Черная металлургия Традиционная схема Руда агломерация

Черная металлургия

Традиционная схема • Руда агломерация • ферросплавный доменный процесс чугун литейный передельный мартен электропечь конвектор сталь

сталь Прокатный цех горячий листовой холодный фасонный

Черные металлы Железо • +примеси S, N, P, Si, и др. • +специальные добавки По содержанию углерода: • - чугуны (более 2, 14%) • - стали (менее 2, 14%) Чугуны: - Белые (передельные) - Серые (литейные) - модифицированные

Руды По форме содержания По содержанию железа: - Магнетитовые - Бедные до 30% (магнитный железняк) - Средние 30 -50% - Богатые (св. 50%) - Гематитовые (красный железняк) - Бурый железняк - Сидерит (шпатовый железняк)

1. Предварительная стадия 1. 1. обогащение руды • - размол • - пульпа • - отсадка • - магнитная сепарация • (пыль, шум, ЭМП)

1. 2. КОКСОВАНИЕ • при высокой температуре 9001100 ° • без доступа воздуха • Несколько десятков печей (обычно 6070) компонуют в единую систему коксовую батарею, обслуживаемую общим комплектом твердые и жидкие горючие ископаемые 3 мм разложение летучие вещества • Твердый остаток – • кокс

• • • В зависимости от ширины камеры, влажности шихты и ее насыпной массы, а также т-ры в простенках (обычно 1300 -1370 °С) нагревание шихты длится 14 -18 ч. Для обогрева печей используют доменный, коксовый, генераторный и др. газы или их смеси. Для его подогрева в спец. регенераторах, крые расположены под коксовой батереей и служат как бы ее основанием, используют теплоту продуктов сгорания газа. Кокс формуется в виде монолита (коксового "пирога"), затем растрескивается на куски разной величины. К концу процесса т-ры во всех слоях практически выравниваются. После завершения коксование дверь камеры открывается с помощью спец. механизмов и раскаленный "пирог" подается коксовыталкивателем в тушильный вагон, перемещающийся по рельсам вдоль коксовой батареи. Кокс тушится в этом вагоне мокрым способом - обильно орошается водой 2 мин. Охлажденный кокс выгружается равномерным слоем на наклонную коксовую площадку (рампу), на грохотах с квадратными отверстиями разделяется по классам крупности (>40, 4025, 25 -10, <10 мм) и направляется потребителям

1 т угольной шихты 650 -750 кг кокса 340 -350 м 3 коксового газа 10 -12 кг сырого бензола 30 -40 кг смолы 2, 5 -3, 4 кг NH 3

Коксохимия, объемы выбросов загрязняющих веществ • Характерны значительные выбросы загрязняющих веществ. Из загрязнителей не отраженных в таблице, велики выбросы водорода, сероуглерода, аммиака, кислот, фенолов, углеводородов, бензола и цианидов. По данным видам загрязнителей коксохимия дает более половины выбросов всей совокупности металлургических производств.

сухой способ тушения • Из форкамеры спец. установки кокс постепенно перемещается в камеру тушения, где с помощью N 2 или др. инертных газов охлаждается до 200 -220 °С. • Газ движется снизу вверх навстречу кускам кокса и, охлаждая его, нагревается до 800900 °С и направляется в котельную установку, где отдает теплоту для образования водяного пара. • Охлажденный газ нагнетателем возвращается на тушение раскаленного кокса.

ИСТОЧНИКИ СТОКОВ: - БАШНЯ ТУШЕНИЯ СУХОЕ ТУШЕНИЕ: 1. ОБЪЕМ ВЫБРОСОВ СОКРАЩАЕТСЯ 2. ПАР 3. ЭКОНОМИЯ ЭНЕРГИИ 4. РАСХОД ВОДЫ 5. УЛУЧШЕНИЕ КАЧЕСТВА КОКСА МОКРОЕ ТУШЕНИЕ : H 2 S NH 3 C 6 H 5 OH СМОЛЫ 3, 4 БЕНЗ(А)ПИРЕН СОДЕРЖАНИЕ ПРИМЕСЕЙ В ТЕХНИЧЕСКОЙ ВОДЕ ½ ТЕПЛА УХОДИТ В АТМОСФЕРУ

ФЕНОЛЬНЫЕ СТОКИ • • • ДО 2 Г/Л ФЕНОЛА РОДОНИДЫ ЦИАНИДЫ NH 3 СМОЛЫ МАСЛА

1. 3. Производство флюсов Докучаевский ФДК Объем производства – 7, 8 млн т. (30, 5%) Объемы выбросов: Пыль – 2, 5 тыс. т. Окись углерода (CO) – 1, 1 тыс. т. Окислы азота – 0, 5 тыс. т.

