Тема 4. Забруднення довкілля підприємствами металургійного комплексу.

Основні терміни теми: металургія, чавун, виробництво чавуну, вплив на довкілля, заходи по захисту атмосфери від викидів, зменшення викидів.

ІНФОРМАЦІЙНІ МАТЕРІАЛИ ТЕМИ

Забруднення довкілля підприємствами металургійного комплексу

Металургією називають тісно пов'язані між собою галузі науки і промисловості, пов'язані з первинним отриманням металів. Як наука вона вивчає теоретичні основи одержання металів, необхідні для ви­робництва, фізико-хімічні і технологічні умови, розробляє нові техно­логічні процеси. Як галузь промисловості металургія займається одер­жанням металів із руд та інших видів сировини, що містить метали.

Металургія є матеріальною основою для розвитку всіх без ви­нятку галузей народного господарства. Основною кінцевою метою металургійного виробництва є одержання металів з перероблюва­ної сировини у вільному металевому стані або у вигляді хімічної спо­луки. На практиці це вирішується за допомогою спеціальних тех­нологічних операцій і прийомів, що забезпечують відокремлення компонентів порожньої породи від цінних складових сировини. Ці операції і прийоми називаються металургійними процесами.

Виробництво чавуну

Чавун - високовуглецевий (2,14-6,67%, звичайно 3-4,5% С) не­ковкий сплав заліза з вуглецем, містить домішки марганцю (Мn, до 3%), кремнію (Si, до 4,5%), сірки (S, не більше 0,12%), фосфору (Р, до 2,5%). Має добрі ливарні якості, твердіє з утворенням евтектики.

Чавун - найважливіший первинний продукт чорної мета­лургії, використовується для переробки при виробництві сталі та як компонент шихти при вторинній плавці в чавунно-ливарному ви­робництві. Чавун вторинної плавки - один з основних конструкц­ійних матеріалів; використовується як ливарний сплав. Широкому використанню чавуну в машинобудуванні сприяють його міцність та добрі ливарні якості. В сучасному машинобудуванні на долю чавунних деталей припадає близько 75% від загальної маси заго­товок. Крім чавуну в доменній печі виплавляють феросплави, ферромарганець доменний 70-75% Мn і до 2% Si, його використовують для розкислення сталі.

Сірий чавун - найбільш поширений у використанні вид чаву­ну (машинобудування, сантехніка, будівельні конструкції) - має включення графіту пластинчастої форми. Його якості залежать від структури металевої основи, форми, розміру, кількості та характеру розподілу включень графіту. Велика конструкційна особливість сіро­го чавуну - більш високе, ніж у сталі, відношення границі текучості до границі міцності на розтягання.

Білий чавун являє собою сплав, у якому надлишковий вуглець знаходиться в зв'язаному стані у вигляді карбідів заліза Fe₃C (цементит) або спеціальних карбідів (у легованому чавуні), який внас­лідок низьких механічних якостей та крихкості має обмежене вико­ристання для деталей простої конфігурації, що працюють в умовах підвищеного абразивного зносу.

Половинчастий чавун містить частину вуглецю у вільному стані у вигляді графіту, а частину - у зв'язаному (карбіди). Використо­вується як фрикційний матеріал, що працює в умовах сухого тертя (гальмові колодки), а також для виготовлення деталей підвищеної зносостійкості (прокатні валки).

Ковкий чавун. Відливки білого чавуну підлягають графітизуючому випалу, внаслідок чого цемент розпадається, і графіт, що ут­ворюється, набирає форми пластівців. Ковкий чавун має кращу дем­пфіруючу здатність, ніж сталь, та меншу чутливість до надрізів, за­довільно працює при низьких температурах. Механічні якості виз­начаються структурою металевої основи (вона може бути феритною, феритно-перлітною, перлітною), кількістю та ступенем компактності включень графіту. Головним чином ковкий чавун використовуєть­ся в автомобіле-, тракторо- та сільгоспмашинобудуванні.

Високоміцний чавун характеризується кулеподібною формою включень графіту, отримують його шляхом модифікування рідкого чавуну присадками Mg, Ce, Y, Са та інших елементів. Має добрі ливарні та технологічні якості (рідинотекучість, лінійна усадка, об­робка різанням). Використовується для заміни стальних ливарних та ковких деталей, в машинобудуванні.

Вермікулярний чавун. Високоміцні чавуни, які мають включення так званого вермікулярного графіту, за якостями займають проміжне положення між чавуном з кулеподібним та чавуном з пластинчас­тим графітом. Він має добрі технологічні якості (невелика об'ємна усадка, висока теплопровідність). Використовується в дизелебуду­ванні та інших галузях машинобудування.

