ФГАОУ «Южно-Уральский государственный университет» (НИУ), Челябинск, Россия:

В. Е. Рощин, профессор кафедры «Пирометаллургические и литейные технологии», докт. техн. наук, e-mail: vero@susu.ru
А. В. Рощин, ведущий научный сотрудник кафедры «Пирометаллургические и литейные технологии», докт. техн. наук, доцент
Ю. С. Кузнецов, профессор кафедры «Материаловедение и физикохимия материалов», канд. техн. наук
Ю. Н. Гойхенберг, старший научный сотрудник кафедры «Материаловедение и физикохимия материалов», докт. техн. наук, профессор

Рассмотрены вопросы использования в черной металлургии в качестве восстановителя водорода вместо углерода. Показана целесообразность такой замены не только с позиций уменьшения выбросов парникового диоксида углерода, но также для сокращения и упрощения технологического процесса, улучшения использования тепловой энергии в технологическом процессе, расширения возможностей переработки комплексных и бедных руд путем селективного восстановления железа и получения второго продукта в виде концентрата оксидов невосстановленных металлов, уменьшения затрат на подготовку сырья вследствие исключения операций производства кокса и агломерата, получения безуглеродистой стали с повышенным комплексом физико-механических свойств благодаря легированию азотом и нитридному упрочнению. С позиций электрон-вакансионной теории восстановления проанализированы неизбежные при этом изменения в механизме восстановительных процессов и технологические следствия образования вместо чугуна металлической фазы в виде железа. Рассмотрены наиболее перспективные для проведения таких технологических процессов металлургические агрегаты.

