Агломерат Руда Флюс Каменный уголь

для использования

в промышленности строительных материалов

Жидкие

отходы

отходы

Чугун

Производство стали

Электросталь

Газоочистка

отходы

отходы
Сталь

Газообразные

отходы

отходы

Рис. 13.1. Принципиальная схема производства стали

Рис. 13.2. Доменная печь:

1 — защитные сегменты колошника; 2 — большой конус; 3 — приёмная воронка; 4 — малый конус; 5 — распределитель шихты; 6 — воронка большого конуса; 7 — наклонный мост; 8 — скип; 9 — воздушная фурма; 10 — чугунная лётка; 11 — шлаковая лётка.

Эта реакция обратима, равновесие ее тем сильнее смещается впра­во, чем ниже температура, и преимущественно идёт в верхней час­ти доменной печи. Часть Fe₂O₃ восстанавливается лишь до FeO, который, попадая в нижнюю часть домны – зону высокой температуры, восстанавливается непосредственно углем:

Железные руды, содержащие кислые породы (диоксид кремния или оксид алюминия), предварительно смешивают с основными добавками, обычно известняком, так называемые флюсы, введение которых в настоящее время осуществляется на стадии агломерации. Руды, содержащие основную породу, смешивают с кислыми добавка­ми (песком, гранитом). Флюсы, образуют с пустой породой легко­плавкие шлаки, собирающиеся на поверхности расплавленного чу­гуна, так называемые доменные шлаки, которые периодически удаляются из печи.

Расплавленное железо растворяет углерод, кремний, фосфор, серу и марганец, образуя чугун, используемый непосредственно для отлив­ки в формах либо перерабатываемый на сталь. С этой целью чугун под­вергают обработке для удаления углерода и остальных примесей до нужной степени чистоты, которую осуществляют в конверторах (рис.13.3) или мартеновских печах (рис.13.4), а при получении специальных сталей, в электропечах.

Рис. 13.3. Схема положения конвертера при заливке чугуна (а), продувке (б) и сливе стали в ковш (в).

Рис.13.4. Мартеновская печь:

А – поперечный разрез рабочего пространства печи,

Б – разрез головки печи.
В производстве проката наибольшую трудность вызывает очист­ка газов от травильных ванн, в которых наряду с оксидами азота и парами кислот содержатся такие высокотоксичные примеси, как соединения мышьяка. Сложную проблему представляет также пере­работка сбросных травильных растворов.

Коксохимическое производство сопряжено с выделением больших количеств пыли, газов и сточных вод. Стоки коксохимического производства содержат такие опасные вещества (и в тоже время ценные), как аммиак, фенолы, цианиды, сероводород, смолистые вещества и другие канце­рогенные соединения.

В ближайшие десятилетия производство стали и сплавов, на основе железа, будет использовать преимущественно традиционную технологию. Поэтому задача создания безотходного металлургичес­кого производства главным образом решается в настоящее время путем его последовательного усовершенствования за счет снижен­ия материало- и энергоёмкости, а также использования образую­щихся отходов.

7 – каркас машины.

Улучшение подготовки сырья к доменной плавке (повышение степени обогащения железосодержащих руд, постоянство химического состава, физико-механических и гранулометрических харак­теристик агломерата и окатышей, использование неофлюсованных окатышей, частично восстановленного сырья) обеспечивает значи­тельный рост производительности доменных печей и снижение расхода кокса.

Классическим топливом для агломерационных процессов служит коксовая мелочь. Почти 90% её общего количества в нашей стране расходуется на производство агломерата. Благодаря работам по увеличению прочности и улучшению качества кокса выход коксовой мелочи сокращается. Перед агломерационным производством возникает проблема замены коксовой мелочи на другие виды топлива, которые не вызывали бы изменения основных показателей процесса спекания агломерата. Твердое топливо, применяемое в агломерационном производ­стве, должно отвечать определенным требованиям: содержать ми­нимальное количество золы (не выше 15%) и летучих (не более З-6%). В настоящее время в качестве заменителя коксовой мелочи при агломерации широко используется антрацит и так называемый антрацитовый штыб.

