Раздел 2. Основные технологические процессы, применяемые для производства чугуна, стали и ферросплавов

Раздел 2. Основные технологические процессы, применяемые для производства чугуна, стали и ферросплавов

2.1 Агломерация

Агломерация - один из методов окускования - превращения мелких руд и концентратов в кусковый материал - агломерат, применение которого улучшает ход металлургических процессов при производстве различных металлов из руд. В шихте доменных печей доля агломерата в зависимости от сырьевых условий составляет 40-90 %.

Агломерат производят методом спекания железорудной шихты на ленточных машинах непрерывного действия - агломашинах. На предприятиях черной металлургии России работают 49 агломерационных машин, которые производят около 58 млн т агломерата в год. В России эксплуатируются несколько типов агломерационных машин (см. таблицу 2.1).

Таблица 2.1 - Техническая характеристика отечественных агломашин [24, 25]

Характеристики	КЗ-50	АКМ-75	АКМЗ-85/160	МАК-240/138	АКМ-312
Общая рабочая площадь, м 2	50	75	160	240	312
Площадь спекания, м 2	50	75	85	138	312
Площадь охлаждения, м 2	-	-	75	102	-
Количество вакуум-камер, шт.	13	15	17/15		26
Ширина паллет, м	2,0	2,5	2,5	2,5	4,0
Длина рабочей части, м	25	30	64		78
Число паллет, шт.	70	86	151		130
Мощность привода, кВт	11	13	32		85
Число эксгаустеров, шт.	1	1	1	2	2
Производительность эксгаустеров, м 3/мин	3500	6500/7500 *	6500		9000
* После модернизации с уширением верхней части паллет и установки ротора эксгаустера с увеличенным числом лопаток на 2 шт с каждой стороны.

В зависимости от требований доменной плавки производят различные виды агломерата: неофлюсованный с естественной основностью, офлюсованный с основностью 1,0-1,2 по CaO/SiO ₂, высокоофлюсованный с основностью 1,4-1,8, железофлюс с основностью 3,0-5,0, промывочный агломерат с основностью 0,4-0,7, марганцевый агломерат.

2.1.1 Общая характеристика технологии агломерации железных руд

Агломерация железных руд методом просасывания заключается в спекании агломерационной шихты, состоящей из мелкой руды, концентрата, железосодержащих добавок, дробленого известняка и измельченного твердого топлива, которые предварительно смешивают, увлажняют и окомковывают до образования гранулированной зернистой структуры. Полученную гранулированную (окомкованную) шихту загружают на колосниковую решетку спекательных тележек-паллет агломерационной машины ленточного типа. Под паллетами создают разрежение 700-1100 мм вод. ст. для просасывания через окомкованную газопроницаемую шихту наружного воздуха. Сразу после загрузки шихты паллеты поступают под зажигательный горн, где под воздействием интенсивного горения газового топлива в горелках поверхность шихты нагревается до температуры 1100-1200 °C, твердое топливо воспламеняется и горит в атмосфере просасываемого воздуха. По мере выгорания твердого топлива зона горения продвигается от поверхности шихты вниз до колосниковой решетки. В зависимости от расхода твердого топлива и состава компонентов аглошихты температура в зоне горения топлива достигает 1250-1450 °C.

По высоте слоя спекаемой шихты образуются характерные зоны - готового агломерата, горения, подготовки, сушки и переувлажнения (см. рисунок 2.1).

Рисунок 2.1 - Зоны в слое спекаемой шихты на аглоленте [26]

В ходе процесса образовавшиеся зоны перемещаются вниз к колосникам паллеты. Спекание заканчивается при достижении зоны готового агломерата колосников паллеты.

При спекании агломерационной шихты сначала происходит термическое разложение гидратных соединений оксидов, карбонатных соединений рудной части и флюсов, затем происходит оплавление частиц шихты в зоне горения топлива. В высокотемпературной зоне происходит окисление сернистых соединений шихтовых материалов с их удалением в газовую фазу в виде SO _x (SO ₂ % - 80 % и SO ₃ % - 20 %). С отходящими газами также удаляются образующиеся в процессе горения твердого топлива оксиды углерода и азота в виде СО, СО ₂ и NO _x (NO, NO ₂). Формирование готового агломерата происходит при охлаждении и кристаллизации образовавшегося из легкоплавких соединений расплава в пористую массу - агломерат [27, 28].

Основным сырьем для получения агломерата являются железные руды различных месторождений в виде агломерационной руды фракции менее 10 мм и железорудного концентрата фракции менее 0,1 мм (таблица 2.2).

Таблица 2.2 - Химический состав некоторых железных руд и концентратов

Наименование	Содержание, %
	Fe	Mn	S	SiO 2	CaO	MgO	Al 2O 3	TiO 2	ППП
Лебединская аглоруда	55,74	0,10	0,042	11,08	1,60	1,40	2,91	-	4,59
Яковлевская аглоруда	60,50	-	0,10	5,10	3,40	0,60	2,40	-	3,40
Бакальский сидерит	34,20	1,16	0,16	6,88	2,96	8,92	2,52	-	11,35
Михайловский концентрат	63,83	0,014	0,005	10,16	0,20	0,21	0,08	0,006	0,65
Качканарский концентрат	62,71	0,12	0,006	3,35	1,17	2,31	2,82	2,67	-
Ковдорский концентрат	63,52	0,51	0,32	1,0	0,75	6,12	2,33	0,92	-

Кроме рудного сырья, в агломерационную шихту добавляют оборотный возврат агломерата фракции менее 5 мм, различные добавки: окалину прокатных цехов, колошниковую пыль доменных печей, уловленную в циклонах или электрофильтрах сухую пыль, обезвоженные и высушенные шламы мокрой газоочистки и пр. Приход вредных веществ в аглошихту, например, P ₂O ₅, ZnO и R ₂O, контролируют (где R - щелочные металлы: Na, K).

При производстве офлюсованного агломерата необходимым компонентом являются флюсы - известняк и доломит - для обеспечения необходимого химического состава шлака в доменной печи.

Основным видом твердого топлива при спекании агломерационной шихты служит коксовая мелочь. Возможно применение заменителей - антрацита и тощих углей с небольшим количеством летучих веществ. Примерный химический состав компонентов агломерационной шихты и расходные коэффициенты приведены в таблице 2.3.

Таблица 2.3 - Примерный состав компонентов агломерационной шихты, %

Материал	Расход, кг/100 кг	Fe общ.	SiO 2	CaO	MgO	S	C
Аглоруда	29,0	55,5	13,5	1,5	0,7	0,07	-
Концентрат	69,0	65,2	8,5	0,16	0,15	0,05	-
Железосодержащие добавки	8,0	40,0	16,5	15,3	0,97	0,21
Известняк	20,0	0,4	1,4	53,0	0,8	0,02	-
Коксовая мелочь, кг/т	6,2	3,3	8,4	1,3	0,3	0,6	78,8

Общая принципиальная схема производства агломерата с основным технологическим оборудованием представлена на рисунке 2.2 [24].

1 - реверсивный ленточный конвейер; 3 - бункеры компонентов шихты; 6 - смесительный барабан; 8 - барабан-окомкователь; 9 - бункер окомкованной шихты; 10 - зажигательный горн; 11 - агломерационная лента; 12 - вакуум-камеры; 13 - коллектор отходящих газов; 14 - пылеуловитель; 15 - эксгаустер; 20 - дробилка пирога агломерата; 21 - грохот; 22 - кольцевой охладитель

Рисунок 2.2 - Общая принципиальная схема производства агломерата [24]

Технологическая схема процесса агломерации с указанием материальных потоков и эмиссий представлена на рисунке 2.3.

Рисунок 2.3 - Технологическая схема агломерационного процесса с указанием материальных потоков и мест выделения эмиссий

Мелкие руды, тонкоизмельченные концентраты, железосодержащие отходы производства поступают на накопительный или усреднительный склад агломерационного производства. Кусковые флюсы, известняк и доломит измельчают, как правило, в молотковых или роторных дробилках, иногда в стержневых мельницах до крупности 0-3 мм. Твердое топливо дробят в четырехвалковых дробилках также до крупности 0-3 мм. Все шихтовые компоненты поступают в бункеры шихтового отделения, где их в нужном соотношении весодозаторами дозируют на сборный ленточный конвейер.

Далее шихта направляется в смеситель барабанного типа для первичного смешивания, куда также подают горячий возврат для подогрева шихты, если работают по схеме с его выделением. Для устранения зоны переувлажнения при спекании шихту в барабане-окомкователе нагревают острым паром или сжиганием газа до температуры 55-65 °C. После окомкования (грануляции) шихты ее укладывают на спекательные тележки-паллеты слоем высотой от 200 до 650 мм в зависимости от качества окомкования, конструкции машины и состояния оборудования - газоотводящего тракта и эксгаустера. Полученный пирог спеченного агломерата дробят, охлаждают, отсевают от него фракцию менее 5 мм. Для постели выделяют фракцию 8-15 мм. При работе с горячим возвратом фракцию с частицами неспекшейся шихты и кусочками агломерата менее 5 мм выделяют на грохотах после валковой дробилки горячего агломерата перед охладителем. Годный агломерат крупностью более 5 мм отправляют в доменный цех.

Основными требованиями к качеству агломерата являются:

- прочность на удар и истирание;

- минимальное количество фракции менее 5 мм;

- стабильность гранулометрического состава;

- стабильность химического состава, в том числе по содержанию FeO.

Содержание железа и основность агломерата по CaO/SiO ₂ или по (CaO + MgO)/SiO ₂ на предприятиях регламентируют в зависимости от химического состава, поступающего сырья на агломерационное производство, а также от состава всех компонентов доменной шихты. Основность агломерата устанавливают такой, чтобы основности первичного и конечного доменного шлаков обеспечивали удовлетворительную его жидкотекучесть в течение доменной плавки и при выпуске продуктов плавки из печи, а также требуемое содержание серы в чугуне. В таблице 2.4 приведены технологические показатели работы некоторых аглофабрик и качество производимого агломерата.

Таблица 2.4 - Технологические показатели работы аглофабрик и качество агломерата

Показатели	Уральская Сталь	Тулачермет	ЧМК
Удельная производительность, т (ч*м 2)	1,095	1,52	1,253
Разрежение в сборном коллекторе, кПа	5,56	10,24	740
Высота слоя шихты, мм	266	391	560
Температура шихты, °С	51	69
Скорость движения аглоленты, м/мин		1,95	1,65
Вертикальная скорость спекания, мм/мин		23,3
Расход извести, кг/т	28,3		31
Содержание углерода в шихте, %	4,08
Расход газообразного топлива, м 3/т
в т. ч.: - природного		5,14	31
- доменного		24,14
Расход электроэнергии, кВт*ч/т		27,97	45,4
Расход воды, м 3/т		1,36
Качество агломерата:
Содержание железа, %	52,07	55,14
Основность, CaO/SiO 2	1,65	1,59
Прочность, %: - на удар	68,26	71,0	76
- на истирание	5,19	7,79
Содержание в агломерате фр. 0-5 мм, %	16,2	19,74	16,7
Равномерность по железу, % +/- 1,0 %	94,24	90,44	100
Равномерность по основности, % +/- 0,1	90,89	82,14	97,2

2.1.2 Прием сырья, складирование, усреднение

В агломерационном производстве создают технологические производственные запасы железорудного сырья, флюсов и твердого топлива, которые должны обеспечить бесперебойную работу в течение как минимум 5 сут. Минимальный запас компонентов сырья на складе зависит от удаленности поставщиков, объемов и ритмичности поставок. На современных агломерационных производствах каждый вид поступающего сырья складируют в отдельный штабель. В случае поставок железорудного сырья свыше 500 тыс. т в месяц с разных месторождений для повышения степени усреднения железорудной смеси, поступающей на агломерацию, практикуется формирование предварительного усреднительного штабеля железорудного сырья объёмом от 100 тыс. т. Затем формируют общий штабель из всех железорудных компонентов агломерационной шихты.

Флюсы и твердое топливо, как правило, вводят в шихтовом отделении аглофабрики при дозировании компонентов на сборный ленточный конвейер. От качества усреднения шихты на усреднительном складе и точности дозирования отдельных компонентов в шихтовом отделении зависит стабильность качества агломерата по химическому составу, прочности и восстановимости. Стабильность показателей качества агломерата существенно влияет на ровность хода доменных печей, удельный расход кокса и производительность. Содержание железа в отдельных партиях не должно отличаться от среднего на  0,5 абс. % -  0,7 абс. %, а основность  0,05 абс. ед -  0,08 абс. ед. Для стабилизации восстановимости агломерата нормируют содержание FeO в агломерате и допустимые отклонения.

На металлургических предприятиях существуют различные схемы и технологии приема и складирования компонентов шихты. Поступающее сырье выгружают из вагонов роторными или передвижными вагоноопрокидывателями. При поступлении в зимнее время смерзшихся грузов вагоны перед выгрузкой предварительно нагревают в специальных гаражах размораживания. Открытые штабели формируют рудно-грейферными перегружателями или саморазгружающейся тележкой-конвейером по всей длине штабеля. Для усреднения поступающих партий сырья его забор производят грейферным краном или экскаватором с одного торца вразрез штабеля (см. рисунки 2.4 и 2.5).

1 - вагон; 2 - экскаватор; 3 - разгрузочный конвейер; 4 - забор сырья вразрез штабеля

Рисунок 2.4 - Открытый усреднительный склад [26]

Рисунок 2.5 - Склад железорудного сырья

На современных агломерационных производствах для формирования штабелей на усреднительных складах применяют одно- или двухконсольные штабелеукладчики, роторные заборно-усреднительные машины, обеспечивающие высокое качество усреднения сырья (см. рисунки 2.6 и 2.7).

1 - штабель; 3 - штабелеукладчик; 6 - разрыхлитель-реклеймер

Рисунок 2.6 - Схема усреднительного комплекса с реклеймером

Рисунок 2.7 - Усреднитель роторный У2Р-600

Усреднительная установка при движении с торца штабеля зубьями разрыхлителя (реклеймера) срезает слой материала, который ссыпается вниз и подбирается ковшами роторов. Процессы укладки сырья в штабели и отгрузки управляются с помощью АСУ, все механизмы работают в автоматизированном режиме.

Использование закрытых складов сырья предпочтительно по условиям охраны окружающей среды от тонкодисперсной пыли (см. рисунок 2.8).

С усреднительного склада материал через бункера погружается на ленточный конвейер для транспортировки в шихтовое отделение аглофабрики.

Рисунок 2.8 - Закрытый усреднительный склад

2.1.3 Подготовка компонентов агломерационной шихты к спеканию: измельчение, смешивание, грануляция

Качество агломерата в значительной степени определяется качеством подготовки компонентов агломерационной шихты к спеканию. Для повышения качества агломерата в агломерационных рудах и возврате необходимо ограничить содержание фракции более 5 мм, так как частицы более 5 мм за время прохождения зоны высоких температур высотой 20-30 мм не успевают усвоиться расплавом. На практике в поступающих агломерационных рудах регламентируют содержание фракций более 10 мм.

При производстве офлюсованного агломерата в качестве флюса используют известняк и доломит. Подготовка флюсов заключается в измельчении известняка до крупности менее 3 мм. Такой размер частиц флюса позволяет им в процессе спекания полностью декарбонизироваться и усвоиться расплавом. По техническим условиям большинства агломерационных производств содержание фракции 0-3 мм должно составлять не менее 95 %. Измельчение известняка производят в основном молотковыми дробилками. Иногда применяют дробилки роторного типа или стержневые мельницы. Для отсева из дробленого известняка фракции более 3 мм используют вибрационные грохоты. Крупную фракцию направляют на повторное измельчение.

Для интенсификации агломерационного процесса и улучшения качества агломерата на некоторых аглофабриках используют известь. Предпочтительно известь вводить в железорудный концентрат при его поступлении на приемно-усреднительный склад. Это препятствует смерзанию влажного концентрата зимой и обеспечивает лучшее окомкование аглошихты.

При наличии в шихтовом отделении печи кипящего слоя или конвейерной машины небольшой площади для обжига извести возможна подача свежеобожженной извести поверх агломерационной шихты на сборном ленточном конвейере. Далее агломерационная шихта со свежеобожженной известью поступает в первичный смесительный барабан, затем в барабан-окомкователь. Свежеобожженная известь, поданная в аглошихту, значительно улучшает окомкование и газопроницаемость шихты, что позволяет повысить высоту спекаемого слоя, улучшить качество агломерата и повысить производительность агломашины.

Твердое топливо, используемое для спекания агломерационной шихты, должно иметь содержание фракции 0-3 мм не менее 95 %. Более крупные частицы твердого топлива дольше горят в спекаемом слое, что увеличивает протяженность высокотемпературной зоны с соответствующим уменьшением максимальной температуры в зоне горения. Это приводит к снижению качества агломерата по показателям прочности и содержанию мелочи, а также повышенному расходу топлива. Повышенное количество фракции менее 0,1 мм в твердом топливе также нежелательно. В качестве твердого топлива используют коксовую мелочь. Ее получают дроблением отсева мелкой фракции от крупного кокса в доменном и коксохимическом цехах. В большинстве случаев кокс дробят в четырехвалковых дробилках. При недостатке коксовой мелочи дополнительно используют антрацит или тощие угли с низким содержанием летучих веществ.

Все подготовленные компоненты агломерационной шихты - аглоруда, железорудные концентраты, окалина, колошниковая пыль, железосодержащие добавки, флюсы, твердое топливо - загружают в бункеры шихтового отделения аглофабрики. В шихтовом отделении имеются две технологические линии с одинаковыми бункерами и всеми компонентами агломерационной шихты. Бункеры оборудованы ленточными весовыми дозаторами, с помощью которых компоненты шихты дозируют в нужном соотношении на сборный ленточный конвейер. Управление дозированием компонентов агломерационной шихты и работой всех ленточных конвейеров производят из диспетчерского пункта, оборудованного необходимыми информационными системами о работе всего основного оборудования аглофабрики.

Для обеспечения стабильности химического состава аглошихты на конвейере в шихтовом отделении до дозировки флюсов применяют оборудование для онлайн контроля в потоке на конвейере содержания SiO ₂, CaO, Fe и др. элементов; полученная информация передается в АСУТП шихтового отделения и автоматически регулируется дозировка смеси флюсов.

Смешивание и окомкование (гранулирование) компонентов аглошихты производят во вращающихся барабанах, как правило, в две стадии (см. рисунки 2.2 и 2.3). На первой стадии весь поток с дозированной аглошихты поступает в барабан-смеситель, где смешивается с подаваемым в него горячим возвратом (если работают с его выделением), и частично увлажняется. После этого аглошихта поступает в спекательное отделение в приемный бункер агломашины. Из приемного бункера агломашины смешанную с возвратом шихту подают в барабан-окомкователь для ее озернения в виде небольших гранул полидисперсного состава. Смесительные барабаны установлены на специальных металлических или резиновых катках под углом к горизонту 1,2-2,2 град, с частотой вращения 5-9,5 об./мин, что обеспечивает перемешивание и перемещение шихты от загрузочного конца к разгрузочному.

В барабане-окомкователе на пересыпающуюся шихту подают воду для образования гранулированной структуры шихты. Вода обеспечивает сцепление тонкодисперсных минеральных частиц с образованием при перекатывании шихты гранулированной структуры полидисперсного состава. Капиллярные силы удерживают образовавшиеся комочки шихты от разрушения. Оптимальная влажность окомкованной шихты зависит от удельной поверхности шихтовых материалов и свойств поверхности частиц компонентов шихты. Для различного состава шихт оптимальная влажность может изменяться от 5,5 % до 9,5 %. Чем лучше окомкована шихта, тем выше газопроницаемость слоя шихты после ее укладки на паллеты агломашины, тем лучше идет спекание агломерата методом просасывания. На газопроницаемость слоя шихты при спекании агломерата оказывает влияние температура шихты, так как при температуре шихты 50-65 °C при просасывании газов в процессе спекания уменьшается явление конденсации влаги в нижележащих слоях, что устраняет разрушение гранул при их переувлажнении. Подогрев шихты осуществляется различными приемами:

- вводом горячего возврата на стадии первичного смешивания;

- подачей пара в барабан-окомкователь;

- факелом при сжигании газа.

Таким образом, на первой стадии смешивания получают более однородный химический состав шихты в отдельных разовых пробах шихты, а на второй - получают окомкованную (гранулированную) газопроницаемую шихту для спекания на аглоленте.

2.1.4 Спекание шихты на конвейерных машинах

Из барабана-окомкователя шихта поступает в загрузочное устройство, состоящее из загрузочной воронки, барабанного питателя с шибером и загрузочного лотка. Для равномерного распределения шихты применяют челноковый распределитель (см. рисунок 2.9).

Рисунок 2.9 - Барабанный питатель с наклонным загрузочным лотком

Шихту укладывают на колосниковую решетку паллет конвейерной ленточной агломерационной машины. На колосниковую решетку сначала укладывают защитную постель фракции 8-15 мм толщиной слоя 30-50 мм. Это предотвращает припекание пирога готового агломерата к колосникам, уменьшает разгар колосников с увеличением живого сечения колосниковой решетки, а также уменьшает просыпание и вынос мелких частиц шихты.

Постель выделяют из готового агломерата. На аглофабриках, где нет выделения постели, защитный слой создают из наиболее крупных комочков шихты за счет естественной сегрегации при поступлении шихты из барабанного питателя на наклонный загрузочный лоток. Загрузочный лоток регулирует высоту слоя по ширине аглоленты. Высота слоя спекаемой шихты может быть от 200 до 650 мм.

На рисунке 2.10 представлена схема агломерационной машины.

1 - паллеты; 2 - укладчик постели; 3 - челноковый питатель шихты; 4 - зажигательный горн; 5 - постель; 6 - зона сырой шихты; 7 - зона сушки и подогрева шихты; 8 - зона горения твердого топлива; 9 - зона готового агломерата; 10 - разгрузочный конец машины; 11 - вакуум-камеры; 12 - ведущая звездочка привода ленты; 13 - сборный коллектор отходящих газов

Рисунок 2.10 - Схема агломерационной машины и хода процесса спекания

Спекание шихты в агломерат на конвейерной ленточной агломерационной машине состоит из трех этапов:

- зажигание под зажигательным горном верхнего слоя уложенной шихты;

- спекание аглошихты в пористый пирог в зоне горения твердого топлива;

- охлаждение готового агломерата просасываемым воздухом по мере перемещения зоны горения топлива к колосникам паллет.

На рисунке 2.11 показан выход аглоленты со спечённым агломератом из-под зажигательного горна.

Рисунок 2.11 - Выход аглоленты со спеченным агломератом из-под зажигательного горна

Скорость движения паллет агломашины поддерживают такой, чтобы окончание спекания нижних слоев шихты заканчивалось на последней вакуум-камере. Готовый спеченный пирог агломерата снимают специальным ножом при переходе паллет на нисходящую ветвь аглоленты.

2.1.5 Охлаждение и дробление агломерата, сортировка, отсев мелочи и отгрузка годного агломерата

Сошедший с паллет большой пирог агломерата разрушают одновалковой или щековой дробилкой на куски размером менее 80-100 мм. От общей массы готового агломерата на вибрационном грохоте отсевают возврат крупностью менее 5 мм, который горячим сразу идет в аглошихту для ее подогрева или на предварительное охлаждение перед подачей в шихту. Технология агломерации с охлаждением возврата обеспечивает меньшую запыленность и лучшие условия труда. Горячий агломерат поступает на охлаждение в специальные охладители:

- чашевые с просасыванием воздуха (см. рисунки 2.12 и 2.13);

- линейные охладители агломерата с продувом воздуха (см. рисунок 2.14);

- кольцевые охладители с продувом воздуха (см. рисунок 2.15).

1 - гидрозатвор; 2 - надконусное пространство; 3 - жалюзийная решетка; 4 - бункер агломерата; 5 - центральная колонка; 6 - сбрасывающий нож; 7 - тарель; 8 - электропривод

Рисунок 2.12 - Чашевый охладитель агломерата с прососом воздуха

На рисунке 2.13 представлен модернизированный чашевый охладитель с увеличенной емкостью, возможностью отдельной замены внешних и внутренних жалюзи, улучшением условий охлаждения агломерата [29]. Данная конструкция охладителя позволяет на газоходе с горячим воздухом установить теплообменники для получения пара для нагрева аглошихты или горячего воздуха для горелок зажигательного горна.

Рисунок 2.13 - Чашевый охладитель агломерата с прососом воздуха модернизированный

1 - дробилка агломерата; 3 - колосниковые тележки; 7 - грохот для отсева мелочи

Рисунок 2.14 - Линейный охладитель агломерата

Рисунок 2.15 - Кольцевой охладитель агломерата

В некоторых конструкциях конвейерных аглолент (МАК-240/138) охлаждение агломерата предусмотрено непосредственно на спекательной ленте при соотношении площадей спекания/охлаждения 138/102, что при высоте постели 40 мм и слоя спекаемой аглошихты 510 мм дает вполне удовлетворительный результат по конечной температуре охлажденного агломерата. Эксплуатационные затраты на производство агломерата с охлаждением на ленте ниже на 27 % по сравнению с технологией с охлаждением агломерата в автономных охладителях [30]. Температура охлажденного агломерата 100-120 °С.

После охлаждения агломерат рассевают на фракции. Фракция 0-5 мм поступает в возврат. Часть фракции 8-15 мм направляется для создания постели на паллетах перед укладкой окомкованной шихты. Годный агломерат крупностью более 5 мм отправляют по конвейерам или в агловозах в доменный цех.

2.1.6 Основное технологическое и природоохранное оборудование

Назначение, описание, технологические характеристики основного оборудования, используемого при производстве агломерата, приведены в таблице 2.5.

Таблица 2.5 - Основное технологическое оборудование, используемое при производстве агломерата

Наименование оборудования	Назначение оборудования	Существенные характеристики технологического оборудования
1	2	3
Гараж размораживания	Размораживание смерзшихся грузов в зимнее время	Закрытое помещение на 6-30 вагонов, оборудованное газовыми топками получения горячего воздуха для обогрева стенок и днищ вагонов
Вагоноопрокидыватель	Выгрузка поступающих грузов	Вагоноопрокидыватель роторный или передвижной
Грейферные краны	Разгрузка вагонов на склад сырья в усреднительный штабель, забор сырья	Грейферные краны: козловые, портальные, мостовые
Штабелеукладчик, усреднитель	Формирование штабеля, усреднение и забор сырья	Усреднительный комплекс для формирования штабеля и забора усредненной шихты с конвейерами и другим специальным оборудованием
Конвейер ленточный резиновый	Транспортировка сыпучих грузов	Ленточный резиновый с поддерживающими валками
Конвейер ленточный металлический	Транспортировка горячего возврата	Конвейер ленточный секционный металлический
Дробилки флюсов	Дробление и измельчение флюсов	Молотковые, роторные, валковые дробилки, стержневые мельницы
Дробилки топлива	Дробление и измельчение твердого топлива	Дробилка четырехвалковая
Смесительные барабаны с оборудованием для увлажнения и нагрева шихты	Смешивание, окомкование и нагрев шихты	Тщательное смешивание компонентов шихты и увлажнение для окомкования перед спеканием. Нагрев шихты до температуры 55-70 °C острым паром или факелом газовой горелки
Челноковый распределитель шихты	Распределение шихты по ширине паллет агломашины	Равномерная укладка окомкованной шихты по ширине паллеты
Барабанный питатель с отражательным листом	Укладка аглошихты на паллеты	Укладка шихты на паллеты на заданную высоту слоя
Агломерационная конвейерная агломашина	Спекание агломерата	Спекание агломерата методом просасывания воздуха через слой окомкованной газопроницаемой шихты за счет горения твердого топливом внутри слоя
Зажигательный горн	Нагрев верхнего слоя шихты для воспламенения твердого топлива	Нагрев верхнего слоя аглошихты для начала спекания методом просасывания
Дробилка агломерата	Дробление пирога агломерата	Дробление спеченного пирога агломерата, сошедшего с аглоленты
Грохот агломерата	Отсев мелочи менее 5 мм в возврат, сортировка годного агломерата	Выделение мелкого горячего возврата перед подачей в охладитель. Сортировка годного агломерата для выделения постели и отсева мелочи из товарного агломерата
Охладитель агломерата	Охлаждение готового агломерата	Охлаждение готового агломерата перед отгрузкой
Эксгаустер	Эвакуация газов от агломашины в атмосферу после очистки от пыли и загрязняющих веществ	Создание разрежения в вакуум-камерах под паллетами агломашин и по всему газоотводящему тракту
Водооборотный цикл Насосы, трубопроводы, отстойники	Перекачивание технологических жидкостей	Уборка шламов циклонов газоочистки, сбор пыли от гидросмыва помещений, очистка и осветление оборотной воды
Отстойники, сгустители шлама, вакуум-фильтры, сушильные барабаны	Обезвоживание шламов	Сгущение и обезвоживание шламов на вакуум-фильтрах, сушка обезвоженных шламов в сушильных печах

Основное природоохранное оборудование

Для снижения негативного воздействия на окружающую среду процесса производства агломерата на технологических участках и в отделениях устанавливается природоохранное оборудование:

- газоочистное и аспирационное оборудование, обеспечивающее необходимый уровень очистки технологических газов и аспирационного воздуха от содержащихся в них загрязняющих веществ перед отводом газов или воздуха в атмосферу или возвратом обратно в рабочую зону;

- водоочистные сооружения, обеспечивающие очистку загрязнённых промышленных сточных вод.

Назначение, описание, технологические характеристики природоохранного оборудования, используемого при производстве агломерата, приведены в таблице 2.6.

Таблица 2.6 - Назначение и описание природоохранного оборудования, используемого при производстве агломерата

Наименование оборудования	Назначение оборудования	Существенные характеристики природоохранного оборудования
1	2	3
Циклоны сухие	Улавливание грубой пыли вентиляционных систем дробильного оборудования	Тип ЦН-15 и ВЗП. Эффективность очистки - от 70 % до 85 %. Остаточная запыленность - до 600 мг/нм 3
Батарейные мультициклоны циклоны	Улавливание пыли отходящих технологических газов	Тип БМЦ. Эффективность очистки частиц более 10 мкм - до 90-95 %. Частиц менее 10 мкм - от 60 % до 80 %. Остаточная запыленность - от 100 до 200 мг/нм 3
Электрофильтры	Улавливание пыли отходящих технологических газов	Тип Alston, МЕЕР. Эффективность очистки - до 95-99 %. Остаточная запыленность - до 30 мг/нм 3
Тканевые (рукавные) фильтры	Очистка от пыли отходящих технологических газов. Очистка от пыли аспирационного воздуха	Эффективность очистки от тонкой пыли - до 90-98 %
Тканевые фильтры с комбинированными сорбционными процессами	Очистка технологических газов от тонкой пыли и газов SO x, HCl, HF, ПХДД/Ф	Тип - AIRFINE, SIMETALMEROS. Выбросы SO x сокращаются на 30-90 %
Сероочистка	Улавливание из отходящих газов SO x раствором с Ca(OH) 2, Mg(OH) 2, CaCl 2 c образованием гипса CaSO 4 и сульфата магния MgSO 4	Степень десульфурации - до 85-95 %. Остаточная концентрация SO x в газе на выходе - до 200 мг/нм 3
Скрубберы мокрые	Улавливание пыли отходящих технологических газов с помощью воды	Тип - скрубберы оросительные, скрубберы с трубой Вентури, скрубберы AIRFINE. Остаточная запыленность - от 40 до 170 мг/нм 3

2.1.7 Материальные потоки, виды эмиссий, их образование и улавливание

По всей технологической цепочке производства агломерата в местах выгрузки сырья, складирования, подготовки компонентов шихты на различном оборудовании, спекании агломерата, транспортировки отходов производства и готовой продукции имеют место организованные и неорганизованные выбросы (эмиссии) загрязняющих веществ в виде пыли, газов, образования отходов. Также возможно образование сточных вод.

Материальные потоки, характерные основные эмиссии при производстве агломерата представлены в таблице 2.7.

Таблица 2.7 - Перечень материальных потоков и эмиссий

Входной поток	Этап процесса (подпроцесс)	Выходной поток	Основное технологическое оборудование	Эмиссии
1	2	3	4	5
Железные руды, концентраты, железосодержащие отходы, флюсы, твердое топливо, газ на размораживание грузов	Приемка, складирование, усреднение сырья	Усредненное железорудное сырье	Железнодорожные весы, гараж размораживания смерзшихся грузов, вагоноопрокидыватель, краны-перегружатели, усреднители сырья, ленточные конвейеры	Взвешенные вещества состава: С, Fe 2O 3, FeO, SiO 2, CaO, MgO, MnO, Al 2O 3, CaCO 3, MgCO 3, FeCO 3; Газовые компоненты: СО, СО 2, NO x, шум
Флюсы: известняк, доломит 40-100 мм	Подготовка флюсов	Измельченные флюсы 0-3 мм	Дробилки молотковые, роторные, валковые, стержневые мельницы, конвейеры, циклон-пылеуловитель	Взвешенные вещества состава: CaCO 3, SiO 2, MgCO 3, FeCO 3, MnCO 3, шум, вибрация
Твердое топливо: кокс, антрацит	Подготовка твердого топлива	Коксовая мелочь (коксик) 0-3 мм	Дробилки четырехвалковые, циклоны-пылеуловители, конвейеры	Взвешенные вещества состава: С, SiO 2, шум, вибрация
Известняк 5-12 мм, коксик 0-3 мм, природный газ	Обжиг извести	Известь обожженная 5-12 мм	Установка для обжига извести, конвейеры, циклоны-пылеуловители	Взвешенные вещества состава: С, CaO, MgO, SiO 2, Газовые компоненты: СО, СО 2, SO 2, NO x, шум, вибрация
Железные руды, концентраты, железосодержащие отходы, возврат, флюсы, топливо	Дозирование компонентов аглошихты	Сдозированная шихта	Бункеры, объемные и весовые дозаторы, ленточные конвейеры	Взвешенные вещества состава: С, Fe 2O 3, FeO, SiO 2, CaO, MgO, MnO, Al 2O 3, CaCO 3, MgCO 3, FeCO 3, MnCO 3 шум, вибрация
Сдозированная шихта, возврат, вода, пар, газ	Смешивание, увлажнение, окомкование шихты	Смешанная, увлажненная и окомкованная шихта	Смесительные барабаны-окомкователи, ленточные конвейеры	Взвешенные вещества состава: С, Fe 2O 3, FeO, SiO 2, CaO, MgO, MnO, Al 2O 3, CaCO 3, SiO 2, MgCO 3, FeCO 3, MnCO 3, шум, вибрация
Окомкованная шихта, газ	Спекание агломерата	Готовый агломерат	Челноковый распределитель шихты, загрузочный барабан, зажигательный горн, конвейерная агломашина	Взвешенные вещества: С, Fe 2O 3, Fe 3O 4, FeO, SiO 2, MnO, Al 2O 3, MgO, CaO; газовые компоненты: CO, CO 2, SO x, NO x, бенз(а)пирен, тепловое излучение, шум, вибрация
Пирог спеченного агломерата	Дробление, грохочение агломерата	Горячий годный агломерат, горячий возврат 0-5 мм	Валковая дробилка, щековая дробилка, вибрационный грохот, конвейеры, циклоны-пылеуловители	Взвешенные вещества состава: С, Fe 2O 3, FeO, SiO 2, CaO, MgO, MnO, Al 2O 3, тепловое излучение, шум, вибрация
Дробленый агломерат	Охлаждение агломерата, сортировка и отсев мелочи	Охлажденный годный агломерат + 5 мм, возврат 0-5 мм, постель 8-20 мм	Чашевые, линейные, кольцевые охладители	Взвешенные вещества состава: С, Fe 2O 3, FeO, SiO 2, CaO, MgO, MnO, Al 2O 3, тепловое излучение, шум, вибрация
Запыленный воздух	Пылеочистка аспирационных систем	Обеспыленный воздух с выбросом в атмосферу, пыль сухая, шламы	Циклоны, мокрые скрубберы	Взвешенные вещества состава: С, Fe 2O 3, FeO, SiO 2, CaO, MgO, MnO, Al 2O 3, шум, вибрация
Сточные воды гидросмыва пыли помещений, шлам мокрых газоочисток	Оборотный цикл водоснабжения	Осветленная вода оборотного цикла, сгущенные шламы	Отстойники грязной воды, сгустители шламов	Шлам состава: С, Fe 2O 3, FeO, SiO 2, CaO, MgO, Al 2O 3, ZnO, (Na, K) 2O
Шламы газоочисток	Обезвоживание и сушка шламов	Осветленная вода в оборотный цикл, шлам сухой	Сгустители шламов, вакуум-фильтры, сушильные барабаны	Шлам и взвешенные вещества состава: С, Fe 2O 3, FeO, SiO 2, CaO, MgO, Al 2O 3, ZnO, (Na, K) 2O, CaCO 3, MgCO 3, FeCO 3, MnCO 3; газовые компоненты (для сушильных барабанов): CO, SO x, NO x; шум, вибрация

Неорганизованные выбросы возникают при транспортировке, выгрузке сырья, при хранении пылящих твердых материалов на открытых складах, при дроблении компонентов шихты, транспортировании материалов на открытых конвейерах, выбросов от агрегатов в технологических процессах при отсутствии или недостаточной герметичности укрытий, утечках из фланцев, насосов, вентиляторов.

