Процесс Midrex

Процесс Midrex — это промышленный способ прямого восстановления железа из железорудного сырья (окатышей или кусковой руды) с использованием природного газа в качестве восстановителя. Процесс позволяет получать металлизованный продукт — горячебрикетированное железо (ГБЖ) или прямое восстановленное железо (DRI, от англ. Direct Reduced Iron), которое используется в качестве высококачественной шихты для электросталеплавильных печей. Технология Midrex является наиболее распространённым в мире методом прямого восстановления железа, на который приходится более 60 % мирового производства DRI.

История

Разработка процесса Midrex началась в 1960-х годах в США компанией Midland-Ross Corporation. Первая промышленная установка была запущена в 1969 году в Портленде (штат Орегон, США) производительностью около 150 тыс. тонн DRI в год. В 1970-е годы, в связи с ростом цен на кокс и дефицитом металлолома, технология получила распространение в странах с доступным природным газом — на Ближнем Востоке, в Латинской Америке и Юго-Восточной Азии. В 1983 году права на технологию приобрела компания Kobe Steel (Япония), которая впоследствии совместно с Midrex Technologies Inc. (США) занималась её дальнейшим совершенствованием и лицензированием. К 2020-м годам в мире действовало более 70 модулей Midrex общей мощностью свыше 100 млн тонн DRI в год.

В СССР и России процесс Midrex не получил широкого промышленного внедрения. В 1980-е годы была построена опытно-промышленная установка на Лебединском горно-обогатительном комбинате (ЛГОК, Белгородская область), однако её работа была ограничена. В 2010-х годах на ЛГОКе был запущен цех по производству ГБЖ с использованием технологии HYL (аналог Midrex), но собственно процесс Midrex в России промышленно не применяется.

Принцип действия

Процесс Midrex основан на противоточной реакции восстановления оксидов железа (Fe₂O₃, Fe₃O₄, FeO) газовой смесью, состоящей преимущественно из водорода (H₂) и оксида углерода (CO). Восстановительный газ получают путём конверсии природного газа (метана CH₄) с использованием диоксида углерода (CO₂) и водяного пара в специальном риформере.

Основные химические реакции:

• Fe₂O₃ + 3H₂ → 2Fe + 3H₂O
• Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂
• CH₄ + CO₂ → 2CO + 2H₂ (конверсия метана)
• CH₄ + H₂O → CO + 3H₂ (паровая конверсия)

Технологическая схема

1. Подготовка сырья: Железорудные окатыши или кусковая руда с содержанием железа не менее 64–66 % загружаются в верхнюю часть шахтной печи.
2. Восстановление: Восстановительный газ (при температуре 850–950 °C) подаётся в нижнюю часть печи и движется вверх, проходя через слой руды. Время пребывания материала в печи составляет 4–6 часов. Степень металлизации (превращения оксидов железа в металлическое железо) достигает 92–96 %.
3. Охлаждение: Полученное DRI (горячее, около 700 °C) поступает в зону охлаждения, где продувается инертным газом (азотом) или охлаждается водой до температуры 50–100 °C.
4. Брикетирование: Для предотвращения повторного окисления (пирофорности) DRI может быть горячебрикетировано в ГБЖ (плотность 5,0–5,5 г/см³) или гранулировано. ГБЖ удобно транспортировать и хранить.

Классификация продуктов

Продукты процесса Midrex делятся на два основных типа:

• Прямое восстановленное железо (DRI): рыхлый, пористый продукт с содержанием металлического железа 85–92 %. Из-за высокой реакционной способности (пирофорности) DRI требует немедленной переработки в сталеплавильной печи или брикетирования.
• Горячебрикетированное железо (ГБЖ): DRI, спрессованное в брикеты при температуре 600–700 °C. ГБЖ имеет плотность 5,0–5,5 г/см³, устойчиво к окислению, пригодно для длительного хранения и транспортировки на большие расстояния.

По химическому составу DRI и ГБЖ содержат:

• Fe (общее): 90–94 %
• Fe (металлическое): 85–92 %
• C: 1,0–2,5 %
• SiO₂ + Al₂O₃: 2–5 %
• S: 0,005–0,03 %
• P: 0,01–0,05 %

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Энергоэффективность: Расход природного газа составляет 2,2–2,5 Гкал на тонну DRI (в пересчёте на углерод — около 0,6–0,7 т условного топлива), что значительно ниже, чем в доменном процессе (0,5–0,6 т кокса на тонну чугуна).
• Экологичность: Выбросы CO₂ на 30–50 % ниже, чем при доменной плавке, отсутствует выброс коксового газа, сернистых соединений и пыли от коксохимического производства.
• Гибкость по сырью: Возможность использования различных типов железорудного сырья (окатыши, кусковая руда, смеси).
• Компактность: Установки Midrex занимают меньшую площадь по сравнению с доменным комплексом (включая коксохимическое и агломерационное производство).