На сегодня доменный процесс остается наиболее экономичным по сравнению с другими методами получения железа. Основное направ­ление совершенствования доменного процесса связано со снижением его энергоемкости, поскольку затраты на топливо в себестоимости чугуна составляют около 40%. Главным здесь является совершенст­вование техники и технологии самого доменного процесса и про­цессов агломерирования железорудной составляющей шихты, что при­водит к значительному сокращению удельного расхода кокса при выплавке чугуна. Так, расход кокса на 1 т чугуна снизился с 935 кг в 1950 г. до 515 кг в 1978 г., что привело и к соответ­ствующему снижению выхода побочной продукции и отходов производства (доменного газа, шлака и др.).

Основные направления технического прогресса в доменном производстве включают:

• 
  совершенствование конструкций и повышение мощности доменных печей;
  
• 
  улучшение подготовки железорудной шихты;
  
• 
  применение кислорода и частичная замена кокса различными углеродсодержащими веществами (газообразными, жидкими и измель­ченными твердыми);
  
• 
  повышение степени нагрева доменного дутья и повышение давления газа в рабочем пространстве печи.
  

В целях со­кращения затрат на топливо путем снижения его расхода из доменной печи, были вынесены процессы разложения известняка. В настоя­щее время эти процессы осуществляются при производстве агломерата, где используется более дешевое топливо.

Большой интерес вызывают работы по интенсификации доменного процесса и использованию различных заменителей кокса, что позволяет снизить его расход до 380-430 кг/т чугуна. Для интен­сификации доменного процесса широко используется высокотемпера­турное дутье, обогащенное кислородом в сочетании с природным газом. Все большее применение находит комбинированное дутье с использованием различных восстановительных реагентов: твер­дого, жидкого и газообразного топлива (в нашей стране в основном природный газ, за рубежом – мазут) в сочетании с обогащением дутья кислородом. Проводятся опытные работы с применением кок­сового газа и угольной пыли. В будущем реально снижение расхода кокса на современных доменных печах до 300-350 кг/т чугуна.

В черной металлургии для травления изделий применяют серную, со­ляную, азотную, фосфорную, плавиковую кислоты и их смеси. Наиболее широко распространено травление с использованием серной кислоты. Сбросные травильные растворы и кислые промывные воды, как правило, нейтрализуются известковым молоком, что приводит к образованию боль­шого количества не утилизируемых шламов и затрудняет повторное ис­пользование воды вследствие растворения в ней сульфата кальция. Использование в качестве травильных растворов соляной кислоты позволяет сделать процесс практически безотходным. Так, образующийся при травлении раствор хлорида железа подвергают пирогидролизу по реакции:

Колошниковая пыль – это преимущественно железорудная пыль (35-50% железа), выносимая че­рез колошник доменной печи под воздействием дутья.

Вынос колошниковой пыли колеблется в зависимости от условий работы печи в пределах 20-120 кг/т чугуна. Системой очистки доменного газа улавливается до 95% колошниковой пыли, которая направляется на агломерацию.

Доменный скрап представляет собой по составу чугун, остав­шийся в желобах, ковшах, а также мелкие частицы его, теряемые при разливке.

Количество доменного скрапа составляет 1,5-3,5% от массы жидкого чугуна. Среднее содержание железа в скрапе – 85%.

Доменный шлак – сплав алюмосиликатов содержит небольшое ко­личество железа в виде корольков и не полностью восстановленных оксидов и повторно в металлургии не используется. Он является первоклассным сырьем для строительной индустрии.

Создание безотходного металлургического производства невоз­можно без максимального использования вторичных энергетических ресурсов. В доменном производстве это тепло отходящих газов, шлака, систем охлаждения, кинетическая энергия отходящих газов.