2.1.8 Факторы негативного воздействия на окружающую среду

Факторами негативного воздействия на окружающую среду являются следующие.

Выбросы в атмосферу

При производстве агломерата имеют место неорганизованные и организованные выбросы в атмосферу загрязняющих веществ с твёрдыми компонентами (взвешенными веществами): С, Fe ₂O ₃, FeO, SiO ₂, CaO, MgO, Al ₂O ₃, MnO; газообразными компонентами: NO ₂, NO, SO ₂, CO, CO ₂, бенз(а)пирен.

Сточные воды

В агломерационном производстве используется техническая вода из водооборотного цикла для увлажнения шихты при её смешивании и окомковании, в установках мокрых систем пылегазоочистки (или систем с гидроудалением), охлаждения элементов зажигательных горнов, а также смыва осевшей пыли в производственных помещениях. Водоснабжение осуществляется по локальным водооборотным системам. Сбросы воды не производятся.

Отходы и побочные продукты

В процессе производства агломерата образуются отходы и побочные продукты: просыпь шихтовых материалов, пыль и шламы газоочисток с различных участков, отходы футеровок при ремонтах зажигательных горнов, резиновые транспортёрные ленты, отходы строительных материалов, стекла, кабельной продукции и резинотехнических изделий. Все производственные отходы утилизируются.

Вредные производственные факторы

При производстве агломерата вредными производственными факторами являются:

- повышенное напряжение в электрической цепи свыше 50 В;

- движущиеся машины и механизмы;

- подвижные части производственного оборудования;

- повышенная температура поверхности оборудования и материалов;

- расположение рабочего места на значительной высоте относительно поверхности земли;

- повышенный уровень инфракрасного излучения свыше 140 Вт/м ²;

- повышенный уровень производственного шума на рабочем месте свыше 80 дБ;

- повышенная загазованность и запылённость неорганической пылью (ПДК окиси углерода - 20 мг/м ³, неорганической пылью - 6 мг/м ³).

2.2 Производство кокса

2.2.1 Основные способы производства кокса

Вещество кокса представляет собой спекшуюся углеродную массу, содержание углерода 82-89 %, зольность 10-12 %. Кокс является основным восстановительным агентом, опорным материалом и фильтрующей матрицей в доменной печи, применяется в производстве ферросплавов, литейном производстве, производстве электродов в цветной металлургии, химической промышленности.

Кокс получают в процессе пиролиза угля, который заключается в нагреве угля до высоких температур без доступа воздуха. В отопительных простенках коксовой батареи между печными камерами сгорает газовое топливо. Температура дымовых газов составляет 1150-1350 °C, что обеспечивает непрямой нагрев угля до температуры 1000-1100 °C. В течение 14-24 ч в результате нагрева получают кокс, а сам процесс называют коксованием (карбонизацией).

Образующийся при работе печей коксовый газ подвергают охлаждению и очистке от смолистых веществ и бензольных углеводородов. Эти процессы сопровождаются улавливанием и получением ценных химических продуктов.

Традиционный способ производства кокса в камерных печах, объединенных в коксовые батареи, остается единственным. Изменяются лишь масштабы печей и применяются некоторые усовершенствования оборудования, включая установки для защиты окружающей среды от загрязнения. Разрабатываются новые технологии, в первую очередь - непрерывного и непрерывно-периодического коксования в кольцевых, шахтных печах и печах с наклонным подом. Эти технологии прошли опытно-промышленную проверку, но до настоящего времени в промышленных масштабах не используются.

За рубежом существуют технологии производства кокса в горизонтальных и вертикальных камерных печах специальной конструкции без химического блока цехов, т.е. с отоплением батарей неочищенным коксовым газом. Выбрасываемые в атмосферу дымовые газы при такой технологии сильно загрязнены и нуждаются в очистке, что при больших объемах этих газов представляет достаточно серьезную проблему.

Принципиальная схема традиционной технологии производства кокса приведена на рисунке 2.16.

Рисунок 2.16 - Принципиальная схема традиционной технологии производства кокса

2.2.2 Сырьевые материалы

Только некоторые типы углей, обладающие необходимыми пластическими свойствами, пригодны для производства кокса. Сырьевой базой для коксохимического производства являются угли различных угольных бассейнов, обогащенные на фабриках или сортированные с шахт и разрезов.

При использовании каменных углей для коксования необходимо знать их технический состав, спекаемость, коксуемость, распределение минеральных примесей в классах углей по их крупности и насыпной вес угольной шихты.

Под техническим составом топлива обычно подразумевают данные, характеризующие техническую применимость топлива. Технический состав угля определяется содержанием влаги и минеральных примесей, выходом летучих веществ, содержанием серы и фосфора, углерода, водорода и азота, а также теплотой сгорания топлива.

Влажность углей. При нагревании угля до 100-105 °C из него испаряется вода. Количество испаренной воды при этих условиях обычно выражают в процентах к весу топлива и называют содержанием влаги в углях, или влажностью углей.

Содержание минеральных примесей в угле характеризуется его зольностью. Зольность топлива определяется по выходу остатка после сжигания угля при температуре 800 °C. Зольность угля, как и влажность, выражается в процентах к его весу. Чем меньше зольность исходной шихты, тем меньше зольность получаемого металлургического кокса.

Выход летучих веществ представляет собой количество образовавшихся газообразных продуктов в результате различных химических реакций в процессе термического разложения топлива. Выход летучих веществ характеризует химический возраст (зрелость) углей. Чем меньше выход летучих веществ из углей, тем больше их возраст.

Коксуемость углей обусловливается совокупностью всех процессов, которые протекают при нагреве их до более высоких температур (1000-1100 °C) и включают, кроме процессов спекания, упрочнение и усадку материала полукокса и кокса, образование трещин и другие явления. Поэтому коксуемостью называют способность угля самостоятельно или в смеси с другими углями при определенных условиях подготовки и нагревания до высоких температур образовывать кусковой пористый материал - кокс, обладающий определенной крупностью и механической прочностью.

Группы углей обычно обозначаются начальными буквами их названий. Буквами Д, Г, Ж, К, О, С и Т обозначают длиннопламенные, газовые, жирные, коксовые, отощенные, спекающиеся и тощие угли. Вышеприведенный ряд углей характеризуется увеличением степени их химической зрелости (возраста). Часто для обозначения групп углей применяют их сочетание или дополнительные индексы, подразделяющие группы углей на подгруппы. Систематизация углей по группам и маркам представляет собой их классификацию.

Для получения кокса используют только те угли, которые при нагревании способны размягчаться, вспучиваться под действием выделяющихся летучих веществ и затвердевать с образованием прочных кусков. Наилучшими для этой цели являются так называемые коксующиеся угли с выходом летучих веществ в пределах 18-27 %. Угли с большим выходом летучих (газовые) или с меньшим (тощие) обычно спекаются плохо или не спекаются совсем. В настоящее время для получения кокса используют и неспекающиеся или плохо спекающиеся угли, примешивая их к коксующимся. Для коксования применяют угли следующих марок: коксовые (К), жирные (Ж), отощенные спекающиеся (ОС) и газовые (Г).

В настоящее время на всех КХП России коксованию подвергают не отдельные сорта углей, а угольную шихту из нескольких марок.

2.2.3 Подготовка углей к коксованию

Подготовка угольной шихты проводится в углеподготовительных цехах. Углеподготовительный цех (УПЦ) предназначен для приема, хранения, усреднения и измельчения углей, дозирования компонентов угольной шихты и обеспечения готовой шихтой заданного качества коксовых цехов.

Технологическая схема подготовки углей к коксованию включает:

- гаражи размораживания углей;

- вагоноопрокидыватели;

- открытый или закрытый склад угля;

- отделение предварительного дробления;

- дозировочное отделение;

- отделение окончательного дробления;

- оборудование и сооружения для транспортировки угля и шихты (перегрузочные станции с ленточными конвейерами);

- угольные башни коксовых батарей.

Прием угля на предприятие

Прибывающие вагоны с углем разгружаются на стационарных роторных вагоноопрокидывателях в приемные бункера, из которых уголь подается транспортерами на угольный склад или непосредственно на участок углеприема в отделение предварительного дробления (ОПД). Производительность вагоноопрокидывателя по выгрузке угля в зависимости от условий выгрузки и времени года составляет от 6 до 15 вагонов в час.

Технологией процесса выгрузки угля из вагона предусмотрено, что ротор вагоноопрокидывателя переворачивает вагон и уголь падает в приемные бункера в течение нескольких секунд. Падающая масса угля увлекает (эжектирует) окружающий воздух, создавая воздушный поток, направленный вниз. Одновременно из бункера вытесняется находящийся там воздух, этот поток направлен вверх. Сталкивающиеся между собой потоки воздуха образуют завихрения и захватывают мелкие частицы, образующиеся при высыпании угля из вагона и рассыпания его в бункере. Запыленный воздух образует пылевое облако, которое загрязняет пылью рабочие места и территорию коксохимпроизводства, а также территории населенных мест и селитебных зон, расположенных вблизи предприятия. Для предотвращения этого выброса сооружаются аспирационные установки, предусматривающие окожушивание ротора с отсосом и очисткой запыленного воздуха. В качестве пылеуловителей применяются мокрые аппараты (циклоны с водяной пленкой, газопромыватели СИОТ и др.).

В зимнее время смерзшийся в вагонах уголь перед разгрузкой размораживается в гаражах размораживания. Теплоносителем для разогрева углей в железнодорожных вагонах в гараже размораживания служат дымовые газы, получаемые от сжигания коксового или природного газа в топках печей. Продукты горения нагнетаются в помещение гаража через патрубки распределительных металлических боровов, проходящих вдоль стен гаража. По всасывающим трубопроводам 80 % газов из гаража размораживания возвращаются обратно на рециркуляцию в смесительные камеры топок, где, смешиваясь с продуктами горения газа, вновь подаются дымососами в помещение гаража. Остальная часть отводится в атмосферу через вытяжные трубы, расположенные на крыше гаража.

Усреднение и хранение углей

Хранение и усреднение поступающих на производство углей производится на угольных складах открытого или закрытого типа.

Открытые склады имеют различные схемы, но независимо от этого все снабжены мостовыми грейферными кранами, называемыми углеперегружателями, для складирования углей в штабеля и выдачи их со склада. Обычно открытый склад состоит из нескольких траншей по 200-250 м длиной каждая и нескольких площадок, оборудованных углеперегружателями. На складе угли усредняются путем послойной укладки их в штабеля и забора на производство вразрез уложенным слоям с помощью грейфера. Полная высота штабелей достигает 14-16 м. Оперативная емкость склада рассчитывается на обеспечение работы коксовых батарей в течение 12 суток.

Закрытые склады представляют собой ряд железобетонных бункеров (силосов), снабженных ленточными конвейерами для подачи угля на склад и выдачи его на производство. В закрытых складах совмещаются функции хранения, усреднения и дозирования углей в одном сооружении.

Подготовка угольной шихты

С угольного склада уголь транспортерами подается на участок углеприема в отделение предварительного дробления. Обычно подготовка углей осуществляется по схеме ДШ - дробление шихты или ДК - дробление компонентов (см. рисунок 2.17). Возможно применение схемы ГДК - групповое дробление компонентов. Выбор схемы подготовки углей зависит прежде всего от качества применяемых для приготовления шихты углей и от имеющегося на предприятии технологического оборудования.

Рисунок 2.17 - Схемы подготовки углей к коксованию

Угольная шихта представляет собой смесь углей, различающихся между собой по технологическим свойствам. Подготовка шихты заданного состава (по схеме ДШ) происходит путем дозирования угля разных марок из силосов на ленточный питатель и подачи его на сборные конвейеры, по которым шихта подается на измельчение и смешивание в молотковые дробилки отделения окончательного дробления и затем распределяется на угольные башни коксовых батарей.

Предварительное дробление углей производится барабанными дробилками, в которых уголь измельчается до размеров кусков 80-100 мм и удаляются посторонние предметы и куски породы.

После предварительного дробления уголь по системе конвейеров подается в дозировочное отделение и распределяется по силосам (дозировочным емкостям) в зависимости от марки угля. Силоса обычно расположены в две нитки по несколько емкостей.

Технологическая схема углеподготовки приведена на рисунке 2.18.

В/о - вагоноопрокидыватель; ОПД - отделение предварительного дробления; ПС - перегрузочная станция

Рисунок 2.18 - Технологическая схема углеподготовки (пример)

2.2.4 Технологические процессы производства кокса

Процесс производства кокса включает в себя следующие технологические операции [31]:

- загрузка камер коксования угольной шихтой;

- нагрев угольной шихты без доступа воздуха до заданных температур за установленный период времени в коксовых печах;

- отвод и охлаждения прямого коксового газа из камер коксования;

- выдача готового кокса из печей;

- тушение кокса;

- сортировка кокса на фракции;

- транспортировка коксовой продукции в доменный цех или отгрузка кокса потребителям.

Выдача кокса и загрузка печей ведется по цикличному графику.

Промежуток времени от загрузки печи до выдачи кокса называют периодом коксования. Период коксования с прибавкой времени на операции по загрузке шихты и выдаче кокса называют временем оборота печей или оборотом печей.

В состав коксовых цехов входят коксовые батареи со вспомогательными и обслуживающими устройствами и сооружениями, обычно объединенные в блоки из двух батарей; угольные башни; коксовые машины; тушильные башни для мокрого тушения кокса с насосами и отстойниками; коксовые рампы с транспортерами для подачи кокса на сортировку; коксосортировка с устройствами для рассева кокса, подачи его в доменный цех или в железнодорожные вагоны с бункерами для промежуточного накопления.

Коксовые батареи

Основная конструкция современных коксовых печей была разработана к середине XX века.

Печь (камера коксования) является рабочим пространством, в котором происходит процесс коксования. Она имеет форму призмы с большим по ширине основанием на коксовой стороне батареи, т.е. в направлении выталкивания из камеры коксового пирога. С машинной и коксовой сторон камера коксования закрывается дверьми с огнеупорной футеровкой. В перекрытии камеры имеются отверстия для загрузки ее угольной шихтой и отверстия для выхода коксового газа.

В настоящее время печи, объединенные в батареи, имеют длину 12-17 м, высоту 4-7 м и ширину 0,3-0,6 м. Между печами размещаются отопительные простенки - стены камеры с вертикальными обогревательными каналами, в которых происходит сжигание отопительного газа. Подаваемый в отопительные простенки воздух подогревается в регенераторах с помощью горячих отходящих газов; утилизация вторичного тепла дает возможность повышения температуры в печи. Батареи могут включать до 77 печей, каждая печь в батарее вмещает до 30-40 т угля.

Схема устройства батареи приведена на рисунке 2.19.

Рисунок 2.19 - Схема устройства коксовой батареи

Обогрев батарей осуществляется коксовым газом или смесью коксового (вариант - природного) и доменного газов. Дымовые газы отводятся в борова и затем через дымовую трубу батареи выбрасываются в атмосферу.

При нагревании угля выделяется коксовый газ, создавая в печи повышенное давление. Для предотвращения газовыделения (газования) в период коксования и обеспечения необходимой герметичности камер производится уплотнение дверей, крышек загрузочных люков и стояков. Для предотвращения выбросов через неплотности дверей камер применяются уплотнения, в основном "железо по железу". Крышки загрузочных люков уплотняются специальным раствором для предотвращения выделений загрязняющих веществ (продукты пиролиза угля) через неплотности. Крышки стояков оборудуются гидравлическими или пневматическими уплотнениями.

Повышенное давление газа в печных камерах может привести к перетоку (прососам) коксового газа в отопительные простенки через неплотности кладки печей. При наличии прососов органические вещества, содержащиеся в сыром коксовом газе, при недостатке кислорода возгоняются с образованием сажевых частиц. Проведение регулярных ремонтов огнеупорной кладки позволяет предотвратить прососы и снизить выбросы сажи из дымовых труб коксовых батарей.

Летучие продукты коксования (прямой коксовый газ) отводятся из камеры через газовые люки, на которых установлены стояки, в газосборники и далее по трубопроводу на переработку в цеха улавливания. В газосборниках газ охлаждается путем орошения его надсмольной водой, подаваемой через специальные форсунки. По мере охлаждения газа в газопроводах и охлаждающей аппаратуре образуется газовый конденсат. В местах его скопления устанавливаются конденсатоотводчики, через которые конденсат непрерывно вытекает в соответствующие сборники, из которых после отстаивания направляется в фенольную канализацию.

Печные системы

Существующие в РФ коксовые батареи с боковым подводом отопительного газа принципиально подразделяются по конструкции системы обогрева на батареи с перекидными каналами (ПК) и батареи с парными вертикалами и рециркуляцией продуктов горения (ПВР). Каждый тип батарей имеет свои преимущества и недостатки. Система ПВР обеспечивает относительно более гибкое регулирование распределения температуры по высоте коксового пирога, система ПК - по длине коксового пирога, особенно при резких колебаниях оборота печей.

Коксовые батареи ПВР с боковым подводом коксового газа имеют преимущества в сравнении с конструкциями коксовых батарей систем ПК. Основными достоинствами коксовых батарей системы ПВР являются: относительно низкое сопротивление отопительной системы; равномерный обогрев печной камеры по высоте; существенное снижение NO _x в дымовых газах вследствие рециркуляции продуктов горения; высокая строительная прочность отопительного простенка в сравнении с печами, имеющими сборный горизонтальный канал. Несмотря на более сложную конструкцию газораспределительной корнюрной зоны, что усложняет конфигурацию фасонных огнеупоров, суммарный расход огнеупорных изделий на кладку (динасовых, шамотных, полукислых, многошамотных и др.) такой же, как для печей ПК-2К со сдвоенными регенераторами.

Загрузка печей

Загрузка угольной шихты в камеры коксования осуществляется углезагрузочным вагоном, который доставляет угольную шихту из угольной башни к загружаемой печи.

Угольная башня обычно обслуживает две батареи, ее емкость должна обеспечивать 15-18 ч потребность коксового блока в шихте.

В нижней части угольной башни располагается ряд затворов, через которые угольная шихта поступает в бункера углезагрузочного вагона. После набора шихты углезагрузочный вагон передвигается к коксовой печи, готовой к загрузке.

В перекрытии каждой печной камеры находится 3 или 4 загрузочных люка, через которые в камеры поступает шихта. Внизу бункеров углезагрузочного вагона имеются телескопические патрубки, которые опускаются на люки печных камер.

Наиболее распространен метод гравитационной загрузки, когда шихта движется вниз под действием гравитационных сил. Загрузка печи шихтой при гравитационном способе загрузки составляет 3-6 мин.

Печи оборудованы устройствами для бездымной загрузки методом паро- или гидроинжекции, при которых выделяющиеся пылегазовые продукты отсасываются в газосборник.

Загруженная в печь шихта должна быть сверху выровнена. Между сводом печи и загруженной шихтой должно оставаться свободное пространство для выхода газа в стояк. Это обеспечивается выравниванием (планированием) шихты путем ввода в печь планирной штанги.

Выдача и тушение кокса

После окончания заданного периода коксования двересъемные машины на коксовой и машинной сторонах батареи снимают двери печной камеры и готовый кокс при помощи штанги коксовыталкивателя через коксонаправляющую корзину выталкивается (выдается) в приемный вагон. Схема выдачи представлена на рисунке 2.20.

При мокром тушении кокса кокс в тушильном вагоне электровозом транспортируется под башню тушения и в течение 40-60 с орошается водой, в качестве которой обычно используется вода после биохимической очистки. После орошения вагон отстаивается не менее 50 с под тушильной башней для стока излишней воды.

Стекающая с вагона во время тушения вода отстаивается в специальных шламовых отстойниках. Отстоявшаяся вода забирается насосом и снова подается на тушение кокса. Шлам из отстойника грузится грейфером в железнодорожные вагоны.

Рисунок 2.20 - Схема выдачи кокса

Из тушильного вагона кокс выгружается на рампу, выдерживается на ней не менее 15 мин для испарения влаги, ссыпается на конвейер и подается на коксосортировку.

При сухом тушении кокса кокс выдается в коксовозный вагон и направляется на установку сухого тушения (УСТК), в которой охлаждается инертным газом, продуваемым через слой кокса в камере сухого тушения. После охлаждения в УСТК кокс подается на коксосортировку.

Транспортирование, сортировка и отгрузка кокса

Схема коксосортировки (пример приведен на рисунке 2.21) предусматривает рассев кокса на классы (по крупности кусков) при помощи валковых и вибрационных грохотов. Технологическая схема рассева кокса обычно предусматривает его разделение на классы:

- кокс литейный с размером кусков + 60 мм;

- кокс литейный с размером кусков + 40 мм;

- кокс доменный с размером кусков + 40 мм;

- кокс доменный с размером кусков + 25 мм;

- кокс доменный с размером кусков 25-40 мм;

- орешек коксовый с размером кусков 10-25 мм;

- мелочь коксовая с размером кусков 0-10 мм.

Сортировка кокса по крупности начинается с отделения крупной фракции кокса (класс от 25 до 40 мм) на валковых грохотах. Кокс после валковых и вибрационных грохотов поступает на рассевной грохот, на котором отсеивается фракция более 25 мм, коксовый орешек с размером кусков от 10 до 25 мм и коксовая мелочь с размером кусков менее 10 мм.

После рассева кокс поступает в бункеры кокса, откуда затем либо подается по транспортерам в доменный цех металлургического производства, либо отгружается потребителям в железнодорожный или автомобильный транспорт.

Рисунок 2.21 - Технологическая схема коксосортировки (пример)

2.2.5 Очистка коксового газа

Коксовый газ образуется при коксовании угля в результате термического разложения последнего при повышении температуры до 1000-1150 °C и является побочным продуктом при производстве кокса. Он представляет собой смесь различных газов и паров: метана, водорода, окиси углерода, аммиака, паров каменноугольной смолы и других веществ. Коксовый газ после очистки используется для обогрева коксовых батарей, а также как энергетическое топливо для объектов металлургического и энергетического производств.

В результате осреднения выход коксового газа из батареи, состоящей из 60-70 печей, получается практически равномерным в пределах 400-450 м ³/т получаемого кокса. Этот газ называют прямым (таблица 2.8).

Для обеспечения надлежащих экологических показателей при последующем использовании коксового газа для энергетических нужд прямой коксовый газ проходит обязательную обработку, в процессе которой из него удаляются пары смолы и воды, а также улавливаются аммиак и бензольные углеводороды [31]. После такой обработки газ называется обратным (см. таблицу 2.8) и его используют в основном для сжигания в качестве топлива как самостоятельно (Qрн  16 мДж/м ³), так и в смеси с доменным.

Таблица 2.8 - Состав прямого и обратного коксового газа

Компонент	Содержание, %
	Прямой газ	Обратный газ
Оксид углерода CO	2-5	2-7
Кислород O 2	0,8-1,0	0,6-1,5
Диоксид углерода CO 2	2-7	2,4-3,0
Водород H 2	50-57	57-60
Метан CH 4	20-25	22-25
Углеводороды C nH m	2,0-2,5	1,7-2,0
Аммиак NH 3	7-9	-
Бензол C 6H 6	22-27	-
Цианистый водород HCN	1,7-2,5	-
Нафталин C 10H 8	0,6-1,3	-
Сероводород H 2S	1,7-4,5	2,0-3,5 г/нм 3

Очистка и обработка коксового газа с извлечением попутных химических продуктов коксования осуществляется в комплексе технологических процессов (химических производств), общий вид которых приведен на рисунке 2.22.

Схема очистки коксового газа представлена на рисунке 2.23.

Рисунок 2.22 - Панорама технологических участков для очистки и обработки коксового газа

Первичное охлаждение и очистка коксового газа от аммиака

Основная очистка коксового газа производится в цехе улавливания, где происходит охлаждение летучих парогазовых продуктов, выходящих из камеры коксования с температурой 700-800 °C, до 30-40 °C, конденсация с очисткой их от смолы, нафталина, аммиака и бензола.

Каменноугольная смола - сложная смесь большого числа индивидуальных соединений, основные из них - углеводороды ароматического ряда. Смола является сырьем для получения пека, нафталина, каменноугольных масел и других ценных продуктов.

Основные технологические процессы:

- первичное охлаждение коксового газа и выделение из него смолы и водяных паров;

- извлечение из коксового газа и надсмольной воды аммиака (с получением сульфата аммония или с термическим уничтожением аммиака);

- конечное охлаждение коксового газа (с улавливанием нафталина);

- очистка коксового газа от бензольных углеводородов;

- подача очищенного коксового газа на обогрев коксовых батарей и другим потребителям.

Рисунок 2.23 - Технологическая схема отделения конденсации цеха улавливания (пример)

Очистка коксового газа от аммиака

Улавливание аммиака из коксового газа на большинстве предприятий производят путем контакта газа с серной кислотой в сатураторах барботажного типа с получением сульфата аммония.

В ряде случаев вместо сатураторов применяют более интенсивное оборудование - форсуночные скрубберы-абсорберы, где при помощи промывки серной кислотой из газа улавливается аммиак.

По воздействию на загрязнение окружающей среды бессатураторный способ практически не отличается от сатураторного.

В последнее время получает распространение технология очистки коксового газа от аммиака круговым фосфатным способом (КФС) с улавливанием аммиака и последующей утилизацией пароаммиачной смеси с выработкой пара. Реализация этой технологии позволяет исключить из оборота концентрированную серную кислоту и предотвратить образование кислой смолки, а также снизить выбросы в атмосферу некоторых загрязняющих веществ II-IV классов опасности.

Конечное охлаждение и очистка коксового газа от бензольных углеводородов

Очищенный от аммиака газ с температурой 50-60 °C поступает в конечный газовый холодильник (КГХ), где охлаждается оборотной водой до температуры 20 °C (зимой) или 30 °C (летом). Одновременно с охлаждением газа и конденсацией содержащихся в нем водяных паров в КГХ происходит вымывание нафталина.

Из конечного газового холодильника коксовый газ поступает в бензольные скрубберы, орошаемые поглотительным маслом, при контакте с которым газ очищается от бензольных углеводородов.

Очищенный коксовый газ (обратный) направляется на отопление коксовых батарей, а также в металлургическое производство в качестве энергетического топлива.

2.2.6 Установка биохимической очистки сточных вод

В процессе производственной деятельности КХП образуются следующие сточные воды:

- фенольные - за счет влаги шихты, пирогенетической влаги и конденсата пара, выделяются в процессах коксования шихты и переработки продуктов коксования;

- шламовые - в процессах мокрой очистки газа и воздуха аспирационных и вентиляционных систем;

- производственные стоки, к которым относятся продувочные воды чистых и грязных оборотных циклов - при выведении из оборотных циклов части оборотной воды с целью уменьшения концентрации загрязнений в оборотной воде за счет подачи в цикл свежей воды (подпитки), а также сточные воды химводоподготовки, продувочные воды котлов и др.;

- ливневые и поливомоечные воды - за счет сбора и отведения с территории КХП ливневых, талых и поливомоечных вод.

Для канализования сточных вод на КХП обычно имеются фенольная, ливневая, шламовая и хозфекальная канализации; название системы канализования совпадает с названием вод, отводимых по ней. Для очистки фенолсодержащих сточных вод (технологических и загрязненных поверхностных) сооружается биохимическая установка (БХУ).

Биохимическая установка предназначена для очистки сточных вод от органических и неорганических соединений, а именно: от смол и масел, фенолов, роданидов, цианидов, аммонийного азота и его окисленных форм до норм, обеспечивающих возможность их использования на нужды предприятия взамен технической воды (мокрое тушение кокса). Схема биохимической очистки сточных вод приведена на рисунке 2.24.

Установка биохимической очистки представляет собой комплекс сооружений, позволяющих удалить из воды основную массу растворимых в ней загрязняющих веществ. Отделение биохимической очистки сточных вод обычно состоит из двух ступеней: механической очистки от смолы и масел и биохимической очистки от фенолов и роданидов.

Сточные воды, образующиеся в основных технологических процессах коксования (конденсат из газопроводов коксового газа, избыточная надсмольная вода цеха улавливания, продувочные воды циклов конечных газовых холодильников и др.), содержащие в значительном количестве фенолы, роданиды, соли аммония, смолы, масла и др., собираются в приемных резервуарах БХУ.

Биохимический метод обесфеноливания сточных вод основан на способности некоторых микробов разрушать фенолы. Интенсивность процесса обесфеноливания достигается применением специальных комплексов фенолоразрушающих и роданразрушающих микробов и созданием им надлежащих условий жизнедеятельности, к которым относятся:

- интенсивная аэрация сточных вод;

- pH в пределах 7,0-8,5;

- предварительная очистка сточных вод от смолы и масел;

- наличие в сточной воде питательных веществ в определенных количествах (углерод, азот, фосфор);

- обеспечение постоянства состава и количества сточных вод, поступающих на очистку.

Сточная вода направляется в первичные отстойники для очистки от грубодисперсных нерастворимых примесей, включая тяжелые смолы, а также от части легких масел. Всплывающие легкие загрязнения собираются в сборном лотке, откуда периодически (раз в смену) сбрасываются в сборник масел. Для удаления осевших загрязнений первичные отстойники снабжены коническим днищем для перемещения и выгрузки осадка в сборник тяжелых смол и масел, откуда вывозится автоцистерной на склад угля УПЦ и используется как добавка к коксуемой шихте.

Осветленная вода с первичных отстойников перетекает в резервуар вод для продолжения механической очистки во флотаторах. Очистка методом напорной флотации производится в две ступени, сначала сточная вода проходит очистку в одном флотаторе, а затем - во втором. Вода подается сначала в напорный бак, а затем - через водораспределительное устройство для равномерного распределения сточной воды по всей площади флотационной камеры, расположенной в нижней части флотатора. Из флотационной камеры сточная вода перетекает в зону отстаивания флотатора и далее поступает в резервуар после I ступени флотации.

Всплывшие вверх сфлотированные масла в виде маслянистой пены удаляются с поверхности воды напорных флотаторов постоянно вращающимися скребковыми устройствами (пеногонами) в сборные лотки, из которых далее сбрасываются в сборник легких масел. Очищенная в первом флотаторе сточная вода из резервуара подается в напорный бак и далее во флотатор II ступени, проходя очистку аналогично первой ступени флотации.

Очищенная до массовой концентрации смол и масел 30-50 мг/дм ³ сточная вода после флотатора II ступени поступает в промежуточный сборник вод после механической очистки, откуда в летнее время подается в кожухотрубчатые теплообменники для охлаждения и далее в усреднители. В зимнее время подача сточной воды в усреднители осуществляется, минуя теплообменники.

В усреднителях происходит смешение и усреднение сточной воды по температуре, концентрации загрязняющих компонентов и pH. Усреднители работают как предаэротенки. Для этого в них подается сжатый воздух и ортофосфорная кислота.

Вода с перетоков из верхней части усреднителей собирается в резервуар усредненной воды. Благодаря усреднению вод обеспечивается постоянство состава воды, что стабилизирует качество очищаемой воды и процесс очистки.

Усредненные и предварительно осветленные сточные воды подаются в аэротенки первичной ступени, где производится биохимическая очистка от фенола. Очищенные от фенола сточные воды поступают в сборник, откуда подаются в аэротенки второй ступени для очистки от роданидов. После очистки на второй ступени сточные воды поступают во вторичный отстойник, из которого сгущенный ил возвращают в аэротенки второй ступени, а очищенные стоки подают в сборник, откуда их направляют на тушение кокса либо на городские очистные сооружения для доочистки с хозбытовыми водами.

Рисунок 2.24 - Схема биохимической очистки сточных вод

В составе биохимической установки имеются питомники для культур фенолразрушающих и роданидразрушающих бактерий. Подача подготовленных культур из питомников предусмотрена во все реакторы и усреднители и осуществляется насосами.

2.2.7 Основное технологическое и природоохранное оборудование для производства кокса

Основное оборудование для производства кокса приведено в таблице 2.9.

Таблица 2.9 - Основное оборудование для производства кокса

Наименование оборудования	Назначение оборудования	Существенные характеристики технологического оборудования
Вагоноопрокидыватель роторный	Разгрузка вагонов	Ротор, вращающийся на роликовых опорах. Угол поворота 170°. Подземная часть имеет бункеры для угля
Закрытый склад угля	Хранение угля	Железобетонные бункеры емкостью до 2500 т
Дробилки	Измельчение угля	Барабанные, молотковые, инерционно-роторные дробилки ударно-отражательного действия
Коксовые печи	Коксование шихты	Камеры коксования, объединенные в батареи. Материал - динас
Углезагрузочная машина	Комплекс операций по набору шихты, доставке и загрузке шихты в камеру печи	Машина, передвигающаяся по рельсам на верху батареи, имеет бункеры шихты, механизмы снятия и установки загрузочных люков, управление стояками и парогидроинжекцией
Коксовыталкиватель	Обслуживание дверей, планирование шихты, выталкивание коксового пирога из печи	Машина, передвигающаяся по наземным рельсам на машинной стороне батареи, имеет механизмы снятия, чистки и установки дверей, штангу для выталкивания кокса и планирную штангу
Двересъемная машина	Обслуживание дверей и рабочей площадки на коксовой стороне батареи	Машина, передвигающаяся по рельсам на рабочей площадке коксовой стороны батареи, имеет механизмы снятия, чистки и установки дверей
Тушильный вагон	Прием раскаленного кокса, транспортировка его на тушение и на коксовую рампу	Вагон перемещается вдоль батарей электровозом. При мокром тушении принимает кокс в движении для равномерного рассыпания, при сухом тушении принимает кокс с одной постановки
Тушильная башня	Тушение кокса водой	Имеет оросительную систему с вытяжной трубой
Коксовая рампа	Отпаровывание кокса	Наклонная поверхность, футерованная базальтовыми плитами, с которой кокс по конвейерам подается на сортировку
Установка сухого тушения кокса	Тушение кокса инертными газами	Комплекс оборудования, включающий подъемник, камеру тушения с загрузочным и разгрузочным устройствами, пылеотделители, дымосос, паровой котел
Коксосортировка	Разделение валового кокса на фракции	Валковые и вибрационные грохоты. Двухниточный конвейерный тракт. Имеет бункеры готового кокса

Основное природоохранное оборудование

Для снижения негативного воздействия на окружающую среду процесса производства кокса устанавливается природоохранное оборудование [31]:

- газоочистное и аспирационное оборудование, обеспечивающее необходимый уровень очистки технологических газов и аспирационного воздуха от содержащихся в них загрязняющих веществ перед отводом газов (воздуха) в атмосферу и/или возвратом обратно в рабочую зону;

- водоочистное оборудование, обеспечивающее очистку загрязненных сточных вод;

- установки утилизации отходов производства.

Для улавливания пыли на коксохимических предприятиях используют [45] пылеуловители сухого и мокрого способов очистки. Благодаря развитию газоочистных технологий в последнее время успешно применяются высокоэффективные пылеуловители. К ним относятся рукавные фильтры, электрофильтры, а также мокрые фильтры. Среди наиболее распространенных сухих методов очистки газов от пыли наибольшей эффективности улавливания частиц тонкодисперсных (менее 5 мкм) можно добиться при использовании рукавных фильтров, а также электрофильтров. Использование рукавных фильтров позволяет достичь отметки остаточной запыленности, находящейся ниже 5-10 мг/м ³.

Аспирационное оборудование должно быть либо прямоточным, которое после очистки воздушных масс выбрасывает их в атмосферу, или рециркуляционным, предназначенным для возвращения очищенного воздуха обратно в помещение. В этом случае следует соблюдать санитарные нормы для приточного воздуха.

В процессах углеподготовки до настоящего времени работают пылеуловители мокрого типа, что связано с взрывопожароопасностью угольной пыли. В то же время имеется положительный опыт успешного применения сухих циклонов и рукавных фильтров.

В качестве водоочистных сооружений на коксохимпроизводствах применяются установки биохимической очистки сточных вод, обеспечивающие возможность использования очищенной воды для тушения кокса, в водооборотных циклах и для сброса на городские очистные сооружения.

Природоохранное оборудование производства кокса приведено в таблице 2.10.

