Магнитогорский государственный технический университет им. Г. И. Носова, Магнитогорск, Россия:

А. С. Харченко, заведующий кафедрой металлургии и химических технологий (МиХТ), доцент, докт. техн. наук, эл. почта: as.mgtu@mail.ru
М. И. Сибагатуллина, аспирант кафедры МиХТ
Д. М. Чукин, старший научный сотрудник научно-исследовательского сектора, канд. техн. наук
В. А. Бигеев, профессор кафедры МиХТ, докт. техн. наук

Получены уравнения, по ним выполнены расчеты и представлены графики температурной зависимости предельно высокой степени использования водорода, характеризующие восстановление железа при движении Н₂О от зоны превращения FeO в Fe к зоне превращения Fe₃O₄ в FeO и далее от зон развития этих двух реакций к зоне превращения Fe₂O₃ в Fe₃O₄ с убыванием количества водорода. В условиях доменной печи предельная величина использования водорода составляет 55–57 %. В ходе исследований на доменной печи полезным объемом 1370 м³ ПАО «ММК» увеличение отношения количеств водорода, поступающего с природным газом, и кислорода, поступающего с обогащенным воздушным дутьем, сопровождалось ростом степени использования водорода от 47,0 до 50,6 % и уменьшением удельного расхода кокса от 404,0 до 397,4 кг/т чугуна. Отношение удельных расходов кокса и всего водорода природного газа в виде углеводородов уменьшилось от 1,41 до 1,29 кг/м³. В другой серии экспериментов выявлен рациональный режим, характеризующийся повышенной реакционной способностью кокса и пониженным расходом природного газа, переход на который уменьшил удельный расход кокса от 426,4 до 423,3 кг/т чугуна. В современных условиях ПАО «ММК» снижение удельного расхода кокса на 50 кг/т чугуна возможно при потреблении дополнительного водорода в количестве 156 м³/т чугуна путем ввода в существующий трубопровод природного газа.

Статья подготовлена при поддержке гранта Президента Российской Федерации № МД-1064.2022.4.