Значительное количество различных отходов образуется в про­катном производстве: металлоотходы, тепло отходящих газов и испарительного охлаждения, окалина, сварочный шлак и др. Свароч­ный шлак (окисленный во время нагрева металл) из-за его засоренности повторно используется лишь частично в доменной шихте. Окалина идет на агломерацию или в доменные печи.

На настоящем этапе основной задачей в области использования металлургических шлаков является полная их переработка и в результате этого организация безотвальной работы металлургического предприятия. Наиболее широко при этом используется грануляция, как наиболее простой, дешевый, универсальный и производительный способ переработки шлаков.

В 1978 г. в нашей стране по переработке доменных шлаков работало 68 установок, в том числе по производству гранулированного шлака – 46, по производству шлаковой пемзы – 5, по производству шлакового литого щебня – 5, по производству шлаковой ваты из расплава – 6. На металлургических заводах большинство этих установок подчинено доменным цехам.

Состояние шлакопереработки существенно отличается на различ­ных металлургических заводах. Так, например, на заводе "Азовсталь" в г. Мариуполь перерабатывались все шлаки текущего выхода и ин­тенсивно разрабатывались шлаковые отвалы. С учётом отвальных шлаков уровень шлакопереработки составляет 123,5% к объему шлаков текущего выхода. Из общего количества перерабатываемых шлаков 2,5 млн. т в год 32% выпускалось в виде гранулированного шлака, 37% в виде шлаковой пемзы, 28% в виде шлакового щебня и 3% в виде шлаковаты. Полностью использовались шлаки на Новолипецком, Таганрогском и Краматорском заводах, на заводе им. Пет­ровского и ряде других. В настоящее время нет ни одного домен­ного цеха без установки по переработке шлаков.

В целом, на металлургических заводах образуется ежегодно более 3 млн. т графитсодержащих отходов, включающих около 800 тыс. т чугунного скрапа и почти 200 тыс. т графита.

В числе отходов в черной металлургии видное место занимает металлургический оксид железа, который стал находить применение лишь в самое последнее время. Металлургический оксид железа является ценным и дефицитным сырьем для производства ферритов и постоянных магнитов, синтетических железно-окисных пигментов, железного порошка для литейного производства и др. Основным промышленным способом получения оксида железа является термическое разложение железного купороса.

Перспективной сырьевой базой для развития побочных произ­водств на заводах черной металлургии является технологический унос (возгоны) доменных и мартеновских печей. Так, тонкий и сред­ний унос, формирующийся главным образом в зоне основных реакций, часто является богатым полиме­таллическим, графитовым или другим концентратом (тонкий унос доменных печей содержит до 10% Zn и Pb); унос мартеновских печей и конвертеров представляет собой практически чистый оксид железа – сурик.
13.4. Использование вторичных топливно-энергетических ресурсов в черной металлургии
Степень полезного использования топлива в отрасли составляет 30-33%. Остальное количество, измеряемое сотнями тысяч тонн условного топлива в год, безвозвратно теряется в ви­де различиях тепловых отходов. Так, средний энергетический КПД мартеновских печей составляет всего 30-38%, нагревательных пе­чей – 28-32% и т.д. Высокий расход тепла в черной металлургии обусловливает высокие затраты на топливо и энергетические нужды, составляющие более 30% общих затрат на производство металлургической продукции. При современном уровне развития техники степень воз­можного использования внутренних (вторичных) энергетических ре­сурсов (горючие газы и физическое тепло) на металлургических заводах может быть доведена до 80%.

Особенность черной металлургии составляет наличие большого количества вторичных энергетических ресурсов. Среди них наибольшее значение имеют газы (коксовые, доменные, ферросплавных печей, конвертерные). В 1978 г. валовый выход коксового газа составил 31,2 млрд. м³, доменного – 197 млрд. м³. Коксовый газ используется практически полностью. Увеличивает­ся потребление коксового и доменного газов на ТЭЦ и котельных (буферные потребители). Трудности использования энергии конверторных газов, содержащих до 90% СО, связаны с периодич­ностью процесса их образования.