Таблица 2.10 - Природоохранное оборудование коксового производства

Наименование оборудования	Назначение оборудования	Существенные характеристики природоохранного оборудования
Аспирационные установки оборудования углеподготовки и обработки кокса	Локализация выделения загрязняющих веществ, недопущение поступления примесей от источника их образования при технологических процессах производства кокса в атмосферный воздух и воздух рабочей зоны. Удаление запыленного воздуха из-под укрытий транспортно-технологического оборудования	Комплекс аспирационных систем с укрытиями пылевыделяющего оборудования, разветвленной сетью воздуховодов, эффективными пылеулавливающими установками. Для улавливания угольной пыли - мокрые аппараты, циклоны, рукавные фильтры. Для улавливания коксовой пыли - циклоны, рукавные фильтры
Устройства бездымной загрузки шихты	Предотвращение выделения загрязняющих веществ в атмосферный воздух и воздух рабочей зоны. Удаление газов загрузки в газосборник	Паровая или гидравлическая инжекция
Установки беспылевой выдачи кокса стационарные и передвижные	Локализация выделения загрязняющих веществ, недопущение поступления примесей от места рассыпания кокса в атмосферный воздух и воздух рабочей зоны. Удаление запыленного воздуха из зонта и очистка его от коксовой пыли	Аспирационное укрытие в виде зонта, мокрые аппараты, инерционные пылеуловители, циклоны, рукавные фильтры, электрофильтры
Водоочистные сооружения	Очистка воды, используемой для тушения кокса, в водооборотных циклах и для сброса на городские очистные сооружения	Установка биохимической очистки сточных вод от фенолов, роданидов и аммонийного азота
Коллекторные системы	Сбор и транспортирование газовых выделений из емкостного химического оборудования	Разветвленная сеть специальных газоотводящих трубопроводов с подключением к газопроводу коксового газа
Установки утилизации отходов	Сбор и подготовка твердых и жидких отходов к утилизации	Емкости фусов и эмульсии, дозаторы для присадки отходов к угольной шихте

2.2.8 Материальные потоки, виды эмиссий, их образование и улавливание

Воздействие производства кокса по стадиям технологического процесса представлено в таблице 2.11.

Таблица 2.11 - Воздействие технологического процесса производства кокса на окружающую среду

Входной поток	Этап процесса (подпроцесс)	Выходной поток	Основное технологическое оборудование	Эмиссии
Угольное сырье	Разгрузка вагонов	Угольное сырье на конвейере	Вагоноопрокидыватель	Взвешенные вещества (угольная пыль), шум, вибрация, неорганизованные выбросы
	Хранение угля	Угольное сырье на конвейере	Закрытый склад угля
	Дробление, дозирование и смешение	Угольная шихта на конвейере	Дробилки, дозаторы
Угольная шихта	Коксование	Кокс	Коксовые печи	Газовые компоненты: оксиды азота, диоксид серы, оксид углерода, сероводород, аммиак, цианистый водород, бензол, фенолы, пиридиновые основания, нафталин, сажа, бенз(а)пирен, тепловое излучение
	Загрузка шихты в печные камеры	Шихта в печной камере	Углезагрузочная машина	Взвешенные вещества (угольная пыль), оксид углерода, оксиды азота, диоксид серы, сероводород, аммиак, цианистый водород, бензол, фенолы, пиридиновые основания, нафталин, бенз(а)пирен, тепловое излучение
Кокс	Выдача кокса	Кокс в тушильном (коксовозном) вагоне	Коксовыталкиватель	Взвешенные вещества (коксовая пыль), оксид углерода, оксиды азота, диоксид серы, сероводород, аммиак, цианистый водород, бензол, фенолы, пиридиновые основания, нафталин, бенз(а)пирен, тепловое излучение
	Тушение кокса	Потушенный кокс	Тушильная башня	Взвешенные вещества (коксовая пыль), оксид углерода, сероводород, аммиак, цианистый водород, фенолы
			Установка сухого тушения кокса	Взвешенные вещества (коксовая пыль), оксид углерода, сероводород, аммиак, цианистый водород, фенолы
	Сортировка кокса	Фракционированный кокс	Грохоты коксосортировки	Взвешенные вещества (коксовая пыль)

2.2.9 Факторы негативного воздействия на окружающую среду

Производство кокса по всей технологической цепочке сопровождается воздействием на атмосферу, воздух рабочей зоны, поверхностные и подземные воды, связано с образованием отходов производства.

Выбросы в атмосферу

При производстве кокса происходят выбросы в атмосферу вредных веществ: в виде газообразных компонент - оксиды азота, диоксид серы, оксид углерода, аммиак, сероводород, водород цианистый, бензол, нафталин, пиридин, фенол, сероуглерод, бенз(а)пирен, ксилол, толуол, или твердых компонентов - взвешенные вещества (сажа, коксовая пыль, угольная пыль).

Сточные воды

Источниками образования сточных вод являются влага шихты и пирогенетическая вода, выделяющиеся в процессе коксования угля, а также техническая вода и водяной пар, соприкасающиеся в технологических процессах с химическими продуктами коксования. В процессе производства эта вода загрязняется различными примесями - фенолами, аммиаком, сероводородом, цианидами, роданидами, каменноугольной смолой, маслами и др.

Химзагрязненные (фенольные) сточные воды очищаются на биохимической установке очистки сточных вод. Основная часть очищенной воды направляется на мокрое тушение кокса, оставшаяся часть используется в оборотных циклах или передается на городские очистные сооружения.

Отходы и побочные продукты

В процессе производства кокса образуются отходы (побочные продукты) производства (фусы каменноугольные, кислая смолка, пыль коксовая и угольная, шламы, масла, полимеры и др.) и потребления. Особо опасными считаются фусы, представляющие собой смесь угля, графитовых и частично пиролизованных угольных частиц с каменноугольной смолой и водой.

Все производственные отходы утилизируются путем добавления в исходную шихту.

Вредные производственные факторы

При производстве кокса вредными производственными факторами являются:

- повышенное напряжение в электрической цепи;

- движущиеся машины и механизмы;

- подвижные части производственного оборудования;

- повышенный уровень инфракрасной радиации;

- повышенный уровень шума на рабочем месте;

- повышенная или пониженная температура воздуха рабочей зоны;

- повышенная температура поверхности оборудования, материалов;

- расположение рабочего места на значительной высоте относительно поверхности земли;

- повышенная запыленность и загазованность рабочей зоны.

Допускаемые санитарными нормами уровни и концентрации вредных факторов:

- уровень производственного шума - 80 дБ;

- уровень инфракрасного излучения - 140 Вт/м ²;

- предельно допустимая концентрация (ПДК) вредных веществ (ГН 2.2.5.1313-03).

Таблица 2.12 - Предельно-допустимые концентрации загрязняющих веществ в воздухе рабочей зоны

Наименование вещества	Класс опасности	Предельно допустимые концентрации в рабочей зоне, мг/м 3
Диоксид азота	3	5
Аммиак	4	20
Оксид азота	2	30
Цианистый водород	2	0,3
Серная кислота	2	1
Сажа	3	4
Диоксид серы	3	10
Сероводород	2	10
Оксид углерода	4	20
Бензол	2	15/5 *
Ксилол	3	150/50 *
Толуол	3	150/50 *
Бензпирен	1	0,00015
Нафталин	4	20
Фенол	2	1/0,3 *
Формальдегид	2	0,5
Сероуглерод	2	10/3
Пиридин	2	-
Взвешенные вещества (пыль коксовая)	3	6 *
Взвешенные (пыль угольная)	3	10 *
* Среднесменная.

2.3 Производство чугуна

Чугунами принято называть сплавы железа с углеродом (Fe-Fe ₃C) с содержанием углерода свыше 2 % (в разное время это оценивали от 1,7 % до 2,14 %). Наименьшую температуру плавления (1148 °С) имеет сплав без примесей с содержанием углерода 4,38 % (эвтектический) [32]. В доменных печах в наибольшем количестве выплавляют чугун "передельный", предназначенный для передела в сталь или для переплавки в чугунолитейных цехах для производства различных отливок. Передельный чугун в зависимости от назначения выпускается трёх видов:

- передельный коксовый для сталеплавильного производства марок П1 и П2 и для литейного производства марок ПЛ1 и ПЛ2;

- передельный коксовый фосфористый марок ПФ1, ПФ2 и ПФ3;

- передельный коксовый высококачественный марок ПВК1, ПВК2 и ПВК3.

Химические составы данных видов чугуна должны соответствовать техническим условиям ГОСТ 805-95 "Чугун передельный", который устанавливает марки, группы, классы и категории в зависимости от содержания кремния, марганца, фосфора и серы. По требованию потребителей к химическому составу передельного чугуна могут предъявляться дополнительные требования по содержанию углерода, меди, хрома и др. Например, содержание кремния в чугуне марки П1 должно быть свыше 0,5 % и до 0,9 % включительно, в марке П2 - до 0,5 %; в марке ПЛ1 - свыше 0,9 % и до 1,2 %, в марке ПЛ2 - свыше 0,5 % и до 0,9 % включительно.

Кроме передельного чугуна, в доменных печах выплавляют различные виды и марки литейных чугунов:

- литейный коксовый марок ЛК1; ЛК2; ЛК3; ЛК4; ЛК5; ЛК6; ЛК7;

- литейные легированные чугуны, содержащие повышенное содержание некоторых металлов - хромоникелевые, титанистые, титаномедистые, ванадиевые.

Примерный химический состав чугуна: Si - 0,80 %; Mn - 0,40 %; S - 0,6 %; Ti - 0,10 %; P - 0,08 %; Cr - 0,05 %; C - 4,64 %.

В 2019 г. в мире было выплавлено 1875,155 млн т стали и 1327,1 млн т чугуна, что составило 70,8 % от произведённой стали. Более 99 % чугуна было выплавлено в доменных печах. Современное доменное производство характеризуется высокой производительностью, оптимальными расходами ресурсов и энергетическими затратами, надлежащим оснащением средозащитным оборудованием и технологиями. Удельная производительность лучших доменных печей составляет от 80 до 93,5 т/(м ²*сут).

Самые большие в мире доменные печи имеет южнокорейская фирма POSСO (ДП-1 полезным объёмом 6000 м ³ с диаметром горна 16,1 м и 44 воздушными фурмами) и китайская компания Shagang Group (ДП-4 внутренним объёмом 5800 м ³ с диаметром горна 15,7 м) [33, 34]. Доменные печи объёмом свыше 5000 м ³ с использованием комбинированного дутья с вдуванием природного газа, пылеугольного топлива (ПУТ) и обогащением дутья кислородом производят более 14 тыс. т чугуна в сутки. В России, США и Канаде, имеющих собственные ресурсы природного газа, для снижения расхода кокса вдувают природный газ, в последнее время начали применять вдувание ПУТ. На современных доменных печах Южной Кореи и Китая расход вдуваемого ПУТ составляет от 160 до 250 кг/т, а расход кокса снижен до 290 кг/т [33, 34].

Достигнутые показатели доменных печей в мире [35]:

- минимальный расход кокса - 256,8 кг/т чугуна;

- максимальный расход ПУТ - 252,4 кг/т чугуна;

- максимальный расход мазута - 140 кг/т чугуна;

- максимальный расход природного газа - 130 кг/т чугуна;

- минимальный расход восстановителей в ДП - 418 кг/т чугуна (с загрузкой скрапа, металлодобавок и горячебрикетированого железа "HBI" 25 % и более).

На металлургических предприятиях России в настоящее время в эксплуатации находятся доменные печи различных объёмов (см. таблицу 2.13), основные показатели работы доменных печей представлены в таблице 2.14 [36].

Таблица 2.13 - Объемы доменных печей металлургических предприятий России, м ³

Предприятия	ДП-1	ДП-2	ДП-3	ДП-4	ДП-5	ДП-6	ДП-7	ДП-8	ДП-9	ДП-10
ММК	1370	1370		1370		1380	1371	1371	2014	2014
ЧерМК	1007	1033	3290	2700	5580
НЛМК		1000	2000	2000	3200	3864	4291
ЗСМК	3000	2000	3000
НТМК					2200	2200
ЧелМК	2038			1386	1719
Урал. Сталь	1007	1232	1648	2015
Тулачермет	1510	1144	2200
КМЗ	1066	462	759
СЧПЗ	224		350
Надежд. МЗ	260		205		212

Таблица 2.14 - Основные показатели работы доменных печей предприятий России

Предприятия	Расходы, кг/т; м 3/т								Уд. произ., т/м 3сут	Выпл. млн. т в 2019 г.
	Агломерат	Окатыши	Руда дом.	Мет. доб.	Сумм. кокс	Прир. газ	ПУТ	Кислород
ММК	1034	595	4	24	420	124		155	2,5	10,013
ЧерМК	1030	471	26	34	399	116		119	2,58	9,486
НЛМК	1059	563	7	28	337	71	104	115	2,45	11,662
ЗСМК	1228	404	1	19	409	68	40	86	2,1	6,072
НТМК	784	840		66	352	114	57	130	3,1	4,943
ЧелМК	1301	352	1	29	445	116		87	2,54	3,326
Урал. Сталь	1066	604	57	18	463	93		67	1,7	2,749
Тулачермет	1431	135	56	48	444	62		48	1,97	2,392
КМЗ *	-	1526	120		810	56			1,003	0,311
Саткинский МЗ	-								1,32	0,111
Надежд. МЗ	1705	-	-	167	489	94			1,98	0,308

------------------------------

^*_{Передельный и литейный чугун.}

------------------------------

Кроме чугуна, в доменных печах выплавляется доменный ферромарганец (в 2019 г. было выплавлено 198 тыс. доменного ферромарганца с содержанием марганца до 78-79 %, в том числе на КМЗ 87 тыс. т и на Саткинском МЗ 111 тыс. т.).

2.3.1 Общая характеристика технологии доменной плавки

Доменная печь представляет собой печь шахтного типа, предназначенную для получения металла из железосодержащей шихты и кокса.

По принципу работы доменная печь - это противоточный реактор (2.25). Движущей силой в доменной печи является горячее дутье, сжигающее кокс перед воздушными фурмами, образуя фурменный газ. Столб шихты в печи состоит из чередующихся слоев кокса и железорудных материалов, которые загружаются через верх (колошник) доменной печи с температурой окружающего воздуха и с определенной влажностью. Поднимаясь вверх, фурменный газ проходит через шихту и нагревает ее.

По высоте доменная печь разделена на несколько частей:

- на колошнике доменной печи специальным загрузочным устройством железорудное сырьё, флюсы и кокс распределяются определённым образом по окружности и радиусу печи;

- в шахте происходит нагрев шихтовых материалов и начинается восстановление оксидов металлов;

- в распаре и заплечиках практически заканчивается восстановление оксидов железа и образуются жидкие продукты плавки, которые стекают в горн доменной печи;

- в горне (металлоприемнике) доменной печи происходит разделение чугуна и шлака по их удельному весу, а также завершаются процессы восстановления оксидов металлов из жидкого шлака углеродом кокса, заполняющего горн печи.

Доменный процесс начинается с момента вдувания в воздушные фурмы горячего дутья (температура до 1250 °С и выше), которое сжигает перед фурмами кокс и вдуваемое через фурмы топливо. Температура в фурменном очаге достигает 1900-2300 °C.

Образующийся в процессе горения кокса и вдуваемого углеводородного топлива горячий газ, содержащий восстановители монооксид углерода CO и водород (H ₂), а также азот (N ₂), поднимается вверх, нагревает и расплавляет опускающиеся железорудные материалы, восстанавливает из рудной части оксиды железа до металла, охлаждается и удаляется из печи. Температура колошникового газа составляет 110-300 °C.

Образующиеся жидкие металл и шлак стекают по коксовой насадке в горн печи. В горне печи при температуре 1500-1600 °C оксиды шлака FeO, MnO, SiO ₂, P ₂O ₅ и другие восстанавливаются углеродом кокса. Накопленные в горне чугун и шлак периодически удаляют через чугунную летку во время выпусков по установленному графику. На место выгорающего у фурм кокса и опускающихся в горн жидких расплавов поступают новые порции рудного сырья и кокса, непрерывно загружаемых загрузочным устройством на колошнике печи.

Рисунок 2.25 - Принципиальная технологическая схема работы доменной печи [37]

Передельный чугун с содержанием кремния 0,3-1,2 % используют для выплавки стали, а литейный с кремнием свыше 1,2 % поставляют на машиностроительные предприятия. При выплавке ванадийсодержащего чугуна на титаномагнетитовой шихте содержание кремния стараются держать около 0,2-0,3 % для ограничения восстановления титана в чугун.

Вредными примесями в чугуне считаются фосфор и сера, причем при доменной восстановительной плавке удалить фосфор из чугуна невозможно.

Основными источниками поступления серы в доменной печи является загружаемое и вдуваемое топливо, т.е. кокс, пылеугольное топливо и мазут, с которыми приходит в печь 80-90 % серы, 10-20 % с шихтовыми материалами. В топливе часть серы (60-80 %) органическая и остальная часть - минеральная, а в шихтовых материалах - минеральная в виде сульфидов и сульфатов.

При сгорании кокса и вдуваемого топлива вся сера окисляется и переходит в фурменный газ (в виде SO ₂ и SO). Основная часть газообразных соединений серы во время движения вверх через слой шихты реагирует с CaO, MgO, FeO, MnO шихтовых материалов и свежевосстановленным железом с образованием сульфидов кальция, магния, железа и марганца. С шихтовыми материалами, железом и затем с чугуном сера в виде сульфидов опускается в горн. Более половины серы при контакте чугуна и шлака переходит в шлак. Серу удаляют созданием условий, обеспечивающих образование в конечных шлаках сульфидов (кальция, магния и марганца) и оптимальных свойств шлака, обеспечивающих его выход из печи. Один из известных способов удаления серы повышение основности конечного шлака. Способствует удалению серы повышение содержания кремния в чугуне.

Шлак используют для производства строительных материалов и шлакопортландцемента.

Побочная продукция - колошниковый газ подается в газовую сеть предприятия и применяется, в том числе для нагрева дутья и сушки желобов.

Отходами производства являются скрап литейного двора, уловленная в сухом пылеуловителе колошниковая пыль, шламы системы мокрой очистки доменного газа. Пыль, уловленная в системе мокрой газоочистки, подается в виде шлама в специальные бассейны-отстойники, где шлам сгущается и откачивается со дна сгустителя, очищенная вода поступает в оборотный цикл водоснабжения. Шламы системы мокрой газоочистки доменного процесса содержат повышенное количество цинка и щелочей, поэтому могут иметь ограниченное применение в рециклинге. Как правило, этот шлам выводится из оборота и размещается либо в прудах-отстойниках, либо в шламохранилищах.

Технологический процесс производства чугуна в доменной печи, схематично представленный на рисунке 2.26, осуществляется в сложном комплексе агрегатов и оборудования, который включает:

- рудный двор с кранами-перегружателями для разгрузки и усреднения сырья;

- шихтовое отделение с бункерами для загружаемых в печь материалов;

- воздухонагреватели для нагрева дутья до 1000-1200 °C (до 1400 °C на ВНК);

- доменную печь с механизмами загрузки сырья и выдачи продуктов плавки;

- системы газоочистки;

- установки обработки шлака (придоменную грануляцию шлака или находящееся в отдалении от доменного цеха отделение по переработке шлака для получения щебня, граншлака или другой продукции);

- разливочные машины для разливки товарного чугуна.

Рисунок 2.26 - Технологическая схема производства чугуна в доменной печи, видов и мест выделения эмиссий

Технологические операции процесса выплавки чугуна, как видно из рисунка 2.26, сопряжены с эмиссиями загрязняющих веществ. Использование сухих материалов (кокса, агломерата, окатышей, железных руд, флюсов или их заменителей), обладающих к тому же абразивными свойствами, приводит к выделению пыли в местах перегрузок, при отсеве мелочи на грохотах, при наборе материалов в весовую воронку в шихтовом отделении. При выпуске чугуна происходит активное выделение железографитовой спели из чугуна и окисление струи металла. При охлаждении шлака водой выделяется H ₂S, образующийся при взаимодействии сульфида кальция шлака с водой или влагой воздуха:

CaS + H ₂O = CaO + H ₂S.

При нагреве дутья в доменных воздухонагревателях образуются дымовые газы с характерным для них составом в виде оксидов азота, оксида углерода, оксида серы.

2.3.2 Прием и хранение сырья, дозирование, отсев мелочи

Поступающее в доменный цех железорудное сырье - руда, окатыши и агломерат при отсутствии бункерной эстакады разгружают из вагонов на рудном дворе в траншеи, на эстакаде или вагоноопрокидывателем (см. рисунок 2.27). При наличии бункерной эстакады в доменном цехе материалы разгружаются в бункера, обеспечивающие, в том числе необходимый кратковременный запас шихтовых материалов. На рудном дворе доменного цеха также хранят стратегический запас рудного сырья на случай возможных задержек поставок.

1 - доменная печь; 2 - скиповый подъемник; 3 - галерея коксового конвейера; 4 - перегрузочный вагон (трансферкар); 5 - бункерная эстакада; 6 - рудный перегружатель; 7 - вагоноопрокидыватель; 8 - приемная траншея; 9 - штабель руды; 10 - вагон-весы; 11 - скиповая яма; 12 - скип

Рисунок 2.27 - Схема приемки, усреднения сырья и загрузки в доменную печь

Рудным краном-перегружателем формируют штабели для усреднения поступивших отдельных партий сырья. Для каждого материала, как правило, отводят два штабеля, которые формируют и забирают поочередно. Руду усредняют грейферным краном, укладывая ее тонкими слоями вдоль штабеля. Забор руды производят грейфером вразрез штабеля. Окатыши и агломерат на рудном складе не усредняют. Рудное сырье кран выгружает в трансферкар, который перевозит его в нужные бункеры доменных печей. Трансферкар (перегрузочный вагон) необходим для ускорения загрузки бункеров доменных печей, чтобы не перемещать рудный кран-перегружатель вдоль фронта бункеров нескольких доменных печей. На современных металлургических комбинатах агломерат, с аглофабрики, может подаваться в доменный цех конвейерами. При загрузке доменных печей с бункерной эстакады набор компонентов шихты и их подача в загрузочный скип осуществляется системой дозаторов и транспортеров.

Перед подачей в доменную печь из рудного сырья и кокса в процессе набора дозы в весовую воронку на электровибрационных грохотах отсевают мелочь. От агломерата и окатышей отсевают фракцию менее 5 мм, а от кокса - менее 25 (35) мм, могут выделяться мелкие фракции кокса 10-25 (35) мм для отдельной загрузки в доменную печь.

На колошник шихта подается скипами, а на современных печах - конвейерами.

В подбункерных помещениях доменной печи в процессе транспортировки, отсева мелочи и дозирования компонентов шихты в весовые воронки образуется много тонкодисперсной пыли. Для удаления пыли из рабочего пространства подбункерные помещения оборудуются аспирационными установками с очисткой воздуха от пыли и последующей эквакуации пыли.

2.3.3 Загрузка печи

Решающую роль в устойчивой и экономичной работе доменной печи играет технология загрузки печи железорудным сырьем и коксом. Для этого применяются специальные загрузочные устройства (или засыпные аппараты), которые загружают печь таким образом, чтобы рудные материалы и кокс располагались на колошнике доменной печи в нужных зонах и равномерно по окружности. Как правило, рудная часть и кокс располагаются в печи слоями с некоторой большей долей кокса в центре и на периферии. Это обеспечивает равномерный газовый поток по сечению печи по всей ее высоте с активностью в центре и на периферии.

В настоящее время в России на доменных печах загрузку шихты производят 27 двухконусными загрузочными устройствами (см. рисунок 2.28); бесконусными загрузочными устройствами (БЗУ) Пауль Вюрт с вращающимся лотком (см. рисунок 2.29) (НТМК - ДП-5 и ДП-6; НЛМК - ДП-5, ДП-6 и ДП-7; ММК - пять из восьми доменных печей; ЧерМК - ДП-3, ДП-4, ДП-5; ЧелМК - ДП-1); в АО "Уральская Сталь" - ДП-3 БЗУ конструкции DanieliCorus (принцип работы аналогичен БЗУ "Пауль Вюрт"); и 3 бесконусными роторными загрузочными устройствами (БРЗУ) ТОТЭМ (см. рисунок 2.30) (ЗСМК все печи - ДП-1, ДП-2 и ДП-3).

1 - скип; 2 - приемная воронка; 3 - вращающаяся воронка малого конуса; 4 - малый конус; 5 - вращающийся распределитель шихты (ВРШ); 6 - большой конус; 7 - воронка большого конуса; 8 - наклонный мост

Рисунок 2.28 - Двухконусный засыпной аппарат [24]

В последнее время сначала большие доменные печи, а затем и печи меньшего объема стали оснащаться бесконусными загрузочными устройствами (БЗУ) Пауль Вюрт с лотковой загрузкой (см. рисунок 2.29) [24]. Особенностью данной конструкции бесконусного загрузочного устройства (БЗУ) является возможность вращающегося лотка менять угол наклона для изменения траектории ссыпания шихтовых материалов одной порции. Это обеспечивается работой сложного редуктора, находящегося в колошниковой зоне печи при высоких температурах. Для охлаждения редуктора в него непрерывно подают азот.

По сравнению с применением двухконусного засыпного аппарата БЗУ с однолотковой загрузкой вызывает меньший сдвиг шихты по радиусу печи, но приводит к большей неравномерности распределения шихты по окружности печи, так как невозможно точно регулировать или определить место начала и окончания ссыпания шихтовых материалов. Применение БЗУ с двойным распределительным лотком не устранило указанный недостаток лоткового БЗУ [37]. Загрузочное устройство с вращающимся лотковым распределителем шихты требует принятия специальных мер по устранению окружной неравномерности распределения материалов на колошнике. Для предотвращения подстоев шихты при работе с лотковым БЗУ рекомендуется режим работы с достаточно сильно раскрытым газовым потоком в центре печи, при котором в осевую зону дают увеличенное количество кокса, что приводит к повышению температуры в осевой части до 400-500 °C. Это дополнительно осложняет условия работы редуктора в этой зоне колошника.

1 - приемная воронка; 2 - газоуплотнительный клапан; 3 - бункер шихты; 4 - шихтовый затвор; 5 - вращающийся лоток

Рисунок 2.29 - Бесконусное загрузочное устройство (БЗУ) Пауль Вюрт с вращающимся лотком [24]

Указанные недостатки преодолены в бесконусном роторном загрузочном устройстве (БРЗУ) ТОТЕМ (см. рисунок 2.30).

1 - скип; 2 - приемная воронка; 3 - шихтовый и газовый затвор конусного типа; накопительный бункер; 5 - шихтовый клапан; 6 - газовый клапан; 7 - корпус клапанов; 8 - привод ротора; 9 - ротор; 10 - купол печи

Рисунок 2.30 - Бесконусное роторное загрузочное устройство (БРЗУ) ТОТЭМ [24]

Бесконусное загрузочное устройство с роторным принципом распределения шихты реализует принципиально новую технологию загрузки шихтовых материалов на поверхность засыпи, которое заключается в подаче их пятью плоскими веерообразными потоками, сходящими с лепестков вращающегося ротора. При этом материал, падая на поверхность засыпи, не деформирует её и остаётся на месте падения. Регулирование распределения материалов по радиусу осуществляется изменением скорости вращения ротора. Достоинством БРЗУ является то, что привод ротора для вращения загрузочных лепестков находится снаружи печи и не подвергается сильному нагреву.

2.3.4 Подготовка дутья

Нагрев дутья, подаваемого в доменную печь, имеет большое значение в экономии энергоресурсов при выплавке чугуна. Повышение температуры дутья на 100 °C в интервале температур 800-1000 °C снижает расход кокса на 3,9 %, а в интервале 1000-1200 °C - на 2,2 %.

В доменном производстве используются регенеративные воздухонагреватели с внутренней камерой горения, обеспечивающие нагрев дутья до 1200 °C (см. рисунок 2.31).

1 - купол ВН; 5 - насадка; 3 - камера горения; 8 - газовая горелка; 9 - штуцер газовой горелки; 12 - штуцер клапана холодного дутья; 15 - подкупольное пространство

Рисунок 2.31 - Воздухонагреватель с внутренней камерой горения

Однако воздухонагреватели с внутренней камерой горения, расположенной в одном кожухе с регенеративной огнеупорной насадкой, при длительной эксплуатации выявили ряд недостатков, а именно изгиб воздухонагревателя, короткое замыкание, пульсации, крип, неравномерность распределения потоков по насадке. Эти недостатки требуют ремонтов и ограничивают температуру эксплуатации до 1200 °C.

Основные недостатки, связанные с внутренней камерой горения, были устранены в воздухонагревателях с выносной камерой горения (см. рисунок 2.32).

Рисунок 2.32 - Воздухонагреватель с выносной камерой горения

Однако эта конструкция устранила только часть недостатков, оказалась дорогой, требует больших площадей для своего размещения, и также не обеспечивала равномерное распределение газов по всей площади огнеупорной насадки.

В последнее время получили распространение воздухонагреватели без высокой камеры горения конструкции Я.П. Калугина (ВНК) [38]. На рисунке 2.33 представлена принципиальная конструкция ВНК, обеспечивающая нагрев дутья до 1350 °C и низкое содержание в дымовых газах СО и NO _x.

Рисунок 2.33 - Воздухонагреватель конструкции Я.П. Калугина [38]

Отличительной особенностью ВНК является то, что температура горячего дутья 1250-1300 °C обеспечивается доменным газом с низкой теплотой сгорания и без добавок высококалорийного газа. Установка теплообменников для утилизации низкопотенциального тепла отходящих дымовых газов со средней температурой 280-330 °C для нагрева доменного газа и воздуха для отопления воздухонагревателей позволила снизить температуру дыма до 120 °C и увеличить температуру дутья без добавок высококалорийного газа.

Существенным элементом этой конструкции является струйно-вихревая горелка, расположенная вверху купола по оси воздухонагревателя, имеющая форкамеру. Горелка обеспечивает концентрацию СО в отходящем дыме не более 50 мг/м ³, что в два раза ниже европейских норм. Концентрация NO _x составляет не более 100 мг/м ³.

Комбинированное дутье

В качестве одного из приемов регулирования теплового состояния печи применяют увлажнение дутья подачей пара. Подача пара повышает содержание водорода в восстановительных газах и ускоряет процессы восстановления в печи [39, 40]. Для сохранения теплового состояния печи на каждый 1 г воды в 1 м ³ дутья следует повысить температуру дутья на 9 °C.

Существенным шагом в развитии технологии доменной плавки стало обогащение дутья кислородом, которое вызвало некоторые изменения параметров плавки, а именно:

- повысилась теоретическая температура горения в фурменном очаге;

- повысилось содержание окиси углерода в горновых газах;

- уменьшился расход дутья на единицу сжигаемого у фурм углерода;

- увеличилась производительность печи.

Особенно большой эффект дало обогащение дутья кислородом при выплавке в доменных печах ферросплавов - ферромарганца и ферросилиция.

Новый этап в повышении содержания кислорода в дутье доменных печей наступил с началом вдувания природного газа и других добавок к дутью, так как простая подача природного газа с дутьем приводит к охлаждению горна и не экономит кокс. Например, при одновременном обогащении дутья кислородом до 120 м ³/т чугуна количество вдуваемого природного газа можно увеличить до 100 м ³/т без изменения теплового состояния печи. Есть примеры с расходом природного газа до 170-200 м ³/т чугуна с соответствующей компенсацией расходом кислорода.

Обогащение дутья кислородом обеспечивает вдувание в доменные печи ПУТ до 250 кг/т чугуна.

Несмотря на одновременное вдувание в горн доменной печи природного газа и кислорода, коэффициент замены кокса природным газом не превышает 0,8. Чрезмерный расход природного газа без соответствующей компенсации кислородом приводит к разложению метана не в фурменном очаге, а в восстановительной атмосфере шахты доменной печи, при этом образуется водород и сажистый углерод, затрудняющий работу печи. Повышение эффективности использования природного газа в доменной плавке для замены кокса можно достигнуть предварительной его конверсией перед вдуванием, например, путем использования мощных плазмотронов [41].

В настоящее время в России содержание кислорода в дутье доменных печей некоторых заводов доходит до 26-33 % при расходе природного газа до 100-140 м ³/т чугуна.

Рассмотрение перспектив развития технологии производства чугуна, которые могут снизить потребление углерода на восстановление железа из руд и уменьшить негативное воздействие на окружающую среду, приводит к необходимости изучения технологии доменной плавки на кислородном дутье с обогащением восстановительным газом [42, 43]. Исключение азота из объёма восстановительного газа в печи с учётом дополнительного вдувания природного или коксового газов повысит восстановительный потенциал газов в печи, в том числе за счёт большего участия водорода. На этом этапе отмывка СО ₂ от колошникового газа будет хорошим дополнением к новой технологии [44]. Применение "кислородной" доменной технологии приведёт к отказу от использования воздухонагревателей для нагрева вдуваемого дутья, позволит на треть уменьшить размеры доменных печей при сохранении производительности, что снизит требования к прочности кокса.

2.3.5 Выплавка чугуна

Выплавляемые в доменной печи чугуны кроме железа и углерода содержат кремний, марганец, фосфор, серу и другие элементы, количество которых зависит от состава шихты и температурных условий плавки. Восстановителями являются окись углерода (СО), водород (Н ₂) и твердый углерод (С), которые, как восстановители, ведут себя по-разному при различных температурах по высоте печи. Источником газообразных восстановителей является углерод кокса, сгорающий в струе горячего дутья в фурменном очаге, по реакции:

С + О ₂ = СО ₂.

Образующийся оксид углерода (СО ₂) при температуре в горне печи 1600 °C-2300 °C взаимодействует с углеродом кокса по реакции:

СО ₂ + С = 2СО.

При наличии влаги в дутье вода также взаимодействует с углеродом по реакции:

Н ₂О + С = СО + Н ₂.

Таким образом, в горне печи присутствуют три вида восстановителя (С, СО и Н ₂) по отношению к оксидам шихты. Восстановление оксида железа происходит по реакциям:

3Fe ₂O ₃ + CO = 2Fe ₃O ₄ + CO ₂;

Fe ₃O ₄ + CO = 3FeO + CO ₂;

FeO + CO = Fe + CO ₂.

Аналогично эти реакции описываются с участием водорода. В доменной печи только 50-80 % всех оксидов железа в опускающихся полурасплавленных массах восстанавливается оксидом углерода и водородом. Остальная часть восстанавливается в горне печи из жидкого шлака твердым углеродом по реакции:

FeO + C = Fe + CO.

В горне печи температура продуктов плавки равна 1500-1600 °C. При этой температуре практически завершаются процессы восстановления оксидов шлака с участием углерода кокса. Также завершается образование карбидов железа. В чистом от примесей чугуне содержание углерода составляет 4,3-4,4 %. Марганец и хром образуют устойчивые карбиды и повышают содержание углерода в чугуне.

По мере опускания рудной части в горн печи и последовательного восстановления оксидов железа до металла, в зоне первичного шлакообразования в средней части шахты печи происходит постепенное разделение материалов на металл и шлаковую часть. При науглероживании свежевосстановленного металлического железа до 2,0 % температура его плавления снижается с 1535 °C до 1330 °C и этот сплав чугуна стекает в горн, где содержание углерода при контакте чугуна с коксом увеличивается до 4,3-4,6 %, а температура плавления понижается до 1150 °C.

Аналогично меняются состав и свойства первичного шлака по мере опускания его в горн печи, где в его состав войдет зола кокса и ПУТ. Доменная шихта рассчитывается таким образом, чтобы вязкость (жидкотекучесть) конечного шлака, состоящего в основном из оксидов SiO ₂, Al ₂O ₃, CaO, MgO, была достаточной для свободного выхода его из печи во время выпуска чугуна. В большинстве случаев это достигается при основности шлака по CaO/SiO ₂, равной 0,8-1,0.

Разная удельная плотность металла и шлака обуславливает их разделение в горне печи на два слоя. При накоплении в горне достаточного количества жидких продуктов плавки производят их выпуск через чугунную летку. Число выпусков чугуна в сутки на доменной печи составляет от 6 до 12. При совместном выходе чугуна и шлака их разделение происходит в скиммерном устройстве главного горнового желоба. Чугун сливают в чугуновозный ковши отправляют в сталеплавильный цех, а шлак - в шлаковую чашу для переработки или сразу гранулируют на припечной гранустановке. Температура чугуна при выпуске его из печи примерно 1420-1480 °C, а шлака - 1510-1530 °C. Для снижения выброса газов на литейный двор во время выпусков продуктов плавки транспортные желоба оборудуют укрытиями и системами улавливания и очистки аспирационных газов от пыли.

Выплавленный жидкий чугун поставляется в кислородно-конвертерный цех в чугуновозных ковшах вместимостью 70-100 т чугуна или в ковшах миксерного типа вместимостью до 500 т чугуна (см. рисунок 2.34).

1 - футерованная емкость; 2 - опорный подшипник

Рисунок 2.34 - Чугуновозный ковш миксерного типа

Из одной чугунной летки за один выпуск в миксерный чугуновозный ковш наливают до 400-500 т чугуна. Стойкость футеровки и число наливов чугуна в ковшах миксерного типа больше, чем в ковшах вместимостью 70-100 т.