1. Григорович К. В. Металлургия XXI века: вызовы и задачи модернизации отрасли в РФ // Доклад на XVI Международном конгрессе сталеплавильщиков и производителей металлов. Екатеринбург, 2021.
2. Ершов Ю. Л., Шакуров А. Г., Паршин В. М., Колесников А. Г., Шишов А. Ю. Водородная эра в отечественной металлургии. Сообщение 1 // Сталь. 2021. № 11. С. 50–55.
3. Рощин В. Е., Рощин А. В., Кузнецов Ю. С., Гойхенберг Ю. Н. Технологические и материаловедческие аспекты перехода в черной металлургии на безуглеродные процессы // Черные металлы. 2021. № 11. С. 10–17.
4. Еланский Д. Г. Безуглеродная черная металлургия — пути и их стоимость // XVI Международный конгресс сталеплавильщиков и производителей металлов: сб. трудов. — Екатеринбург, 2021. С. 51–56.
5. Неделин С. В. Перспективы развития черной металлургии с учетом экологических ограничений // XVI Международный конгресс сталеплавильщиков и производителей металлов: сб. трудов. — Екатеринбург, 2021. С. 38–44.
6. Шевелев В. Н. Концепция развития водородной технологии в черной металлургии России // XVI Международный конгресс сталеплавильщиков и производителей металлов: сб. трудов. — Екатеринбург, 2021. С. 22–25.
7. Торохов Г. В.,. Травянов А. Я, Голубев О. В., Черноусов П. В. Современное состояние и перспективы металлургии железа // XVI Международный конгресс сталеплавильщиков и производителей металлов: сб. трудов. — Екатеринбург, 2021. С. 26–37.
8. Kobel coverifiziert Technologie zur Senkungder СО₂ Emissionen von Hochoffen // Stahl und Eisen. 2021. Vol. 141. № 4. P. 10.
9. Чайка А. Л., Лебедь В. В., Корнилов Б. В., Москалина А. А. и др. Теплоэнергетический анализ технологий уменьшения выбросов диоксида углерода и повышения энергоэффективности доменного производства // Сталь. 2021. № 1. С. 81–84.
10. Dillinger und Saarstahl weihen neue Kokseindussing-sanlage ein // Stahl und Eisen. 2020. Vol. 140, Iss. 9. P. 10.
11. Okosun T., Nielsson S., D'Alessio J., Rlaas M. et al. Investigation of high-rate and pre-heated natural gas injection in the blast furnace // Iron and Steel Technology Conference and Exposition (AISTech 2019), Pittsburg, 6–9 may, 2019. Warrendale (Pa). 2019. P. 383–398.
12. Heikkila Anne M., Koskela Aki M., Iljana Mikko O., Lin Rongshan et аl. Coke gasification in blast furnace shaft conditions with Н₂ and Н₂О containing atmospheres // Steel Res Int. 2021.Vol. 92, Iss. 3. P. 2000456.
13. Chen-chen Lan, Shu-hui Zhang, Xiao-jie Liu, Ran Liu, Qing Lyu. Gasificatin behafiors of coke in a blast furnace with and without H₂ // ISIJ Int. 2021. Vol. 61. № 1. Р. 158–166. DOI: 10.2355/isijinternational.ISIJINT-2020-372.
14. Шкодин К. К. Влияние добавок водорода к оксиду углерода на восстановление агломератов с различной физической структурой // Сталь. 1963. № 2. С. 97–104.
15. Грибков А. А., Шевелев Н. Н., Бродов А. А. Реализация энергосберегающих технологий в черной металлургии России — ключевой фактор выполнения парижских соглашений по климату // Металлург. 2021. № 2. С. 4–8.
16. Duarto Pablo, Dorndorf Markus. Technological achievements and experience on H₂ use for DRI production in Energiron Plats // Stahl und Eisen. 2019. Vol. 139. № 10. S. 38–43.
17. Duarto Pablo. Trends in H₂-based steelmaking // Steel Times Int. 2019. Vol. 43. № 1. P. 27–32.
18. Auch an der Saar: Wasserstoff im Hochofen zur CO₂ – Mindering // Stahlreport. 2019. Vol. 74. № 7-8. S. 10.
19. Овчинников А. М. Модернизация оборудования и реконструкция заводов черной металлургии за рубежом // Черная металлургия. 2019. Vol. 75. № 6. С. 754–760.
20. Energieflexible Fabriken fur tine erfolgreiche Energiewende // Stahl und Eisen. 2019. Vol. 139. № 11. S. 6.
21. Tata Steel pruft CO₂ – Speicherung in der Nordsee // Stahl und Eisen. 2019. Vol. 139. № 10. S. 38–43.
22. Thyssenkrupp Steel Europe startet erstmalig Einsatz von Wasstrstoff im Hochofen // Stahl und Eisen. 2019. 139. № 12. S. 24.
23. Agrawal A. K., Kinzel K. P., Rosner B., Kappes H. et al. The Blast furnace in view of past, current and future CO₂ saving technologies // METEC and 4 European Steel Technology and Application Days (ESTAD). Dusseldorf, 25–29 June. Dusseldorf, 2019.
24. Ahmed H., Sideris D., Lennartsson A., Prasad P. N. et al. Effect of H₂ – rich carbonaceous materials, ash on physicochemical properties of raceway slag and coke reactivity // METEC and 4 European Steel Technology and Application Days (ESTAD). Dusseldorf, 25–29 June. Dusseldorf, 2019.
25. Дмитриев А. Н., Золотых М. О., Витькина Г. Ю. Совершенствование аглодоменного производства с использованием цифровых технологий в рамках «Индустрии 4.0» // Черная металлургия. Бюллетень научно-технической и экономической информации. 2020. Т. 76. № 4. С. 339–345.
26. Спирин Н. А., Лавров В. В., Рыболовлев В. Ю., Шнайдер Д. А., Краснобаев Н. В., Гурин И. А. Цифровая трансформация пирометаллургических технологий: состояние, научные проблемы и перспективы развития // Известия вузов. Черная металлургия. 2021. Т. 64. № 8. С. 588–598.
27. Гольдштейн Н. Л. Водород в доменном процессе. — М. : Металлургиздат, 1971. — 208 с.
28. Бабарыкин Н. Н., Крюков Н. М., Новиков В. С., Юшин Ф. А., Сибагатуллин С. К. Применение комбинированного дутья в доменных печах Магнитогорского металлургического комбината // Сталь. 1976. № 3. С. 204–208.
29. Сибагатуллин С. К., Терентьев В. Л. Предельная степень использования газа-восстановителя в доменной печи // Сталь. 2000. № 1. С. 11–14.
30. Сибагатуллин С. К., Колокольцев В. М., Бигеев В. А., Бородин А. А. Предельная степень использования водорода в реакциях восстановлении железа из оксидов // Теория и технология металлургического производства: межрегион. сб. научн. тр. / под ред. В. М. Колокольцева. Вып. 10. — Магнитогорск : ГОУ ВПО «МГТУ», 2010. С. 4–11.
31. Бигеев В. А., Сибагатуллин С. К., Харченко А. С., Потапова М. В. Определение расхода водорода для твердофазного селективного восстановления комплексного железорудного сырья в лабораторных условиях // Черные металлы. 2021. № 12 (1080). С. 25–30. DOI: 10.17580/chm.2021.12.05

32. Сибагатуллин С. К., Харченко А. С. Выявление рациональной последовательности набора компонентов сырья в бункер БЗУ лоткового типа физическим моделированием // Вестник МГТУ им. Г. И. Носова. 2015. № 3 (51). С. 28–34.
33. Сибагатуллин С. К., Харченко А. С., Бегинюк В. А., Селиванов В. Н., Чернов В. П. Совершенствование хода доменного процесса повышением расхода природного газа по газодинамике в верхней ступени теплообмена // Вестник МГТУ им. Г. И. Носова. 2017. № 1 (15). С. 37–44.
34. Рамм А. Н. Современный доменный процесс. — М. : Металлургия, 1980. — 304 с.
35. Юсфин Ю. С., Пашков Н. Ф. Металлургия чугуна : учебник для вузов. — М. : ИКЦ «Академкнига», 2007. — 464 с.
36. Вегман Е. Ф., Жеребин Б. Н., Похвиснев А. Н., Юсфин Ю. С., Курунов И. Ф., Пареньков А. Е., Черноусов П. И. Металлургия чугуна : учебник для вузов / под ред. Ю. С. Юсфина. — 3-е изд., перераб. и доп. — М. : ИКЦ «Академкнига», 2004. — 774 с.
37. Доменное производство. Справочник / Под редакцией Е. Ф. Вегмана. — М. : Металлургия, 1989. — 496 с.
38. Шаповалов А. Н. Теория металлургических процессов : учебно-методическое издание. — Новотроицк : НФ НИТУ «МИСиС», 2015. — 91 c.
39. Попов Е. С., Сущенко А. В., Васильева Л. Е., Томаш М. А. Повышение эффективности использования ПУТ в доменном производстве // VIII Международный конгресс доменщиков «Металлургия чугуна — вызовы XXI века»: сб. трудов. — М. : Издательский дом «Кодекс», 2017. С. 138–145.