Следующим по объему вторичным энергетическим ресурсом в ме­таллургии является тепло доменных и сталеплавильных шлаков. Как и отходящие газы, шлаки отвечают необходимым для организации процесса утилизации тепла требованиям: высокой температуре (1250-1450⁰С), большому количеству и во многих случаях, непрерывности процесса. Однако из-за конструктивных и технологических трудностей перевода шлаков из жидкого состояния в твердое это тепло практически не используется.

В числе других до конца не решенных проблем рационального использования энергетических ресурсов в черной металлургии зна­чительное место принадлежит использованию потенциальной энергии избыточного давления доменного и природного газов. С развитием техники и технологии доменного про­изводства получила широкое распространение работа доменных пе­чей при повышенном давлении, которая характеризуется лучшим распределением газов по печи и использованием их восстановительной способности, уменьшением выноса шихтовых материалов из печи, снижением расхода кокса на выплавку чугуна, увеличением произ­водительности. Более чем 75% доменных печей выплавляют чугун при повышенном давлении, до­стигающем 0,35 МПа. Перед заводской разводящей газовой магистралью избыточное дав­ление газа сбрасывается на специальных дроссельных устройствах, где для доменной печи объёмом 2000 м³ с избыточ­ным давлением 0,25 МПа теряется до 100 млн. кВт/ч энергии расши­ряющегося газа.

Аналогичные потери возникают и при потреблении в металлур­гической промышленности природного газа, использование которого в отрасли достигает 15% его общего потребления в стране. В связи с большим объёмом потребления и передачи на значительные рассто­яния транспортировка природного газа к потребителям производится в трубопроводах под большим давлением, доходящим до 75 МПа/см². Перед потреблением избыточное давление газа снижается до 0,4-0,6 МПа на дроссельных устройствах, где теряется большое коли­чество полезной работы расширения газа.

Сброс избыточного давления возможен в специальных газовых турбинах, в которых сжатый газ служит рабочим телом для производства электрической энергии. Высокая экономическая эффективность производства электроэнер­гии на газотурбинных расширительных электростанциях, использующих избыточное давление доменного газа, подтверждается практи­кой их эксплуатации на ряде металлургических заводов. Так, на Череповецком металлургическом заводе за доменной печью объемом 2700 м³ установлена газовая турбина мощностью 12 МВт.

Выход доменного газа от печи составляет 450 тыс. м³/ч, 100 тыс. м³/ч сбрасывается в межцеховой газопровод доменного газа, а 350 тыс. м³/ч очищенного и подогретого газа при абсолютном давлении 0,335 МПа подается на турбину, которая служит приводом электрического ге­нератора мощностью 12 тыс. кВт. Годовая выработка электроэнергии составляет 80 млн. кВтч.

Использование вторичных тепловых ресурсов в утилизационном оборудовании по основным металлургическим производствам в среднем находится на уровне 30%, в том числе: доменному – 12, прокатному – 25, мартеновскому – 42, коксохимическому – 10, конвертерному – 84, огнеупорному – 64.

При повышении среднего уровня использования вторичных теп­ловых энергетических ресурсов на металлургических заводах до 70-80% можно практически полностью удовлетворить производствен­ную потребность металлургических предприятий в тепловой энергии за счет получения её в утилизационных устройствах. Опыт передо­вых металлургических предприятий подтверждает эту возможность.

В проблеме использования вторичных тепловых ресурсов наряду с увеличением степени утилизации важное значение приобретают и вопросы полного и рационального использования выработанной тепловой энергии. Тепловой баланс металлургического завода характеризуется большим преобладанием ресурсов пара низкого давления, который используется на 40-50%, и недостатком пара давлением 1,0-1,8 МПа, покрываемым острым паром заводских ТЭЦ.

Значительные количества вторичного тепла образуются в металлургическом производстве при охлаждении оборудования. Водяное охлаждение, постепенно заменяемое испарительным, остаётся в основном там, где охлаждаются небольшие поверхности или особенно ответственные элементы (фурмы, летки). Тепло водяного охлаждения обычно не используют, так как для предотвращения образования накипи на стенках воду перегревают всего на 5-l0⁰С. Применение химически очищенной воды и ее многократная циркуляция позволяют нагревать её до температуры, достаточной для теплоснабжения.