2.3.6 Разливка товарного чугуна на разливочных машинах

При остановке конвертерного цеха на плановый ремонт образуется избыток жидкого чугуна, который является самостоятельной товарной продукцией. Товарный чугун разливают на двухручьевой разливочной машине (см. рисунок 2.35).

1 - стенд; 2 - разливочный желоб; 3 - опрыскиватель; 4 - устройство для погрузки чушек в вагоны; 6 - конвейер с мульдами; 7 - натяжное устройство

Рисунок 2.35 - Разливка чугуна в чушки

Чугуновозный ковш устанавливают на стенд, затем подъемным краном наклоняют его для перелива чугуна в промежуточную емкость и на разливочную машину. Чугун разливается в мульды, которые предварительно обрабатывают известковым молоком для предотвращения приваривания чугуна к мульде.

Существует технология разливки чугуна в гранулы, подобно получению гранулированного шлака. Такой чугун успешно транспортируется в железнодорожных вагонах и легко дозируется на плавку. Затраты на разливку чугуна в гранулы значительно меньше, чем на обслуживание и поддержание разливочной машины в рабочем состоянии.

2.3.7 Обработка доменного шлака

Конечный доменный шлак имеет примерный химический состав: SiO ₂ - 37,5 %; Al ₂O ₃ - 12,3 %; CaO - 36,3 %; MgO - 9,9 %; MnO - 0,4 %; FeO - 0,3 %; TiO ₂ - 1,2 %; Na ₂O - 1,1 %; K ₂O - 1,0 %. Основность шлака CaO/SiO ₂ - 0,95-1,2.

Шлак охлаждается водой на припечных грануляционных установках (см. рисунок 2.36) или на отдельно стоящих установках, либо в специальных шлаковых ямах. Наиболее распространенной технологией переработки доменного остается переработка шлака в щебень, являющийся широко востребованным продуктом в дорожном строительстве ив случае влияния сезонности спроса не имеет проблем с хранением.

Большая часть гранулированного доменного шлака используется при производстве цемента.

1 - камера оборотной воды; 2 - бункер; 3 - сопло для грануляции шлака; 4 - желоб; 9 - бункер сушки; 10 - кольцевой водосборник; 14 - эрлифт

Рисунок 2.36 - Технологическая схема припечной грануляции

При грануляции шлака на припечной гранустановке выходящий во время выпуска шлак стекает по желобу 4 на поток воды гранулятора 3, дробится и, попадая в бункер-охладитель 2, охлаждается. Затем полученный гранулированный шлак перекачивается и обезвоживается в специальных секциях, высушивается продувкой воздухом и отгружается. Образующийся при грануляции пар удаляется в атмосферу.

Недостатком грануляции доменного шлака является повышенная его влажность, затрудняющая его отгрузку и транспортировку потребителям в зимнее время.

Лучшим способом грануляции доменного шлака по ходу его выпуска из печи является полусухая грануляция во вращающемся сетчатом барабане. При таком способе шлак меньше смерзается и не требуется ввод антислеживающих добавок.

2.3.8 Очистка доменного газа и утилизация его химической энергии

Доменная печь в зависимости от вида выплавляемого чугуна производит до 2500 м ³/т доменного газа состава 25-27 % СО, 22-25 % СО ₂, 8-10 % Н ₂, представляющего в общезаводском балансе горючих газов до 25-30 % по теплу. Для его очистки от пыли перед подачей в заводскую сеть грязный доменный газ проходит многоступенчатую очистку (см. рисунок 2.37).

1 - доменная печь; 2 - уравнительные клапаны засыпного аппарата; 3, 4 - соответственно вертикальный и наклонный (нисходящий) газопроводы; 5 - пылеуловитель; 6, 9, 13 - газопроводы; 7 - скруббер высокого давления; 8 - труба-распылитель (труба Вентури); 10 - дроссельное устройство; 11 - газопровод получистого газа; 12 - электрофильтры

Рисунок 2.37 - Комплекс газоочистных сооружений доменной печи

В сухом пылеуловителе содержание пыли в газе снижается до 1-3 г/м ³. В мокром скруббере после полутонкой очистки содержание пыли в газе снижается до 0,1-0,8 г/м ³. В дроссельных группах производится тонкая очистка, и содержание пыли в доменном газе снижается до 0,005-0,01 г/м ³. При работе доменных печей при повышенном давлении тонкая очистка достигается в трубах-распылителях.

В настоящее время на новых и реконструируемых доменных печах стали устанавливать сухие газоочистки, которые не требуют воды для улавливания пыли.

Водопотребление

Работа доменной печи связана с потреблением большого количества технической воды, необходимой для работы системы охлаждения печи, очистки доменного газа и других производственных нужд. Для работы печи в аварийной ситуации при отключении насосов подачи воды, предусмотрена резервная емкость для обеспечения циркуляции охлаждающей воды в течение 30-40 мин работы цеха. Расход воды доменного цеха составляет 18-25 % в общезаводском балансе. Удельный расход воды составляет 60 м ³/т чугуна, в том числе свежей на подпитку - 4,5 м ³/т.

Водное хозяйство современных металлургических заводов требует повышения качества очистки оборотной воды. Первоначально эту задачу решали увеличением количества ступеней очистки (числом радиальных отстойников), что увеличивало затраты. Более перспективным путем решения задач очистки оборотной воды является применение отстойников-флокуляторов. Например, при строительстве новой доменной печи объемом 4000 м ³ три малогабаритных отстойника-флокулятора заменили три радиальных отстойника диаметром 30 м, заняли по площади в четыре раза меньше места и в два раза сократили стоимость очистных сооружений [45].

Очистки требует не только доменный газ, поступающий в заводскую газовую сеть. Необходимо очищать перед выбросом в атмосферу доменный газ из межконусного пространства загрузочного устройства доменной печи, так как из межконусного пространства в атмосферу под высоким давлением грязный доменный газ за сутки выбрасывается до 200 раз. На некоторых заводах работают установки для улавливания, очистки и утилизации доменного газа из межконусного пространства доменной печи (см. рисунок 2.38) [46]. По этой технологии грязный доменный газ из межконусного пространства не выбрасывается в атмосферу, а очищается в автономной малогабаритной газоочистке и возвращается в газопровод чистого доменного газа. Установка для улавливания и очистки газа из межконусного пространства доменной печи может работать независимо от доменной газоочистки. Расход воды на очистку составляет 40-50 м ³/ч.

а - межконусное пространство загрузочного устройства доменной печи; б - скруббер; в - дроссельная группа; г - коллектор чистого доменного газа; д - каплеуловитель; 1 - уравнительный газопровод; 2 - байпасный газопровод; 3 - эжектор; 4 - газопровод; дроссель-клапан с приводом; 6 - дисковая задвижка; 7 - листовая задвижка; 8 - газопровод получистого газа; 9 - эвольвентная форсунка; 10 - уравнительные клапаны большого и малого конуса

Рисунок 2.38 - Установки для улавливания, очистки и утилизации доменного газа из межконусного пространства доменной печи

2.3.9 Утилизация избыточного давления доменного газа

Газовые утилизационные бескомпрессорные турбины (ГУБТ) устанавливаются на доменных печах после пылеуловителей и скруббера с трубами Вентури для выработки электроэнергии за счет использования повышенного давления колошникового газа для вращения турбины и электрогенератора. Мощность некоторых ГУБТ составляет 7 и 12 МВт. Технологическая схема утилизации повышенного давления доменного газа приведена на рисунке 2.39 [24].

1 - двигатель; 2 - воздуходувка; 3 - пылеулавливатель; 4 - скруббер с трубами Вентури; 5 - перегораживающий клапан; 6 - газгольдер; 7 - аварийный отсечной клапан; 8 - листовая задвижка; 9 - генератор; 10 - воздуходувка; 11 - доменная печь; 12 - регулирующий клапан; 13 - турбина

Рисунок 2.39 - Технологическая схема утилизации энергии доменного газа

2.3.10 Основное технологическое и природоохранное оборудование

Назначение, описание, технологические характеристики основного оборудования, используемого при производстве чугуна, приведены в таблице 2.15.

Таблица 2.15 - Основное технологическое оборудование, используемое при производстве чугуна

Наименование оборудования	Назначение оборудования	Существенные характеристики технологического оборудования
Вагоноопрокидыватель	Выгрузка поступающих грузов	Вагоноопрокидыватель роторный или передвижной
Грейферные краны	Разгрузка вагонов на склад сырья в усреднительный штабель, забор сырья для заполнения шихтовых бункеров	Грейферные краны: козловые, портальные, мостовые
Трансферкар (перегрузочный вагон)	Заполнение компонентами шихты бункеров доменных печей	Перегрузочный вагон
Бункеры, весовые дозаторы, весовые воронки, ленточный конвейер	Дозировка компонентов доменной шихты на сборный конвейер в нужном соотношении	Бункеры, весодозаторы, ленточные сборные конвейеры для шихты
Доменная печь	Выплавка чугуна	Нагрев и восстановление железорудного сырья с получением чугуна, шлака и доменного газа
Машина для вскрытия чугунной летки	Вскрытие чугунной летки для выпуска продуктов плавки	Электрическая или гидравлическая модификация
Пушка для забивки чугунной летки	Закрытие чугунной летки после окончания выпуска	Электрическая или гидравлическая модификация
Чугуновозный ковш на 70-100 т чугуна	Транспортировка жидкого чугуна в сталеплавильный цех	Перевозка ж/д транспортом
Чугуновозный ковш на 300-500 т чугуна	Транспортировка жидкого чугуна в сталеплавильный цех	Перевозка ж/д транспортом
Шлаковая чаша	Транспортировка жидкого шлака на переработку	Перевозка ж/д транспортом
Припечная гранустановка	Грануляция жидкого шлака по ходу выпуска	Грануляция, обезвоживание и подсушка шлака
Гранустановка, отдельно стоящая	Грануляция шлака из шлаковых чаш	Грануляция шлака
Пылеуловитель-циклон	Очистка аспирационного воздуха	Очистка аспирационного воздуха
Тканевый фильтр	Очистка аспирационного воздуха	Очистка аспирационного воздуха
Пылеуловитель сухой	Очистка отходящих технологических газов	Очистка отходящих газов от пыли
Скруббер мокрый	Очистка отходящих технологических газов	Очистка отходящих газов от пыли
Оборудование мокрой газоочистки	Очистка отходящих технологических газов	Очистка отходящих газов от пыли
Водооборотный цикл: Насосы, отстойники, сгустители шлама	Перекачивание технологических жидкостей. Сбор и очистка грязной воды, предварительное сгущение шламов	Сбор пыли от гидросмыва помещений, уборка шламов циклонов газоочистки, очистка и осветление оборотной воды
Сгустители шлама, шламовые насосы, вакуум-фильтры, сушильные барабаны	Сгущение твердой фазы. Обезвоживание и сушка шламов	Обезвоживание шламов на вакуум-фильтрах, сушка обезвоженных шламов в сушильных печах
ГУБТ	Использование повышенного давления колошниковых газов для выработки электроэнергии	Выработка электроэнергии

Основное природоохранное оборудование

Для снижения негативного воздействия на окружающую среду процесса производства чугуна на технологических участках устанавливается природоохранное оборудование:

- газоочистное и аспирационное оборудование, обеспечивающее необходимый уровень очистки технологических газов и аспирационного воздуха от содержащихся в них загрязняющих веществ перед отводом газов или воздуха в атмосферу или возвратом обратно в рабочую зону;

- водоочистные сооружения, обеспечивающие очистку загрязнённых промышленных сточных вод.

Назначение, описание, технологические характеристики природоохранного оборудования, используемого при производстве чугуна, приведены в таблице 2.16.

Таблица 2.16 - Назначение и описание природоохранного оборудования, используемого при производстве чугуна

Наименование оборудования	Назначение оборудования	Существенные характеристики природоохранного оборудования
Циклоны сухие	Улавливание грубой пыли вентиляционных систем	Тип ЦН-15 и ВЗП. Эффективность очистки - от 70 % до 85 %. Остаточная запыленность - до 600 мг/нм 3
Пылеуловитель	Улавливание пыли отходящих технологических газов	Эффективность очистки от грубой пыли - 80-95 %
Электрофильтры	Улавливание пыли отходящих технологических газов	Эффективность очистки - до 95-99 %. Остаточная запыленность - до 30 мг/нм 3
Тканевые (рукавные) фильтры	Очистка от пыли отходящих технологических газов. Очистка от пыли аспирационного воздуха	Эффективность очистки от тонкой пыли - до 90-98 %
Тканевые фильтры с комбинированными сорбционными процессами	Очистка технологических газов от тонкой пыли и газов SO x, HCl, HF	Выбросы SO x сокращаются на 30-90 %
Скрубберы мокрые	Улавливание пыли отходящих технологических газов с помощью воды	Тип - скрубберы оросительные, скрубберы с трубой Вентури, остаточная запыленность - от 40 до 80 мг/нм 3
Дроссельное устройство	Поддержание и регулирование повышенного давления в доменной печи. Тонкое распыливание воды для улавливания пыли	Группа дроссельных клапанов различного диаметра

2.3.11 Материальные потоки, виды эмиссий, их образование и улавливание

По всей технологической цепочке производства чугуна в местах выгрузки сырья, складирования, хранения пылящих материалов на открытых площадках, дозирования компонентов шихты на различном оборудовании, работе уравнительных клапанов при загрузке печи, выпуске чугуна и шлака, транспортировки отходов производства и готовой продукции имеют место организованные и неорганизованные выбросы (эмиссии) загрязняющих веществ в виде пыли, газов, образования отходов, образования сточных вод.

Материальные потоки, характерные основные эмиссии при производстве чугуна представлены в таблице 2.17.

Таблица 2.17 - Перечень материальных потоков и эмиссий

Входной поток	Этап процесса (подпроцесс)	Выходной поток	Основное технологическое оборудование	Эмиссии
Железные руды, агломерат, кокс, окатыши, флюсы, добавки	Приемка, складирование, усреднение сырья	Усредненное железорудное сырье	Железнодорожные весы, вагоноопрокидыватель, краны-перегружатели, усреднители сырья, ленточные конвейеры	Взвешенные вещества состава: С, Fe 2O 3, Fe 3O 4, FeO, FeCO 3, SiO 2, Al 2O 3, MgO, MnO, CaCO 3, MgCO 3, MnCO 3
Железные руды, флюсы, топливо	Дозирование компонентов доменной шихты (подбункерное помещение)	Сдозированная шихта в скип	Бункеры, объемные и весовые дозаторы, ленточные конвейеры	Взвешенные вещества состава: С, Fe 2O 3, Fe 3O 4, FeO, FeCO 3, SiO 2, Al 2O 3, MgO, MnO, CaCO 3, MgCO 3, MnCO 3, шум, вибрация
Выбросы пыли и газов	Выпуск чугуна, шлака	Уловленная пыль, очищенный воздух с выбросом в атмосферу	Аспирация, циклоны, дымососы	Взвешенные вещества состава: С, Fe 2O 3, Fe 3O 4, FeO, SiO 2, CaO, MgO, Al 2O 3, MnO, газовые компоненты: CO, SO x, H 2S, тепловое излучение
Запыленный воздух	Пылеочистка аспирационных систем	Обеспыленный воздух с выбросом в атмосферу, пыль сухая, шламы	Циклоны, мокрые скрубберы	Взвешенные вещества состава: С, Fe 2O 3, Fe 3O 4, FeO, CaO, MgO, Al 2O 3, MnO SiO 2, шум, вибрация
Сточные воды гидросмыва пыли помещений, влажный шлам мокрых газоочисток	Оборотный цикл водоснабжения	Осветленная вода оборотного цикла, сгущенные шламы	Отстойники грязной воды, сгустители шламов	Взвешенные вещества состава: С, Fe 2O 3, Fe 3O 4, FeO, SiO 2, CaO, MgO, MnO, Al 2O 3, FeCO 3, CaCO 3, ZnO, MgCO 3, MnCO 3
Влажные шламы газоочисток	Обезвоживание и сушка шламов	Осветленная вода в оборотный цикл, шлам сухой	Сгустители шламов, вакуум-фильтры, сушильные барабаны	Взвешенные вещества состава: С, Fe 2O 3, Fe 3O 4, FeO, SiO 2, Al 2O 3, CaO, MgO, MnO, FeCO 3, FeCO 3, CaCO 3, ZnO, MgCO 3, MnCO 3

2.3.12 Факторы негативного воздействия на окружающую среду

Факторами негативного воздействия на окружающую среду являются следующие.

Выбросы в атмосферу

При производстве чугуна происходят неорганизованные и организованные выбросы в атмосферу загрязняющих веществ с твёрдыми компонентами (взвешенные вещества): С, Fe ₂O ₃, FeO, SiO ₂, MgO, Al ₂O ₃, MnO, CaO; газообразными компонентами: NO ₂, NO, SO ₂, CO, CO ₂, H ₂S, бенз(а)пиреном.

Сточные воды

В доменном производстве используется техническая вода из водооборотного цикла для системы охлаждения доменной печи и воздухонагревателей, в установках пылегазоочистки, а также гидросмыва осевшей пыли в производственных помещениях. Водоснабжение осуществляется по специальным водооборотным системам. Сбросы воды не производятся.

Отходы и побочные продукты

В процессе доменного производства образуются отходы и побочные продукты: просыпь шихтовых материалов, колошниковая пыль, пыль и шламы газоочисток с различных участков, отходы футеровок при ремонтах печей и воздухонагревателей, отходы футеровки при ремонтах главного горнового жёлоба, отходы заправочных материалов транспортирующих желобов чугуна и шлака, резиновые транспортёрные ленты.

Все производственные отходы утилизируются.

Вредные производственные факторы

При производстве чугуна вредными производственными факторами являются:

- высокотемпературные расплавы чугуна и шлака;

- повышенное напряжение в электрической цепи свыше 50 В;

- движущиеся машины и механизмы;

- подвижные части производственного оборудования;

- повышенная температура поверхности оборудования и материалов;

- расположение рабочего места на значительной высоте относительно поверхности земли;

- повышенный уровень инфракрасного излучения свыше 140 Вт/м ²;

- повышенный уровень производственного шума на рабочем месте свыше 80 дБ;

- повышенная загазованность и запылённость неорганической пылью (ПДК окиси углерода - 20 мг/м ³, неорганической пылью - 6 мг/м ³).

2.4 Производство стали в кислородных конверторах

Конвертерный способ выплавки стали является наиболее распространенным благодаря высокой производительности и более низкой стоимости передела в сравнении с электросталеплавильным и мартеновским способами.

Конвертерное производство - получение стали в сталеплавильных агрегатах-конвертерах путем продувки кислородом составляющих шихты плавки (жидкий чугун и металлолом).

Основные цели:

- снижение содержания углерода до требуемого уровня (с 4,0-4,5 % в чугуне до 0,01-0,4 % в расплаве металла в зависимости от планируемой к производству марки стали);

- окисление кислородом содержащихся в чугуне примесей (фосфора, кремния, марганца, серы и др.) с последующим их удалением из расплава в шлак [47].

2.4.1 Состав конвертерного цеха

В состав конвертерного цеха, как правило, входят следующие основные производственные отделения:

- приема жидкого чугуна (миксерное отделение; отделение перелива жидкого чугуна);

- приема и подготовки металлолома и шлакообразующих материалов (шихтовое отделение);

- десульфурации чугуна;

- приема и подготовки ферросплавов;

- выплавки стали;

- внепечной обработки стали;

- подготовки сталеразливочных и промежуточных ковшей;

- разливки стали на машине непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) и/или в изложницы (слитки);

- переработки шлаков;

- обработки непрерывнолитых заготовок;

- обработки слитков;

- отгрузки готовой продукции.

2.4.2 Технологический процесс производства непрерывнолитых заготовок или слитков в конвертерном цехе

Общая блок-схема технологического процесса производства непрерывнолитых заготовок и слитков в конвертерном цехе с образующимися эмиссиями приведена на рисунке 2.40.

Рисунок 2.40 - Общая блок-схема технологического процесса производства непрерывнолитых заготовок и слитков с образующимися эмиссиями в конвертерном цехе

Прием жидкого чугуна. Усреднение жидкого чугуна в стационарном миксере. Перелив из чугуновозных ковшей или чугуновозных ковшей миксерного типа в чугунозаливочные ковши

Из доменного цеха (производства) жидкий чугун поступает в сталеплавильный цех (производство) в чугуновозных ковшах или в чугуновозных ковшах миксерного типа. При наличии в сталеплавильном производстве миксерного отделения чугун из чугуновозных ковшей сливают в стационарный миксер для усреднения чугуна по составу и температуре. Затем осуществляется налив жидкого чугуна из миксера в чугунозаливочные ковши и передача их в загрузочный пролет конвертерного отделения. При отсутствии миксерного отделения чугун из чугуновозных ковшей или из чугуновозных ковшей миксерного типа в отделении перелива чугуна напрямую переливают в чугунозаливочные ковши.

После наполнения чугунозаливочного ковша производят взвешивание и измерение температуры чугуна, отбор пробы для определения химического состава. При необходимости по результатам измерения температуры корректируют расход чугуна на плавку.

Подготовка твердой металлической шихты и шлакообразующих материалов

Металлолом, используемый в конвертерной плавке, проверяется и обезвреживается от взрывоопасных и легковоспламеняющихся предметов.

Металлолом доставляется к конвертерам в совках (лотках).

Для наводки шлака применяется свежеобожженная известь с установленным фракционным составом, содержанием СаО + MgO и нормируемыми потерями при прокаливании. В качестве шлакообразующих материалов применяются также флюсы, содержащие MgO [48].

Десульфурация чугуна

При необходимости снижения серы чугун направляют на установки десульфурации чугуна. В качестве десульфураторов используют порошкообразную известь, соду, карбид кальция, гранулированный магний или смеси нескольких реагентов. Снижение содержания серы в чугуне осуществляют на установках десульфурации чугуна методом вдувания порошкообразных материалов (десульфураторов) в расплавленный чугун [49].

Прием и подготовка ферросплавов

Требования к химическому составу стали задаются диапазонами содержания элементов, а получение химического состава стали в заданных диапазонах достигается с помощью введения ферросплавов в расплав. При необходимости ферросплавы прокаливают.

Выплавка стали

После выпуска очередной плавки производится осмотр футеровки конвертера и сталевыпускного отверстия.

При удовлетворительном состоянии футеровки конвертера после выпуска плавки осуществляется подготовка шлака для нанесения шлакового гарнисажа. При неудовлетворительном состоянии футеровки конвертера производится локальный или капитальный ремонт футеровки.

Для подготовки шлака для нанесения шлакового гарнисажа на футеровку конвертера используется сырой, обожженный, офлюсованный доломит, бой шиберных плит, известь и каменный уголь (антрацит, кокс). Расход материалов зависит от количества и состояния шлака предыдущей плавки.

Шихта плавки конвертера состоит из жидкого чугуна и твердой металлической части шихты в определенном соотношении.

Загрузка шихты в конвертер начинается с завалки металлолома. Во избежание разрушения футеровки конвертера сначала загружается совок (лоток) с легковесным ломом, а затем с тяжеловесным. После завалки металлолома, при необходимости, производится его прогрев.

Затем осуществляется заливка жидкого чугуна. Химический состав применяемого чугуна, как правило: 4,0-4,5 % C; 0,1-0,5 % Mn; 0,5-0,9 % Si; около 0,02 % S; около 0,1 % P [50].

При недостаточном теплосодержании чугуна, необходимого для ведения плавки, может применяться технология предварительного подогрева металлической части шихты за счет сжигания теплоносителя (коксика, антрацита) в струе кислорода. При необходимости переработки избыточного количества чугуна в качестве охладителей применяют железорудные окатыши, известняк и сырой доломит.

После заливки чугуна конвертер устанавливается в вертикальное положение, опускается фурма и начинается продувка плавки технологическими газами, преимущественно кислородом (основной газ). При продувке кислородом в реакционной зоне развиваются температуры до 2200-2500 °С, что превращает реакционную зону в очаг разогрева всей ванны.

Вдуваемый кислород прежде всего взаимодействует с железом:

Fe + 1/2 x O ₂ = FeO.

Образующийся оксид железа частично переходит в шлак, частично растворяется в металле и окисляет примеси, содержащиеся в чугуне:

2FeO + Si = 2Fe + SiO ₂;

FeO + Mn = Fe + MnO;

5FeO + 2P = 5Fe + P ₂O ₅.

Эти химические реакции проходят с выделением большого количества тепла. С понижением содержания в металле кремния и марганца повышается температура и возрастает скорость окисления углерода как за счет взаимодействия с FeO, так и за счет прямого воздействия газообразного кислорода [51].

FeO + C = Fe + CO.

Регулируя интенсивность продувки, обеспечивают низкое содержание углерода в полупродукте (менее 0,04 %) без переокисления металла и шлака, после чего осуществляется выпуск металла в ковш [52].

Окислительный характер плавки приводит к высокой концентрации кислорода в виде FeO в металле, в связи с чем проводят его удаление раскислением металла марганцем, кремнием и алюминием [53] по реакции:

FeO + Mn = Fe + MnO;

2FeO + Si = 2Fe + SiO ₂;

3FeO + 2Al = 3Fe + Al ₂O ₃.

Схема работы конвертера приведена на рисунке 2.41.

1 - загрузка стального скрапа; 2 - заливка расплавленного чугуна; 3 - продувка кислородом; 4 - загрузка извести и железной руды с началом продувки и по ходу плавки; 5 - выпуск металла; 6 - слив шлака

Рисунок 2.41 - Схема работы конвертера

Конвертер представляет собой поворачивающийся на цапфах сосуд грушевидной формы, футерованный изнутри огнеупорами и снабженный леткой для выпуска стали и отверстием сверху (горловиной) для ввода в полость конвертера кислородной фурмы, отвода газов, заливки чугуна, загрузки лома и шлакообразующих и слива шлака. Конвертера по емкости могут вмещать от 135 т до 370 т расплавленного металла. Конструктивно конвертера емкостью от 135 т до 160 т могут изготавливаться глуходонными или со вставным днищем. Конвертеры большой емкости изготавливаются преимущественно глуходонными.

Образующийся в процессе продувки отходящий газ называется конвертерным газом и содержит в основном СО.

По способу отвода конвертерного газа в атмосферу газовые тракты конвертеров делятся на три группы:

- системы, работающие с подсосом воздуха через зазор между конвертером и котлом-утилизатором и полным дожиганием выделяющегося CO, т.е. с коэффициентом расхода воздуха  > 1;

- системы, работающие без доступа воздуха в газовый тракт и без дожигания CO;

- системы, работающие с частичным дожиганием CO в котле-утилизаторе, т.е. при 1 >  > 0.

Работа системы с полным дожиганием позволяет в полной мере утилизировать физическое и химическое тепло конвертерного газа.

Регламент работы в режиме с частичным дожиганием отходящих газов должен включать контроль:

- расхода отходящих дымовых газов;

- расхода кислорода;

- объемной доли СО в отходящих газах.

По этой технологии отходящие газы дожигаются в небольшом объеме в котле-утилизаторе и основная их часть сжигается на свече.

Работа газоотводящего тракта в режиме без дожигания применяется в основном в случае, когда реализуется сбор конвертерного газа в газгольдер с последующим использованием его в качестве энергетического ресурса. Во всех иных случаях работа системы осуществляется в режиме с частичным дожиганием.

Основными причинами образования взрывоопасных смесей при отводе газов без дожигания или с частичным дожиганием могут являться:

- резкие изменения газовыделения, вызванные нарушениями технологии ведения продувки (возобновление прерванной продувки на максимальном расходе кислорода, подача сыпучих материалов большими порциями);

- подсос воздуха в "холодную часть" газоотводящего тракта при нарушении газоплотности люков, гидрозатворов, сварных швов и т.п.;

- попадание влаги (течь фурмы, котла-охладителя или подачи в конвертер влажных шихтовых материалов) в ванну конвертера, вызывающее появление в конвертерном газе водорода, расширяющего пределы взрывоопасности смеси оксида углерода и кислорода;

- наличие застойных зон.

Количество необходимого кислорода, расходуемого на плавку, обуславливается содержанием углерода, кремния, фосфора в исходной шихте. Окончание конвертерной плавки осуществляют по пробе металла. Отбор проб металла осуществляется после расчетного окончания продувки металла кислородом с наклоном конвертера при скачивании части шлака или с применением специального зонда без наклона конвертера.

Продувку плавки осуществляют в соответствии с технологическими схемами продувки с контролем следующих параметров:

- массы, химического состава и температуры заливаемого в конвертер чугуна;

- массы и вида (сорта) загружаемого в конвертер металлического лома;

- массы и вида загруженных в конвертер до начала продувки шлакообразующих материалов, теплоносителя и т.п.;

- вида, массы охладителей и шлакообразующих материалов, которые планируется присаживать в конвертер во время продувки, расходы которых (в том числе извести, доломита, магнезиальных флюсов) определяются в зависимости от химического состава исходных материалов, условий технологии и заданным химическим составом готовой стали.

Продолжительность первого периода продувки (период шлакообразования) устанавливают в зависимости от стойкости футеровки конвертера, состава твердой металлической шихты, результатов обработки чугуна на установке десульфурации и вида перерабатываемого жидкого чугуна в соответствии с требованиями нормативных документов.

В период интенсивного обезуглероживания поддерживают в отходящих газах объемную долю СО в пределах 30-60 %.

Период продувки заканчивают при достижении объемных долей СО менее 1 %.

После окончания продувки производят наклон конвертера для измерения температуры расплава и отбора проб металла и шлака с целью определения химического состава.

При получении заданной температуры перед выпуском при необходимости измеряют окисленность металла.

В шлаке определяют массовые доли СаО, SiO ₂, Fe _общ, MgO, S, P ₂O ₅ и его основность (отношение суммы массовых долей оксидов кальция и магния к массовой доле диоксида кремния) [54].

Выпуск расплава из конвертера в сталеразливочный ковш, присадка ферросплавов, раскислителей и других добавок

Выпуск расплава из конвертера в сталеразливочный ковш производят при готовности машины непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) или разливочного состава с изложницами при разливе в слиток, с учетом продолжительности внепечной обработки, времени транспортировки ковша для обеспечения необходимой температуры разливаемой жидкой стали.

Ферросплавы, раскислители (алюминий вторичный фракционированный или его сплавы) и добавки (например, карбид кальция) следует вводить в ковш во время выпуска расплава из конвертера строго по расчету. Расплав раскисляют в соответствии с технологической схемой раскисления. Ферросплавы при необходимости подогревают для ускорения их проплавления. Во время выпуска расплава необходимо перемещать сталевоз с ковшом так, чтобы ферросплавы и другие присаживаемые материалы (твердые шлаковые смеси, известь) попадали под струю для лучшего распределения их по объему ковша.

Выпуск металла производится через сталевыпускное отверстие.

Обработку расплава синтетическими шлаками осуществляют во время выпуска расплава из конвертера, одновременно подавая струю жидкого шлака на струю жидкой стали. Синтетический шлак предварительно выплавляют и нагревают до температуры  1600 °C в электродуговой печи и перед обработкой расплава выпускают в специально подготовленный шлаковый ковш.

При выпуске расплава из конвертера производят отсечку конвертерного шлака.

После выпуска расплава оставшаяся в конвертере часть шлака наносится на футеровку конвертера в виде гарнисажа. Остальной шлак сливают через горловину конвертера в шлаковую чашу [55].

Внепечная обработка расплава

После выпуска расплава из конвертера для доведения его химического состава и температуры до требуемого уровня сталеразливочный ковш с расплавом направляют на внепечную обработку. Внепечная обработка является ключевым звеном современных процессов получения качественной стали. Наиболее широко внепечная обработка используется при производстве высокопрочных конструкционных марок стали для машиностроения, судостроения, газонефтяного комплекса (особенно для изделий, работающих в условиях низких температур), автомобильной промышленности, электротехники.

Главные цели технологии внепечной обработки:

- перемешивание и усреднение (гомогенизация);

- корректировка и доведение химического состава до заданных значений;

- обеспечение требуемой температуры металла перед началом процесса разливки;

- дегазация (удаление нежелательных газов, таких как водород и азот);

- обеспечение чистоты металла по неметаллическим включениям за счет интенсификации перемешивания.

Эти операции выполняются в ковше на установке доводки металла, в агрегате "ковш-печь", в вакууматоре (циркуляционного, порционного или объемного рафинирования).

Выбор способа внепечной обработки определяется технологической схемой производства стали.

Продувку стали инертным газом могут осуществлять отдельно в сталеразливочном ковше на установках доводки металла или применяют как операцию, сопутствующую другим процессам. В качестве инертного газа используют в основном аргон, реже азот. Продувку инертным газом используют также для регулирования температуры металла в ковше.

Наиболее эффективным приемом внепечной обработки стали является комплексная обработка расплава в сталеразливочном ковше на агрегатах "ковш-печь", обеспечивающих нагрев и перемешивание стали в ковше, ее усреднение и корректировку химического состава.

Агрегат "ковш-печь" представляет собой установку, состоящую из крышки для ковша с отверстиями, через которые установлены три электрода. Под крышку помещается сталеразливочный ковш с металлом после выпуска из конвертера для проведения внепечной обработки стали. Кроме того, в состав установки "ковш-печь" обычно также входят средства для перемешивания металла инертным газом, система подачи ферросплавов и материалов для усреднения стали в ковше.

Вакуумирование металла осуществляют главным образом на сталях специального назначения с повышенными требованиями по содержаниям газов и неметаллическим включениям. После интенсивной дегазации в металл сверху из помещенного в вакуумной камере бункера вводят раскислители, ферросплавы и другие добавки.

После окончания внепечной обработки стали плавку передают на разливку [56].

Подготовка сталеразливочных и промежуточных ковшей

Для обеспечения бесперебойной и безопасной работы конвертерного цеха (производства) осуществляют регламентные работы по подготовке сталеразливочных и промежуточных ковшей.

Подготовка сталеразливочных ковшей

Сталеразливочный ковш представляет собой цилиндрическую емкость, изготовленную из металла, с цапфами для подъема и транспортировки мостовыми кранами, футерованную изнутри огнеупорами.

Подготовку и регламентный ремонт сталеразливочных ковшей организуют и выполняют на специализированных стендах.

После окончания разливки металла из сталеразливочного ковша сливают шлак в шлаковую чашу, затем ковш транспортируют в отделение подготовки ковшей. Ковш устанавливают на стенд, оборудованный охлаждающим устройством.

После охлаждения футеровки ковш устанавливают на стенд, оборудованный манипулятором для снятия и установки шиберных затворов и устройством для выдавливания стаканов. После снятия шиберного затвора и выдавливания стакана сталеразливочный ковш устанавливают на поворотный стенд, где осматривают футеровку и удаляют скрап и остатки шлака.

Далее ковш возвращают на стенд, где устанавливают новый шиберный затвор и проверяют его работу. Затем в ковш опускают кессон, с помощью которого устанавливают стакан и уплотняют гнездо, после чего ковш переносят на стенд, оборудованный устройством для сушки и разогрева ковша. Разогретый сталеразливочный ковш транспортируют к конвертеру.

Подготовка промежуточных ковшей к разливке

Перед началом разливки стали производят сушку и предварительный разогрев промежуточных ковшей на специальном стенде участка подготовки промковшей. Окончательный разогрев и поддержание рабочей температуры футеровки промежуточных ковшей производят на стендах разогрева, расположенных на рабочей площадке МНЛЗ. Производится подключение горелок для разогрева футеровки ковша.

Канал стакана промежуточного ковша прогревается как специально установленными горелками снизу, так и при помощи верхних горелок.

Для обеспечения стабильной и непрерывной работы МНЛЗ разливку стали начинают при наличии на рабочей площадке двух разогретых промежуточных ковшей.

Разливка стали на МНЛЗ или в изложницы (слитки)

Сталь после внепечной обработки направляется на разливку. Разливку стали осуществляют на МНЛЗ или в изложницы (слитки).

Разливка стали на МНЛЗ

Разливку стали на МНЛЗ производят методом "плавка на плавку" без прерывания разливки одной плавки.

После наполнения промежуточного ковша не менее чем на одну треть его высоты, начинается заполнение кристаллизатора(ов) сталью. По мере выхода сформировавшегося слитка из кристаллизатора(ов) подают воду на вторичное охлаждение. Режим вторичного охлаждения выбирают исходя из типа разливаемой стали и сечения заготовок.

Вода, применяемая для охлаждения стали и оборудования МНЛЗ, предварительно проходит реагентную обработку. Массовая концентрация взвесей и нефтепродуктов в воде не должна превышать установленные нормативами требования. Рабочую скорость разливки выбирают в зависимости от типа стали и сечения заготовок.

В течение разливки каждой плавки измеряют температуру стали в промежуточном ковше.

