался как сырьё для выплавки стали в мартеновских печах и электропечах, а также для производства чугуна в вагранках. В ряде случаев крупп применялся в качестве компонента шихты для доменных печей, что позволяло снизить расход кокса.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Возможность переработки бедных и труднообогатимых руд, которые не могут быть использованы в доменной плавке.
• Отсутствие необходимости в агломерации или окусковании шихты (в отличие от доменного процесса).
• Относительно низкие капитальные затраты на строительство установки по сравнению с доменным цехом.
• Возможность утилизации отходов (шлаков, шламов) металлургического производства.

Недостатки

• Высокий расход топлива (кокса или угля) — до 30 % от массы круппа.
• Значительный унос пыли с отходящими газами (до 10–15 % от массы шихты), требующий мощных систем газоочистки.
• Ограниченная степень извлечения железа (80–90 %), часть железа теряется со шлаком.
• Низкое качество круппа по содержанию серы и фосфора, что ограничивает его использование в производстве высококачественных сталей.
• Необходимость последующей магнитной сепарации и брикетирования.

Сравнение с другими методами

Процесс Krupp-Renn относится к группе процессов прямого восстановления железа (DRI). В отличие от более современных технологий (например, Midrex или HYL), он не требует использования природного газа и может работать на твёрдом топливе. Однако по энергоэффективности и качеству продукта он уступает газовым процессам. По сравнению с доменной плавкой, Krupp-Renn позволяет перерабатывать более бедные руды, но даёт продукт с более высоким содержанием примесей.

Распространение и современное состояние

Крупнейшие промышленные установки Krupp-Renn действовали в Германии (заводы в Рейнхаузене, Дуйсбурге), Японии (заводы компании Kobe Steel), Чехословакии (завод в Тршинеце) и СССР (Синарский трубный завод, Керченский металлургический комбинат). К концу XX века большинство печей было остановлено из-за нерентабельности. По состоянию на 2024 год, по данным открытых источников, промышленное использование процесса Krupp-Renn практически прекращено. Отдельные исследования проводятся в области переработки техногенных отходов (шламов, пылей) с использованием модифицированных вариантов технологии.

Источники

• Кудрин В. А. Теория и технология производства стали. — М.: Металлургия, 1989.
• Вегман Е. Ф., Жеребин Б. Н., Похвиснев А. Н. Металлургия чугуна. — М.: Металлургия, 1989.
• Патент DE 589 420 C1 (1933) — Krupp AG, Verfahren zur Gewinnung von Eisen aus eisenarmen Silikaterzen.
• Панфилов М. И., Шевелёв А. И. Переработка бедных железных руд методом Крупп-Ренн. — М.: Металлургиздат, 1956.
• Техническая энциклопедия. Том 12. — М.: Советская энциклопедия, 1976.