1. 4. Производство огнеупоров Красногоровский ОЗ Объем производства – 100 тыс. т. (11%) Объемы выбросов: Пыль – 1, 1 тыс. т. Сернистый газ (SO 2) – 0, 2 тыс. т. Окись углерода (CO) – 0, 6 тыс. т. Окислы азота (NOx) – 0, 1 тыс. т.

II. АГЛОМЕРАЦИЯ руда кокс шихта спекание флю сы

2. АГЛОМЕРАЦИЯ 2. 1. ДРОБЛЕНИЕ ШИХТЫ: 1/3 ПЫЛИ ВСЕГО ЗАВОДА 3 -20 КГ ПЫЛИ / 1 Т АГЛОМЕРАТА: Fe, Fe 2 O 3, Si. O 2, Al 2 O 3, Ca. O, Mg. O, Mn. O, P 2 O 5, S, C, As

Схема производства на предприятиях черной металлургии

2. 2. спекание шихты • • Агломерационные газы: 1. токсичность As. O, Zn. O 2 CO - около половины 3. SO 2 – 50 -60% от завода 12 кг/1 т агломерата свыше 25% оксидов азота 25 -30% пыли

• 2. 3. дробление шихты • 2. 4. грохочение шихты

3. Доменный процесс – три процесса:

Схема производства на предприятиях черной металлургии

3. 1. окисление углерода кокса • С+O 2=CO 2 • С+СO 2=2 CO В конце процесса температура падает до 400 -500 гр 2 СО=СО 2+С (сажа)

3. 2 восстановление Fe Fe 2 O 3+CO=Fe 3 O 4+CO 2 Fe 3 O 4+CO=Fe. O+CO 2 Fe. O+CO=Fe+CO 2

3. 3. флюсы убирают примеси Флюсы способствуют спеканию пустой породы и золы топлива Пустая порода от железной руды содержит много кремнезема (Si. O 2) A флюсы Са. СО 3 (известняк, доломит) способствуют отшлаковыванию S и F

III потока загрязнения III. 1. шлак 95% общей массы образовавшихся отходов: - 36 -38% Si. O 2 - 34 -35% Са. О - 15 -16% Al 2 O 3 - 11 -12% Mg. O - По 0, 5 – S, Fe, Mn. O На 1 т чугуна: ЗСМК – 460 -480 кг Мир – 270 Минимум - 180

III. 2. выбросы: III. 2. 1. Колошниковый газ: 15% - SO 2, от всего завода 25 -30% – CO 10% - NO H 2 S, 1 -2% H, CH 4 III. 2. 2. Колошниковая пыль (30% всей пыли) 50 (агломерат) – 150 (сырая руда)/1 т чугуна • • Пыль шихтоподачи Пыль литейного двора 50% улавливается 15% расходов по переделу • На участке от летки до скиммера 50 -70% пыли – возгоны • - металл с воздухом • - желоба канцерогенной пековой связки

Желобная масса содержит: 64 -69% углерода 34 -39% Si. O 2 21 -23% Al 2 O 3 3 -3, 2% Fe 2 O 3 Замена кокса

III. 2. 3. Микропримеси • – снижают качество стали и цену на мировом рынке в 1, 5 -2 раза • - их существенное влияние на свойство металла связано с их присутствием на границах зерен, определенным процессом межкристаллической ликвидации • + тесная ковалентная связь с атомами железа приводит к ослаблению связей между соседними атомами железа

«Бродячие» , мигрирующие элементы • Наиболее загрязняющие As Cu Sn Zn Pb Bi Cb Могут быть легирующими в зависимости от концентрации Ni Cr Mo V ИСТОЧНИКИ На разных стадиях они • Железные и ведут себя по-разному: марганцевые руды 1. В шламах 2. Оседают в домне • Угли и агломерации • Флюсы 3. С газами поступают • Огнеупоры в атмосферу • металлолом