Леговані чавуни. Для покращення міцнісних, експлуатаційних характеристик або надання особливих якостей до складу чавуну вво­дять легуючі елементи (Ni, Cr, Cu, Al, Ті, W, V, Мо та ін.), також ними можуть бути Мn (вміст більше 2%) та Si (вміст більше 4%). Леговані чавуни класифікують відповідно до вмісту основних легуючих еле­ментів - хромисті, нікелеві, алюмінієві та ін.; за ступенем легування: низьколеговані (сумарна кількість легуючих елементів менш як 2,5%), середньолеговані (2,5-10%), високолеговані (більше 10%).

Одержання чавуну.

Одержання чавуну в доменній печі та переробка чавуну на сталь - основа металургії.

Металургійний цикл (шлях від залізної руди до готового мета­лу) починається з підготовки руди. Для одержання чавуну викори­стовують червоні, бурі та магнітні залізняки (оксиди) і залізний шпат (карбонат). Первинна підготовка має велике значення: чим ретель­ніше підготувати руду до доменної плавки, тим вища продук­тивність печі, нижчі витрати палива та вища якість чавуну, що виплавляється. Схема її складна і має такі принципові процеси: под­рібнення, магнітна сепарація, флотація, усереднення, окускування залізної сировини, отримання окатишів.

Основним паливом для доменних печей є кам'яновугільний кокс. Для зниження витрат та інтенсифікації виплавки чавуну в доменну піч вдувають природний газ, а також додають мазут та вугільний пил.

В усіх залізних рудах, а також в золі від коксу містяться крем­незем та глинозем у надлишкових кількостях, тому в шихту як флюс додають вапняк або доломіт, вони сприяють шлакуванню сірки - шкідливої домішки в чавуні.

Завантаження доменної печі коксом, рудою, флюсом (або кокс + окатиші) здійснюється окремими порціями - колошами.

Одержання чавуну можна описати загальною схемою: підго­товка руди - завантаження печі - доменний процес - чавун.

Кінцевими продуктами доменної плавки є чавун, шлак, що ви­пускається з печі у вогненно-рідкому стані, та доменний газ. Чавун - основний продукт виробництва, а шлак і доменний газ - побічні.

Мета доменного виробництва полягає в отриманні чавуну. Характеристики і класифікація чавуну описані вище.

Доменний шлак - другорядний продукт плавки, утворюється в доменній печі з флюсів, золи коксу, пустої породи руди та агломера­ту. Його кількість визначається багатством шихти та вмістом Fe і не­обхідної основності. Чим бідніша на Fe шихта, тим вища основність і більший вихід шлаку з печі. Звичайно при виплавленні переробного та ливарного (використовують у чавуноплавильних цехах для відливних чавунних виробів) чавунів вихід шлаку складає 0,3-0,6 т на 1 т чавуну. З гранульованого шлаку виготовляють шлакобетон, шлакову цеглу, при гранулюванні парою - шлакову вату для теп­лової ізоляції. Але це часткове використання. Більша частина шлаків є забруднювачами.

Доменний газ (колошниковий) - газ, що виходить з печі через її верхню частину - колошник. Він складається: CO (25-34%), Н₂ (1-3%), решта CH₄, CO₂, N₂. Після очистки від пилу використовується як паливо для підігріву насадок повітронагрівачів, сталевих зливків, коксових батарей, для опалення котлів та ін. Теплота згоряння 3500-4000 кДж/м³ (850-950 ккал/м³).

Ресурсозабезпечення. Паливо доменної печі є не лише джерелом тепла, але й реагентом, який забезпечує відновлення заліза з руди та утворення чавуну.

Основні вимоги до палива: висока теплотворна здатність, ма­лий вміст золи та вологи, чистота за вмістом шкідливих домішок, висока механічна міцність, пористість для забезпечення інтенсивно­го горіння. Воно повинно бути недефіцитним і недорогим.

Головними видами палива є кам'яновугільний кокс та при­родний газ. Окрім цього, потрібні флюси, вода, повітря, вогнетривкі та формувальні матеріали; особливе місце займають руди.

Кам'яновугільний кокс - калорійний, не розтріскується при на­гріванні, має високу пористість та реакційну здатність. Його отри­мують зі спеціального коксівного вугілля, з вмістом легких речовин 18-26%. При коксуванні відбувається вилучення легких речовин, а тверда маса спікається і утворює пористе паливо - кокс. Має теп­лоту згоряння 6500-7500 ккал/кг (27,2-31,4 МДж/кг) і містить 0,5-1,8% сірки та 6-16% золи. Побічним продуктом є коксовий газ. На

виплавку 1 т чавуну витрачається 550 кг коксу. При цьому вартість коксу складає 45-55% собівартості чавуну.

Природний газ - найбільш ефективне паливо, теплота згорян­ня 8000-12000 ккал/м³ (36,6-50,5 МДж/м³), вдування 60-100 м³ при­родного газу на 1 т чавуну зменшує витрати коксу на 10-15%, підви­щує відновлювальну здатність доменних газів, забезпечує більш високу продуктивність доменної печі.

Як паливо можна застосовувати ще і вугільний пил та мазут.