Расход воды на испарительное охлаждение снижается по сравнению с водяным в 30 - 40 раз. Использование химически очищенной воды не приводит к об­разованию накипи, благодаря чему в 2-3 раза увеличивается стойкость охлаждаемых элементов. Вырабатываемый пар используется для теплоснабжения.

Эффективность использования вторичных тепловых энергетичес­ких ресурсов не ограничивается только экономией топлива. В ряде случаев их использование способствует повышению производитель­ности, увеличению длительности рабочей компании основных технологических установок, уменьшению количества промышленных выбросов. Например, установка котлов-утилизаторов за мартеновскими печами повышает их производительность на 2-3% вследствие улучшения тягодутьевого режима, уменьшает расход воды в 2-2,5 раза, электроэнергии на привод эксгаустеров на 20-30%, расход топлива на по­догрев отходящих газов перед дымовой трубой на 20-25%.

По данной технологической схеме мелко раздробленный железный концентрат, смешанный предварительно с водой, перекачивают из мес­торождения на металлургический завод по трубам в виде пульпы. Вода после отделения в отстойниках возвращается на обогатительную фабрику. Затем во вращающихся барабанах руду смешивают со связую­щими веществами и получают гранулированный продукт – так называемые окатыши. В окатыши при грануляции добавляют небольшое количество из­вести. Готовые окатыши поступают в шахтную печь, где происходит восстановление оксидов железа водородом или конвертированным природным газом. Процесс осуществляется при 1000-1100⁰С. В резуль­тате получают губчатое железо с содержанием основного компонен­та 95%. Каждый агрегат, в котором ведут процесс, способен выдавать до 1500 т железа в сутки. Полученный продукт, являющийся полуфабрикатом, направляют на электродуговую переплавку для получения высококачественной стали (рис. 13.6).

Опыт производства стали, по описанной технологии, показал, что ее применение обеспечивает существенное снижение выбросов в ат­мосферу диоксида серы, пыли и других вредных веществ и позволя­ет утилизировать практически полностью все отходы производства. Шлаков и других твёрдых отходов при таком процессе не образуется.

В нашей стране имеется металлургическое предприятие без доменных печей и коксохимического производства – Оскольдский электрометаллургический комбинат. В качестве сырья это предприятие использу­ет высокосортные железные руды Курской магнитной аномалии (Лебединское месторождение).

Однако себестоимость стали по этому методу пока значительно превышает себестоимость стали, полученной по традиционной технологии, что и препятствует широкому внедрению данного метода.

Руда Природный газ

Измельчение

Получение окатышей

Шахтная плавка

1000-1100⁰С

Губчатое железо

Электроплавка

1. 
   Основные экологические проблемы чёрной металлургии.
   
2. 
   Основные направления совершенствования доменного процесса.
   
3. 
   Как получают агломерат и окатыши?
   
4. 
   Для чего используется кокс при получении чугуна?
   
5. 
   Как можно экономить кокс в доменном процессе?
   
6. 
   Почему образуются графитосодержащие отходы и как они используются?
   
7. 
   Каковы пути энергосбережения в чёрной металлургии?
   
8. 
   Как обезвреживаются колошниковые газы?
   
9. 
   Каковы экологические особенности бескоксового метода получения стали?
   

В цветной металлургии, как правило, очень велик выход отходов на единицу продукции, что связано с характером используемого сырья. Исключение составляет только сырьё для алюминиевой промышленности; содержание основного вещества в бокситах и нефелинах находится на уровне 20-30%. В большинстве случаев для получения 1т металла надо переработать в среднем 100-200 и более т руды, а в отдельных случаях даже тысячи т, причем балластная, практически неиспользуемая часть сырья, переходит в твёрдые, жидкие и газообразные отходы. Кроме того, в цветной металлургии более явно выражена тенденция вовлечения в переработку все более и более бедного природ­ного сырья, что неизбежно резко увеличивает относительный и абсолютный выход газообразных, твёрдых и жидких отходов.