После окончания разливки производят закрытие шиберного затвора. Снижают скорость разливки, перемещением стенда производят замену сталеразливочных ковшей.

После прекращения подачи стали в кристаллизатор подают воду в таком количестве, чтобы происходило ее полное испарение.

В зависимости от конструкции кристаллизатора выделяют следующие типы МНЛЗ:

- криволинейного типа;

- радиального типа;

- вертикального типа.

По виду разливаемой заготовки:

- сортовые;

- слябовые.

Устройство МНЛЗ криволинейного типа показано на рисунке 2.42.

Рисунок 2.42 - Устройство МНЛЗ криволинейного типа

Разливка стали в изложницы (слитки)

На ряде металлургических заводов для получения слитков сталь разливают в изложницы (слитки). Изложницы изготавливают из чугуна, реже - из стали. Форма поперечного сечения изложниц может быть квадратной (для получения слитков, прокатываемых на сортовой прокат), прямоугольной (для слитков, прокатываемых на лист), круглой (для прокатки труб) и многогранной (для изготовления крупных поковок).

Перед разливкой стали в изложницы (слитки) их тщательно очищают от остатков стали предыдущего выпуска, затем подогревают до 80-120 °C и покрывают специальными обмазками.

Применяют следующие способы разливки стали в изложницы (слитки):

- в изложницы сверху (применим при получении крупных слитков);

- в изложницы сифоном (сталью заполняются одновременно от 2 до 60 изложниц, установленных на поддоне, через центровой литник, каналы и каналы в поддоне, т.е. эта разливка основана на принципе сообщающихся сосудов).

Слитки в изложницах поступают из разливочного отделения в отделение раздевания слитков или стрипперное отделение для подготовки к последующей посадке слитков в нагревательные колодцы (печи) блюминга или слябинга.

Разливка стали в изложницы (слитки) представлена на рисунке 2.43.

Рисунок 2.43 - Разливка стали в изложницы (слитки)

Обработка непрерывнолитых заготовок и слитков

Непрерывнолитые заготовки и слитки перед отгрузкой на следующий передел проходят обработку с целью контроля и удаления дефектов.

Обработка непрерывнолитых заготовок

Непрерывнолитые заготовки подают на специальные площадки, где производят визуальный осмотр поверхности и при необходимости осуществляют огневое осветление поверхности заготовок, удаление дефектов. Выявленные дефекты (трещины, шлаковые включения, завороты, наплывы, механические повреждения и др.), связанные с производством, транспортировкой и охлаждением заготовок и имеющие недопустимую степень развития, удаляют огневой зачисткой, для сталей с более высоким содержанием углерода и высоколегированных применяют абразивную зачистку во избежание образования трещин.

Обработка слитков

Слитки, разлитые в изложницы, передают на дальнейшею обработку с целью удаления дефектов. При выборе способа удаления поверхностных дефектов со слитков учитывают степень пораженности слитка поверхностными дефектами (имеется в виду площадь распространения дефектов и глубина их залегания), характер дефектов, физические свойства зачищаемой стали, назначение в дальнейшем готового проката и его размеры.

При удалении отдельно залегающих на поверхности металла дефектов применяют местную зачистку. Сплошную зачистку применяют при наличии большого числа дефектов, расположенных по всей поверхности слитка. Для сталей с более высоким содержанием углерода и высоколегированных применяют абразивную зачистку во избежание образования трещин.

Иногда применяют комбинированный способ зачистки, при котором отдельные, глубоко залегающие дефекты, удаляют пневматической вырубкой, а мелкие дефекты, распространенные на большой площади, - абразивной зачисткой [57].

2.4.3 Особенности двухстадийного дуплекс-процесса производства стали

При переработке ванадиевого чугуна на отдельных предприятиях (в частности, на АО "ЕВРАЗ НТМК") применяется двухстадийный дуплекс-процесс производства стали: извлечение ванадиевого шлака и получение годной стали.

Ванадиевый чугун из доменного цеха (производства) поступает в миксерное отделение конвертерного цеха в чугуновозных ковшах емкостью 100-120 т и сливается в один из миксеров для усреднения химического состава и температуры. По мере необходимости чугун из миксера сливается в чугунозаливочные ковши емкостью 160-170 т для передачи в конвертерное отделение. Основной объем выплавляемого ванадиевого чугуна перерабатывается в четырех кислородных конвертерах емкостью 160 т каждый двухстадийным дуплекс-процессом.

На первой стадии дуплекс-процесса жидкий ванадиевый чугун с содержанием 0,40-0,60 % V, 0,05-0,15 % Si, 0,05-0,20 % Ti заливается в специальный "полупродуктовый" конвертер и продувается кислородом через водоохлаждаемую фурму. В ходе кислородной продувки происходят процессы окисления углерода и примесей чугуна - кремния, титана, марганца, в том числе ванадия, с выделением тепла. При увеличении температуры расплава выше температуры скорости обезуглероживания (1370-1420 °C) реакции окисления углерода резко ускоряются, а процессы окисления ванадия затормаживаются.

Для обеспечения низкотемпературного режима конвертерной плавки присаживается твердый охладитель-окислитель (прокатная окалина).

В результате окислительной обработки чугуна в конвертерной ванне формируется шлаковый расплав, в который переведено 90-95 % общего количества ванадия, от исходного содержания в ванадиевом чугуне. По окончании кислородной продувки углеродистый металл-полупродукт сливается через летку конвертера обратно в заливочный ковш, заранее установленный под конвертером.

В целях обеспечения запаса тепла для второй стадии дуплекс-процесса углеродистый металл-полупродукт обычно содержит 2,8-3,5 % C; его температура в ковше после выпуска из конвертера составляет 1350-1380 °C. Концентрация фосфора и серы в металле за период окисления ванадия практически не изменяется. После выпуска полупродукта ванадиевый шлак сливают через горловину конвертера в шлаковую чашу или оставляют в конвертере на следующую плавку цикла (для накопления шлака).

Передел углеродистого металла-полупродукта осуществляется на второй стадии дуплекс-процесса в другом, "стальном" конвертере классическим способом с добавлением необходимого количества извести и других шлакообразующих материалов для обеспечения требуемой степени окисления фосфора и серы в расплаве.

Для повышения при выплавке стали содержания ванадия в образующемся шлаке известь в начале операции не загружают. Таким образом, удается в начальный период продувки получить шлак, содержащий 16-18 % V ₂O ₅. Этот шлак скачивают и направляют на ферросплавные заводы для производства феррованадия или используют в чистом виде для прямого легирования стали.

2.4.4 Особенности производства стали в двухванном стационарном конвертере (ПАО "ММК")

На ПАО "ММК" проведена реконструкция двухванной мартеновской печи в двухванный сталеплавильный агрегат с заменой физически и морально устаревших газоочисток "мокрого типа" на рукавные фильтры (содержание пыли в отходящих газах снизилось с 70-100 г/м ³ до 20 мг/м ³). Процесс выплавки стали в ДСА основан на интенсивной продувке кислородом ванны с чугуном и ломом и использовании тепла отходящих газов, выделяющихся при продувке, для нагрева шихты (металлолом, добавочные материалы) в соседней ванне, производительность и КПД печи при таком методе работы возрастает.

Расплавление металлошихты в ДСА осуществляется за счет тепла химических реакций окисления примесей жидкого чугуна и лома (углерода, кремния, марганца и т.д.), аналогично как в кислородном конвертере, а не за счет сжигания большого количества топлива (природного газ и мазута) как в мартеновском производстве.

Применяемые шихтовые материалы в ДСА аналогичны конвертерному процессу, так шихтой мартеновской печи при скрап-рудном процессе (основной процесс ведения мартеновской плавки) является стальной подготовленный лом 40-50 % и жидкий чугун в количестве 50-60 %, а кислородный конвертер и реконструированный агрегат (ДСА) работают на шихте следующего состава: 75 % - жидкий чугун и 25 % - металлический лом, тем самым по использованию шихтовых материалов и технологии производства сталеплавильный агрегат ДСА полностью повторяет конвертерный процесс.

2.4.5 Переработка и утилизация шлаков сталеплавильного производства

Переработка и утилизация образующихся в сталеплавильном производстве шлаков являются обязательными элементами безотходной технологии.

Сталеплавильные шлаки в зависимости от генезиса можно разбить на несколько подгрупп, отличающихся составом и определяющих их дальнейшее использование:

- шлаки, образующиеся в начальный период плавки; эти шлаки содержат большое количество оксидов железа (до 40 % от общего количества шлака). Железо в шлаке может быть в виде оксидов FeO и Fe ₂O ₃ и в виде запутавшихся в шлаке корольков железа;

- шлаки, сформировавшиеся в конце плавки (конечные шлаки); эти шлаки содержат несколько меньшее количество железа и имеют высокое значение основности (CaO/SiO ₂ = 2,5-3,5); при выплавке низкоуглеродистой стали содержание оксидов железа и в этих шлаках может быть достаточно высоким (15-20 %), однако корольков железа в них значительно меньше;

- шлаки, попадающие в сталеразливочный ковш с выпускаемой сталью; эти шлаки в жидком состоянии содержат незначительное количество железа; на практике часто определенное количество металла, оставшегося на днище и стенках ковша после окончания разливки стали, попадает вместе со шлаком в шлаковые чаши (это так называемые скрапины); получаемый в результате конгломерат конечного шлака и скрапин металла подвергают тщательной разделке с целью максимального извлечения железа;

- шлаки внепечной обработки (рафинировочные шлаки), характеризующиеся высокой основностью и практически не содержащие железа как в оксидной, так и металлической формах.

В настоящее время разрабатываются технологии получения из шлаков абразивных материалов; отрабатываются методы сухой и мокрой грануляции жидких сталеплавильных шлаков. Особенно перспективна организация сухой грануляции, при которой одновременно можно решить две задачи: сокращение потребления воды и повышение энергоэффективности за счет использования выделяемого тепла.

Извлечение скрапа из шлака в основном ведется с помощью дробильно-сортировочных установок. Извлеченный скрап перевозят в копровый цех; его разделяют на магнитный и немагнитный, на негабаритный (более 10-15 т), габаритный (0,5-10,0 т) и мелкий (0,25-0,5 т). Отдельно складируется скрап, в котором видны сплавленные скрапины разных плавок, а также скрапины с большой долей (более 20 %) неотделяемого шлака. Негабаритный скрап в копровом цехе разрезают с помощью газокислородных горелок и различных видов пресс-ножниц.

Основные направления использования шлака сталеплавильного производства после извлечения скрапа:

- в качестве флюсов для ваграночного и аглодоменного производства;

- в сельском хозяйстве для замены суперфосфата (фосфорсодержащие);

- в сельском хозяйстве для известкования почвы (выскоосновные шлаки);

- в качестве добавки, повышающей содержание марганца в стали (высокомарганцевые шлаки);

- для снижения расхода извести и улучшения шлакообразования в сталеплавильном производстве (высокоосновные);

- в строительстве (щебень из сталеплавильных шлаков является полноценным заменителем гранитного щебня в бетонах и железобетонах);

- в дорожном строительстве - щебень при строительстве автодорог.

2.4.6 Основное технологическое и природоохранное оборудование для производства стали в конвертерах

Назначение, описание, технологические характеристики основного оборудования, применяемого в производстве непрерывнолитых заготовок или слитков в конвертерном цехе приведено в таблице 2.18.

Таблица 2.18 - Основное оборудование для производства непрерывнолитых заготовок или слитков в конвертерном цехе

Наименование оборудования	Назначение оборудования	Существенные характеристики технологического оборудования
Чугуновозный ковш Миксер стационарный	Усреднение чугуна	Емкость, футерованная огнеупорными материалами. Агрегат отапливаемый, футерованный огнеупорными материалами
Миксер передвижной	Усреднение чугуна Транспортировка чугуна	Емкость, футерованная огнеупорными материалами на колесах
Установка десульфурации чугуна	Десульфурация чугуна	Стационарный стенд с системой бункеров для подачи сыпучих и газообразных материалов в чугунозаливочный ковш и системой скачивания шлака
Лоток (совок) для твердой металлической шихты	Завалка твердой металлической шихты в конвертер	Лоток (совок)
Чугунозаливочный ковш	Заливка чугуна в конвертер	Емкость, футерованная огнеупорными материалами для заливки жидкого чугуна в конвертер
Конвертер с машиной подачи кислорода, системой подачи шлакообразующих и газоотводящего тракта	Выплавка стали	Грушевидный агрегат, футерованный изнутри с приводом, машиной подачи кислорода, системой бункеров подачи сыпучих материалов
Сталеразливочный ковш	Выпуск стали	Цилиндрическая емкость, футерованная огнеупорными материалами для приема жидкой стали
Установка доводки металла	Доводка металла до необходимого химического состава	Стационарный стенд с системой подачи инертного газа и бункеров с сыпучими материалами для обработки стали
Агрегат "ковш-печь"	Внепечная обработка жидкой стали	Стационарный стенд с системой электродов и бункеров с сыпучими материалами для обработки стали
Вакууматор	Внепечная обработка жидкой стали	Агрегат с системой обработки стали вакуумом
МНЛЗ	Разливка жидкой стали	Комплекс оборудования, включающий подъемно-поворотный стенд, промежуточный ковш, кристаллизатор, зону вторичного охлаждения, тянуще-правильный агрегат, резаки, рольганг
Изложницы (мостовой разливочный кран, ж/д тележки с установленными на них изложницами	Разливка жидкой стали	Комплекс оборудования, включающий разливочный мостовой кран, маслостанцию управления шиберным затвором стальковша, передвижной тележкой осмотра изложниц

Основное природоохранное оборудование

Для снижения негативного воздействия на окружающую среду процесса производства стали в конвертерном цехе (производстве) на технологических участках (отделениях) устанавливается природоохранное оборудование:

- газоочистное и аспирационное оборудование, обеспечивающее необходимый уровень очистки технологических газов и аспирационного воздуха от содержащихся в них загрязняющих веществ перед отводом газов (воздуха) в атмосферу и/или возвратом обратно в рабочую зону;

- водоочистные сооружения, обеспечивающие очистку загрязненных промышленных сточных вод.

Для улавливания поступающих в атмосферу газов и пыли на металлургических предприятиях широко используют газоочистные системы сухого и мокрого способов очистки. Благодаря развитию газоочистных технологий, в последнее время успешно применяются высокоэффективные пылеуловители. К ним относятся рукавные фильтры, электрофильтры, а также мокрые фильтры. Среди наиболее распространенных сухих методов очистки газов от пыли наибольшей эффективности улавливания частиц тонкодисперсных (менее 5 мкм) можно добиться от использования рукавных фильтров, а также от электрофильтров. Использование рукавных фильтров позволяет достичь отметки остаточной запыленности, находящейся ниже 5-10 мг/м ³.

Аспирационное оборудование должно быть либо прямоточным, которое после очистки воздушных масс выбрасывает их в атмосферу, или рециркуляционным, предназначенным для возвращения очищенного воздуха обратно в помещение.

Для того чтобы воздух очищался наиболее качественно, применяется большое количество разнообразных фильтрующих элементов и устройств, работающих на гравитационном принципе, так называемых циклонов и сепараторов.

Комплексы водоочистных сооружений, независимо от их производительности и типа, включают: реагентное хозяйство со смесителем, камеры реакции (хлопьеобразование), горизонтальные отстойники или осветлители, фильтры, резервуары для чистой воды, насосную станцию II подъема с электроподстанцией и др [58].

Природоохранное оборудование производства непрерывнолитых заготовок или слитков в конвертерном цехе приведено в таблице 2.19.

Таблица 2.19 - Природоохранное оборудование конвертерного цеха

Наименование оборудования	Назначение оборудования	Существенные характеристики природоохранного оборудования
Газоочистные установки	Улавливание, охлаждение и очистка конвертерных газов, вредных выбросов и частиц воздуха при продувке в конвертере	Комплекс очистных сооружений, который выполняет функции и действия по очистке воздуха, как правило, мокрые системы очистки (скрубберы Вентури)
Аспирационные установки	Локализация выделения примесей, недопущение поступления примесей от источника их образования при технологическом процессе производства стали в конвертерном цехе в воздух рабочей зоны. Удаление запыленного воздуха из-под укрытий транспортно-технологического оборудования участков разливки стали и обработки заготовок и слитков	Комплекс оборудования с разветвленной сетью воздуховодов, с вертикальными коллекторами (аспирационными стояками), с барабанными проходными коллекторами (электрофильтры, рукавные фильтры)
Водоочистные сооружения	Очистка воды, используемой для охлаждения и промывки технологических агрегатов и устройств конвертерного цеха. Отведение шламов, образующихся в процессе производства стали	Комплекс оборудования, включающий отстойники, устройства и аппаратуру для химической обработки воды, осветлители и фильтры

2.4.7 Материальные потоки, виды эмиссий, их образование и улавливание

Материальные потоки, характерные основные эмиссии по стадиям технологического процесса при производстве стали в конвертерах и непрерывнолитых заготовок или слитков по стадиям технологического процесса представлены в таблице 2.20.

Таблица 2.20 - Материальные потоки и эмиссии при производства стали в конвертерах и непрерывнолитых заготовок или слитков

Входной поток	Этап процесса (подпроцесс)	Выходной поток	Основное технологическое оборудование	Эмиссии
Шихтовые компоненты плавки стали в конвертере	Слив жидкого чугуна из чугуновозного ковша в миксер, усреднение жидкого чугуна в миксере и перелив из миксера в чугунозаливочный ковш	Чугун в миксере стационарном; чугун в чугунозаливочном ковше	Миксер; чугуновозный ковш; чугунозаливочный ковш	Взвешенные вещества состава: С, Fe 2O 3, Fe 3O 4, FeO, SiO 2, Al 2O 3, CaO, MgO, MnO, тепловое излучение, шум, вибрация, выделение графитовой спели, неорганизованные выбросы
	Прямой перелив чугуна из чугуновозного ковша или чугуновозного ковша миксерного типа в чугунозаливочный ковш	Чугун в чугунозаливочном ковше	Чугуновозный ковш; чугуновозный ковш миксерного типа (передвижной миксер); чугунозаливочный ковш
	Подготовка твердой металлической шихты	Твердая металлическая шихта	Мостовые краны с магнитно-грейферным перегружателем	Взвешенные вещества состава: Fe 2O 3, Fe 3O 4, FeO, SiO 2, Al 2O 3, CaO, MgO, MnO, шум
Чугун Десульфураторы	Десульфурация чугуна	Обработанный чугун	Установка десульфурации чугуна	Взвешенные вещества состава: С, Fe 2O 3, Fe 3O 4, FeO, SiO 2, Al 2O 3, CaO, MgO, MnO, тепловое излучение, шум, вибрация, выделение графитовой спели
Твердая металлическая шихта	Завалка твердой металлической шихты в конвертер	Твердая шихта в конвертере	Лоток (совок)	Взвешенные вещества состава: Fe 2O 3, Fe 3O 4, FeO, SiO 2, Al 2O 3, CaO, MgO, MnO, шум
Чугун	Заливка чугуна в конвертер	Чугун в конвертере	Чугунозаливочный ковш	Взвешенные вещества состава: С, Fe 2O 3, Fe 3O 4, FeO, SiO 2, Al 2O 3, CaO, MgO, MnO, тепловое излучение, выделение графитовой спели
Конвертер с металлошихтой, готовый к плавке	Выплавка стали в конвертере	Расплав, газообразные продукты плавки СО, СО 2, жидкий шлак	Конвертер с системой подачи кислорода, шлакообразующих и газоотводящего тракта	Взвешенные вещества состава: Al 2O 3, FeO, Fe 2O 3, Fe 3O 4, CaO, SiO 2, MgO, MnO, ZnO; NO 2, N 2O, SO 2, CO, CO 2, сажа, бенз(а)пирен, тепловое излучение, шум, вибрация
Расплав	Окончание плавки, выпуск расплава в сталеразливочный ковш. Раскисление, присадка ферросплавов и других добавочных материалов	Расплав в сталеразливочном ковше	Конвертер с приводом, сталеразливочный ковш	Взвешенные вещества состава: Al 2O 3, FeO, Fe 2O 3, Fe 3O 4, SiO 2, CaO, MgO, MnO, ZnO; NO 2, N 2O, SO 2, CO, CO 2, сажа, бенз(а)пирен тепловое излучение, шум, вибрация
Расплав в сталеразливочном ковше	Внепечная обработка жидкой стали (установка доводки металла, агрегат "ковш-печь", вакууматор). Раскисление, присадка ферросплавов и других добавочных материалов	Сталь в ковше заданного химического состава	Агрегат "ковш-печь", вакууматор	Взвешенные вещества состава: Al 2O 3, FeO, Fe 2O 3, Fe 3O 4, SiO 2, CaO, MgO, MnO, ZnO, сажа; NO 2, N 2O, SO 2, CO, CO 2, бенз(а)пирен тепловое излучение, шум, вибрация, электромагнитное загрязнение
Сталь в ковше сталь заданного химического состава	Разливка стали на МНЛЗ	Непрерывнолитые заготовки требуемого химического состава и заданного размера	МНЛЗ, резаки	Взвешенные вещества состава: Al 2O 3, FeO, Fe 2O 3, Fe 3O 4, SiO 2, CaO, MgO, MnO; тепловое излучение, шум, вибрация
	Разливка стали в изложницы (слитки)	Слитки требуемого химического состава и заданного размера	Изложницы
Непрерывнолитые заготовки требуемого химического состава и заданного типоразмера	Обработка непрерывнолитых заготовок	Непрерывнолитые заготовки годные к отгрузке	Оборудование для обработки заготовок	Взвешенные вещества состава Al 2O 3, FeO, Fe 2O 3, Fe 3O 4, SiO 2, CaO, MgO, MnO; тепловое излучение, шум, выделения от огневой зачистки
Слитки требуемого химического состава в изложницах	Подрыв слитка	Слиток, годный для переката на блюминге или слябинге	Стрипперные краны и напольные машины	Взвешенные вещества состава: Al 2O 3, FeO, Fe 2O 3, Fe 3O 4, SiO 2, CaO, MgO, MnO; тепловое излучение, шум, выделения от зачистки
Сталеплавильные шлаки	Охлаждение и переработка сталеплавильных шлаков	Переработанные шлаки	Оборудование для переработки шлаков	Взвешенные вещества состава: Al 2O 3, FeO, Fe 2O 3, Fe 3O 4, SiO 2, CaO, MgO, MnO; газовые компоненты - SO 2, тепловое излучение, шум

2.4.8 Факторы негативного воздействия на окружающую среду

Производство стали в конвертерном цехе (производстве) по всей технологической цепочке сопровождается воздействием на атмосферу, воздух рабочей зоны, поверхностные и подземные воды, образованием отходов производства и потребления.

Контроль за соблюдением нормативов предельно допустимых выбросов загрязняющих веществ в атмосферу, контроль качества воздуха рабочей зоны, контроль качества сточных вод, учет и обращение с отходами производства осуществляют специализированные подразделения металлургических предприятий.

Выбросы в атмосферу

При производстве конвертерной стали происходят выбросы в атмосферу вредных веществ: взвешенные вещества состава Al ₂O ₃, FeO, Fe ₂O ₃, Fe ₃O ₄, SiO ₂, CaO, MgO, MnO, ZnO, сажа; газовые компоненты NO ₂, N ₂O, SO ₂, CO, CO ₂, бенз(а)пирен; тепловое излучение, шум, вибрация, электромагнитное загрязнение.

Сточные воды

Водоснабжение потребителей конвертерного производства технической водой осуществляется по водооборотным системам:

- система водоснабжения шихтоподготовительного отделения;

- система водоснабжения технологических агрегатов конвертерного отделения;

- система водоснабжения технологических агрегатов участка разливки стали;

- система водоснабжения газоочисток конвертерного газа;

- система водоснабжения химически очищенной водой котлов-утилизаторов.

Отходы и побочные продукты

В процессе производства конвертерной стали образуются отходы производства и потребления, побочные продукты:

- пыль графитная, десульфурации чугуна, известковая;

- окалина;

- лом цветных и черных металлов;

- отходы электродов, абразивных кругов, шлаковаты, кабельной продукции, резинотехнические, стекла;

- отходы строительных материалов;

- отработанные ртутные лампы, аккумуляторы, смазка, масла, фильтры замасленные;

- промасленные ветошь и опилки;

- тара б/у;

- твердые бытовые отходы.

Вредные производственные факторы

При производстве стали конвертерным процессом вредными производственными факторами являются:

- повышенное напряжение в электрической цепи (свыше 50 В);

- движущиеся машины и механизмы;

- подвижные части производственного оборудования;

- повышенный уровень инфракрасной радиации;

- повышенный уровень шума на рабочем месте;

- повышенная или пониженная температура воздуха рабочей зоны;

- повышенная температура поверхности оборудования, материалов;

- расположение рабочего места на значительной высоте относительно поверхности пола;

- повышенная запыленность и загазованность рабочей зоны.

Допускаемые санитарными нормами уровни и концентрации вредных факторов:

- предельно допустимая концентрация (ПДК) неорганической пыли 6 мг/м ³;

- уровень производственного шума - 80 дБ;

- ПДК окиси углерода - 20 мг/м ³;

- уровень инфракрасного излучения - 140 Вт/м ².

2.5 Производство стали в электродуговых печах

В электродуговых печах различной мощности выплавляют различные марки сталей: инструментальные, углеродистые, подшипниковые, коррозионно-стойкие, электротехнические и прецизионные сплавы. В настоящее время отмечается рост выплавки электростали, обусловленный реализацией проектов по строительству и реконструкции ЭСПЦ на металлургических комбинатах ММК, "Северсталь", "Уральская Сталь", "Евраз-ЗСМК", ОЭМК, ЧМК, "Амурметалл", "Волжский трубный завод".

Восемь новых электросталеплавильных комплексов построено взамен мартеновского производства, в том числе на заводе "Камасталь", "НЛМК-Урал", Металлургическом заводе им. А.К. Серова ("Надеждинский металлургический завод"), в ПАО "ТМК" - "Северский трубный завод", "Таганрогский металлургический завод".

В период с 2007 г. введены новые электросталеплавильные мощности ОМК (г. Выкса), "ОМЗ-сталь", "Ростовский электрометаллургический завод", "Ашинский металлургический завод", "Первоуральский новотрубный завод", "Ижсталь".

Запущены в эксплуатацию мини-заводы "НЛМК-Калуга", "Тюменский ЭМЗ", "Сортовой завод Балаково", "Абинский электрометаллургический завод", "Ставсталь".

Дуговые сталеплавильные печи, и связанное с ними оборудование, постоянно совершенствуются. Используются инновационные решения [73-77]:

- водоохлаждаемые элементы футеровки стен, свода, наиболее нагруженных элементов откосов;

- использование высокого вторичного напряжении до 1600 В;

- разделение технологического процесса процесса производства стали на две стадии: выплавку полупродукта в ДСП и внепечную обработку;

- интенсивное использование кислорода;

- использование альтернативных источников энергии;

- применение подогрева лома, в том числе непрерывного;

- использование при плавке пенистых шлаков;

- использование донной продувки расплава в ДСП;

- использование металлизованных окатышей и брикетов;

- использование жидкого чугуна;

- использование АСУ ТП разных уровней, позволяющих вести плавку в автоматическом режиме большую часть времени;

- дожигание СО, эффективная газоочистка, рециклинг пыли;

- регенерация тепла отходящих газов;

- использование устройств, существенно уменьшающих участие человека в процессе выплавки: механизированные манипуляторы замеров температуры, окисленности, отбора проб.

Эти новшества привели к сокращению длительности плавки до одного и менее часа, что позволило согласовать работу ДСП и МНЛЗ.

Выплавка стали в ДСП в сочетании с агрегатами внепечной обработки на сегодняшний день позволяет выплавлять все марки, в том числе низколегированные углеродистые, легированные, подшипниковые, для производства железнодорожных колес и рельсов по различным ГОСТам, ТУ и зарубежным стандартам.

Производство коррозионно-стойких сталей стало двухстадийным. Выплавленную в ДСП сталь обезуглероживают аргонно-кислородной продувкой в специальном конверторе. При производстве особонизкоуглеродистых марок коррозионно-стойких сталей используется обезуглероживание под вакуумом на установках вакуумно-кислородного рафинирования.

В таблице 2.21 приведены характеристики современных ДСП на некоторых металлургических комбинатах России [59].

Таблица 2.21 - Характеристики современных электродуговых сталеплавильных печей

Характеристика оборудования	ММК	Север-сталь	Мечел	Метзавод им. А.К. Серова	Ашинский МЗ	НЛМК-Калуга
Конструкция	Традиционная	Шахтная	ДСП-100И7 Традиционная	Традиционная	Consteel	Традиционная
Год постройки	2006	1999/2005	1993	2006	2010	2013
Вместимость, всего/выпуск, т	2 х 210/180	2 х 150/125	2 х 140/125	80	120	160/120
Трансформатор, МВА	150	86	80	65	90	150
Шихта	Лом + 25-40 % жид. чугун	Лом + 40 % жид. чугун	Лом	Лом + 30 % жид. чугун	Лом	Лом
Продолжительность плавки, мин	42-55	52-54	60-70	45	60	38
Производительность, млн т	2 х 2,0 = 4,0	2 х 1,1 = 2,2	2 х 0,75 = 1,5	0,75		До 1,5
Расход электроэнергии, кВт*ч/т	260 (с жид. чугуном) - 360	270 (с жид. чугуном) - 338	310	380	416	380
Расход электродов, кг/т	1,15-1,40	1,7	2,2			1,4
ГКГ, шт. х МВт	1 х 3,5	6 х 3,2 4 х 3,2	1 х 3,5		4	ГКГ - 2 x 3,5 КИ* - 4
Комбинированные горелки, шт. х МВт	RCB, 6 х 3,5	2 х 3,0 4 х 3,0	3 х 3,5	4 х 3,0	3	5 x 3,5
Донная продувка	+	-	Н.д.	+	-	-

Опыт эксплуатации ДСП на зарубежных и российских предприятиях показывает, что достижимые уровни расхода материалов и энергии при производстве в ДСП 1 т жидкой стали характеризуются: 340 кВт/ч электроэнергии, 1,2 кг электродов, 35 м ³ кислорода, 5 м ³ природного газа, 10 кг угольной шихты, 7 кг угольного порошка для вспенивания шлака, 40 кг извести. Мировой опыт работы современных ДСП показывает, что выход жидкого металла может составлять от 91 % до 92 % от общей массы металлозавалки. При этом потери железа составляют от 4 % до 6 %, в том числе в пыль отходящих газов переходит от 1,5 % до 3,0 %, в виде оксидов со шлаком от 2,5 % до 3,0 %, со скрапом в шлаковые отвалы уходит от 2 % до 3 %.

Электродуговая сталеплавильная печь (ДСП) нового поколения вместимостью 120-250 т характеризуется следующими основными особенностями:

- верхняя ступень вторичного напряжения до 1600 В, что позволяет вводить ультравысокую мощность (до 200 МВА) с использованием стандартных электродов диаметром 610 мм;

- альтернативные источники энергии (газокислородные горелки и инжекторы кислорода и углерода) позволяют вводить 10-12 % активной электрической мощности;

- увеличенная высота печного пространства до 4,5 м от зеркала металла до верха стен позволяет осуществлять загрузку шихты одной корзиной и нагрев шихты отходящими газами;

- разъёмная конструкция корпуса печи, состоящая из секций стальных водоохлаждаемых панелей в верхней части и медных панелей в районе шлакового пояса с повышенными тепловыми нагрузками; панели трубчатой конструкции охлаждаются высокоскоростными потоками воды;

- система инфракрасного контроля и отсечки шлака при автоматизированном выпуске металла из печи;

- расход электроэнергии 390 кВт*ч/т, цикл плавки 50 мин, часовая производительность 300 т, что обеспечивает годовую производительность 2,4 млн т.

Показатели работы печей нового поколения представлены в таблице 2.22.

Таблица 2.22 - Показатели работы ДСП нового поколения [59]

Характеристики	Магнитогорский металлургический комбинат	НЛМК-Урал	Colakoglu Metalurgji
Трансформатор	800-1236 В 150 МВА	740-1025 В 100 МВА + 20 %	880-1600 В 240 МВА
Масса плавки, т	180	90/120	250
Расход электроэнергии, кВт*ч/т	313	325/334	390
Расход кислорода, м 3/т	29,5	33/39	40
Расход газа, м 3/т	3,2	5/6,5
Цикл плавки, мин	45	36/45	50
Производительность, т/ч	240	150/159	300
Горелки RCB	5/3,5 МВт, расход О 2 - 2500 м 3/ч	3/3,5 МВт, расход О 2 - 2000 м 3/ч
Горелки, МВт	1/3,5	4/3,5	1/3,5
Инжекторы углерода, кг/мин	3 х 60	3 х 60	3 х 60

2.5.1 Технологический процесс производства стали в ДСП и заготовок

Главное здание электросталеплавильного цеха, как правило, имеет шихтовый пролет (шихтовое отделение может находиться в отдельно стоящем крытом здании), печной пролет и разливочный пролет [56, 60]. В состав электросталеплавильного цеха, как правило, входят следующие основные отделения и участки:

- отделение подготовки шихтовых материалов;

- склад электродов;

- склад ферросплавов;

- отделение подготовки порошкообразных материалов;

- склад огнеупоров;

- отделение ремонта механического и электрического оборудования; подготовки сталеразливочных и промежуточных ковшей;

- печное отделение;

- отделение внепечной обработки;

- отделение разливки;

- отделение переработка шлаков.

На рисунках 2.44 и 2.45 представлен один из вариантов российских электросталеплавильных цехов, предназначенного для производства сортамента, ориентированного на производство коррозионно-стойкой стали [62].

1 - железнодорожный путь; 2 - закрома для скрапа; 3 - самоходная тележка для завалочной бадьи; 5 - магнитно-грейферный кран; 6 - участок ремонта и наборки свода; 7 - стенд для наращивания электродов; 8 - машина для скачивания шлака; 9 - ДСП-100И7; 10 - шумо- и пылезащитная камера; 11 - пульт управления печью; 12 - мостовой завалочный кран; 13 - кран бункерного пролета; 14 - бункер для сыпучих материалов; 15 - агрегат аргонно-кислородного рафинирования (АКР); 16 - мостовой кран рафинировочного пролета; 17 - стенд для шлаковой чаши; 18 - стенд для сушки футеровки агрегата АКР; 19 - стенд для ремонта агрегата АКР; 20 - установка для доводки стали в ковше; 22 - сталевоз; 24 - МНЛЗ; 25 - установка для сушки сталеразливочного ковша; 27 - автошлаковоз для шлаковой чаши

Рисунок 2.44 - Вариант плана главного здания ЭСПЦ

1 - магнитно-грейферный кран; 2 - шумо- и пылезащитная камера; 3 - машина для скачивания шлака; 4 - самоходная тележка для шлаковой чаши (автошлаковоз); 5 - ДСП-100 И7; 6 - совок с металлическим ломом на самоходной тележке; 7 - агрегат АКР; 8 - бункер для сыпучих материалов; 9 - кран бункерного пролета; 10 - мостовой кран рафинировочного пролета; 11 - поперечный кран

Рисунок 2.45 - Вариант разреза главного здания ЭСПЦ

На рисунке 2.46 даны типичные схемы производства стали с техническими операциями в ДСП и агрегатах внепечной обработки металла [61]. Первая схема предусматривает доведение металла по химическому составу в ковше и десульфурацию стали. Вторая схема позволяет существенно повысить служебные свойства стали, так как в технологическую цепочку включена вакуумная обработка металла, позволяющая снизить содержание вредных примесей: газов (азот, водород, кислород), неметаллических включений, серы.

Рисунок 2.46 - Технологический процесс производства стали в ДСП, заготовок и слитков

Схема технологии производства стали в ДСП и заготовок с указанием входа ресурсов и мест появления эмиссий приведена на рисунке 2.47.

Рисунок 2.47 - Схема технологии производства стали в ДСП и заготовок с указанием входа ресурсов и мест появления эмиссий

Устройство дуговой печи

На рисунке 2.48 показана принципиальная схема устройства дуговой печи и основные элементы ее оборудования.

1 - свод; 2 - рабочее окно; 3 - сталевыпускное отверстие; 4 - электроды; 5 - электрододержатели; 6 - короткая сеть; 7 - трансформатор; 8 - кислородная фурма; 9 - отвод отходящих газов; 10 - загрузочная воронка

Рисунок 2.48 - Основные элементы комплекса ДСП

Футеровка подины печи, ее стен и свода выполняются из магнезиальных, магнезитохромитовых, периклазоуглеродистых огнеупоров как штучного изготовления, так и в виде масс. Подина печи выдерживает до 2000 плавок. Применение водоохлаждаемых сводов и стен печи (см. рисунок 2.49) увеличило их стойкость до и более 1000 плавок.