Повітря використовують для забезпечення горіння палива та отримання високих температур. Його нагрівають до 980-1200°С і вдувають в доменну піч; разом з повітрям часто подається до 32% кисню, який обумовлює підвищення температури та різко приско­рює плавку.

Вода є необхідним елементом в доменному виробництві. Її зас­тосовують для охолодження домен, при цьому витрачається 1 м³ за годину на 1 м³ корисного об'єму печі або 20-25 м³ на 1 т чавуну. Температура води в охолоджувальних пристроях підвищується в середньому на 5-8°С (в деяких зонах печі на 15-30°С); відпрацьова­на вода після охолодження в спеціальних басейнах або градирнях знов подається в охолоджувальну систему печі.

Основні вимоги до якості води доменного виробництва: рН 9,5-10,8; вміст завислих домішок до 2000 мг/л.

Вогнетривкі матеріали використовують у вигляді цегли для кладки доменних печей, порошків для наварки подів та відкосів металевої ванни печей, для протипригарного фарбування ливар­них форм, пробок для ківшиків, як будівельний матеріал, у фізико-хімічних процесах, які протікають в металургійних агрегатах.

Вогнетривкі матеріали повинні відзначатися вогнетривкістю, тобто опором пом'якшенню та деформації при високих температу­рах; будівельною міцністю, термостійкістю (стійкість проти розтріс­кування при частих та різких змінах температури), хімічною стійкістю, низьким коефіцієнтом термічного розширення.

За хімічним складом вогнетривкі матеріали поділяють на кислі, напівкислі, напівосновні, основні та нейтральні. Ці назви зумов­лені вмістом кислих або основних окисів у вогнеопорі.

Для доменних печей зі слабокислих вогнетривів використову­ють шамот. Його використовують для футеровки доменних печей, попередньо нагрівши до 1610-1750°С. А також нейтральні вуглецеві вогнетриви, які виготовляють з графіту та шамоту на глиняній зв'язці. Вогнетривкість їх перевищує 2000°С. Використовуються для кладки лещаді та для нижньої частини шахти доменних печей.

Формувальні матеріали - інші матеріали. Вони бувають основ­ними (піски та глини) і допоміжними. Піски і глини є гірськими породами і розрізняються між собою за вмістом так званих глинистих складових. Кварцеві піски містять до 2% глинистої складової, гли­нисті - 2-50%. Замість звичайних формувальних глин у суміші іноді використовують бентонітові глини, часточки яких мають велику здатність до набухання, вода проникає всередину їх, тому ці глини мають в два-три рази більшу сполучну здатність, ніж звичайні.

Формувальна суміш складається з кварцового піску, глини, води, протипригарних матеріалів. До допоміжних матеріалів відно­сяться зв'язувальні стержневі закріплювачі, протипригарні матері­али (кам'яне вугілля, мазут, графіт, фарби та ін.), які призначені для покриття форм та стержнів або як добавки до сумішей.

Руди

Залізні руди - гірські породи, які складаються з хімічних спо­лук заліза (Fе₂O₃; Fe₃O₄; 2Fe₂O₃*3H₂O; FeCO₃) та порожньої породи (піщаник, вапняк, доломіт).

Вимоги до руд: високий вміст заліза - 30-70%; добра відновлюваність; склад та стан шлаку, які забезпечують легкість її вида­лення у вигляді шлаку; задовільна кускуватість; низька вартість.

Найважливішими залізними рудами є:

• магнітний залізняк (магнетит) - магнітний окис заліза, містить 72,4% Fe у вигляді магнетиту (Fe₃O₄), в руді 55-60% Fe;

• червоний залізняк (гематит) - безводний окис заліза Fe₂O₃ (70% Fe), руда містить 58-60% Fe. Це найбільш розповсюджений вид руди в світі;

• бурий залізняк - водні окиси заліза, найчастіше 2Fе₂О₃, 3Н₂O (52-66% Fe), в руді 30-50% Fe;

• шпатовий залізняк (сидерит) - карбонат заліза FeCO₃ (48,3% Fe), в руді 30-45% Fe.

Залізисті кварцити - магнетит та гематит містять 35-40% Fe з кремнистою порожньою породою.

Крім цих руд, використовують комплексні руди:

• хроміти, які містять крім заліза 37,5% окису хрому;

• хромонікелеві залізні руди (1,5% хрому та 0,5% нікелю);

• титаномагнетити (0,4% ванадію та до 13% двоокису титану).

Також в доменній плавці використовують відходи металург­ійного виробництва: скрап, залізисті та марганцеві шлаки, спече­ний рудний пил, окалину, недогарки та інше.

Марганцеві руди використовують для введення марганцю в склад чавуну. Вони містять 25-50% Мn у вигляді окислів МnО₂, Мn₂O₃, Мn₃О₄.