1. Энергетическая стратегия Российской Федерации на период до 2035 года. URL: https://minenergo.gov.ru/node/1026
2. Правительство Российской Федерации утвердило план мероприятий по развитию водородной энергетики. URL: https://minenergo.gov.ru/node/19194
3. План мероприятий «Развитие водородной энергетики в Российской Федерации до 2024 года». URL: http://static.government.ru/media/files/7b9bstNfV640nCkkAzCRJ9N8k7uhW8mY.pdf
4. В России создан научный консорциум по развитию водородных технологий. URL: https://ria.ru/20201113/tpu-1584487143.html
5. Мастепанов А. Водородная энергетика России: состояние и перспективы // Энергетическая политика. 2020. № 12(154). С. 54–65.
6. Roshchin V. E., Roshchin A. V. Electron mechanism of reduction processes in blast and ferroalloy furnaces // CIS Iron and Steel Review. 2019. Vol. 17. P. 14–24.
7. Рощин В. Е., Рощин А. В. Электронный механизм восстановительных процессов в доменных и ферросплавных печах // Вестник ЮУрГУ. Серия «Металлургия». 2020. Т. 20. № 2. С. 12–32. DOI: 10.14529/met200202
8. Рощин В. Е., Рощин А. В. Физика пирометаллургических процессов. — Москва; Вологда : Инфра-Инженерия, 2021. — 304 с.
9. Павлов В. В. Несообразности металлургии. — Екатеринбург : Изд-во УГГУ. 2013. — 212 с.
10. Любан А. П. Анализ явлений доменной плавки. — М. : Металлургиздат,1962. — 532 с.
11. Богданди Л., Энгель Г.-Ю. Восстановление железных руд. — М. : Металлургия, 1971. — 520 с.
12. Карабасов Ю. С., Чижикова В. М. Физика и химия восстановления железа из оксидов. — М. : Металлургия, 1986. — 200 с.
13. Вегман Е. Ф., Жеребин Б. Н., Похвистнев А. Н. и др. Металлургия чугуна: учебник для вузов. — 2-е изд., испр. и доп. — М. : Металлургия, 1989. — 512 с.
14. Дмитриев А. Н., Шумаков Н. С., Леонтьев Л. И., Онорин О. П. Основы теории и технологии доменной плавки. — Екатеринбург : УрО РАН, 2005. — 545 с.
15. Попель С. И., Сотников А. И., Бороненков В. Н. Теория металлургических процессов. — М. : Металлургия, 1986. — 463 с.
16. Юсфин Ю. С., Пашков Н. Ф. Металлургия железа. — М. : ИКЦ «Академкнига», 2007. — 464 с.
17. Рощин В. Е., Рощин А. В., Ахметов К. Т. Механизм и последовательность восстановления металлов в решетке хромшпинелида // Металлы. 2014. № 2. С. 3–10.
18. Рощин В. Е., Рощин А. В., Ахметов К. Т. и др. Формирование металлической и карбидных фаз при получении углеродистого феррохрома: теория и эксперимент // Проблемы черной металлургии и материаловедения. 2015. № 1. С. 5–18.
19. Рощин В. Е., Рощин А. В., Ахметов К. Т., Салихов С. П. Роль силикатной фазы в процессах восстановления железа и хрома и их окисления с образованием карбидов при производстве углеродистого феррохрома // Металлы. 2016. № 5. С. 11–22.
20. The MIDREX® plant is extremely flexible and can accommodate the initial transitions from a carbon to a hydrogen economy. URL: https://www.midrex.com/technology/midrex-process/midrex-h2/
21. Никелевый проект Кониамбо. URL: https://www.mining-technology.com/projects/koniambo-nickel-project/
22. EPOS-PROCESS — процесс прямого восстановления. Плазменная руднотермическая технология. Переработка железной руды. URL: https://epos-nsk.ru/epos-technology/epos-process-process-pryamogo-vosstanovleniya/
23. Boston Metal: электролиз как чистая альтернатива производству стали. URL: https://econet.ua/articles/boston-metal-elektroliz-kakchistaya-alternativa-proizvodstvu-stali
24. Рашев Ц. В. Высокоазотистые стали. Металлургия под давлением. — София : Изд-во Болгарской АН «Проф. Марин Дринов», 1995. — 268 с.
25. Банных О. А., Блинов В. М., Костина М. В. Азот как легирующий элемент в сплавах на основе железа. Фазовые и структурные превращения в сталях // Сб. научн. тр., вып. 3 / под ред. В. Н. Урцева. — Магнитогорск, 2003. — 576 с.
26. Костина М. В., Ригина Л. Г. Азотсодержащие стали и способы их производства // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 2020. Т. 63. № 8. С. 606–622.
27. Lee J. B., Yoon S. I. Effect of nitrogen alloying on the semiconducting properties of passive films and metastable pitting susceptibility of 316L and 316LN stainless steels // Materials Chemistry and Physics. 2010. Vol. 122. P. 194–199. DOI: 10.1016/j.matchemphys.2010.02.033
28. Гойхенберг Ю. Н., Журавлев Л. Г., Мирзаев Д. А., Журавлева В. В., Силина Е. П., Внуков В. Ю. Исследование коррозионного растрескивания, структуры и свойств упрочненных Cr-Mn аустенитных сталей с азотом // Физика металлов и металловедение. 1988. Т. 65, Вып. 6. С. 1131–1137.
29. Fu Y. et al. Effects of nitrogen on the passivation of nickel-free high nitrogen and manganese stainless steels in acidic chloride solutions // Electrochimica Acta. 2009. Vol. 54. P. 4005–4014. DOI: 10.1016/j.electacta.2009.02.024
30. Мазничевский А. Н., Гойхенберг Ю. Н., Сприкут Р. В. Электронно-микроскопические исследования выделений избыточных фаз, оказывающих влияние на межкристаллитную коррозию хромоникелевых аустенитных сталей // Физика металлов и металловедение. 2021. Т. 122. № 4. С. 388–395.
31. Шпайдель М. О. Новые азотсодержащие аустенитные нержавеющие стали с высокими прочностью и пластичностью // Металловедение и термическая обработка металлов. 2005. № 11. С. 9–14.
32. Коршунов Л. Г., Гойхенберг Ю. Н., Черненко Н. Л. Влияние легирования и термической обработки на структуру и трибологические свойства азотсодержащих нержавеющих аустенитных сталей при абразивном и адгезионном изнашивании // Металловедение и термическая обработка металлов. 2007. № 5. С. 9–18.
33. ГОСТ 12.1.005–76. Система стандартов безопасности труда. Воздух рабочей зоны. Общие санитарно-гигиенические требования. Введ. 01.01.1977.
34. Oldfield J. W. Crevice Corrosion Resistance of Commercial and High-Purity Experimental Stainless Steels in Marine Environments — The Influence of N, Mn, and S // Corrosion. 1990. Vol. 46 (7). P. 574–581. DOI: 10.5006/1.3585151
35. Мазничевский А. Н., Гойхенберг Ю. Н., Сприкут Р. В. Влияние азота, бора и редкоземельных металлов на технологическую пластичность и коррозионную стойкость аустенитной стали // Черные металлы. 2020. № 9. С. 25–31.
35. Рашев Ц. В., Жекова Л. Ц., Богев П. В. О развитии металлургии под давлением // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 2017. Т. 60. № 1. C. 60–66.
36. Рашев Ц. В., Елисеев А. В., Жекова Л. Ц., Богев П. В. Высокоазотистые стали // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 2019. Т. 62. № 7. С. 503–510.