Рисунок 2.49 - Конструкция ДСП с водоохлаждаемыми стенами и эркерным выпуском

Для отсечки шлака при выпуске применяют эркерное или донное сталевыпускные отверстия с шиберными затворами. Это при необходимости позволяет оставлять в печи часть металла до 10-25 % (работа на "болоте"). Для ускорения процессов нагрева и расплавления шихты современные печи оборудованы газокислородными горелками, для интенсификации процесса плавления и обезуглероживания - кислородными фурмами (см. рисунки 2.50 и 2.51). Для вспенивания шлака с целью экранирования электрической дуги используются инжекторы углеродсодержащих материалов. Эти устройства в большинстве случаев комбинируются в различных сочетаниях и устанавливаются в водоохлаждаемых стеновых панелях. Дополнительно возможна установка таких устройств на специальном манипуляторе, который направляет их в рабочее окно ДСП.

Рисунок 2.50 - Типичное расположение инжекторов в ДСП

Г-О ₂ - горелка и инжектор кислорода; Г-С - горелка и инжектор углеродосодержащих материалов

Рисунок 2.51 - Схема расположения универсальных устройств в ДСП-160

Эти усовершенствования позволили сократить продолжительность плавки до 40-60 мин и сравняться по времени плавок с кислородными конвертерами [63].

Процесс плавления металла в дуговых электропечах сопровождается большим выделением газов и аэрозолей окислов железа. Поэтому электропечи оборудуют системой газоочистки, включающей эвакуацию продуктов горения непосредственно из рабочего пространства печи в общую систему аспирации цеха с последующей очисткой на рукавных фильтрах. Электропечи оснащают современными системами автоматического управления технологическим процессом АСУ ТП, решающими следующие задачи:

- контроль параметров и управление электрическим режимом плавки с учётом технологических факторов и реактора электропечи;

- контроль параметров и управление весодозирующим комплексом;

- контроль параметров и управление системами подачи альтернативных источников тепла и вспенивания шлака;

- контроль состояния и управление механизмами печи, трансформатора и переключателя ступеней напряжения;

- расчёт количества и управление подачей в печь кислорода для продувки металла и твёрдых окислителей;

- контроль параметров водоохлаждаемых элементов печи;

- контроль параметров и управление системой удаления и очистки газов;

- вывод данных на монитор оператора, визуализация процесса плавки, передача и получение данных по системе ввода/вывода и пр.

2.5.2 Выплавка стали

Подготовка шихтовых материалов

В настоящее время перечень шихтовых и всевозможных материалов, используемых при выплавке стали в электропечах, весьма широк. Он включает в себя металлический лом, чугун, ферросплавы, шлакообразующие, огнеупоры и ряд других.

Металлолом, доля которого в металлошихте может достигать 95 %, в ряде случаев является препятствием для выплавки отдельных марок стали, так как содержит медь, олово и другие примеси. Эта проблема решается селекцией видов металлолома и разбавлением металлошихты "первородной" шихтой: металлизованными окатышами или горячебрикетированным железом, чугуном

Металлолом в копровом цехе заранее сортируют по видам. Каждый вид характеризуется своим насыпным весом, максимальной толщиной и весом одного куска, содержанием углерода, наличием легирующих элементов. Металлолом на плавку в ДСП, как правило, подается в контейнерах или загрузочных корзинах. Немагнитный лом для выплавки легированных марок стали подается в мульдах.

Для выплавки стали требуется большое количество сыпучих, порошкообразных и шлакообразующих материалов, в том числе применяется свежеобожженная известь кусковая, плавиковый шпат, шамотный бой, кварцевый песок, боксит, железная руда, кокс, молотый ферросилиций, алюминиевый порошок. Эти материалы перед использованием должны быть просушены и прокалены для удаления гигроскопической и гидратной влаги, влияющей на образование флокенов и волосовин из-за попадания в сталь водорода. В ряде случаев, такую подготовку материалов возможно заменить вакуумированием стали.

Прокаливание ведут в специальных печах или мульдах рядом с дуговой печью. Дробление и подготовку сыпучих и порошкообразных материалов ведут в отдельных, рядом стоящих зданиях.

Шлакообразующие материалы и ферросплавы доставляются в печной пролет из шихтового отделения мостовым краном в мульдах или в саморазгружающихся бадьях, а на ряде заводов через бункерную эстакаду по системе ленточных конвейеров.

Подготовка печи

После каждой плавки подина и откосы печи осматриваются, очищаются перед очередной плавкой и заправляются порошкообразным обожженным магнезитом или массами специального состава, а при работе с оставлением части металла от предыдущей плавки - заправляются только откосы. Осуществляется подача к печи электродов и их наращивание.

Завалка шихты

Завалка шихты осуществляется в печь при открытом своде бадьями с открывающимся днищем, завалка флюсов и добавок через бункера с дозирующими устройствами. Жидкий чугун в печь заливают при помощи специального жёлоба (см. рисунок 2.52).

Рисунок 2.52 - Завалка шихты бадьей в ДСП-180, рядом на манипуляторе находится желоб для заливки чугуна, на кране висит ковш с чугуном

Плавка

Плавление шихты ведут на максимальной мощности печного трансформатора с использованием газокислородных горелок. Для ускорения плавления шихты поворачивают корпус печи вокруг оси в одну и другую стороны на 45°. На современных печах повороты не нужны, так как проплавляется один колодец. К окончанию расплавления ванна должна быть покрыта слоем шлака. Шлак периода расплавления имеет примерный состав: 35-45 % CaO; 15-25 % SiO ₂; 5-10 % MnO; 10-12 % MgO; 4-7 % Al ₂O ₃; 10-15 % FeO; до 0,5 % P ₂O ₅ (основность 1,5-2,0). Скачивание и уборка шлака производятся через окно под печь самотеком или специальными скребками.

Окислительный период

В современных печах при активном использовании кислорода на стадии плавления металлошихты, период расплавления совмещён с окислительным периодом. Основная задача окислительного периода заключается в удалении фосфора. Начинается этот процесс при расплавлении порядка 70-80 % металлошихты при активном сходе шлака. Для создания благоприятных условий дефосфорации необходимо обеспечить требуемую окисленность ванны, которая достигается за счёт активной продувки расплава кислородом и снижением содержания углерода в металле до значений 0,1-0,05 % и менее. При этом основность шлака должна быть на уровне 2-3. Окисление фосфора протекает по реакции:

.

Для протекания реакции окисления фосфора необходимы: высокое содержание кислорода в металле и шлаке, повышенное содержание CaO в шлаке и пониженная температура в реакционной зоне. Выполнение этих условий обеспечивают наводкой свежего шлака и постоянным обновлением шлака путем скачивания из печи насыщенного шлака. По ходу окислительного периода происходит дегазация стали - удаление из нее водорода и азота, которые выделяются в пузыри СО, проходящие через металл. Выделение пузырьков СО сопровождается удалением из металла неметаллических включений, которые выносятся на поверхность потоками металла или поднимаются наверх вместе с пузырьками газа. Хорошее кипение ванны обеспечивает перемешивание металла, выравнивание температуры и химического состава.

К концу окислительного периода шлак имеет примерный состав: 40-45 % CaO; 10-20 % SiO ₂; 10-20 % FeO; 5-19 % MgO; 2-4 % Al ₂O ₃; 0,5-2,0 % P ₂O ₅ (основность 2,5-4,0). Общая продолжительность окислительного периода зависит от мощности трансформатора и продувочных устройств. На лучших печах время выплавки полупродукта в ДСП составляет от 35-50 мин.

Восстановительный период

После окислительного периода проводят полное скачивание шлака для удаления из печи фосфора. Далее плавку ведут под восстановительным белым шлаком, содержащим менее 0,5 % FeO. В этот период происходит диффузионное раскисление металла, завершается десульфурация до требуемого содержания серы, легирование металла и регулирование его температуры перед выпуском. Десульфурация металла активно проходит в восстановительный период плавки, а также при выпуске стали под слоем шлака, когда происходит хорошее перемешивание металла со шлаком:

[S] + (CaO) = CaS = [О].

Десульфурации способствует хорошее раскисление стали и шлака, высокое содержание извести в шлаке и высокая температура.

В современных цехах, оборудованных агрегатами "ковш-печь", операции восстановительного периода, раскисления и легирования выполняются при выпуске стали из ДСП и при внепечной обработке.

Особенности технологии выплавки стали в дуговых электропечах ЭСПЦ АО "Уральская Сталь"

В 2019 г. в электросталеплавильном цехе АО "Уральская Сталь" была проведена модернизация и запущены в работу две новых печи с нулевым потреблением энергии: FMF (Flexible Modular Furnace) или ГМП (гибкая модульная печь), которая может работать как обычная ДСП с использованием электродугового нагрева графитированными электродами, так и в режиме кислородного конвертера. Это позволило исключить из шихты покупной металлолом и использовать до 90-95 % жидкого чугуна и 5-10 % ГБЖ или окисленных окатышей (для охлаждения) и вести плавку с нулевым расходом электроэнергии. Выплавка в режиме с использованием электроэнергии стала называться ДСП, а без использования электроэнергии - ГМП.

Для перехода с одного режима на другой (ДСП/ГМП) выполняют замену свода. Свод для ДСП водоохлаждаемый с огнеупорной центральной частью. Для выплавки в режиме ГМП применяют полностью водоохлаждаемый свод без отверстий под электроды. Вся процедура занимает не более двух часов.

Жидкий чугун поступает в ковшах из доменного цеха. Ковш с чугуном (50-70 т) устанавливается на специальную напольную машину для заливки чугуна и по желобу поступает в печь. Параллельно с заливкой начинается продувка кислородом, присадка шлакообразующих материалов и охладителей (ГБЖ или окатыши). После заливки первого ковша, производят смену ковшей и заливают второй ковш. При необходимости возможно проведение завалки твердой металлошихты (твердого чугуна, скрапа, обрези) и заливка одного ковша чугуна. Нагрев и окисление примесей производится за счета продувки ванны кислородом.

После получения в металле необходимой массовой доли углерода (С), фосфора (Р) и нагрева до соответствующей технологической температуры производят выпуск плавки. В процессе выпуска в ковш производят раскисление и легирование металла. Ковш передается на участок внепечной обработки для дальнейшей подготовки к разливке.

2.5.3 Ковшевая металлургия

Для увеличения производительности дуговых печей, уменьшения угара ферросплавов процессы раскисления, легирования, рафинирования и доводки металла до нужной температуры проводятся не в печи, а в сталеразливочном ковше и/или специальных агрегатах. Применение такой технологии также положительно сказалось на улучшении качества стали и свойствах металлопродукции - механических свойствах, коррозионной стойкости и др. Внепечная обработка стали ("ковшевая металлургия") стала широко применяться для любых марок стали. Были разработаны простые (одним методом) и комбинированные способы внепечной обработки стали одновременно несколькими методами [63, 64, 65]:

- в обычном сталеразливочном ковше с использованием верхней погружной фурмы;

- в сталеразливочном ковше, оборудованном для вдувания газа или газопорошковой струи снизу через смонтированные в днище устройства;

- в установке "ковш-печь" с крышкой (сводом), через которую опущены электроды, нагревающие металл в процессе его обработки (при этом установка оборудована системой подачи ферросплавов из бункеров и добавок порошковой проволокой);

- в агрегате типа конвертера с продувкой металла кислородом, аргоном (агрегат аргоно-кислородного рафинирования);

- в вакууматорах различного типа.

При продувке инертным газом (аргоном или азотом) через отверстие в днище ковша происходит перемешивание металла и усреднение его химического состава, очищение металла от газовых и неметаллических включений. Перемешиванием жидкого металла инертным газом регулируют его температуру.

Для интенсификации рафинирования металла от серы, фосфора и кислорода применяют перемешивание металла с жидким синтетическим шлаком, который наводится при использовании твёрдых шлаковых смесей. Для снижения содержания серы в металле и его раскисления используют известково-глиноземистый шлак, для дефосфорации - известково-железистый. Рафинирование проводят путем смешивания, нагретого до 1600 °C синтетического шлака со струей металла, сливаемого из печи в сталеразливочный ковш. Рафинирование металла синтетическим шлаком можно совмещать с одновременной продувкой инертным газом или вакуумированием.

В настоящее время установка для внепечной обработки жидкой стали превратилась в многофункциональный агрегат "ковш-печь" (см. рисунок 2.53), позволяющий производить нагрев металла электроэнергией с помощью вводимых через крышку установки электродов, дозировать кусковые ферросплавы, флюсы или различные добавки (углерод, раскислители, модификаторы), в том числе с применением порошковой проволоки [59, 60]. Перемешивание стали на агрегате "печь-ковш" производят инертными газами или, в ряде случаев, электромагнитным перемешиванием.

Для повышения чистоты металла по неметаллическим включениям и содержанию газов проводят вакуумирование стали в вакууматоре.

С разделением операций получения жидкой стали и ее внепечной обработки общая продолжительность плавки составляет 1,5-3,0 ч, обработка на каждом агрегате не превышает 40-50 мин, что позволяет организовать разливку стали на машине непрерывной разливки стали по схеме "плавка на плавку". Удельный расход электроэнергии на установке "ковш-печь" - 30-95 /т, расход электродов 0,2-0,8 кг/т стали и существенно зависят от комплекса внепечной обработки, который должен быть задействован для выполнения требуемых показателей качества стали.

1 - ковш; 2 - крышка-свод; 3 - трайб-аппарат для подачи проволоки; 4 - электроды; 5 - фурма для вдувания порошка силикокальция в струе аргона; 6 - устройство для подачи сыпучих ферросплавов и флюсов; 7 - пористая пробка для подачи аргона

Рисунок 2.53 - Схема агрегата "ковш-печь"

2.5.4 Разливка стали на МНЛЗ

После внепечной обработки сталеразливочный ковш ставят на сталевоз, который перевозит его в разливочный пролет, где разливочный кран устанавливает ковш на разливочный стенд для разливки на МНЛЗ [56, 66].

Сталь из ковша поступает в промежуточный ковш, оборудованный дозирующими устройствами - стопорными механизмами или шиберными затворами или стаканами-дозаторами - для контроля потока стали из него в кристаллизаторы МНЛЗ. Промежуточный ковш, в зависимости от требований к качеству стали, оборудуется турбостопом, системой перегородок и другими элементами, обеспечивающими оптимальное движение потоков стали. Из промежуточного ковша сталь через дозирующее устройство заполняет кристаллизатор сверху. Перелив металла из сталеразливочного ковша в промежуточный и в кристаллизатор, в зависимости от требований к качеству стали осуществляется с использованием различных систем защиты металла от вторичного окисления - огнеупорные трубы/стаканы, уплотняющие вставки, подача инертного газа. Поверхность металла в промежуточном ковше закрывается шлаковой смесью.

Перед началом разливки в кристаллизатор с нижней стороны вводится затравка - штанга сечения кристаллизатора или формы будущей заготовки. Верхний торец затравки образует дно кристаллизатора и имеет устройство в виде ласточкиного хвоста для сцепления со слитком. Когда уровень металла поднимается над затравкой на высоту 300-400 мм, включается механизм вытягивания заготовки. Под действием тянущих валков этого механизма затравка опускается и тянет за собой формирующийся слиток.

Медный или бронзовый, с полыми стенками, интенсивно охлаждаемый водой кристаллизатор с внутренним сечением по форме заготовки формирует корочку слитка-заготовки. Для предотвращения надрыва корочки и ухода металла, кристаллизатор выполняет возвратно-поступательное движение специальным механизмом. Кристаллизатор движется по направлению движения заготовки (вниз) и затем возвращается вверх. Ход качания - от 10 до 40 мм. В процессе разливки стенки кристаллизатора смазываются специальными шлакообразующими смесями (ШОС), рапсовым маслом, парафином или другими смазывающими веществами. В кристаллизаторе над поверхностью металла может быть создана восстановительная или нейтральная атмосфера для предотвращения окисления металла при разливке.

Наибольшее распространение получил радиальный тип МНЛЗ, требующий меньшей высоты металлоконструкций ЭСПЦ. При выходе непрерывнолитого слитка на горизонтальный участок рольганга слиток разрезают кислородным резаком на заготовки мерной длины. Разливку на МНЛЗ ведут, как правило, методом "плавка на плавку" без прерывания разливки. При разливке контролируют температуру металла в промежуточном ковше, работу механизмов и качество поверхности непрерывнолитых заготовок.

2.5.5 Подготовка сталеразливочных ковшей

Сталеразливочные ковши относятся к основному оборудованию разливочного пролета. Корпус ковша цельносварной, оборудован цапфами и кантовательными устройствами. Внутри ковш футеруется двумя слоями огнеупорной футеровки (арматурный и рабочий), выполняемой огнеупорным ковшевым кирпичом и/или монолитной футеровкой. Рабочая футеровка выполняется из периклазоуглеродистых огнеупоров. Некоторые заводы используют высокоглинозёмистые материалы. Для увеличения стойкости футеровки ковшей с помощью установки торкретирования проводят периодическое торкретирование изношенной футеровки пульповым раствором. Чаще всего ремонтируют "шлаковый пояс".

Сталь из ковша выпускают через донное отверстие, перекрываемое стопором, который вводится в ковш через металл, или шиберным затвором, устанавливаемым снаружи ковша в днище. Шиберные затворы собирают на специально оборудованном участке. Шиберный затвор представляет собой две одинаковые огнеупорные плиты овального типа с отверстиями в центре. Плиты закрепляются в специальной рамке таким образом, что одна плита закреплена к неподвижной рамке к днищу ковша, а вторая подвижная (см. рисунок 2.54).

Рисунок 2.54 - Конструкция шиберного затвора

При совмещении отверстий жидкая сталь будет поступать из ковша в промежуточный ковш МНЛЗ. Регулируя положение нижней подвижной рамки, соответственно величину зазора отверстий, можно регулировать скорость истечения металла из ковша. Собранные шиберные затворы и вновь зафутерованные сталеразливочные ковши сушат на стенде газовыми горелками до температуры 1200 °C. После этого сталеразливочные ковши могут отдаваться на разливку.

2.5.6 Обработка электросталеплавильного шлака и пыли

Шлак

Суммарный выход шлака при выплавке стали в дуговой печи достигает до 200 кг/т, при среднем уровне около 120-150 кг/т стали.

В электросталеплавильных цехах слив печного и ковшевого шлака осуществляется "под печь". По остывании поверхности (до красного состояния) специальными погрузчиками шлак вывозится либо на шлаковый двор, либо в специально оборудованные бункера ("шлаковые закрома", ямы) для окончательного охлаждения. В некоторых случаях горячий шлак под печью орошается водой, затем загружается в спецкузов, забираемый автомобилем, оборудованный системой мультилифт, для последующей транспортировки на участок шлакопереработки.

Для уборки шлака, как правило, используются шлаковые чаши объемом 16 м ³ (см. рисунок 2.55).

Рисунок 2.55 - Слив шлака под печь в шлаковую чашу

Наполненные шлаковые чаши со шлаком перевозятся на шлаковый двор для опорожнения. Шлаковый двор оборудован траншеей для слива жидкого шлака, электромостовыми кранами и экскаватором для отгрузки шлака. Освобождённые от шлака шлаковые чаши ещё в горячем состоянии опрыскиваются изнутри сплошным слоем известкового молока, затем передаются в цех под налив шлака.

Охлажденный шлак подвергают дроблению и магнитной сепарации для отделения скрапа (направляется на переплав) и после фракционирования отправляют потребителям.

Печной шлак с основностью 1,5-2,0 легко перерабатывается на шлаковом дворе в шлаковых ямах с последующей переработкой на дробильно-сортировочной установке с получением фракционированного щебня, а высокоосновной шлак внепечной обработки с основностью 2,5-4,0 имеет другие свойства и требует иной технологии переработки. Двухкальциевый силикат, имеющийся в высокоосновном шлаке, из-за полиморфизма кристаллической решетки рассыпается в порошок. Такой шлак трудно перерабатывать и невозможно перевозить из-за пыления. Проблема его переработки может быть решена двумя способами:

- сливом его на дробленый известняк для получения декарбонизированной шлакоизвестковой смеси, пригодной для переработки в цементной промышленности;

- вводом в ковшевой шлак при внепечной обработке стали добавок, стабилизирующих двухкальциевый силикат для предотвращения полиморфизма.

Ковшевой шлак может быть использован для формирования печного шлака в качестве частичной замены извести, однако требуется его стабилизация и отработка технологии, позволяющих значительно уменьшить его вынос из ДСП в виде пыли.

Пыль

Удельный выход пыли при производстве стали в дуговых печах может достигать 30 кг/т стали. В таблицах 2.23 и 2.24 представлены примерные химические и гранулометрические составы высокоосновного ковшевого шлака и пыли дуговой печи.

Таблица 2.23 - Химический состав шлака и пыли

Материал	Массовая доля, %
	CaO	SiO 2	P 2O 5	Cr 2O 3	FeO	Fe 2O 3	MnO	MgO	Al 2O 3	S	Zn	ППП	Fe общ
Шлак	55,0	11,8	0,05	0,05	0,2	-	0,22	7,2	10,61	0,27	-	-	-
Пыль	9,92	3,49	-	0,366	11,1	47,34	3,33	2,15	3,4	0,41	6,05	3,76	41,8

Таблица 2.24 - Гранулометрический состав шлака и пыли

Материал	Фракция, мм, %
	0,5-3,0	0,25-0,5	0,1-0,25	Менее 0,1
Шлак	5,5	16,0	15,5	63,0
Пыль	-	-	8	92

Пыль или шламы при мокрой очистке, уловленные от дуговой печи, могут содержать значительные концентрации оксидов цинка (до 25 %), свинца. Эта пыль требует специальной подготовки и технологии для извлечения железа, цинка и свинца [67, 68].

2.5.7 Очистка отходящего газа сталеплавильных печей

Существенную часть технологической цепочки выплавки стали в дуговой печи составляет улавливание и очистка отходящих газов электропечи. Выделяющиеся при продувке газы вместе с пылью отводят из-под свода печи через четвертое отверстие в своде.

Устанавливают различной конструкции колпаки над сводом, рабочим окном и сливным носком для аспирации газов. Для уменьшения в цехе шума и запыленности ДСП могут устанавливаться в газо- и шумозащитных камерах.

На рисунке 2.56 представлена пылеочистная система с рукавными фильтрами в ЭСПЦ (с двумя ДСП-180), где аспирационные газы отбираются из-под крыши производственного здания.

Рисунок 2.56 - Пылеочистная система с рукавными фильтрами с отбором аспирационных газов из-под крыши производственного здания ЭСПЦ

Современные технологии выплавки стали в электродуговых печах оснащены общей системой газоочистки, когда в общий коллектор принимаются отходящие газы дуговой печи и аспирационные потоки, которые передаются на рукавный фильтр. Остаточная концентрация по пыли на дымовой трубе не превышает 10 мг/м ³. Современная система газоочистки, выполненная на мини-заводе НЛМК-Калуга с ДСП-150, представлена на рисунках 2.57 и 2.58.

Рисунок 2.57 - НЛМК-Калуга с очисткой пыли в рукавном фильтре

Рисунок 2.58 - Принципиальная схема пылегазоочистки с рукавным фильтром

В связи с увеличением доли стального лома, загрязнённого полихлорвиниловыми соединениями (провода, обшивка и т.п.) маслами, красками в процессе переработки такого лома возрастает опасность образования диоксинов и фуранов. Улавливание диоксинов/фуранов представляет большую проблему. Обычные системы газоочистки улавливают до 60 % диоксинов. Обеспечить полную очистку крайне трудно. На рисунке 2.59 представлена схема оптимального процесса обработки отходящих газов шахтной дуговой печи, где все функции газоочистки представлены на примере отдельных модулей [59].

Эффективность работы данной технологической линии подтверждена на ряде металлургических предприятий.

Рисунок 2.59 - Современная технологическая схема системы газоочистки шахтной дуговой печи

2.5.8 Основное технологическое и природоохранное оборудование

Назначение, описание, технологические характеристики основного оборудования, используемого при производстве стали в дуговых печах и заготовок, приведены в таблице 2.25.

Таблица 2.25 - Основное технологическое оборудование, используемое при производстве стали в дуговых печах и заготовок

Наименование оборудования	Назначение оборудования	Существенные характеристики технологического оборудования
Магнитно-грейферные краны	Разгрузка вагонов на склад сырья, забор сырья	Грейферные краны: козловые, мостовые
Магнитный кран на шлаковом дворе	Отмагничивание металла от шлака	Кран мостового типа
Экскаватор	Отгрузка шлака
Автошлаковоз	Транспортировка шлаковых чаш	На резиновом ходу
Электромостовые краны	Перемещение грузов	Кран мостового типа
Дробилки флюсов	Дробление и измельчение флюсов	Молотковые, валковые дробилки
Дробилки кусковых материалов	Дробление материалов для компонентов шихты	Молотковые, валковые дробилки
Дробилки топлива	Дробление и измельчение твердого топлива - кокса, угля	Дробилка четырехвалковая
Дробилка щековая	Предварительное дробление крупных кусков материала до 40-100 мм	Модель С-644, производительность 19 м 3/ч
Дробилка молотковая	Среднее дробление материала до 10 мм	Модель СМ-431, производительность 6-30 т/ч
Дробилка двухвалковая	Тонкое дробление материала до 2-14 мм	Модель ДВГ-2М, производительность 3-12 м 3/ч
Дробилка четырехвалковая	Тонкое дробление материала до 0,5-5 мм	Производительность 6-30 м 3/ч
Машины-грохоты	Рассев материалов по фракциям	Производительность 1-15 т/ч
Оборудование аспирации	Аспирация	Аспирация мест с дробильно-измельчительным оборудованием
Тележки погрузочно-разгрузочные	Прием и доставка материалов	Прием и доставка материалов
Электропогрузчики	Перемещение грузов	Перемещение грузов
Автопогрузчики	Перемещение грузов	Перемещение грузов
Бункеры, питатели, весовые дозаторы	Хранение и дозирование компонентов шихтовых материалов	Хранение и дозирование компонентов
Конвейеры	Транспортировка сыпучих грузов	Ленточный конвейер
Сушильные, прокалочные печи, барабаны	Сушка и прокалка материалов и ферросплавов перед подачей в печь на плавку	Сушка и прокалка материалов и ферросплавов перед подачей в печь на плавку для предотвращения насыщения жидкой стали водородом
Завалочные саморазгружающиеся бадьи	Завалка металлошихты в ДСП	Навешивается на кран
Машина для загрузки шлакообразующих в печь	Загрузка материалов в печь	Загрузка материалов в печь
Мульдозавалочная машина напольная	Загрузка материалов в печь	Напольного типа
Мульдозавалочная машина крановая	Загрузка материалов в печь	Кранового типа
Мостовой разливочный кран разливочного пролета	Транспортировка сталеразливочного ковша	Транспортировка сталеразливочного ковша со сталевоза на разливочный стенд и обратно
Дуговая печь	Выплавка стали	Выплавка стали из металлической шихты
Сталевоз	Перемещение сталеразливочного ковша	Перемещение сталеразливочного ковша из печного в разливочный пролет
Сталеразливочный ковш	Прием и перемещение выплавленной стали	Цилиндрическая емкость, футерованная огнеупорными материалами для приема жидкой стали
Стенды сушки и разогрева футеровки сталеразливочных ковшей вертикальные	Сушка и разогрев футеровки стальковшей после ее сборки	Стенд с крышкой, в которой установлена газовоздушная или газокислородная горелка. Ковш на стенде стоит вертикально.
Стенды сушки и разогрева футеровки сталеразливочных ковшей горизонтальные	Сушка и разогрев футеровки стальковшей во время эксплуатации	Подвижная тележка, которая со стальковшом подъезжает к крышке. В крышке установлена газовоздушная или газокислородная горелка. Ковш на тележке лежит горизонтально.
Машина "Орбита"	Футеровка сталеразливочных ковшей	Машина портального типа с пескометным механизмом подачи огнеупорной массы
Шлаковая чаша	Прием и транспортировка шлака	Чугунная емкость объемом до 16 м 3
Агрегат "ковш-печь"	Внепечная обработка жидкой стали	Стационарный стенд с системой электродов и бункеров с сыпучими материалами для обработки стали
Вакууматор	Внепечная обработка жидкой стали	Агрегат с системой обработки стали вакуумом
МНЛЗ	Разливка жидкой стали	Комплекс оборудования, включающий подъемно-поворотный стенд, промежуточный ковш, кристаллизатор, зону вторичного охлаждения, тянуще-правильный агрегат, резаки, рольганг

Основное природоохранное оборудование

Для снижения негативного воздействия на окружающую среду процесса производства стали в дуговых печах на технологических участках и в отделениях устанавливается природоохранное оборудование:

- газоочистное и аспирационное оборудование, обеспечивающее необходимый уровень очистки технологических газов и аспирационного воздуха от содержащихся в них загрязняющих веществ перед отводом газов или воздуха в атмосферу;

- водоочистные сооружения, обеспечивающие очистку загрязнённых промышленных сточных вод.

Назначение, описание, технологические характеристики природоохранного оборудования, используемого при производстве стали в дуговых печах и заготовок, приведены в таблице 2.26.

Таблица 2.26 - Назначение и описание природоохранного оборудования, используемого при производстве стали в дуговых печах и заготовок

Наименование оборудования	Назначение оборудования	Существенные характеристики природоохранного оборудования
Система газоочистки комплекса агрегатов печи и МНЛЗ	Улавливание, эвакуация и очистка отходящих и аспирационных газов от пыли	Камера дожигания отходящих газов, осадительная камера, водоохлаждаемый участок газохода, комплекс улавливающих зонтов (укрытий), газоходы, регулирующие заслонки, искрогаситель, сборный коллектор, фильтр, выгрузка пыли
Электрофильтры	Улавливание пыли отходящих технологических газов	Эффективность очистки - до 95-99 %. Остаточная запыленность - до 30 мг/нм 3
Тканевые (рукавные) фильтры	Очистка от пыли отходящих технологических газов. Очистка от пыли аспирационного воздуха	Эффективность очистки от тонкой пыли - до 99,5 %, остаточная запыленность - до 10 мг/м 3
Тканевые фильтры с комбинированными сорбционными процессами	Очистка технологических газов от тонкой пыли и газов SO x, HCl, HF, ПХДД/Ф	Тип - AIRFINE, SIMETALMEROS Выбросы SO x сокращаются на 30-90 %
Скрубберы мокрые	Улавливание пыли отходящих технологических газов с помощью воды	Тип - скрубберы оросительные, скрубберы с трубой Вентури, скрубберы AIRFINE. Остаточная запыленность - от 40 до 80 мг/нм 3
Водоочистные сооружения	Очистка воды, используемой для охлаждения технологического оборудования ДСП и МНЛЗ. Отведение образующихся на пылегазоочистках шламов	Комплекс оборудования, включающий отстойники, осветлители и фильтры, устройства для химической обработки воды

2.5.9 Материальные потоки, виды эмиссий, их образование и улавливание

По всей технологической цепочке производства стали в дуговых печах и заготовок в местах выгрузки сырья, складирования, подготовки компонентов шихты на различном оборудовании, выплавки, внепечной обработки и разливки, транспортировки отходов производства и готовой продукции имеют место организованные и неорганизованные выбросы (эмиссии) загрязняющих веществ в виде пыли, газов, а также образование отходов.

Материальные потоки, характерные основные эмиссии по стадиям технологического процесса при производстве стали в дуговых печах и заготовок представлены в таблице 2.27.

Таблица 2.27 - Перечень материальных потоков и эмиссий

Входной поток	Этап процесса (подпроцесс)	Выходной поток	Основное технологическое оборудование	Эмиссии
Шихтовые компоненты плавки стали в ДСП	Подготовка твердой металлической шихты	Твердая металлическая шихта	Мостовые краны с магнитно-грейферным перегружателем	Взвешенные вещества состава: Al 2O 3, FeO, Fe 2O 3, Fe 3O 4, SiO 2, CaO, MgO, MnO; шум
Твердая металлическая шихта	Завалка твердой металлической шихты в ДСП	Твердая шихта в ДСП	Бадья	Взвешенные вещества состава: Al 2O 3, FeO, Fe 2O 3, Fe 3O 4, SiO 2, CaO, MgO, MnO; шум
ДСП с загруженной металлошихтой	Выплавка стали в ДСП	Расплав, газообразные продукты плавки СО, СО 2, пыль, жидкий шлак	ДСП с системой подачи кислорода, шлакообразующих и газоотводящего тракта	Взвешенные вещества состава: Al 2O 3, FeO, Fe 2O 3, SiO 2, CaO, MgO, MnO, ZnO; газовые компоненты: NO 2, NO, SO 2, CO, CO 2, бенз(а)пирен; Тепловое излучение, шум, вибрация, электромагнитное загрязнение
Расплав	Окончание плавки, выпуск расплава в сталеразливочный ковш. Раскисление, присадка ферросплавов и других добавочных материалов	Расплав в сталеразливочном ковше	ДСП, сталеразливочный ковш	Взвешенные вещества состава: Al 2O 3, FeO, Fe 2O 3, SiO 2, CaO, MgO, MnO, ZnO; газовые компоненты: NO 2, NO, SO 2, CO, CO 2, бенз(а)пирен; тепловое излучение, шум, вибрация
Расплав в сталеразливочном ковше	Внепечная обработка жидкой стали (агрегат "ковш-печь", вакууматор). Раскисление, присадка ферросплавов и других добавочных материалов	Сталь в ковше заданного химического состава	Агрегат "ковш-печь", вакууматор	Взвешенные вещества состава: Al 2O 3, FeO, Fe 2O 3, SiO 2, CaO, MgO, MnO, ZnO; газовые компоненты: NO 2, NO, SO 2, CO, CO 2, бенз(а)пирен; тепловое излучение, шум, вибрация, электромагнитное загрязнение
Сталь в ковше заданного химического состава	Разливка стали на МНЛЗ	Непрерывнолитые заготовки требуемого химического состава и заданного размера	МНЛЗ, резаки	Взвешенные вещества состава: Al 2O 3, FeO, Fe 2O 3, SiO 2, CaO, MgO, MnO, ZnO; тепловое излучение, шум, вибрация
Непрерывнолитые заготовки требуемого химического состава и типоразмера	Обработка непрерывнолитых заготовок	Непрерывнолитые заготовки, годные к отгрузке	Оборудование для обработки заготовок	Тепловое излучение, шум, выделения от огневой зачистки
Сталеплавильные шлаки	Охлаждение и переработка сталеплавильных шлаков	Переработанные шлаки	Оборудование для переработки шлаков	Взвешенные вещества состава: Al 2O 3, FeO, Fe 2O 3, SiO 2, CaO, MgO, MnO; тепловое излучение, шум
Стенды сушки и разогрева сталеразливочных ковшей	Нагрев футеровки стальковша	Стальковш, готовый к работе	Стенд сушки и разогрева футеровки	Фенолы (в отсутствие комплекса дожигания выделяющихся продуктов); газовые компоненты: NO, NO 2, CO, CO 2 (при дожигании выделяющихся продуктов)

Неорганизованные выбросы возникают при транспортировке, выгрузке сырья, при хранении пылящих твердых материалов на открытых складах, при дроблении компонентов шихты, транспортировании материалов на открытых конвейерах, выбросов от агрегатов в технологических процессах при отсутствии или недостаточной герметичности укрытий, утечках из фланцев, насосов, вентиляторов.

2.5.10 Факторы негативного воздействия на окружающую среду

Факторами негативного воздействия на окружающую среду являются следующие.

Выбросы в атмосферу

При производстве стали в электродуговых печах имеют место неорганизованные и организованные выбросы в атмосферу загрязняющих веществ: с твёрдыми компонентами - Al ₂O ₃, FeO, Fe ₂O ₃, CaO, MgO, MnO, ZnO; газообразными компонентами - NO ₂, NO, SO ₂, CO, CO ₂, фенолами, формальдегидами от стендов сушки и разогрева ковшей в отсутствие комплекса дожигания продуктов, выделяющихся при разогреве стальковшей.

Сточные воды

В электросталеплавильном производстве используется химически очищенная вода для охлаждения водоохлаждаемых сводов и стен дуговых печей, а также элементов МНЛЗ.

При наличии мокрых систем газоочистки используется оборотная вода.

Водоснабжение осуществляется по специальным водооборотным системам с охлаждением воды (см. рисунок 2.60).

Рисунок 2.60 - Водооборотная система в ЭСПЦ с двумя печами ДСП-180

Отходы и побочные продукты

В процессе электросталеплавильного производства образуются отходы и побочные продукты: пыль сухих газоочисток с различных участков, в том числе графитная, просыпь шихтовых и заправочных материалов, шламы мокрых газоочисток, отходы электродов и абразивных кругов, окалина, отходы футеровок ДСП и ковшей.

Производственные отходы преимущественно утилизируются.