Флюси використовують для оплавлення важкоплавкої порож­ньої породи руд та золи палива з утворенням низькоплавкого шла­ку спеціального складу, який легко витікає з доменної печі, а також для часткового видалення сірки в шлак. Оскільки найчастіше по­рожня порода руди має кислотний характер, у якості флюсів вико­ристовують основні матеріали - вапняк СаСО₃, доломіт СаСО₃*MgCO₃. Якщо склад породи має основний характер вико­ристовують кварц, піщаник та ін. Флюси не повинні містити значні кількості сірки та фосфору, не більше 2-4% кремнезему та глинозему, які збільшують витрати флюсів та кількість утвореного шлаку; вміст кальцію - не менше 50-52%. Флюси перед плавкою підлягають под­рібненню на шматки розміром 30-80 мм.

Витрати руди на 1 т чавуну, що виплавляється, змінюються в широких межах; вони залежать від вмісту заліза в руді та заміню­вачів руди в шихті, а також від виносу колошникового пилу, який при роботі на шматковій руді в міцному агломераті не перевищує іноді 30-50 кг на 1 т чавуну, а при роботі на пилуватій руді досягає 200-300 кг і більше.

Витрати флюсу змінюються від 0 при самоплавці шихти до 1 т на 1 т чавуну та більше при дуже бідній руді з кислою порожньою породою.

Витрати води. Для охолодження доменних печей витрачаєть­ся велика кількість води (приблизно 1 м³ за годину на 1 м³ корисно­го об'єму печі або 20-25 м³ на 1 т чавуну, що виплавляється). Тем­пература води в охолоджувальних приладах збільшується в серед­ньому на 5-8°С (в деяких зонах печі на 15-30°С).

Доменне виробництво має такі питомі витрати води (м³/т ча­вуну): всього - 60, в тому числі свіжої - 4,5, і це складає 25% від всього металургійного виробництва.

Характеристика впливу на довкілля

Спожиті ресурси доменного виробництва впливають на на­вколишнє середовище.

Чавуноплавильні агрегати є одним з основних джерел забруд­нення атмосфери. В ливарному виробництві повітря забруднюєть­ся, головним чином, пилом, окисом вуглецю та сірчаним ангідри­дом. Джерелами інтенсивного пилоутворення є обладнання: решіт­ки, барабани, дробилки, сита. Встановлено, що ливарний цех з річною програмою 100 тис. т литва, обладнаний пилоуловлювачами з ефективністю очистки 70-80%, викидає в навколишній повітря­ний басейн до 1000 т пилу щорічно.

При утворенні коксу побічним продуктом є коксовий газ, який потрібно попередньо очистити. Для кращого горіння палива в до­менну піч подається додаткове повітря, яке також потребує очищен­ня від шкідливих речовин перед випуском через нижню частину по­вітронагрівача в димар.

Доменний газ: 3,5-3,6% водню, 0,1-0,4% кисню, 0,1-0,6% мета­ну, 55% азоту, 25-32% оксиду вуглецю, 10-11% діоксиду вуглецю, значна кількість пилу. На кожну тонну чавуну утворюється при­близно 2000 м³ доменного газу. Він є добрим паливом після очистки від пилу, використовується в доменному цеху для опалення повітро­нагрівачів, тому основна кількість доменного газу не потрапляє в атмосферу.

Джерелом надходження пилу в навколишнє середовище є вен­тиляційні гази підбункерних приміщень доменних цехів. Ці гази містять 2-5 г/м³ пилу, для очистки від якого використовують елект­рофільтри; вони знижують вміст пилу в газах, що відкідаються, до 60-80 мг/м³. Викиди ливарного двору, які містять пил та гази (СO₂, SO₂), також очищуються в електрофільтрах, ефективність пилоуловлювання 93-95%.

Джерелами забрудненя стічних вод від доменного виробницт­ва є такі операції: очистка доменного газу, гідравлічне збирання осадженого пилу та просипи в підбункерному приміщенні, грану­ляція доменного шлаку та розливка чавуну.

Доменне виробництво скидає 17,5% від загальної кількості стічних вод металургійного виробництва [5].

Забруднені стічні води утворюються: на розливних машинах чавуну у кількості 350 м³/т, в газопроводах коксового та змішано­го газу - конденсат 20-40 л на 1000 м³ газу, грануляції доменного шлаку - 2 м³/т рідкого чавуну, гідроприбиранні пилу в підбункер­ному приміщенні - 300-360 м³/т чавуну.

При очистці 1000 м³ газу утворюється 4-6 м³ стічних вод, які містять пил (часточки руди, коксу, вапняку, агломерату), хімічні сполуки (сульфати, хлориди), розчинені гази.

Для охолодження доменної печі води потрібно до 4000 м³/год. Однак очистити таку кількість води від накипоутворювачів та вап­на практично неможливо.

Доменне виробництво утворює 1% брухту та відходів від усь­ого металургійного виробництва. Джерелами утворення брухту та відходів головних переробок доменного виробництва є випуск та розливка чавуну на канавах та в чавуновізних ковшах (залишки, брак). Розглянемо це за видами продукції:

• при виробництві чавуну - 7-10 кг/т;

• чавунного литва - 350 кг/т;

• відливка чавунних труб - 170-200 кг/т.