Недостатки

• Зависимость от природного газа: Процесс экономически эффективен только в регионах с дешёвым природным газом (Ближний Восток, Северная Африка, Россия, США). При высоких ценах на газ (свыше 200–300 долл./тыс. м³) конкурентоспособность снижается.
• Ограничения по качеству руды: Требуется сырьё с высоким содержанием железа (более 64 %) и низким содержанием пустой породы (SiO₂ + Al₂O₃ менее 5 %). Использование руд с высоким содержанием фосфора или серы ограничено.
• Пирофорность DRI: Небрикетированное DRI самовозгорается на воздухе, что требует специальных условий хранения и транспортировки.
• Капитальные затраты: Строительство модуля Midrex мощностью 1 млн тонн в год обходится в 300–500 млн долл. (на 2020-е годы), что сопоставимо с доменным комплексом, но без инфраструктуры коксохимии.

Применение

Основное назначение DRI и ГБЖ, полученных по процессу Midrex, — замена металлолома в электродуговых печах (ЭДП) при выплавке стали. Преимущества использования DRI/ГБЖ:

• Чистота: Содержание примесей (Cu, Zn, Pb, Sn) значительно ниже, чем в металлоломе, что позволяет получать высококачественные стали (автомобильный лист, трубные марки, нержавеющие стали).
• Стабильность состава: В отличие от лома, DRI/ГБЖ имеет предсказуемый химический состав, что упрощает управление плавкой.
• Возможность непрерывной загрузки: DRI/ГБЖ можно загружать в ЭДП непрерывно через сводовые или боковые загрузочные устройства, повышая производительность печи на 15–25 %.

Доля DRI/ГБЖ в шихте ЭДП может составлять от 10 до 100 % в зависимости от требований к качеству стали и доступности лома. Крупнейшие потребители — сталелитейные заводы в США, Европе, Китае, Индии и странах Ближнего Востока.

Экономика и география

На 2023 год крупнейшими производителями DRI по процессу Midrex являются:

• Иран: около 30 млн тонн в год (заводы Mobarakeh Steel, Khouzestan Steel, Esfahan Steel).
• Индия: около 25 млн тонн в год (заводы JSW Steel, Tata Steel, Essar Steel).
• Россия: производство DRI/ГБЖ по технологии Midrex отсутствует; основным производителем ГБЖ является ЛГОК (технология HYL) — около 2,5 млн тонн в год.
• США: около 10 млн тонн в год (заводы Nucor, Steel Dynamics).
• Саудовская Аравия: около 8 млн тонн в год (SABIC, Hadeed).

Средняя себестоимость производства DRI по процессу Midrex в 2020–2023 годах составляла 150–250 долл./т (в зависимости от цен на газ и руду), что ниже себестоимости чугуна (250–400 долл./т) и сопоставимо с ценами на качественный металлолом (200–300 долл./т).

Перспективы развития

В 2020-х годах процесс Midrex рассматривается как одна из ключевых технологий для декарбонизации чёрной металлургии. Основные направления развития:

1. Использование «зелёного» водорода: Замена природного газа на водород, полученный электролизом воды с использованием возобновляемых источников энергии (солнечной, ветровой). Пилотные проекты (например, HYBRIT в Швеции) демонстрируют возможность снижения выбросов CO₂ до нуля.
2. Интеграция с улавливанием CO₂: Установка систем CCS (Carbon Capture and Storage) на риформерах для улавливания до 90 % углекислого газа.
3. Модульные установки малой мощности: Разработка компактных модулей мощностью 100–300 тыс. тонн в год для регионов с ограниченными ресурсами.
4. Совершенствование катализаторов: Разработка катализаторов для низкотемпературной конверсии метана (600–700 °C), что снизит энергозатраты.

По оценкам Международного энергетического агентства (МЭА), к 2050 году доля DRI/ГБЖ в мировом производстве стали может достигнуть 30–40 % (против 7–8 % в 2020 году), при этом основная часть прироста будет обеспечена процессом Midrex.

Источники

• Chatterjee, A. (2012). Sponge Iron Production by Direct Reduction of Iron Oxide. PHI Learning.
• Midrex Technologies Inc. (2023). World Direct Reduction Statistics.
• Международное энергетическое агентство (2022). Iron and Steel Technology Roadmap.
• Кудрин, В. А. (2015). Металлургия железа: доменный и бездоменный процессы. Москва: Металлургиздат.
• Роменец, В. А. (2018). Прямое восстановление железа: теория и практика. Москва: МИСиС.