Вредные производственные факторы

При производстве электростали и заготовок для проката вредными производственными факторами являются:

- повышенное напряжение в электрической цепи свыше 50 В;

- движущиеся машины и механизмы;

- подвижные части производственного оборудования;

- повышенная температура поверхности оборудования и материалов;

- расположение рабочего места на значительной высоте относительно поверхности земли;

- повышенный уровень инфракрасного излучения свыше 140 Вт/м ²;

- повышенный уровень производственного шума на рабочем месте свыше 80 дБ;

- повышенная загазованность и запылённость неорганической пылью (ПДК окиси углерода - 20 мг/м ³, неорганической пылью - 6 мг/м ³).

2.6 Производство стали в мартеновских печах

Первая мартеновская печь была создана в 1864 г. и до середины XX века производство стали мартеновским способом являлось преимущественным техническим решением. Начиная с 70-х годов новые мартеновские печи в мире больше не строятся, в объеме мирового производства стали к началу XXI века на мартеновскую сталь приходилось немногим более 2 %.

В металлургической отрасли России объем выплавки стали в мартеновских печах составляет около 2 %. Характеристика действующих (по состоянию на 2020 г.) мартеновских печей представлена ниже [69]:

Предприятие	Мощность, тыс. т	Число агрегатов	Тип
ПАО "ММК"	1155	1	ДСА *
АО "Гурьевский металлургический завод"	210	2	мартен
АО "Омутнинский металлургический завод"	180	2	ПТСА **
АО "Петросталь"	350	1	мартен

------------------------------

^*_{ДСА - двухванный сталеплавильный агрегат.}

^**_{ПТСА - политопливный сталеплавильный агрегат.}

------------------------------

В мартеновских печах выплавляется широкая номенклатура марок сталей: углеродистая обыкновенного качества, углеродистая конструкционная, автоматная, подшипниковая, электротехническая, легированная, рессорно-пружинная, инструментальная, сталь со специальными требованиями.

Мартеновские печи как и технология мартеновской плавки в последние 20 лет подверглись существенной модернизации и совершенствованию с включением приемов энергосбережения, ковшевой металлургии, разливки стали на МНЛЗ, современных газоочистных устройств и организацией локальных водооборотных циклов.

2.6.1 Технологический процесс производства стали в мартеновской печи

Мартеновская печь представляет собой сооружение из огнеупорного материала (кирпича), схематическое устройство которой показано на рисунке 2.61.

Рисунок 2.61 - Схема устройства мартеновской печи

Мартеновская печь по устройству и принципу работы является пламенной отражательной регенеративной печью.

Современная мартеновская печь представляет собой вытянутую в горизонтальном направлении камеру, сложенную из огнеупорного кирпича. Рабочее плавильное пространство ограничено снизу подиной, сверху сводом, а с боков передней и задней стенками. Подина имеет форму ванны с откосами по направлению к стенкам печи.

Современные мартеновские печи (политопливные сталеплавильные агрегаты) оборудованы подиной из новых набивных материалов с использованием технологии скрытой донной продувки азотом по технологии VVS [70].

Новая конструкция подины предусматривает изготовление трёх продувочных зон, выполненных из специальной набивной массы с высокой газопроницаемостью, заключённых в керамические чаши. Через продувочные зоны в ходе плавки поддерживается расход азота от 10 до 70 дм ³ в час. Подача азота производится как в автоматическом (по специальной программе), так и в ручном режиме. Данное мероприятие позволило получить дополнительный прирост объема выплавки стали за счет сокращения горячих простоев мартеновской печи, увеличения садки и сокращения длительности плавки.

Задняя и передняя стенки мартеновской печи работают (особенно в нижней части) почти в тех же условиях, что и подина, так как они также соприкасаются с жидким металлом и шлаком.

В передней стенке имеются загрузочные окна для подачи (завалки) шихты и шлакообразующих материалов, а в задней - отверстия для выпуска готовой стали и шлака. Обычно завалочные окна закрыты специальными футерованными крышками с отверстиями (гляделками), через которые ведется наблюдение за ходом плавки и состоянием печи (рисунок 2.62).

Рисунок 2.62 - Передняя стенка мартеновской печи, загрузочные окна с гляделками

С обоих торцов плавильного пространства расположены головки печи (газовый и воздушный каналы), которые служат для смешивания топлива с воздухом и подачи этой смеси в плавильное пространство. Головки должны обеспечить:

- хорошую настильность факела по всей длине ванны (чтобы максимум тепла передать ванне и минимум - своду и стенкам);

- минимальное сопротивление при отводе продуктов сгорания из рабочего пространства печи;

- хорошее перемешивание топлива и воздуха для полного сжигания топлива в рабочем пространстве печи.

В качестве топлива в мартеновской печи применяют природный газ, мазут. На современных мартеновских печах (в том числе в политопливных сталеплавильных агрегатах) применяют политопливные горелки с многоступенчатой подачей топлива и окислителя с автоматическим регулированием их расходов, позволяющие с высокой эффективностью применять различные виды жидкого и газообразного топлива в различных сочетаниях (от 5 % доли мазута, до 100 %).

Для подогрева воздуха и газа печь имеет два регенератора. Регенератор представляет собой камеру, в которой размещена насадка (огнеупорный кирпич).

Отходящие от печи газы имеют температуру 1500...1600 °C. Попадая в регенератор, газы нагревают насадку до температуры 1250 °C...1400 °С и охлаждаются, затем через очистные устройства (шлаковики), служащие для отделения частиц шлака и пыли, и котел-утилизатор (при наличии) боровом отводятся в дымовую трубу. Высота дымовых труб современных крупных мартеновских печей превышает 100 м.

Через нагретый регенератор подают воздух, который проходя через насадку, нагревается до 1200 °C и поступает в головку печи, где смешивается с топливом, на выходе из головки образуется факел, направленный на поверхность шихты. Температура факела пламени достигает 1800 °C.

Мартеновская печь - агрегат реверсивного действия, в котором направление движения газов по системе печи периодически меняется. Для этого в боровах, а также в газопроводах и воздухопроводах устанавливают систему шиберов, клапанов, дросселей, задвижек, объединяемых общим названием "перекидные клапаны".

После охлаждения насадки регенератора переключают клапаны, и поток газов в печи изменяет направление. Переключение клапанов, регулирующих направление факела горения, происходит автоматически через 8-20 мин.

Продолжительность плавки составляет 3...6 часов, для крупных печей - до 12 часов.

Печи работают непрерывно до остановки на капитальный ремонт (примерно 400...600 плавок).

В зависимости от состава шихты, используемой при плавке, различают разновидности мартеновского процесса:

- скрап-процесс, при котором шихта состоит из стального лома (скрапа) и 25...45 % чушкового передельного чугуна, процесс применяют на заводах, где нет доменных печей, но много металлолома (в современных шихтах доля металлического лома увеличена до 90 %);

- скрап-рудный процесс, при котором шихта состоит из жидкого чугуна (55...75 %), скрапа и железной руды, процесс возможен на металлургических заводах, имеющих доменные печи.

В зависимости от состава огнеупорных материалов подины печи мартеновский способ выплавки стали может быть основным (в составе огнеупора преобладают СаО и MgO) и кислым (подина состоит из SiO ₂). В России наиболее распространен основной мартеновский процесс.

Технологический процесс выплавки стали в мартеновской печи осуществляется в комплексе агрегатов и оборудования, который включает:

- скрапной двор (с кранами-перегружателями для разгрузки и усреднения металлошихты);

- шихтовое отделение с бункерами для загружаемых в печь материалов;

- мартеновскую печь с механизмами загрузки сырья и выдачи продуктов плавки;

- установки внепечной обработки стали (УКП, вакууматор);

- машины непрерывного литья заготовок (МНЛЗ);

- системы газоочистки;

- оборудование для охлаждения и переработки шлака (для получения щебня и другой продукции).

Процесс выплавки стали в мартеновской печи (ПТСА) иллюстрируется схемой (рисунок 2.63).

Рисунок 2.63 - Принципиальная схема выплавки стали в мартеновской печи

Основные подпроцессы (операции) в технологии выплавки стали в мартеновской печи аналогичны технологиям выплавки стали в конвертерах или электросталеплавильных агрегатах и включают:

- подготовительные операции (подготовку печи и ковшей; подготовку металлической части шихты, а также шлакообразующих компонентов шихты);

- завалку шихты в печь;

- плавку шихты (в том числе процесс обезуглероживания);

- выпуск металла из печи;

- раскисление и легирование стали (полупродукта);

- внепечную обработку;

- разливку стали на МНЛЗ.

Завалка шихты. Сыпучие шихтовые материалы (руду, известняк, скрап) загружают обычно первыми и каждый слой отдельно прогревают. На подину принято сначала засыпать железную руду, потом известняк и сверху стальной лом. Все эти материалы подвозят к печам на железнодорожных платформах в мульдах.

Прогрев и расплавление шихты. Одновременно с прогревом шихты начинается окисление примесей. К моменту расплавления шихты почти полностью окисляется кремний, часть марганца, фосфора и частично углерод. В период плавления образуется значительное количество FeO ввиду окислительного характера факела (коэффициент избытка воздуха больше 1). Образующийся оксид железа (II), растворяясь в шлаке, окисляет примеси.

Окисление углерода в еще не прогретой ванне вызывает вспенивание шлака. Этим пользуются для удаления из печи самотеком через пороги загрузочных окон части первичного шлака, содержащего значительное количество фосфора и кремнезем. К концу плавления шихты известняк диссоциирует, образуя известь, и растворяется в шлаке.

Период доводки (процесс выплавки полупродукта). После расплавления шихты начинается период доводки металла, который заключается в доведении полупродукта до нужного базового химического состава и температуры выпуска. Взаимодействуя с факелом, образовавшийся в ванне мартеновской печи шлак, интенсивно перемешиваемый тепловыми потоками и выделяющимся из металла газом, передает ванне тепло и кислород. Интенсификация процесса достигается при помощи скрытой донной продувки VVS. Готовность заданной плавки стали определяют взятием пробы и экспресс-анализом в цеховой лаборатории

Раскисление металла. После доводки металла проводится раскисление. Раскисление стали в ванне мартеновской печи проводят ферромарганцем и/или ферросилицием. Кремний ферросилиция, взаимодействуя с оксидом железа (II), образует сложные силикаты железа с низкой температурой плавления, которые переходят в шлак. В некоторых случаях раскиление ведут в сталеразливочном ковше после выпуска металла.

Выпуск стали. После этого сталь начинают выпускать из печи, завершают раскисление в ковше ферросилицием (45 % или 75 % Si) и вводят небольшое количество более сильного восстановителя, обычно алюминия или силикоалюминия.

На выпуске шлак скачивается из сталеразливочного ковша в шлаковую чашу, установленную под носком ковша.

После выпуска сталеразливочный ковш помещают в стенд для удаления шлака методом выдавливания.

Внепечная обработка стали осуществляется в агрегате "ковш-печь", где металл нагревается за счет тепла электрических дуг, при этом непрерывно продувается инертным газом (аргон), который подводится через продувочные пробки, находящиеся в днище сталеразливочного ковша, Обработка стали в агрегате "ковш-печь" предназначена для:

- усреднения расплава по химическому составу и температуре путем перемешивания за счет продувки расплава инертным газом;

- раскисления металла основным шлаком и удаление неметаллических включений путем поглощения их шлаком;

- защиты инертным газом поверхности расплава от окисления;

- доведения химического состава металла до заданного;

- дегазации и десульфурации;

- модифицирования неметаллических включений (в том числе порошковой проволокой при помощи 4-х ручьевого трайб-аппарата).

Ферросплавы и вспомогательные материалы подают в ковш, используя систему подачи сыпучих на установке "печь-ковш" (после предварительной сушки в сушильном барабане).

Разливка стали на МНЛЗ. Машина непрерывного литья заготовок оборудована:

- промежуточным ковшом (промковшом), снабженным дозаторами для организации струи металла и перегородками, турбостопами и т.д. для рафинирования металла от неметаллических включений;

- подъемно-поворотным стендом с независимым приводом подъема рычагов;

- гидравлическими механизмами качания;

- системой электромагнитного перемешивания на уровне кристаллизаторов;

- кристаллизатором(ами);

- гидравлическими ножницами с диагональным резом;

- рольгангом.

В зависимости от марки разливаемой стали, возможны два варианта разливки:

- разливка открытой струей через стаканы-дозаторы промковша;

- разливка защищенной струей с использованием стопоров и погружных стаканов.

После разливки на МНЛЗ конечный шлак сливается из сталеразливочного ковша в шлаковую чашу, установленную в цехе.

Процессы ведения плавки в современной мартеновской печи в значительной мере автоматизированы.

Внедрена автоматизированная система управления тепловой работой мартеновских печей с наглядной визуализацией процесса, позволяющая сталевару выбирать необходимый тепловой режим.

Разработана система автоматического управления тепловым режимом мартеновской печи. Для этого в сборном борове установлен газоанализатор с возможностью получения и передачи в АСУ ТП печи в режиме реального времени данных по концентрации О ₂ и СО в дымовых газах. Полученные сигналы являются обратной связью для системы автоматики подачи природного газа и вентиляторного воздуха для поддержания надлежащего коэффициента избытка воздуха в рабочей зоне.

Измерение концентрации кислорода и оксида углерода в режиме реального времени с последующим жестким сдерживанием в узком рабочем диапазоне обеспечивает следующие преимущества выплавке стали в мартеновской печи:

- снижение выбросов СО и NO _х в атмосферу (оксида углерода - как следствия четкой организации режима горения, оксидов азота - за счет снижения количества свободного кислорода в рабочем пространстве);

- экономию топлива;

- повышение стойкости элементов оборудования печи (снижение вероятности перегрева регенераторов, перекидных клапанов) и дополнительная защита от "человеческого фактора");

- возможность оценки усвоения расплавленной сталью твердых углеродсодержащих материалов;

- реализацию автоматизированного расчета КПД печи в режиме реального времени.

2.6.2 Основное технологическое и природоохранное оборудование

Назначение, описание, технологические характеристики основного оборудования, используемого при производстве стали в мартеновских печах, приведены в таблице 2.28.

Таблица 2.28 - Основное технологическое оборудование, используемое при производстве стали в мартеновских печах

Наименование оборудования	Назначение оборудования	Существенные характеристики технологического оборудования
Магнитно-грейферные краны	Разгрузка вагонов, на склад сырья, перегрузка, забор сырья	Грейферные краны: козловые, мостовые
Мульдомагнитный кран	Загрузка габаритного лома в мульды
Железнодорожные платформы, лафеты	Транспортировка шлаковых чаш	Эвакуация шлака из цеха на участок переработки шлаков
Электромостовые краны	Перемещение грузов	Кран мостового типа
Тележки погрузочно-разгрузочные	Прием и доставка материалов	Прием и доставка материалов
Бункеры, питатели, весовые дозаторы	Хранение и дозирование шихтовых материалов	Хранение и дозирование компонентов (ферросплавы, легирующие, раскислители)
Сушильные барабаны, прокалочные печи	Сушка и прокалка материалов и ферросплавов перед подачей в печь на плавку	Сушка и прокалка материалов и ферросплавов перед подачей в печь на плавку для предотвращения насыщения жидкой стали водородом
Завалочные мульды	Завалка металлошихты в мартеновскую печь
Мульдозавалочная машина напольная	Загрузка материалов в печь	Напольного типа
Мульдозавалочная машина крановая	Загрузка материалов в печь	Кранового типа
Мостовой разливочный кран разливочного пролета	Транспортировка сталеразливочного ковша	Транспортировка сталеразливочного ковша (со сталевоза) на разливочный стенд и обратно
Мартеновская печь	Выплавка стали	Выплавка стали из металлической шихты
Трайб-аппараты	Порционное дозирование легирующих	Оборудование для обработки металла в сталеразливочном ковше и в составе агрегата "печь-ковш"
Сталевоз	Перемещение сталеразливочного ковша	Перемещение сталеразливочного ковша из печного в разливочный пролет
Сталеразливочный ковш	Прием и перемещение выплавленной стали	Цилиндрическая емкость, футерованная огнеупорными материалами для приема жидкой стали
Стенд сушки и разогрева футеровки сталеразливочных ковшей вертикальный	Сушка и разогрев футеровки стальковшей после ее сборки	Стенд с крышкой, в которой установлена газовоздушная или газокислородная горелка. Ковш на стенде стоит вертикально.
Стенд сушки и разогрева футеровки сталеразливочных ковшей горизонтальный	Разогрев футеровки стальковшей во время эксплуатации	Подвижная тележка, которая со стальковшом подъезжает к крышке. В крышке установлена газовоздушная или газокислородная горелка. Ковш на тележке лежит горизонтально.
Шлаковая чаша	Прием и транспортировка шлака	Чугунная емкость объемом до 16 м 3
Агрегат "ковш-печь"	Внепечная обработка жидкой стали	Стационарный стенд с системой электродов и бункеров с сыпучими материалами для обработки стали
МНЛЗ	Разливка жидкой стали	Комплекс оборудования, включающий подъемно-поворотный стенд, промежуточный ковш, кристаллизатор, зону вторичного охлаждения, тянуще-правильный агрегат, резаки, рольганг

Рисунок 2.64 - Схема технологических процессов выплавки стали в мартеновской печи и образующиеся эмиссии в окружающую среду

Основное природоохранное оборудование

Для снижения негативного воздействия на окружающую среду процесса производства стали в мартеновских печах на технологических участках и в отделениях устанавливается природоохранное оборудование:

- газоочистное и аспирационное оборудование, обеспечивающее необходимый уровень очистки технологических газов и аспирационного воздуха от содержащихся в них загрязняющих веществ перед отводом газов или воздуха в атмосферу;

- водоочистные сооружения, обеспечивающие очистку загрязнённых промышленных сточных вод.

Назначение, описание, технологические характеристики природоохранного оборудования, используемого при производстве стали в мартеновских печах, приведены в таблице 2.29.

Таблица 2.29 - Назначение и описание природоохранного оборудования, используемого при производстве стали в мартеновских печах

Наименование оборудования	Назначение оборудования	Существенные характеристики природоохранного оборудования
Шлаковики	Улавливание пыли и частиц шлака дымовых газов мартеновской печи	Эффективность очистки - до 80-90 %.
Циклоны (горизонтальные и вертикальные)	Улавливание пыли и обеспыливание	Используются, как правило, в комплексе с рукавным фильтром с функцией искрогасителя
Тканевые (рукавные) фильтры	Очистка от пыли отходящих технологических газов (дымов); очистка от пыли аспирационного воздуха	Эффективность очистки от тонкой пыли - до 99,5 %, остаточная запыленность - до 10 мг/м 3
Скрубберы мокрые	Улавливание пыли отходящих технологических газов (дымов)	Тип - скрубберы оросительные, скрубберы с трубой Вентури. Остаточная запыленность - от 40 до 80 мг/нм 3
Электрофильтры	Улавливание пыли отходящих технологических газов (дымов)	Эффективность очистки - 95-99 %. Остаточная запыленность - 30-50 мг/нм 3
Водоочистные сооружения	Обработка воды, используемой для охлаждения технологического оборудования печи и МНЛЗ; очистка воды мокрых систем газоочисток; отведение образующихся на пылегазоочистках шламов	Комплекс оборудования с градирнями и прудами-охладителями; комплекс оборудования, включающий отстойники, осветлители и фильтры, устройства для химической обработки воды, обработки осадка

2.6.3 Материальные потоки, виды эмиссий, их образование и улавливание

По всей технологической цепочке производства стали в мартеновской печи в местах выгрузки сыпучих шихтовых компонентов, выплавки, внепечной обработки и разливки стали, охлаждения и переработки шлака имеют место организованные и неорганизованные выбросы (эмиссии) загрязняющих веществ в виде пыли, газов, а также образование отходов (рисунок 2.64).

Материальные потоки, характерные основные эмиссии по стадиям технологического процесса при производстве стали в мартеновской печи представлены в таблице 2.30.

Таблица 2.30 - Перечень материальных потоков и эмиссий

Входной поток	Этап процесса (подпроцесс)	Выходной поток	Основное технологическое оборудование	Эмиссии
Шихтовые компоненты плавки стали в мартеновской печи	Подготовка твердой металлической шихты	Твердая металлическая шихта (чугун, лом, скрап, стружка)	Мульды	Взвешенные вещества состава: Al 2O 3, FeO, Fe 2O 3, CaO, SiO 2, MgO, MnO, ZnO, шум
	Подготовка сыпучих компонентов шихты, загрузка в бункера	Сыпучие (известняк, доломит, окатыши, ферросплавы, легирующие)	Бункера	Взвешенные вещества состава: Al 2O 3, FeO, Fe 2O 3, CaO, SiO 2, MgO, MnO, СaCO 3, MgCO 3
	Сушка легирующих компонентов и ферросплавов	Легирующие компоненты и ферросплавы	Сушильный барабан, печь	Взвешенные вещества состава: Al 2O 3, FeO, Fe 2O 3, CaO, SiO 2, MgO, MnO; газовые компоненты: СO, NO x, SO 2
Твердая металлическая шихта, шлакообразующие	Завалка твердой металлической шихты в мартеновскую печь	Твердая шихта в печи	Мульды	Взвешенные вещества состава: Al 2O 3, FeO, Fe 2O 3, CaO, SiO 2, MgO, MnO; газовые компоненты СО, SO 2, NO x; шум
Печь с загруженной металлошихтой и шлакообразующими	Выплавка стали	Расплав, газообразные продукты плавки СО, СО 2, пыль, жидкий шлак	Мартеновская печь с системой газомазутных горелок, регенераторами и газоотводящим трактом	Взвешенные вещества состава: Al 2O 3, FeO, Fe 2O 3, CaO, SiO 2, MgO, MnO, ZnO; газовые компоненты: NO 2, NO, SO 2, CO, CO 2, сажа; тепловое излучение, шум, вибрация
Расплав	Окончание плавки, выпуск расплава в сталеразливочный ковш. Раскисление, присадка ферросплавов и других добавочных материалов	Расплав в сталеразливочном ковше	Мартеновская печь, сталеразливочный ковш	Взвешенные вещества состава: Al 2O 3, FeO, Fe 2O 3, CaO, SiO 2, MgO, MnO, ZnO; Газовые компоненты: NO 2, NO, SO 2, CO, CO 2, тепловое излучение, шум
Расплав в сталеразливочном ковше	Внепечная обработка жидкой стали (агрегат "ковш-печь"). Раскисление, присадка ферросплавов и других добавочных материалов	Сталь в ковше заданного химического состава	Агрегат "ковш-печь"	Взвешенные вещества состава: Al 2O 3, FeO, Fe 2O 3, CaO, SiO 2, MgO, MnO, ZnO; газовые компоненты: NO 2, NO, SO 2, CO, CO 2; тепловое излучение, шум, вибрация, электромагнитное загрязнение
Сталь в ковше заданного химического состава	Разливка стали на МНЛЗ	Непрерывнолитые заготовки требуемого химического состава и заданного размера	МНЛЗ, резаки	Взвешенные вещества состава: Al 2O 3, FeO, Fe 2O 3, CaO, SiO 2, MgO, MnO; тепловое излучение, шум, вибрация
Непрерывнолитые заготовки требуемого химического состава и типоразмера	Обработка непрерывнолитых заготовок	Непрерывнолитые заготовки, годные к отгрузке	Оборудование для обработки заготовок	Тепловое излучение, шум, выделения от огневой зачистки (если применимо)
Сталеплавильные шлаки	Охлаждение и переработка сталеплавильных шлаков	Переработанные шлаки	Оборудование для переработки шлаков (дробление, магнитная сепарация, фракционирование)	Взвешенные вещества состава: Al 2O 3, FeO, Fe 2O 3, CaO, SiO 2, MgO, MnO; тепловое излучение, шум
Стенды сушки и разогрева сталеразливочных ковшей	Нагрев футеровки стальковша	Стальковш готовый к работе	Стенд сушки футеровки стальковша; Стенд сушки и разогрева футеровки стальковша с системой дожигания	Фенолы (в отсутствие комплекса дожигания выделяющихся продуктов); газовые компоненты: NO, NO 2, CO, CO 2 (при дожигании выделяющихся продуктов)

2.6.4 Факторы негативного воздействия на окружающую среду

Выбросы в атмосферу

При производстве стали в мартеновских печах в различных технологических операциях имеют место неорганизованные и организованные выбросы в атмосферу загрязняющих веществ с твёрдыми компонентами (взвешенные вещества) состава: Al ₂O ₃, FeO, Fe ₂O ₃, CaO, SiO ₂, MgO, MnO, ZnO; и газообразными компонентами - NO ₂, NO, SO ₂, CO, CO ₂.

В газах, выходящих из рабочего пространства мартеновской печи, содержится пыли 20-4,5 г/м ³ (при продувке ванны кислородом количество пыли возрастает почти в десять раз).

Эвакуация и оседание пыли из отходящих от мартеновской печи дымовых газов (по существу - очистка от пыли) осуществляется в совокупности устройств самой печи: регенераторах, шлаковиках, котле-утилизаторе (при наличии), борове.

В шлаковиках оседает 50-75 % плавильной грубодисперсной пыли, более мелкие фракции при отсутствии очистного аппарата уносятся в трубу; 10-25 % пыли оседает в насадках регенераторов. В шлаковиках должна умещаться вся плавильная пыль, удаляющаяся из печи.

Современные мартеновские печи оснащаются очистными устройствами с использованием, как правило, электрофильтров. Дополнительные агрегаты ковшовой металлургии, введенные в эксплуатацию сравнительно недавно, оборудованы совершенными очистными устройствами (комплекс "циклон (искрогаситель) - рукавный фильтр или рукавный фильтр").

Неорганизованные выбросы возникают при транспортировке, выгрузке сыпучих материалов плавки, при дроблении и сепарации шлака, выбросов от агрегатов в технологических процессах при отсутствии или недостаточной герметичности укрытий. Поэтому для сокращения неорганизованных выбросов столь эффективны меры по герметизации печи и газоотводящего тракта. Для управления эмиссиями из мартеновской печи применима регулировка давления в рабочем пространстве печи (нагрузкой на дымосос).

Сточные воды

Ряд элементов печи, контактирующий с нагретыми средами (горячими газами), нуждается в непрерывном охлаждении.

Современные большие мартеновские печи требуют для охлаждения более 400 м ³ воды/ч. Для уменьшения расхода воды водяное охлаждение ряда элементов печи заменяют испарительным. Если применять не техническую, а химически очищенную воду, то можно, не боясь выпадения осадка (накипи), нагревать её до 100 °С и выше. Таким образом, расход воды можно сократить почти в 30 раз, кроме того, на больших печах получают при этом некоторое количество пара (до 10 т/ч), который может быть использован для отопления и горячего водоснабжения.

Существует также так называемое "горячее" охлаждение печей. Система горячего охлаждения технологически мало отличается от обычного способа охлаждения обычной производственной водой. Через охлаждаемые элементы печи вместо обычной производственной воды с температурой 15-30 °С пропускают химически очищенную теплофикационную воду из оборотной теплофикационной сети с температурой 50-80 °С, которая, пройдя охлаждаемые элементы печи и подогревшись в них на 20-30 °С, возвращается обратно в теплофикационную сеть, где передаёт полученное тепло потребителю.

Загрязненые сточные воды образуются при очистке газов в мокрых системах газоочистки, и как правило, функционируют в локальных оборотных циклах.

В настоящее время доля оборотного водоснабжения в мартеновских цехах составляет 70-85 %, в том числе значительная часть ливневых стоков с площадки завода используется в цикле оборотного водоснабжения.

Отходы и побочные продукты

В процессе производства стали в мартеновских печах образуются следующие виды отходов и побочных продуктов: пыль сухих газоочисток с различных участков, просыпь шихтовых и заправочных материалов, шламы мокрых газоочисток, отходы электродов (от ковша-печи), скрап, отходы футеровок печи и ковшей, сталеплавильный шлак.

Отходы производства, как правило, применяются в хозяйственном обороте.

Современные мартеновские цехи располагают комплексами по переработке сталеплавильных шлаков, включая дробление, отделение металла, сортировку по фракциям и отгрузку потребителям (используется для отсыпки дорог). Металл возвращается в сталеплавильный агрегат, что повышает выход годной стали.

В целях снижения образования отходов футеровки внедряются новые технологии кладки регенераторов мартеновской печи и состав огнеупорного кирпича: применение высокоглинозёмистого кирпича с низким (менее 1,5 %) содержанием Fe ₂O ₃ и температурой начала размягчения более 1500 °С в верхних 20-ти рядах насадки мартеновской печи позволило увеличить срок службы насадки с 230 до 450 плавок.

2.7 Производство ферросплавов

Ферросплавы - это сплавы железа с кремнием, марганцем, хромом, вольфрамом и другими элементами, применяемые в производстве стали для улучшения ее свойств и легирования [71-76]. Ферросплавы, содержащие более трех ведущих элементов (металлов), называют комплексными сплавами или лигатурами.

Кроме лигатур, различают ферросплавы - модификаторы, которые отличаются от лигатур назначением. Модификаторы обладают свойством модифицировать (видоизменять) структуру обработанного ими металла или сплава (например, измельчать зерно стали или сплава и т.п.).

2.7.1 Общие сведения о процессах производства ферросплавов

Ферросплавы получают восстановлением оксидов соответствующих металлов. Для получения любого сплава необходимо выбрать подходящий восстановитель и создать условия, обеспечивающие высокое извлечение ценного (ведущего) элемента из перерабатываемого сырья.

Восстановителем может служить элемент, обладающий более высоким химическим сродством к кислороду, чем элемент, который необходимо восстановить из оксида, т.е. восстановителем может быть элемент, образующий химически более прочный оксид, чем восстанавливаемый элемент.

Процессы, в которых ферросплавы получают за счет восстановления одного металла другим, называются металлотермическими [71].

Для производства ферросплавов с минимальным содержанием углерода применяют или силикотермический процесс (восстановителем является кремний), или алюмотермический процесс (восстановителем является алюминий), или комбинированный алюмосиликотермический процесс.

При силикотермическом способе применяются рафинировочные печи небольшой мощности. Алюмотермический процесс осуществляют в плавильных горнах (внепечной процесс).

Процессы, в которых ферросплавы получают за счет восстановления металла из оксида углеродом, называются углетермическими (углеродотермическими, углевосстановительными, карботермическими).

Выделяют следующие основные способы производства ферросплавов, существующие в настоящее время:

- электротермический: подвод энергии для протекания восстановительных реакций производится за счет электроэнергии - рудотермические и рафинировочные печи;

- металлотермический: подвод энергии производится за счет тепла от окисления металла-восстановителя - горны, электроплавильные горны;

- доменный: подвод энергии производится за счет тепла от сжигания углерода кокса кислородом воздуха - доменные печи, вагранки;

- электролитический - способ на основе электролиза растворов (расплавов), содержащих какой-либо ведущий металл, в электролитических ваннах; используется для получения ферросплавов в металлическом виде высокой чистоты (в отличие от огневых металлических ферросплавов с большим содержанием примесей, получаемых в электродуговых печах).

Выделяют группы больших и малых ферросплавов.

Группа больших ферросплавов (крупнотоннажные сплавы) - это ферросплавы, потребление и, соответственно, производство которых измеряется от десятков тысяч до сотен тысяч (миллионов) тонн в год. К числу больших ферросплавов относятся высокоуглеродистые ферромарганец и феррохром, силикомарганец и силикохром, а также ферросилиций и кремний кристаллический, получаемые углеродовосстановительным способом в руднотермических или доменных печах (доменный ферромарганец). Их доля от общего объема производимых в мире ферросплавов превышает 90 %.

Группа малых ферросплавов (малотоннажные ферросплавы) - это ферросплавы, потребление и, соответственно, производство которых измеряется от нескольких тонн до тысяч тонн в год. Ферросплавы малой группы (сплавы с W, Mo, Ti, Zr, Nb, V, В, редкоземельные металлы (РЗМ) и щелочно-земельные металлы (ЩЗМ)) получают, как правило, металлотермическими способами.

Количество видов и марок производимых ферросплавов достигает нескольких десятков. В таблице 2.31 приведен перечень основных видов ферросплавов [71-76].

Таблица 2.31 - Основные виды ферросплавов, их назначение и способ получения

Наименование сплава	Назначение	Восстановитель	Способ получения
Крупнотоннажные ферросплавы
Марганец и его сплавы
Углеродистый ферромарганец (Mn не менее 75 %, С < 7 %)	Раскисление и легирование стали	Углерод	Плавка в доменной или в руднотермической электропечи
Среднеуглеродистый ферромарганец (Mn не менее 85 %, С < 1,5 %)	Раскисление и легирование стали	Кремний	Плавка в рафинировочной электропечи
Малоуглеродистый ферромарганец (Mn не менее 85 %, C < 0,05 %)	Раскисление и легирование стали	Кремний	Плавка в рафинировочной электропечи
Металлический марганец (95-98 % Mn, 0,2 % C)	Легирование стали и изготовление сплавов в цветной металлургии	Кремний	Плавка в дуговой электропечи, электролиз
Ферросиликомарганец (Mn не менее 60 %, в товарном силикомарганце Si до 25,9 %, в передельном не менее 26,0 %)	Раскисление стали и восстановление оксидов в силикотермических процессах	Углерод	Плавка в руднотермической электропечи
Кремний и его сплавы
Бедный ферросилиций (содержание кремния 9-29 %)	Раскисление и легирование стали	Углерод	Плавка в доменной или в руднотермической электропечи
Богатый ферросилиций (содержание кремния 45, 65, 75 и 90 %)	Раскисление и легирование стали	Углерод	Плавка в руднотермической электропечи
Кремний кристаллический (кремния до 98 %)	Легирование стали и изготовление сплавов в цветной металлургии	Углерод	Плавка в руднотермической электропечи
Хром и его сплавы
Углеродистый феррохром (Cr не менее 65 %, 6,5-8 % С)	Легирование стали	Углерод	Плавка в руднотермической электропечи
Среднеуглеродистый феррохром (Cr не менее 65 %, 1-2 % С)	Легирование стали	Кремний	Плавка в рафинировочной электропечи и конвертере
Малоуглеродистый феррохром (Cr не менее 65 %, 0,1-0,5 % С)	Легирование стали	Кремний	Плавка в рафинировочной электропечи и конвертере
Безуглеродистый феррохром (Cr не менее 68 %, 0,01-0,06 % C)	Легирование стали	Кремний и алюминий	Плавка в рафинировочной электропечи, конвертере и горне
Металлический хром (Cr не менее 97,5 %)	Легирование стали и изготовление сплавов в цветной металлургии	Кремний и алюминий	Плавка в горне и электролиз
Азотированный феррохром (Cr не менее 60 %, C не более 0,6 %, 0,9-6,0 % N)	Легирование стали	Кремний	Плавка в рафинировочной электропечи с последующей обработкой в атмосфере азота
Ферросиликохром (Si не менее 30-50 %, 20-30 % Cr)	Восстановление оксидов в силикотермических процессах и раскисление стали	Углерод	Плавка в руднотермической электропечи
Малотоннажные ферросплавы
Ферровольфрам (W не менее 65 %, C не более 0,8 %)	Легирование стали	Углерод, кремний и алюминий	Плавка в электродуговой печи и горне
Ферромолибден (Мо не менее 55 %, C < 0,20 %)	Легирование стали	Кремний и алюминий	Плавка в горне
Феррованадий (V не менее 35 %, C < 1,0 %)	Легирование стали	Кремний и алюминий	Плавка в электропечи, горне
Ферротитан (Ti не менее 25 %, C < 0,20 %)	Легирование стали	Алюминий	Плавка в горне
Феррониобий (Nb + Ta не менее 50 %)	Легирование стали	Алюминий	Плавка в горне
Ферросиликоцирконий (Zr не менее 40 %)	Раскисление и легирование стали	Алюминий	Плавка в горне
Ферроалюмоцирконий (Zr не менее 15-18 %)	Раскисление и легирование стали	Алюминий	Плавка в горне
Ферробор (5-12 % В)	Легирование стали и сплавов	Алюминий	Плавка в горне
Ферроборал (B до 4 %)	Легирование стали и сплавов	Алюминий	Плавка в горне
Силикокальций (Са - 30 %, Si 60 %)	Раскисление стали	Углерод	Плавка в руднотермической электропечи
Ферросиликокальций (Са 17 %, Si - 60 %, Fe 20 %)	Раскисление стали	Кремний	Плавка в электродуговой печи
Силикоалюминий (Al - 25 %, Si 75 %)	Раскисление стали	Кремний	Плавка в электродуговой печи

2.7.2 Производство ферросплавов в доменных печах

Ферросплавы (ферромарганец и ферросилиций), необходимые для раскисления и легирования стали, первоначально выплавляли в доменных печах, где топливом и восстановителем был кокс. Удельный расход кокса на их выплавку был значительно больше, чем на обычный чугун, так как на восстановление марганца и кремния требуется больше затрат энергии и более высокая температура ведения плавки.