Шлак - забруднювач поверхневого шару літосфери - грунту. Деякі дані про промислові тверді відходи:

• чорний метал - до 87500 т/рік;

• шлак, окалина, зола - 40000 т/рік;

• шлами, флюси - 600 т/рік.

Виробництво сталі

Сталь є основним конструкційним матеріалом для машинобу­дування, промислового будівництва, транспортних засобів і т. ін. Швидкий розвиток промисловості і сільського господарства був би неможливий без задоволення потреб в сучасній машинній техніці і металевих матеріалах.

Внаслідок своєї розповсюдженості в природі та відносно малої вартості способів отримання заліза і його сплавів вони займають головне місце в народному господарстві [11].

Залізо в чистому вигляді в промисловості отримують і спожи­вають в незначній кількості. Основну масу заліза отримують і спо­живають у вигляді сплавів - сталі і чавуну, що називаються чорни­ми металами. Частка сталі в загальному споживанні чорних металів складає десь 90%, тобто сталь є основним видом металу, що вико­ристовується для створення сучасної техніки. Це пояснюється тим, що, по-перше, сталь є чудовим конструкційним матеріалом (має високу міцність і стійкість до зносу, добре зберігає форму в різних виробах, відносно легко піддається обробці тиском, зварюванню і т.ін.); по-друге, основний компонент сталі - залізо - є розповсюд­женим елементом в земній корі (займає друге місце після алюмінію), знаходиться у вигляді великих шарів залізовмісних мінералів, що називаються рудами. Залізо може бути відносно легко отримано з руд, в яких воно звичайно знаходиться у вигляді оксидів.

Сталь - це сплав заліза з вуглецем та іншими хімічними елемен­тами. В цьому сплаві залізо є основою (розчинником), а інші елемен­ти - домішками, розчиненими в залізі. Домішки можуть впливати на властивості сталі як позитивно, так і негативно, тому їх поділяють на корисні і шкідливі. Корисні домішки в основному впливають на вла­стивості кристалів (зерен), а шкідливі домішки погіршують міжкристалічні зв'язки. В сталях більшості марок корисною домішкою є вуг­лець. Такі сталі називають вуглецевими. Вміст вуглецю у вуглецевих егалях найчастіше становить 0,05-0,5%, але іноді може досягати 1,2% (теоретично до 2,14%). У вуглецевих сталях корисними домішками можуть бути марганець (0,3-0,6%) і кремній (0,15-0,3%). Вміст шкідли­вих домішок, якими звичайно є сірка, фосфор, кисень і азот, обмежу­ються сотими і тисячними долями відсотка.

Змінюючи вміст вуглецю в залізовуглецевому сплаві і піддаю­чи його різним видам термічної обробки, можна отримати сталі з різними механічними властивостями. Найбільш високоміцною стал­лю з dm = 3,5-4 ГПа (dm - тимчасова межа міцності) є високовуглецева (нелегована) сталь. Але вуглецеві сталі мають істотні недоліки: висока критична швидкість гартування (найменша швидкість охо­лодження, при якій утворюється мартенсит); погана прожарюваність (глибина проникнення гартування від охолоджуваної поверхні до центра); погана антикорозійна стійкість тощо.

Введення в сталь у певній кількості елементів, названих легу­ючими, дозволяє позбавити вказаних недоліків вуглецевої сталі, по­кращити її механічні властивості, а також отримувати ті чи інші особ­ливі фізико-хімічні властивості, яких вуглецева сталь не має. Таку сталь називають легованою. Вплив легуючих елементів на власти­вості сталі різноманітний, тому додаючи їх у певній кількості і спо­лученнях, можна отримати сталі з різними властивостями.

Фізико-хімічні властивості сталі, що визначають її якість, тобто ступінь відповідності для використання за призначенням або здатність задовольняти потреби споживачів, можна розділити на дві групи. До першої групи належать властивості, що визначають технологічність сталі, тобто здатність сталі підлягати тій чи іншій обробці (тиском, термохімічній і т.ін.) при отриманні готових виробів. До другої групи належать властивості, що визначають здатність сталі забезпечувати надійну і довготривалу придатність у готових виробах.

Поділ хімічних елементів, що є домішками сталі, на корисні і шкідливі, деякою мірою носить умовний характер. Так, в більшості марок сталі вуглець - корисна домішка, а в електротехнічних, ко­розійностійких сталях - шкідлива. Хром, нікель і деякі інші елементи покращують властивості багатьох легованих сталей, але для дея­ких сталей вони є шкідливими домішками. Сірка, фосфор і азот є для більшості сталей шкідливими домішками, а в деяких випадках їх використовують як легуючі елементи.

Металургія сталі як виробництво виникла приблизно 3,5 тис. років тому в районі Суецької затоки (Сирія, Єгипет). Шлях розвит­ку чорної металургії можна розділити на декілька етапів.