Галлий – типичный для группы рассеянных металлов • • • Спутник Al, Zn, Fe В рудах и углях Приходит в домну 65 -125 г/т «Северсталь» , 40 -80 г/т Тулачермет • 30 -80 г/т переходит в чугун

• • Алюминий - cвойства очень похожи, но полностью переходит в шлак. Плавка в домне при температуре 8001200 гр С Fe. O Fe Ga 2 O 3 Ga 2 O Не восстанавлива Al 2 O 3 ются, а переходят в газообразное состояние и должны улетать в атмосферу, но это не происходит

• Галлий очень хорошо растворяется в железе + его очень мало • потенциал его восстановления очень мал и он СТАБИЛЬНО остается в расплаве железа и на 95% переходит в чугун

Стронций • Породообразующими являются стронцианат Sr. CO 3 и целестин Sr. SO 4 1. Они есть в железорудных формациях 2. В значительных количествах до 1% в известняках и доломитах 3. Относится к элементам интенсивного биологического поглощения, т. е. в органической части углей

В результате приход стронция в доменную печь достигает 400 г/т • Из них: • 300 г/т переходит в шлак • 15 г/т улавливается с колошниковыми газами • 15 г/т в виде шлама • 8 г/т в виде колошниковой пыли Неясно, что происходит с 85 г/т чугуна • (для Северстали это 30 -40 г/т), но везде разбаланс – соответствует количеству стронция в печь с органической частью кокса

Что происходит в печи? • T=1300 -1800 гр – образуется оксид и сульфид 1: 2 и переходит в шлак • T=1800 -2200 гр – Sr переходит в газовую фазу в виде паров металлического Sr ПРИЧЕМ: Sr кокса переходит в газовую фазу в виде паров металла затем окисляется до Sr. O, но их слишком мало для самостоятельной конденсации, поэтому он НАЛИПАЕТ на пыль колошниковых газов

Из железной руды И минеральной части кокса Из органической части кокса До Sr. O при темп 1500 -1700 гр. С Sr газ Ось воздушных форм Sr. O | Sr. S =1/2 Ось чугунной летки чугун

Мышьяк – из всех шихтовых материалов • • 1. 2. 3. 4. Его химический аналог – фосфор, след. он должен полностью переходить в чугун, но - в него переходит 50 -98% входящего В шлак – 0 -15% - только в окисленном состоянии As 2 O 3 As 2 O 5 В газовую фазу – 0 -42% при t=1800 и более в виде : возгонов As As 2 Гидрида As. Н нитрита As. N – в восстановителей или слабоокислительных условиях Оксида As 2 O 3 As 2 O 5 – сильноокислительных условиях Сульфида As. S – при определенных условиях

III. 3 стоки – 2 -6 тыс. куб. м/час

4. Выплавка стали 4. 1. мартен 1. скрап-процесс – металлолом + 30% чугунные чушки 2. скрап-рудный процесс – 2/3 жидкий чугун, 1015% скрап, остальное железная руда 3. Рудный – только чугун • 4 -12 часов • До 700 тонн в 1 плавку • Регенераторы сжигают мазут

Шихта – чугун+ скрап+флюсы для удаления серы и фосфора 1. Поверхность окисляется печными газами – образование закиси железа Fe. O - окалины 2. Растворяется в металле и опускается вниз 3. Она окисляет примеси, превращая их в шлак: Fe. O+Mn= Fe+ Mn. O Fe. O+Si= Fe+ Si. O 4. Закись + углерод из чугуна Fe. O+C= Fe+ CO 5. «Кипение стали» 6. Скачивание шлака 7. Введение ферросплавов

Загрязнение от мартена 4. 1. 1. атмосферное От сжигания топлива: 1 -3 кг/тстали NOx – 30% завода От разложения: При окислении углерода шихты СО Плавильная пыль 15 кг/т стали