С появлением электродуговых печей и развитием технологии электроплавки большинство ферросплавов начали выплавлять электропечным способом, где тепло подводилось электроэнергией, а углетермическое восстановление осуществлялось коксом. Например, на выплавку доменного ферромарганца расходовалось 1800 кг/т кокса, а электропечного - 550 кг/т [71, 77].

В доменных печах выплавляли высокоуглеродистый ферромарганец (70-75 % Mn), зеркальный чугун (15-25 % Mn), ферросилиций (9-18 % Si), феррофосфор (14-18 % P), ферроманганофосфор (ФМнФ1-60 % Mn и более 10 % P, ФМнФ5 с 30 % Mn и более 14 % P), а также доменный углеродистый феррохром с содержанием хрома до 40 %. Выбор способа плавки ферросплавов в большой степени определяется стоимостью электроэнергии и кокса. В связи с этим при определенных рыночных условиях вполне целесообразна выплавка в доменной печи ферросилиция марки ФС17 (17 % Si), силикомарганца CMn 10-17 (10-20 % Si и 65 % Mn), а также углеродистого феррохрома с содержанием хрома до 40-45 %.

Современное доменное производство имеет температуру горячего дутья до 1100-1350 °C. Нагрев дутья на каждые 100 °C экономит 95-125 кг кокса и 10 кг марганца. Переход на работу с обогащением дутья кислородом увеличит температуру в горне печи и создаст более благоприятные условия для восстановления марганца и кремния, снизит расход кокса.

В настоящее время при сложившихся ценах на кокс и электроэнергию высокоуглеродистый ферромарганец в электродуговых печах в России не производится [78]. Его выплавляют в доменных печах с расходом кокса 1500-1800 кг/т в зависимости от содержания марганца в руде.

Доменные ферросплавы, применяемые в качестве раскислителей при производстве стали, должны отвечать следующим требованиям (см. таблицу 2.32).

Таблица 2.32 - Химический состав доменных ферросплавов

Марка ферросплава	Массовая доля, %
	кремния	марганца	фосфора	серы
			не более
1	2	3	4	5
Ферросилиций доменный (ГОСТ 51630-49)
СИ15	13,10 и более	Не более 3,0	0,20	0,04
СИ10	9,0-13,0	То же	0,20	0,04
Чугун зеркальный (ТУ 14-15-72-78, с изменениями от 01.11.1984)
Зч1	Не более 2,0	10,0-12,0	0,18	0,03
Зч2	То же	12,1-14,0	0,18	0,03
Зч3	То же	14,1-16,0	0,18	0,03
Зч4	То же	16,1-18,0	0,20	0,03
Зч5	То же	18,1-20,0	0,22	0,03
Зч6	То же	20,1-22,0	0,22	0,03
Зч7	То же	22,1-24,0	0,22	0,03
Зч8	То же	24,1-25,0	0,22	0,03
Ферромарганец доменный (ТУ 14-5-80-77, с изменениями от 01.10.1985) *
Группа А
Мн5	Не более 1,8	75,1 и более	0,35	0,02
Мн6	То же	70,0-75,0	0,35	0,02
Мн7	Не более 0,9	70,0 и более	0,35	0,02
Группа Б
Мн5	Не более 1,8	75,1 и более	0,50	0,02
Мн6	То же	70,0-75,0	0,50	0,02
Мн7	Не более 0,9	70,0 и более	0,50	0,02

В России длительные годы в доменной печи успешно выплавляли хромоникелевый чугун с содержанием никеля до 1,0 %. В настоящее время в Китае из бедных никелевых руд в доменных печах массово выплавляют ферроникель с содержанием никеля 2-4 %, который применяют для выплавки нержавеющих марок стали. Никель в таком сплаве значительно дешевле никеля, полученного по обычной технологии.

Производительность одной доменной печи объёмом 1000 м ³ при выплавке углеродистого ферромарганца равна производительности трёх электропечей мощностью 27 МВА [77].

Общая характеристика технологической схемы производства доменного ферромарганца

Производство ферромарганца в России было организовано в 1876 г. на доменной печи Нижне-Тагильского металлургического завода [79].

Доменная плавка ферромарганца аналогична технологии выплавки чугуна с некоторыми отличиями по свойствам сырья, условиям восстановления марганца в печи, ведению процесса плавки.

Для выплавки ферромарганца используют оксидные и карбонатные марганцевые руды и концентраты с 36-44 % Mn, кокс, флюсы - известняк и доломит, а также различные добавки [79, 80]. Нежелательные примеси в марганцевой руде - это фосфор, щелочные соединения R ₂O (Na ₂O и K ₂O). От качества руды по содержанию марганца и составу пустой породы зависят показатели плавки. В таблице 2.33 представлен химический состав оксидного и карбонатного концентратов марганцевой руды, а также Усинской карбонатной руды.

Таблица 2.33 - Химический состав оксидного и карбонатного концентратов марганцевой руды, карбонатной руды Усинского месторождения

Концентрат, руда	Массовое содержание, %
	Mn	SiO 2	CaO	MgO	AI 2O 3	Fe 2O 3	P	S	R 2O
Оксидный	44,07	13,2	2,14	4,4	2,06	2,51	0,19	0,073	1,07
Карбонатный	28,66	9,23	9,8	3,8	1,88	2,86	0,17	0,041	0,36
Усинская карбонатная руда	19,3	16,3	14,8			7,8

Технологическая схема производства доменного высокоуглеродистого ферромарганца с указанием вида и мест эмиссий может быть описана рисунком 2.26.

Полученный в доменной печи ферромарганец на литейном дворе обрабатывают двумя способами. По первому способу наливают в чугуновозный ковш и разливают на разливочной машине в чушки весом не более 18 кг.

Далее чушки ферромарганца дробят на щековой дробилке до размера кусков менее 100 мм. Образовавшуюся мелочь ферромарганца (фракция менее 10 мм) отсевают для последующей повторной утилизации.

По второму способу ферромарганец разливают непосредственно на литейном дворе в чугунные изложницы или в песчаные, на дно которых насыпают для утилизации отсеянную мелочь ферромарганца. Полученные большие слитки сплава после их остывания разбивают на более мелкие куски для последующего дробления в щековой дробилке и рассева на стандартные фракции.

Процессы при выплавке ферромарганца

При выплавке в доменной печи ферромарганца процессы восстановления и шлакообразования отличаются от процессов при выплавке чугуна из железорудного сырья. В марганцевой руде марганец находится в виде оксидов MnO ₂, Mn ₂O ₃, Mn ₃O ₄, MnO. Первые два оксида восстанавливаются в верхней части шахты печи при сравнительно невысоких температурах:

3MnO ₂ + 2CO = Mn ₃O ₄ + CO ₂;

Mn ₂O ₃ + CO = 2Mn ₃O ₄ + CO ₂.

Оксид Mn ₃O ₄ также восстанавливается при умеренных температурах до MnO, но реакция обратима. Оксид MnO восстанавливается только твердым углеродом при температурах свыше 1100 °C:

MnO + C = Mn + CO.

Практически металлический марганец образуется в горне печи при контакте высокомарганцовистого шлака с углеродом кокса, начиная с температуры 1200 °C, т.е. в нижней части распара, заплечиков и горне. Степень извлечения марганца из руды составляет 65-80 %. Остальная часть марганца в виде возгонов уносится из печи газами и в виде недовосстановленного MnO остаётся в шлаке. Степень извлечения марганца увеличивается при повышении температуры в горне печи. Этому может способствовать увеличение расхода кокса, повышение температуры дутья, обогащение дутья кислородом, а также подбор шлакового режима плавки.

Присутствие восстановленного железа ускоряет процесс восстановления марганца и снижает температуру, при которой он восстанавливается до карбида по реакции:

3MnO + 4Fe ₃C = Mn ₃C + 6Fe + 3CO.

Марганец образует с углеродом прочные карбиды. С увеличением содержания марганца в сплаве возрастает содержание углерода. В передельном чугуне с марганцем до 1,0 % углерода около 4,4-4,67 %, в зеркальном чугуне с марганцем до 25 % углерода 5,0-6,0 %, а в ферромарганце с 80 % Mn углерода около 7,0 %.

Показатели доменной плавки при выплавке ферросплавов

Ферромарганец

Ферромарганец выплавляют в доменных печах объёмом от 172 до 1033 м ³. Показатели работы доменной печи при выплавке чугуна и ферромарганца сильно отличаются из-за различного механизма восстановления железа и марганца (марганец из оксидов преимущественно восстанавливается углеродом кокса), поэтому расход кокса выше и производительность ниже, чем при выплавке чугуна.

Работу доменных печей при выплавке ферромарганца осложняет присутствие оксидов Na ₂O и K ₂O (щёлочи), содержащихся в марганцевой руде. При выплавке ферромарганца на 1 т сплава поступает с марганцевой рудой и коксом до 40-70 кг оксидов щелочей против 5-9 кг при выплавке литейного чугуна. Материальный баланс щелочей показал, что со шлаком ферромарганца уходит 9,9 %, с колошниковой уловленной пылью 15,5 %, со шламом 18,0 %, переходит в воду оборотного цикла газоочистки 53,6 %. Часть щелочей циркулирует в доменной печи, что оказывает разрушающее воздействие на кокс и вызывает его перерасход.

Показатели работы доменных печей, выплавляющих ферромарганец, зависят от качества проплавляемого рудного сырья, удельного выхода и состава шлака, использования кислорода, простоев печей [79, 80]. В таблице 2.34 представлен диапазон параметров основных показателей доменной плавки ферромарганца на сырых рудах и марганцевом агломерате. Простои печей связаны с очисткой газоотводящих трактов и пылеочистных устройств от отложений настылей и заменой сгоревших воздушных фурм.

Таблица 2.34 - Показатели производства ферромарганца в доменных печах

Параметры	Размерность	Значение показателя
		мин.	макс.
Полезный объём доменной печи	м 3	292	1033
Содержание марганца в шихте	%	40,1	49,0
Удельная производительность	т/	0,336	0,516
Удельный расход кокса	кг/т	1698	2057
Интенсивность плавки по коксу	кг/	603	999
Дутье: температура	°С	940	1161
содержание кислорода	%	21	28,3
Давление на колошнике	МПа	0,020	0,117
Расход материалов (диапазон параметров):	кг/т
окисленная руда Никопольская		2597	2615
карбонатная руда Никопольская		206	1022
концентрат Ушкатын-3		795	1780
агломерата Никопольского		1932	2652
Всего рудного сырья на 1 т сплава		1932	2936
Известняк		150	1080
Доломит		204	700
Металлодобавки		146	262
Вынос колошниковой пыли	кг/т	16	133
Состав сплава: кремний	%	1,58	2,25
марганец	%	70,40	72,66
фосфор	%	0,36	0,48
сера	%	0,01	0,02
Состав шлака: MnO	%	5,68	21,7
MgO	%	4,7	8,48
AI 2O 3	%	5,10	9,20
FeO	%	0,16	1,50
Основность CaO:SiO 2	ед.	1,04	1,42
Удельный выход шлака	кг/т	1110	1186
Степень извлечения марганца	%	69,5	81,7
Простои печей, календарное время	%	0,45	5,56

Применение дутья, обогащённого кислородом, сокращает удельный расход кокса с 2,08 до 1,79 т (на 14 %) [81, 82]. Теплотворность колошникового газа повышается с 1158 до 1500 ккал/м ³. Расход дутья уменьшается с 6100 до 3720 м ³/т. Экономия кокса происходит главным образом за счёт снижения температуры колошникового газа из-за более полного теплообмена в горне и нижней части шахты печи.

На степень извлечения марганца при выплавке ферромарганца большое влияние оказывает состав шлака - основность и содержание MgO. При высокой основности шлака по CaO/SiO ₂ до 1,3-1,4 имеет место лучшее восстановление марганца из шлака, однако возрастают его потери с возгонами из-за повышенной температуры конечного шлака в горне печи. Меньшие потери марганца с возгонами имеют место при работе на шлаках с основностью 1,0-1,2, положительно влияние содержание в шлаке MgO в пределах 6-10 %.

Феррофосфор

На доменной печи объемом 172 м ³ Староуткинского металлургического завода длительное время выплавляли феррофосфор и ферроманганофосфор, которые применялись при выплавке автоматных марок стали [98]. Феррофосфор выплавляли из фосфоритовой руды с добавлением железной стружки. При выплавке ферроманганофосфора вместо железной стружки использовали марганцевую руду. В сутки выплавляли 29,6 т ферроманганофосфора. На 1 т сплава расходовалось 4,04 т кокса, выход шлака составлял 2,47 т/т сплава. В сплаве содержалось, %: 55,51 Mn; 13,22 P; 1,75 C; 0,58 Si; 0,022 S. Состав шлака, %: 27,95 SiO ₂; 8,90 Al ₂O ₃; 43,2 CaO; 1,19 MgO; 16,70 MnO; 0,73 FeO; 0,86 P ₂O ₅. Состав колошниковой пыли, %: 18,56 C; 18,50 SiO ₂; 23,04 Al ₂O ₃; 15,73 H ₂O; 12,02 CaO; 1,35 MgO; 6,48 P ₂O ₅; 4,32 MnO.

В таблице 2.35 представлен материальный баланс плавки ферроманганофосфора на 1 т сплава.

Таблица 2.35 - Материальный баланс плавки ферроманганофосфора на 1 т сплава

Поступило в печь	т	Получено	т
Марганцевой руды	2,60	Сплава	1,00
Фосфоритовой руды	1,41	Шлака	2,47
Известняка	0,68	Газа	16,22
Стружки	0,15	Влаги	1,16
Кокса	4,04	Пыли	0,06
Дутья	12,9	Улет оксидов по разности	0,87
Всего	21,78	Всего	21,78

По результатам балансовых плавок феррофосфора степень извлечения марганца составила 59,75 % и фосфора - 89,50 %.

Ферросилиций

Марки выплавлявшегося в доменных печах ферросилиция приведены в таблице 2.32. Кремнезём является более прочным оксидом, чем MnO, и может восстанавливаться только углеродом в нижней части печи при температуре свыше 1500 °C. При наличии свежевосстановленного железа восстановление кремния в доменной печи начинается около 1400 °C. Восстановление кремния идёт с предварительным образованием его монооксида - SiO:

.

Кремний с железом образует силициды железа, например:

Fe + Si = FeSi.

Предельное содержание кремния в ферросилиции 33 %. Практически в доменных печах при температуре дутья около 700-1000 °С получали ферросилиций, содержащий 13-15 % SiO ₂. Степень восстановления оксида кремния, переходящего в металл, составляет не более 35-50 %. Около 15 % Si уносится газом в виде легко испаряющегося SiO, остальная часть в виде SiO ₂ переходит в шлак.

Для выплавки ферросилиция в доменной печи предпочтительно использовать бедную железную руду, а не агломерат, так как наличие в нём закиси железа даёт легкоплавкие холодные шлаки, которые охлаждают горн печи, где восстановление железа и кремния углеродом кокса происходит при пониженных температурах с большими затратами энергии.

Расход кокса при выплавке ферросилиция несколько ниже, чем при производстве доменного ферромарганца. Повышение температуры дутья и обогащение его кислородом благоприятны для улучшения показателей выплавки ферросилиция. Например, при увеличении содержания кислорода в дутье с 21 % до 26 % при выплавке ферросилиция на Челябинском металлургическом заводе выход газа уменьшился с 4300 до 3220 м ³ на 1 т ферросилиция, а температура колошникового газа - с 500-700 °C до 200-300 °C. Коэффициент полезного использования тепла в печи возрос с 0,67 до 0,75 [80].

В таблице 2.36 приведена характеристика шлаков доменного ферросилиция, выплавлявшегося на разных железных рудах на нескольких заводах.

Таблица 2.36 - Характеристика шлаков при выплавке доменного ферросилиция

N п/п	Химический состав, %				CaO/SiO 2	Темп. плавл., °С
	SiO 2	Al 2O 3	CaO	MgO
1	38,8	9,5	44,9	4,0	1,16	1350
2	39,4	9,06	41,4	5,7	1,05	1350
3	38,9	10,96	44,63	1,58	1,14	1350
4	38,4	10,3	45,6	1,71	1,16	1350
5	42,55	15,81	34,48	4,9	0,81	1350
6	45,26	16,40	31,30	4,29	0,79	1350

Феррохром

В доменной печи успешно выплавляется феррохром, поведение оксидов хрома в доменной печи аналогично оксидам марганца.

Степень извлечения хрома из руды составляет более 90 %. Выплавка феррохрома требует повышенного расхода кокса, высокого нагрева дутья и основных шлаков. Хром - карбидообразующий металл, поэтому в доменной печи получается высокоуглеродистый феррохром с содержанием углерода до 10-12 %. Несмотря на восстановление хрома в доменной печи, получить металл с содержанием хрома более 40-45 % затруднительно из-за увеличения вязкости расплава и трудности его выпуска из печи. В то же время полученный в доменной печи высокоуглеродистый феррохром с содержанием хрома 40-45 % будет иметь более низкую себестоимость в пересчёте на хром металлический по сравнению с электропечным.

Отвод доменного газа, его очистка и водопотребление

При выплавке ферросплавов колошниковые газы имеют высокую калорийность благодаря содержанию СО до 30-38 %. Для очистки колошникового газа, образующегося при выплавке ферросплавов, применяется та же совокупность пылеочистного оборудования доменной печи, что и при выплавке чугуна, с такими же показателями эффективности очистки (раздел 2.3).

Большую проблему для очистки колошникового газа представляют щелочи, в большом количестве содержащиеся в марганцевых рудах. Выносимая из печи марганцевая пыль совместно со щелочами образует камнеподобные отложения в газоотводах и газовом тракте на участках мокрой очистки вплоть до полного их закупоривания, что требует периодической остановки печи для очистки газоходов механическим способом.

Щелочи из доменной печи возгоняются в виде цианистых соединений калия, которые образуются по следующей схеме:

2С + N ₂ = (CN) ₂;

2K + (CN) ₂ = 2KCN.

Цианистые соединения, образующиеся в нижних частях шахты печи, возгоняются в верхние горизонты. При температуре колошника выше 300 °C они с колошниковым газом и пылью попадают в газоочистку.

Содержание аммиака в колошниковом газе составляет 1-2 г/м ³, в промывочных водах газоочистки при выходе из скруббера 300-500 мг/л, в оборотной воде 150-250 мг/л [79].

При выплавке ферросплавов применение сухой газоочистки устранит образование камнеподобных отложения в газопроводе, снизит простои доменных печей и улучшит показатели работы доменной печи. При установке ГУБТ за сухой газоочисткой на 20-25 % увеличивается выработка электроэнергии [83].

Сухая газоочистка доменного газа установлена на доменных печах N 1 и N 2 Косогорского металлургического завода.

Водопотребление

Режим водопотребления описан в разделе 2.3.

Основное технологическое и природоохранное оборудование

Назначение, описание, технологические характеристики основного и природоохранного оборудования, используемого при производстве доменных ферросплавов, аналогичны для производства чугуна и приведены в разделе 2.3.

Материальные потоки, виды эмиссий

По всей технологической цепочке производства ферросплавов в доменных печах в местах выгрузки сырья, складирования, хранения пылящих материалов на открытых площадках, дозирования компонентов шихты на различном оборудовании, работе уравнительных клапанов при загрузке печи, выпуске чугуна и шлака, транспортировки отходов производства и готовой продукции имеют место организованные и неорганизованные выбросы (эмиссии) загрязняющих веществ в виде пыли, газов, образования отходов, сточных вод.

Факторы негативного воздействия на окружающую среду

Факторы негативного воздействия на окружающую среду при производстве ферросплавов в доменных печах аналогичны таковым при выплавке чугуна в доменных печах и изложены в разделе 2.3.

2.7.3 Производство ферросплавов в руднотермических печах

2.7.3.1 Общий принцип плавки ферросплавов в руднотермических печах

Общий принцип восстановительной плавки в руднотермических печах заключается в восстановлении оксидов металлов, содержащихся в исходных рудах (концентратах, окатышах, брикетах и т.д.), углеродом, содержащимся в углеродистых восстановителях (кокс, антрацит, уголь, древесная щепа и т.д.).

В общем виде процесс восстановления оксидов углеродом описывается реакциями [71]:

2/yМе _xО _у + 2С = 2x/yMe + 2СО - Q _c,

2/y Ме _xО _у + (2 + 2 х/z) С = 2 x/yzMe _zC _y + 2СО - ,

где - тепло, затрачиваемое при восстановлении элемента из оксида углеродом;

- тепло, затрачиваемое при восстановлении элемента из оксида углеродом с образованием карбида.

Перемешанные компоненты шихты постоянно (порциями или непрерывно) загружают сверху в руднотермическую печь на колошник (верхний уровень шихты) ванны печи (ванна - емкость, в которой производится плавка ферросплава). Ванна печи до самого верха постоянно заполнена шихтой. В шихту погружают электроды, на концах которых постоянно горит электрическая дуга. Шихта находится со всех сторон электрода (плавка с закрытой дугой).

Температура дуги столь высока, что вокруг зоны горения дуги образуется пространство, заполненное только печными газами, - тигель, из которого вся шихта испаряется. Граница тигля определяется температурой испарения шихтовых материалов. За этой границей материалы шихты находятся сначала в жидком, а затем в полужидком и твердом виде.

Строение ванны рудотермической печи приведено на рисунке 2.65.

1 - электроды; 2 - угольная футеровка печи; 3 - зона максимального схода шихты; 4 - зона замедленного схода шихты; 5 - зона расплавления шихты или шлака; 6 - жидкий металл; 7 - зона скопления кокса; 8 - тонкая газовая прослойка (тигель); 9 - гарнисаж

Рисунок 2.65 - Схема расположения шихтовых материалов, шлака и металла в ванне руднотермической печи [73]

За счет тепла электрических дуг происходит непрерывный нагрев и плавление поступающих в зону горения дуги шихтовых материалов. Тепла оказывается достаточно для протекания процесса восстановления оксидов металлов углеродом. При этом углерод окисляется кислородом оксидов металлов и образует газообразный оксид углерода - СО, который через неплотности и поры смеси шихтовых материалов удаляется вверх, через слой непрерывно загружаемой шихты, в атмосферу.

Жидкий ферросплав в процессе плавки под собственной тяжестью собирается в нижней части ванны на подине печи. На этом уровне в боковой стенке печи просверливают отверстие, называемое "летка печи". Это отверстие - летку печи закрывают ("затыкают") материалом, который легко удаляется из канала летки. Вместе с тем этот материал не позволяет жидкому ферросплаву вытекать из ванны печи. Чаще всего для закрытия летки используют влажную огнеупорную глину или используют специально изготовленные леточные массы.

Периодически летку печи открывают путем расчистки леточного канала вручную, либо перфоратором, либо электропрожигом, либо прожигом кислородом. Жидкий ферросплав (металл) через этот канал самотеком вытекает из печи по леточному желобу в ковш. Происходит выпуск плавки (выпуск металла). Вместе с металлом из печи вытекает шлак, который образуется из невосстановленных оксидов шихтовых материалов.

Таким образом, плавка в руднотермической печи - это плавка с непрерывной загрузкой шихты и периодическим выпуском.

В некоторых случаях для обеспечения более высокого извлечения металла в ферросплав в состав шихты вводят добавки, регулирующие состав печного шлака, - флюсы. В этом случае количество шлака увеличивается, однако потери металла за счет меньшего перехода металла в шлак меньше. Если флюсы в шихту не добавляют, то плавка называется бесфлюсовой, если добавляют - флюсовой. Такие варианты процесса используют, например, для выплавки углеродистого ферромарганца.

Жидкий ферросплав разливают на разливочных машинах или в стационарные плоские чугунные изложницы. Застывшие слитки отправляют в склад готовой продукции, где металл дробят, фракционируют, упаковывают и отгружают потребителям.

Шлак вывозят на участок переработки шлака или шлакоотвал.

Общая блок-схема технологического процесса производства ферросплавов с образующимися эмиссиями приведена на рисунке 2.66.

В соответствии с представленной схемой производственный процесс в ферросплавном цехе включает три основные последовательные стадии:

- подготовку шихтовых материалов, включая дозирование;

- плавку подготовленной шихты в электропечах;

- разливку и разделку готового сплава.

Исходя из этого, ферросплавный цех включает в себя:

- склад шихтовых материалов (склад шихты) с отделением или корпусом подготовки шихты;

- корпус шихтовых бункеров;

- плавильный корпус;

- склад готовой продукции.

Рисунок 2.66 - Общая блок-схема технологического процесса производства ферросплавов с образующимися эмиссиями

2.7.3.2 Элементы конструкции руднотермических печей

В поперечном сечении большая часть ванн рудно-термических печей имеет круглую форму, а ряд мощных печей имеют прямоугольную форму (иногда - эллипсную форму) [72, 84, 85]. Высота ванн руднотермических печей сопоставима с диаметром (шириной) кожуха ванны, поэтому их называют низкошахтными в отличие от шахтных печей, например доменных, в которых высота печи составляет несколько ее диаметров.

Кожух печей выполняют из листовой стали толщиной 15-35 мм и усиливают снаружи вертикальными ребрами и горизонтальными поясами жесткости, днище кожуха выполняют плоским.

Ванна печи выкладывается внутри кожуха из огнеупорных материалов (огнеупорный кирпич (шамотный, магнезитовый, муллитокорундовый и т.д.), огнеупорные бетоны, асбест, углеродистые блоки и т.д.), которые составляют футеровку печи. Материалы, применяемые для футеровки печи, выбирают в зависимости от выплавляемого сплава. Так, для выплавки кремнистых сплавов и углеродистого ферромарганца рабочее пространство печи выкладывают из угольных блоков, для выплавки углеродистого феррохрома - из магнезитового кирпича. Верх стен выкладывают шамотным кирпичом.

В ванну печи вертикально сверху опущены электроды. Вниз электроды перемещаются под собственной тяжестью. Вверх электроды поднимают с помощью механизмов перемещения электродов. Схема самоспекающегося электрода приведена на рисунке 2.67 [84].

1 - кожух электрода; 2 - электродная масса; 3 - нажимное устройство; 4 - контактная шека; 5 - несущий цилиндр; 6 - ребра; 7 - труба подвода электрического тока и воды; 8 - нажимное кольцо; 9 - свод печи; 10 - шихта

Рисунок 2.67 - Самоспекающийся электрод

В руднотермических печах используются самоспекающиеся непрерывные электроды, изготовляемые непосредственно в процессе работы печи. Электроды состоят из железного кожуха, заполняемого специальной электродной массой, состоящей из термоантрацита, литейного кокса, каменноугольной смолы и пека.

Схема руднотермической печи представлена на рисунке 2.68 [85].

1 - короткая сеть; 2 - трансформатор; 3 - футеровка; 4 - кожух; 5 - механизм вращения; 6 - устройство для перепуска электродов; 7 - гидроподъемник; 8 - электрододержатель; 9 - свод; 10 - отверстия газоходов; 11 - стакан газосборника; 12 - наклонный газоход

Рисунок 2.68 - Схема руднотермической печи

Мощность трансформаторов руднотермических печей составляет от 10 до 115 МВА, вторичное напряжение - в пределах 130-250 В, сила тока в электроде на мощных печах достигает 100-110 кА.

Большая часть руднотермических печей - печи переменного тока. Их оборудуют тремя электродами, установленных по вершинам равностороннего треугольника (круглые печи), а печи большой мощности иногда имеют шесть электродов, установленных в линию (прямоугольные печи). Эти печи оборудуют одним трехфазным или тремя однофазными печными трансформаторами.

В руднотермических печах постоянного тока используется один электрод. В качестве второго электрода используют подовый электрод - электрод, установленный в подине печи, или вторым электродом служит токопроводящая подина специальной конструкции. Электропитание печи постоянного тока производится от источника питания, который преобразует переменный ток печного трансформатора в постоянный.

Подвод электрического тока от печных трансформаторов к электродам производится по медным водоохлаждаемым трубошинам.

В процессе плавки в руднотермической печи оборудование, которое находится в зоне воздействия высоких температур (все оборудование под зонтом печи и оборудование электроподвода), требует интенсивного охлаждения. Это охлаждение достигается за счет применения водооборотной системы. Из бассейна с холодной водой вода насосами под давлением подается на "горячие" элементы печи. Горячая вода свободно сбрасывается из элементов печи в приемные коллектора и далее самотеком собирается в бассейн горячей воды. Из этого бассейна горячая вода насосами подается на градирни для охлаждения. Охлажденная вода от градирен возвращается в бассейн с холодной водой и снова на охлаждение элементов печи.

Печные газы, выделяющиеся с колошника и от летки руднотермической печи, собирают различными способами и направляют на газоочистку. В зависимости от способа сбора печных газов, выделяют открытые, закрытые, герметичные и полузакрытые печи [72, 84, 85].

Открытые печи - это печи, оборудованные высоким зонтом (газовым колпаком) над колошником печи, крышу которого устанавливают выше токоподводов к электродам печи, а между нижней границей боковой части зонта и рабочей площадкой вокруг печи на уровне колошника оставляют свободное пространство. Это пространство (кольцевой зазор высотой около 2 м) используют для доступа к колошнику печи для его обслуживания. Газы из открытой печи вместе с частью окружающего воздуха, поступающего через кольцевой зазор, забирают из-под крыши зонта на газоочистку сухого типа (тканевые рукава). Однако часть печных газов из-за неравномерного хода печи выбивается из-под зонта в атмосферу цеха и окружающую среду.

Закрытые печи - это печи, колошник которых полностью закрыт водоохлаждаемым сводом. Секции (части) свода подвешивают к перекрытию над печью. Периферийная часть секций опирается на стены печи. В своде оставляют кольцевые отверстия для электродов. Зазор между электродами и сводом герметизируют за счет непрерывной подачи шихты вокруг электродов. Между верхним уровнем загруженной в печь шихты и сводом оставляют свободное пространство, из которого через специальные проемы в своде отбирают выделяющиеся печные газы на газоочистку мокрого типа (орошаемый скруббер Вентури).

Примерно 1/3 печных газов закрытых печей выделяется через шихту вокруг электродов и выбрасывается в атмосферу без газоочистки.

Герметичные печи - это печи, укрытые водоохлаждаемым сводом, герметизация электродных отверстий в котором производится за счет специальных уплотнений, а шихта загружается на колошник печи по труботечкам, проходящим через соответствующие отверстия в своде печи. В герметичных печах все выделяющиеся из печи газы собираются в подсводовом пространстве и удаляются на мокрую газоочистку. Уловленная пыль также в виде шлама отправляется в шламоотстойник.

Полузакрытые печи (печи с низким зонтом) отличаются от открытых печей тем, что кольцевой зазор между низом боковой поверхности зонта и рабочей площадкой укрывают щитами, дополнительно герметизируя зонт печи [84]. За счет этого повышается эффективность сбора печных газов на газоочистку и сокращаются выбросы неочищенного газа в атмосферу цеха.

Крыша зонта полузакрытых печей выполняется ниже уровня токоподвода к электродам. Это продлевает срок службы короткой сети печи неопределенно долго. Это же позволяет разместить печные трансформаторы максимально близко к электродам и максимально сократить электрические потери.

Полузакрытые печи имеют преимущество перед печами другого типа:

- перед открытыми печами - более высокая степень сбора печных газов на газоочистку, лучшие условия эксплуатации короткой сети;

- перед закрытыми и герметичными печами - сохраняется возможность обработки колошника печи для корректировки хода плавки, ниже расход электрической энергии из-за отсутствия потерь с индукцией на свод (3-5 %), используется газоочистка сухого типа - отсутствует необходимость строительства, имеется возможность отгрузки потребителям товарной пыли.

Подавляющая часть новых ферросплавных печей строится с полузакрытыми зонтами.

Подготовка шихтовых материалов

Подготовка шихтовых материалов к плавке решает следующие задачи [74, 84]:

- усреднение шихты;

- сушка шихты;

- подогрев и прокалка шихты;

- обеспечение газопроницаемости шихты.

Усреднение состава шихты достигается в результате операций разгрузки сырья в складе шихты, подачи материалов на подготовку, перегрузок шихты при транспортировке к печам и пересыпках при дозировании и подаче шихты в печь.

Сушка шихты. В практике работы руднотермических печей на территории России сушка шихтовых материалов не применяется. Как правило, влага из шихтовых материалов испаряется на колошнике печи за счет подогрева шихты выделяющимися печными газами.

Предварительный подогрев и прокалка шихты нашли применение в зарубежных заводах при выплавке ферро- и ферросиликохрома с целью экономии электрической энергии. На российских предприятиях не применяются.

Обеспечение газопроницаемости шихты. Из-за высокой интенсивности углеродовосстановительных реакций в руднотермических печах происходит постоянное образование газообразного оксида углерода, особенно в зоне тигля печи, под электродами. Для эвакуации образующегося оксида углерода необходима хорошая газопроницаемость шихты, которая обеспечивается загрузкой надлежащей фракции материала в печь (отсев мелочи и додрабливание кусков, превышающих допустимый размер).

Подготовка кусковых руд. Необходимая фракция рудной части шихты (марганцевые и хромовые руды, железная руда, агломерат и т.п.) для плавки - 10-100 мм, для кварцита - 20-120 мм. Однако при перегрузке руд в вагоны, перевозке, выгрузке руд на складах шихтовых материалов происходит повторное образование мелочи. Поэтому руды перед подачей в печь рассевают на 2-ситном грохоте на ситах с ячейками 10 x 10 мм и 100 x 100 мм.

Фракцию более 100 мм додрабливают на щековой дробилке и возвращают на отсев мелочи. В некоторых случаях, если доля фракции + 100 мм в руде невелика, отсев на сите 100 x 100 мм не производят.

Мелочь руд 0-10 мм направляют на окускование или агломерирование и возвращают на плавку. Мелочь кварцита 0-20 мм на плавку больше не возвращают - используют как флюс в других металлургических переделах, при строительстве дорог в качестве балласта, в цементном производстве в качестве кремнеземистой добавки и т.п.

Рудные концентраты после обогащения представляют собой пески крупностью менее 3 мм или тонкопомолотые концентраты крупностью менее 0,075 мм и менее. Поэтому непосредственно в плавке на руднотермической печи их использовать невозможно. Концентраты подвергают предварительному окускованию - агломерированию, окатыванию или брикетированию на соответствующих фабриках. Мелочь агломерата, окатышей, брикетов отсеивают в процессе производства. На ферросплавные заводы поступает готовое окускованное сырье, поэтому дополнительную подготовку этого сырья перед плавкой не производят.

Флюсы. Для флюсов используют фракцию 10-30 мм. Как правило, эту фракцию получают от поставщиков и используют для плавки в руднотермических печах без предварительной подготовки.

Подготовка восстановителя. Кокс необходим фракции 5-16 мм. Для этого кокс додрабливают на 4-валковой дробилке и рассевают на 2-ситном грохоте на ситах с ячейками 5 x 5 мм и 16 x 16 мм. Фракцию более 16 мм возвращают на додрабливание и рассев.

Подготовку каменного угля (антрацита) проводят на выделение целевой фракции 10-100 мм. Как правило, с угледобывающих предприятий поставляется уголь фракции 20-50 мм. В этом случае уголь и антрацит рассевают на односитном грохоте на сите с ячейками 8 x 8 (10 x 10) мм. Додрабливание не производят. Однако если поставляется уголь крупностью более 100 мм, то этот уголь направляют на додрабливание на 2-валковой дробилке и рассевают на односитном грохоте на сите с ячейками 8 x 8 (10 x 10) мм.

Фракцию угля 10-50 (10-100) мм подают на печь.

Нерудные железосодержащие материалы. К ним относятся стальная стружка, чугунная стружка, доменный присад. Крупность чугунной стружки и доменного присада не превышает 10 мм, поэтому это сырье не требует предварительной подготовки.

Длина витков стальной стружки не должна превышать 50 мм. В противном случае происходит зависание стружки в суточных бункерах и труботечках с прекращением поступления стружки в печь. Поэтому стружку подвергают предварительному измельчению на стружкодробильной машине и рассеву на барабанном сите.

Шихтовое хозяйство ферросплавного завода, оборудованного руднотермическими печами, состоит из:

- корпуса разгрузочного оборудования с вагоноопрокидывателями;

- открытого напольного или закрытого склада шихтовых материалов;

- корпуса подготовки шихтовых материалов;

- корпуса шихтовых бункеров;

- дозировочного отделения, которое может быть совмещенным либо с корпусом подготовки материалов, либо с корпусом шихтовых бункеров.

Поступающее на ферросплавный завод сырье складируется на складе шихтовых материалов.

Для хранения шихтовых материалов применяются три типа складов [74]:

- закрытый грейферный с железнодорожной колеей, расположенной посередине склада (см. рисунок 2.67, а);

ГАРАНТ:

По-видимому, в тексте предыдущего абзаца и далее по тексту допущена опечатка. Вместо слов "рисунок 2.67" следует читать "рисунок 2.69"

- закрытый бескрановый ангарного типа с конвейерной подачей (см. рисунок 2.67, б);

- открытый с конвейерной подачей сырых матер