За використаною основною сировиною або технологічною схе­мою сталеплавильне виробництво має два основні етапи розвитку:

• Пряме отримання сталі із залізних руд так званим сиродутним процесом, тобто однокрокове виробництво за схемою залізна руда-сталь.

• Отримання сталі шляхом рафінування чавуну, тобто двокрокове виробництво за схемою залізна руда - чавун - сталь (почалося на межі XII і XIV століть н.е. і продовжується й дотепер).

Розвиток виробництва сталі шляхом рафінування чавуну, що забезпечує найбільший технічний прогрес, в свою чергу має три важливих етапи розвитку, на кожному з яких, як правило, викори­стовувалося кілька способів отримання сталі.

Перший етап - переробка чавуну в сталь, отриману в тістопо­дібному стані у вигляді криці (зварювального заліза). Він почався з використання кричного процесу, на зміну якому прийшов пудлінговий процес (1784 p., Англія).

Другий етап - переробка чавуну в рідку сталь без додавання або з додаванням брухту (скрапу) в агрегатах періодичної (диск­ретної) дії без використання кисневого дуття. Початок цього етапу пов'язаний зі створенням бесемерівського процесу (1855-1860 pp., Англія). Подальший його розвиток привів до розробки мартенівсь­кого (1864-1865 pp., Франція), томасівського (1877-1879 pp., Англія) та електродугового (1900 p., Франція) процесів. Перехід до отриман­ня сталі в рідкому стані дозволив покращити її якість.

Третій етап - переробка чавуну в рідку сталь в агрегатах пе­ріодичної дії з використанням кисневого дуття. Це сучасний етап розвитку сталеплавильного виробництва, що має такі особливості:

впровадження та широке використання киснево-конверторного процесу (1952-1953 pp., Австрія); використання кисню для інтенси­фікації мартенівського і електродугового процесів; широке викори­стання з метою підвищення якості сталі способом ковшової обробки рідкої сталі - синтетичними шлаками або шлаковими сумішами, вакуумом, інертними газами, поєднаними з мікролегуючими порош­ками або без них, а також способом переплавки сталі в особливих умовах (електрошлакового, вакуумно-дугового, електронно-про­меневого, плазменодугового) [7].

Захист атмосфери від шкідливих викидів сталеплавильного ви­робництва. Сучасні способи виробництва сталі розрізняються за ви­користанням джерел енергії, звідси, безумовно, різний їх вплив на довкілля. Найбільш розповсюджені такі способи виробництва сталі: мартенівський та киснево-конверторний.

Джерелом тепла для мартенівської печі є паливо, що згоряє в просторі над розплавленим металом. Киснево-конверторний процес один з видів переробки рідкого чавуну в сталь без використання палива шляхом продувки в конверторі технічно чистим киснем.

Мартенівське виробництво сталі. З усіх пилогазових викидів із сталеплавильних агрегатів найбільша кількість припадає на мар-тенівські печі; 90% оксидів сірки, 85% оксидів азоту та 75% пилу. На одну тонну садки в мартенівських печах при опаленні їх при­родним газом утворюється від 1000 до 4000 м'/год газу, який має на виході з печі температуру 700-800°С. Хімічний склад газу залежить від виду використаного палива, складу шихти та технології плав­ки. В ньому містяться оксид та діоксид вуглецю, оксиди азоту та сірки, кисень, водень, азот, водяна пара та деякі інші речовини. Кількість оксидів сірки залежить від виду використаного палива і при опаленні коксодоменним газом може досягати 800 мг/м³.

Окрім газоподібних домішок, газ, що виділяється, містить значні кількості пилу - до 15 г/м³. Мартенівський пил складається в основ­ному з оксидів заліза (близько 88%). Крім цього, в ньому містяться оксиди алюмінію, марганцю та інших речовин, що входять до скла­ду шихти; оксиди заліза надають газу коричневого кольору.

В мартенівських цехах є і неорганізовані джерела потраплян­ня пилу в довкілля. Наприклад, в повітрі міксерного відділення вміст пилу доходить до 13 г/м³; в місці розвантаження сипких матеріалів на шихтовому подвір'ї 250-450 мг/м³; в люнкеритному пристрої в розливальному прольоті 100-160 мг/м³. Виділений з мартенівської печі газ перед викидом в атмосферу підлягає обов'язковій очистці. Пе­ред очисткою газ охолоджують в котлах-утилізаторах до 220-250°С.

В нашій країні найбільше розповсюдження отримали дві схе­ми очистки мартенівського газу: суха в електрофільтрах та мокра . Запиленість очищених за цими схемами газів не перевищує 100 мг/м³. На приведеній на малюнку 3.2.4 схемі очи­стки мартенівського газу сухі пластинчасті електрофільтри встанов­лені після котла-утилізатора. Для запобігання вибуху оксид вугле­цю, що міститься в газі, допалюється в спеціальній камері, що зна­ходиться перед котлом-утилізатором.