• 4. 1. 2. водное • Мокрая очистка газов • 4000 куб м /час • 4. 1. 3. шлаки

4. 2. Кислородный конвертор • Жидкий чугун миксируют • Нормализуют • Заливают в ковш (с верхним или нижним дутьем 300 -500 тонн • Продувают техническим кислородом 95, 5% 2000 м куб в мин • 25 -30 мин плавка (12 -15 мин) • Примеси окисляются с • выделением тепла

4. 2. Кислородный конвертор. Загрязнение • 4. 2. 1. атмосферное: • Большое количество конверторных газов из-за выгорания шихты: CO, SO 2, NOx Пыль зависит от: 1/ состава шихты 2/ организации подачи кислорода • 4. 2. 2. стоки • мокрая очистка газов • 1 цех= 3 конвертора*250 -300 тонн=4000 -5000 куб. м. /час • стоки

4. 3. электропечь ГРАФИТ Слой шлака – сопротивление 90% скрапа 10% - чугуна Незначительный доступ Воздуха создает восстановительную среду 1. Период окислительный (все примеси окисляются кислородом шихты, кроме S) 2. Восстановительный на пов-ть металла наводят основной шлак (коксик, известь, плавиковый шпат ) Шлак перекрывает доступ воздуха - Щелочная среда - S

4. 3. электропечь. Загрязнение • 1. наибольший выброс твердых веществ (пыль, коксик) • 2. технологические газы CO, NOx, цианиды – от хлоридов шихты • Шлаки сталеплавления трудно использовать, т. к. непостоянный физико -химический состав

5. 1. Фасонный прокат

5. 2. Листовой прокат

5. Прокат загрязнение связано: 1. Травление окалины (Fe 2 O 3 Ni 2 O Cr. O) HNO 3 +H 2 SO 4 NO NO 2 + соли металлов Темп 80 гр 2. Гидравлическая транспортировка окалины 3. Охлаждение подшипников и валков 4. В стоках смазочные масла и эмульсии стоки 8 -12 куб. м/т проката 5. Горячий прокат – сжигание топлива

Новые методы • • ПВЖ Гидрометаллургия Процесс руда-сталь Плазменная плавка

этот процесс позволяет избежать «засорения» железа серой и другими нежелательными элементами, содержащимися в коксе. • В 1975 г. способом прямого восстановления уже получали во всем мире 29 млн. т стали. • Первая промышленная установка прямого восстановления железа заработала в 1911 г. в Швеции

В 1974 г. с концерном "Сименс" было заключено соглашение о строительстве на территории СССР металлургического комбината с технологией ПВЖ . • Сырье - руда Лебединского ГОКа. 1 измельчают на шаровых мельницах и смешивают с водой. 2. пульпа — пойдет по трубам за 20 км и поступит в цех окомкования. Здесь ее превратят в окатыши с содержанием железа 67%. 3. цех металлизации, где 10— 12 установок ПВЖ — это шахтная вертикальная печь 50 м высотой и 8 м в диаметре. • В их приемные устройства и текут непрерывным потоком окатыши. • А навстречу им снизу вверх - горящий природный газ, содержащий 90% оксида углерода и водород, предварительно нагретый до 850— 900° С. • Теплота этих газов плюс теплота собственного горения и дадут необходимую температуру для металлизации окатышей. • Как в древних горнах, здесь руда (окатыши) не расплавляется, а восстанавливается в твердом виде. • К концу пути вдоль печи окатыши уже на 93— 95% будут состоять из железа. 4. дуговые электропечи, где пройдут дополнительный цикл очистки от примесей. • Полученная сталь не уступает по качеству той, которую производят в вакуумных электропечах. • сталь будет дешевой и ее будет много.

Рост спроса на продукты ПВ железа обусловлен стремлением продуцентов электростали расширить использование высококачественного сырья, а также недостаточным предложением на мировом рынке высокосортного лома черных металлов. Предприятие фирмы "American Iron Reduction" (работавшее по технологии "Midrex") в г. Конвент (шт. Луизиана) в 2005 г. было приобретено компанией "Nucor" и переведено в Тринидад и Тобаго. К концу 2006 г. мощность завода увеличится с 1, 4 млн. до 1, 8 млн. тонн/год. Есть несколько крупных предприятий, потребляющих природный газ. В Малайзии для "Lion Group" "Midrex" строит предприятие по выпуску ППВ железа мощностью 1, 54 млн. тонн/год.