Руды цветных метал­лов часто оцениваются по так называемому геохимическому коэффициенту (ГК) – отношению среднего содержания металла в руде к его кларковому содержанию. Этот коэффициент неуклонно снижается. Например, для медных руд в 1900 г. он составлял величину 2600, тогда как теперь не превышает 300. Соответственно содержание меди в перерабатываемой руде снизилось с 4 до 0,5 %.

Другой особенностью цветной металлургии, связанной с техноло­гически сложным характером сырья, является большое количество ток­сичных веществ, содержащихся в сырье и загрязняющих отходы. Это, в первую очередь, соединения серы, мышьяка, сурьмы, селена, теллура и другие. Ток­сичными являются и сами остаточные цветные металлы (свинец, цинк, медь, кадмий, ртуть и т.п.).

К сожалению, прогнозы развития производства цветных металлов в мире не дают оснований надеяться, что в ближайшие годы будут найдены радикальные способы устранения отмеченных выше объективных причин образования большого количества отходов, и создание безотходного и даже малоотходного производства цветных металлов сталкивается с большими трудностями. Поэтому в настоящее время большое внимание уделяется частич­ному решению вопросов безотходной технологии и внедрению ее принци­пов в отдельных процессах, на отдельных предприятиях и в отдельных подотраслях, где уже имеются возможности (частично реализованные) значительного уменьшения выхода ряда отходов, утилизация которых очень важна с точки зрения охраны окружающей среды и рационального использования природных ресурсов. В нашей стране имеют­ся предприятия цветной металлургии, где устойчиво освоено постоянное извлечение в готовую товарную продукцию до двух и более десятков ценных элементов перерабатываемого рудного сырья.
14.2. Производство меди
Медное сырьё подразделяется на медно-цинковое, медно-никелевое, медно-молибденовое, медно-кобальтовое и т.д.

Медные руды нашей страны характеризуются высоким содержанием сульфидных минералов, в частности пирита. Главными рудными минералами являются халькопирит (CuFeS₂) и сфалерит (ZnS). Обычно присутствуют халькозин, борнит, маркезит, пирротин. Встречаются также арсенопирит, кубанит, аргентит, галенит, в небольших количествах золото, серебро, селен, теллур. С технологической точки зрения важен специфический характер большинства этих руд – тонкозернистость и взаимная вкрапленность основных минералов. Проблема комплексного использования медно-цинковых руд месторождений Урала, Восточного Казахстана, Северного Кавказа, как и полиметаллических руд Алтая, представляет собой сложную научно-техническую задачу.

Обычная схема переработки медьсодержащего сырья по пирометаллургическому методу (более 80% мирового производства меди) такова:

• 
  флотация руд с получением селективного медного концентрата;
  
• 
  окислительный обжиг;
  
• 
  плавка с получением двух жидких слоёв: штейна – сплава сульфидов меди и железа и шлака – в основном силикатов различных металлов.
  

Рис. 14.1. Схема механической флотационной машины:

В качестве примера, иллюстрирующего попытки решения проблемы, приведена технологическая схема обогащения руды Межозёрного рудника на Урале – одного из наиболее сложных типов руд. Руда Межозёрного месторождения представлена комплексом сульфидов меди, цинка и железа с тесным взаимным прорастанием и тонкозернистым строением. В связи с неудовлетворительными показателями разделения меди и цинка при флотации на обогатительных фабриках долгое время извлекали только медь, а с хвостами и медными концентратами терялся цинк. В настоящее время разработана схема коллективно-селективной флотации, хотя и сложная, но позволяющая получать существенно лучшие показатели по комплексности извлечения основных ценных составляющих (рис. 14.2). По этой технологической схеме извлечение меди в медный концентрат составляет 78-81%, а цинка в цинковый концентрат 50-53%.

Комплексная руда

Измельчение

Хвосты

Измельчение