При очистці газу, що відходить від двованного сталеплавиль­ного агрегата, використовується також суха та мокра схеми очист­ки. На мал. 3.2.6 показана схема охолодження та сухої очистки від пилу газу двованного сталеплавильного агрегата в електрофільтрі з охолодженням газів у скрубері та в котлі-утилізаторі. Після допа­лювання оксиду вуглецю газ охолоджується (до 200°С) в скрубері, за яким встановлено електрофільтр типу УГ . При такій схемі очистки, якщо запиленість газу перед скрубером становить до 7 г/м³, то перед електрофільтром вона вже зменшувалася до 3 г/м³, а за ним-до 0,1 г/м³.

При мокрій очистці газу, що відходить від двованного сталепла­вильного агрегата, в скруберах Вентурі його спочатку охолоджують до 700-800°С шляхом вприскування  води, потім направляють в котел-утилізатор. Охолод­жені до 200-250°С гази потрапляють далі в скру­бери Вентурі, після них - на краплеуловлювачі, а звідти за допомогою ди­мососів - в димар. Ефек­тивність уловлювання пилу досягає 99%.

Зараз необхідно очи­щати мартенівські гази не тільки від пилу, але і від оксидів азоту. Для видалення їх апробовано аміачно-каталітичний метод. Підготовка газів до каталітичної очистки включає їх охолодження та очистку від пилу в тканинних або електричних фільтрах. Процес відновлен­ня оксидів азоту аміаком до елементарного азоту відбувається при температурі 280-320°С при наявності ванадієвого каталізатора. Роз­робляються методи окислення азоту до діоксидів, для чого викорис­товуються тверді, рідкі та газоподібні окислювачі (гіпохлорид натрію, хлорне вапно, діоксид хлору, озон). Отриманий діоксид азоту та непрореагований оксид азоту уловлюються лужним розчином.

Досліджуються методи адсорбції оксидів азоту твердими ад­сорбентами (сланцевою золою, вапном, цеолітами та іншими речо­винами) в нерухомому та киплячому шарах. При цьому поглинаєть­ся до 80% оксидів азоту. Контактний апарат являє собою цилінд­ричну або прямокутну ємкість з перегородкою - перфорованою по­лицею, на якій знаходиться адсорбент. При необхідності в апарат встановлюють декілька полиць з адсорбентом, шар якого досягає висоти 50-100 мм, будується окремий колекторний підвід та відвід газу від кожної полиці.

Конверторне виробництво сталі. У зв'язку з меншою енергоє­мністю киснево-конверторного способу виробництва сталі в по­рівнянні з мартенівським способом частка виплавки конверторної сталі безперервно збільшується.

При продувці рідкого чавуну киснем у конверторі відбувається вигоряння з чавуну вуглецю та інших домішок. Утворений продукт згоряння (конверторний газ) містить в основному оксид вуглецю (85-90%), діоксид вуглецю (8-14%), а також невелику кількість кисню, азоту та деяких інших речовин, наприклад, сірки. За даними, кількість сірки, що виходить з газової фази за плавку, складає 7-8% від вмісту сірки в шихті.

В зоні зіткнення кисню з чавуном в конверторі розвивається висока температура (до 3000°С), при якій випаровуються оксиди заліза та інших домішок. Ці пари разом з конверторним газом охо­лоджуються та конденсуються, утворюючи велику кількість малень­ких часток пилу. Окрім цього, конверторний газ виносить маленькі частинки руди, вапна та інших домішок, що завантажуються в кон­вертор у процесі плавки. На 1 т плавки в конверторі утворюється до 90 м³ газу та до 20 кг пилу. Пил складається в основному з заліза та його оксидів (60-70%). Запиленість конверторного газу при виході з конвертора може досягати 250 мг/м³. Для уловлювання та відводу конверторного газу над горловиною конвертора є ковпак (кесон), з'єднаний з відвідним газопроводом. Пристрій газовідвідних трактів залежить від того, чи здійснюється допалювання оксиду вуглецю чи ні. За цією ознакою газовідводи поділяються на три групи: 1) системи з підсмоктуванням повітря через зазор між конвертором та котлом-охолоджувачем і повним допалюванням CO в останньому;

2) системи без доступу повітря в газовий тракт та без допалювання CO; 3) системи з частковим допалюванням CO в котлі-утилізаторі. Якщо допалювання CO здійснюється, то в зазорі між горловиною конвертора та газовідходом створюється за допомогою димососа роз­рідження, внаслідок чого газ не виділяється в довкілля, а в газовідхід підсмоктується повітря, кисень якого перетворює CO в CO₂. В цьому випадку в газі присутній CO₂, що забезпечує вибухобезпечність процесу його подальшої очистки та видалення.

Для очистки конверторного газу від пилу використовують скру­бери Вентурі, електрофільтри та тканинні фільтри. За цими схема­ми конверторні гази підлягають очистці в котлі-утилізаторі, вбудо­ваному в підйомно-опускному газоході, та в скрубері прямокутного перерізу, звідки їх потім направляють у блок з восьми встановлених на інерційний краплеобмежувач труб Вентурі з колоподібним пере­різом горловини. Остаточна очистка газу відбувається в двох пара­лельно розташованих відцентрових скруберах. В цьому випадку за­безпечується очистка газу до кінцевого пиловмісту близько 70 мг/м³.

Використання електрофільтрів у пристроях без допалювання оксиду вуглецю неможливе, бо ці фільтри вибухонебезпечні через виникнення спалахів при електричних пробоях.

Тканинні фільтри не­достатньо газощільні і до того ж великі, тому для очи­стки газів використову­ються скрубери Вентурі.

Мокра очистка газів від пилу без допалювання CO відбувається в апара­тах, аналогічних викори­станим пристроям для очи­стки з повним допалюван­ням CO. Система відводу газу (мал. 3.2.9) скла­дається з кесона, що пере­ходить в камін, в який вбу­довано котел-утилізатор, де газ охолоджується до 800-900°С; доохолодження його йде спочатку в гори­зонтальному газоході за рахунок наведення води, а потім в низьконапірних трубах Вентурі з регульованим перерізом горловини; коагуляція малодисперсного пилу відбувається у високонапірній трубі Вентурі. Очистка від ве­ликих краплин шламу відбувається в інерційних пило- та водообмежувачах, на яких встановлені труби Вентурі; фінальна очистка газу від великого пилу відбувається у відцентровому скрубері.

Зменшення шкідливих викидів технологічним шляхом.

Зменшення кількості шкідливих викидів у сталеплавильному виробництві досягається використанням різних технологічних прийомів та пристроїв. Велике значення має механізація ручних опе­рацій. Для зниження шкідливих викидів передбачається: механізо­ване завантаження шихти; підвісні бункери для сипких матеріалів та феросплавів; автоматизовані системи для завантаження цих ма­теріалів; обладнання для механізації робіт по обслуговуванню кон­верторів та міксерних пристроїв; механізація прибирання шлаків під конверторами та сміття на робочих майданчиках; механізація ломки зношеної футеровки основних агрегатів, прибирання відходів;

механізація підготовки та ремонту набивної футеровки сталероз­ливних ковшів; обладнання ковшів шиберними затворами.

Пил, що виноситься з мартенівської печі, складається з малень­ких часток залізної руди, вапняку, шлаку, а також продуктів кон­денсації парів металу. Винос малих часток руди та вапняку відбу­вається в результаті руйнування цих матеріалів під впливом висо­ких температур у періоди нагріву шихти та її плавлення. Винос цих часток припиняється повністю після покриття шихти шаром шла­ку. У зв'язку з цим велике значення мають склад шлаку, час його наведення, температура, площа поверхні зіткнення з металом.

Запиленість продуктів згоряння залежить від періоду плавки. Максимальна її величина (до 15 г/м³) характерна для періоду продувки киснем. При правильній експлуатації котла-утилізатора та очисної споруди запиленість газу на виході з неї звичайно буває < 0,1 г/м³. Щоб зменшити винос пилу, не слід завантажувати в піч сипучі матеріали та додавати руду в ванну на стадії кипіння.

В конверторному виробництві зниженню кількості шкідливих викидів сприяють вплив звукових коливань на робочий об'єм та рідку ванну, а також окремий підвід кисню та відвід газів.

Для зменшення шкідливих викидів при розливанні сталі під шлаком слід прагнути: до зниження інтенсивності фтористих виді­лень, що досягається зменшенням вмісту фтористих компонентів;

підвищення основності шлаку; використання силікокальцію та по­рошків алюмомагнію замість алюмінію, марганцевої руди замість натрієвої селітри; зниження вологості домішок; використання ма-лофосфористих шлакоутворюючих брикетів.

Велике значення має перехід на випарювальне охолодження сталеплавильних агрегатів (заміна в охолоджувальних системах хо­лодної води на киплячу), що дозволяє зменшити витрати води на охолодження більше ніж у 60 разів. Металургійні агрегати нагріті до високих температур, і в охолоджувальних системах завжди ви­користовували холодну воду. Якщо її замінити кип'ятком, то ос­танній, стикаючись з охолоджуваною поверхнею, перетворюється в пару, яка забирає багато тепла.

Одна з основних умов, що дозволяють знизити викиди шкідли­вих речовин, - правильне, кваліфіковане ведення технологічних про­цесів у сталеплавильному виробництві. Це допоможе запобігти аварії та непередбаченим викидам шкідливих речовин [5].

Узагальнення

Металургійна промисловість забезпечує усі види промисловості конструкційними матеріалами і сировиною. Металургія досить широко розвинута в  основних металургійних регіонах, разом з цим зростають і викиди забруднюючих речовин. Викиди металургійної промисловості повинні проходити очистку.