Зміни складових матеріального балансу речовин у гірничо-металургійному виробництві

Визначено зміни матеріального балансу речовин у металургійних переробках - коксування. агломерації, доменного процесу, стале плавлення, прокату - між вхідними і кінцевими масами продуктів. Приведено рівняння матеріального балансу речовин у різних металургійних процесах та показані зміни якісного скл...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2010
Hauptverfasser:	Сердюк, Я.Я., Тяпкін, О.К., Сердюк, С.П., Голуб, Г.Н., Крючкова, С.В., Уварова, Л.И.
Format:	Artikel
Sprache:	Ukrainian
Veröffentlicht:	Інститут проблем природокористування та екології НАН України 2010
Schriftenreihe:	Екологія і природокористування
Schlagworte:	Природноресурсний потенціал території та його раціональне використання
Online Zugang:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/57400
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Зміни складових матеріального балансу речовин у гірничо-металургійному виробництві / Я.Я. Сердюк, О.К. Тяпкін, С.П. Сердюк, Г.Н. Голуб, С.В. Крючкова, Л.И. Уварова // Екологія і природокористування. — 2010. — Вип. 13. — С. 49-60. — Бібліогр.: 1 назв. — укр.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-57400
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-574002025-02-09T15:18:05Z Зміни складових матеріального балансу речовин у гірничо-металургійному виробництві The changes of material balance components of substances in mining-metallurgical industry Сердюк, Я.Я. Тяпкін, О.К. Сердюк, С.П. Голуб, Г.Н. Крючкова, С.В. Уварова, Л.И. Природноресурсний потенціал території та його раціональне використання Визначено зміни матеріального балансу речовин у металургійних переробках - коксування. агломерації, доменного процесу, стале плавлення, прокату - між вхідними і кінцевими масами продуктів. Приведено рівняння матеріального балансу речовин у різних металургійних процесах та показані зміни якісного складу продуктів при переробках. Определены изменения материального баланса веществ при металлургических переделах - коксования, агломерации, доменном процессе, сталеплавлении, проката -между входящими и конечными массами продуктов. Приведены уравнения материального баланса веществ при разных металлургических процессах и показаны изменения качественного состава продуктов при переделах. The modification compositions of material balance substances of metallurgical production between entrance and final of masses are determined. The equations of material balance of substances of different processes are given. The modification of qualitative composition of substances at repartitions are showed. 2010 Article Зміни складових матеріального балансу речовин у гірничо-металургійному виробництві / Я.Я. Сердюк, О.К. Тяпкін, С.П. Сердюк, Г.Н. Голуб, С.В. Крючкова, Л.И. Уварова // Екологія і природокористування. — 2010. — Вип. 13. — С. 49-60. — Бібліогр.: 1 назв. — укр. XXXX-0010 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/57400 504.06:[622.2+669] uk Екологія і природокористування application/pdf Інститут проблем природокористування та екології НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Ukrainian
topic	Природноресурсний потенціал території та його раціональне використання Природноресурсний потенціал території та його раціональне використання
spellingShingle	Природноресурсний потенціал території та його раціональне використання Природноресурсний потенціал території та його раціональне використання Сердюк, Я.Я. Тяпкін, О.К. Сердюк, С.П. Голуб, Г.Н. Крючкова, С.В. Уварова, Л.И. Зміни складових матеріального балансу речовин у гірничо-металургійному виробництві Екологія і природокористування
description	Визначено зміни матеріального балансу речовин у металургійних переробках - коксування. агломерації, доменного процесу, стале плавлення, прокату - між вхідними і кінцевими масами продуктів. Приведено рівняння матеріального балансу речовин у різних металургійних процесах та показані зміни якісного складу продуктів при переробках.
format	Article
author	Сердюк, Я.Я. Тяпкін, О.К. Сердюк, С.П. Голуб, Г.Н. Крючкова, С.В. Уварова, Л.И.
author_facet	Сердюк, Я.Я. Тяпкін, О.К. Сердюк, С.П. Голуб, Г.Н. Крючкова, С.В. Уварова, Л.И.
author_sort	Сердюк, Я.Я.
title	Зміни складових матеріального балансу речовин у гірничо-металургійному виробництві
title_short	Зміни складових матеріального балансу речовин у гірничо-металургійному виробництві
title_full	Зміни складових матеріального балансу речовин у гірничо-металургійному виробництві
title_fullStr	Зміни складових матеріального балансу речовин у гірничо-металургійному виробництві
title_full_unstemmed	Зміни складових матеріального балансу речовин у гірничо-металургійному виробництві
title_sort	зміни складових матеріального балансу речовин у гірничо-металургійному виробництві
publisher	Інститут проблем природокористування та екології НАН України
publishDate	2010
topic_facet	Природноресурсний потенціал території та його раціональне використання
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/57400
citation_txt	Зміни складових матеріального балансу речовин у гірничо-металургійному виробництві / Я.Я. Сердюк, О.К. Тяпкін, С.П. Сердюк, Г.Н. Голуб, С.В. Крючкова, Л.И. Уварова // Екологія і природокористування. — 2010. — Вип. 13. — С. 49-60. — Бібліогр.: 1 назв. — укр.
series	Екологія і природокористування
work_keys_str_mv	AT serdûkââ zmíniskladovihmateríalʹnogobalansurečovinugírničometalurgíjnomuvirobnictví AT tâpkínok zmíniskladovihmateríalʹnogobalansurečovinugírničometalurgíjnomuvirobnictví AT serdûksp zmíniskladovihmateríalʹnogobalansurečovinugírničometalurgíjnomuvirobnictví AT golubgn zmíniskladovihmateríalʹnogobalansurečovinugírničometalurgíjnomuvirobnictví AT krûčkovasv zmíniskladovihmateríalʹnogobalansurečovinugírničometalurgíjnomuvirobnictví AT uvarovali zmíniskladovihmateríalʹnogobalansurečovinugírničometalurgíjnomuvirobnictví AT serdûkââ thechangesofmaterialbalancecomponentsofsubstancesinminingmetallurgicalindustry AT tâpkínok thechangesofmaterialbalancecomponentsofsubstancesinminingmetallurgicalindustry AT serdûksp thechangesofmaterialbalancecomponentsofsubstancesinminingmetallurgicalindustry AT golubgn thechangesofmaterialbalancecomponentsofsubstancesinminingmetallurgicalindustry AT krûčkovasv thechangesofmaterialbalancecomponentsofsubstancesinminingmetallurgicalindustry AT uvarovali thechangesofmaterialbalancecomponentsofsubstancesinminingmetallurgicalindustry
first_indexed	2025-11-27T08:14:14Z
last_indexed	2025-11-27T08:14:14Z
_version_	1849930558238359552
fulltext	ЕКОЛОГІЯ І ПРИРОДОКОРИСТУВАННЯ, 2010, Випуск 13 49 УДК 504.06:[622.2+669] Я.Я. Сердюк, О.К. Тяпкін, С.П. Сердюк, Г.Н. Голуб, С.В. Крючкова, Л.И. Уварова ЗМІНИ СКЛАДОВИХ МАТЕРІАЛЬНОГО БАЛАНСУ РЕЧОВИН У ГІРНИЧО-МЕТАЛУРГІЙНОМУ ВИРОБНИЦТВІ Інститут проблем природокористування та екології НАН України, Дніпропетровськ Визначено зміни матеріального балансу речовин у металургійних переробках – кок- сування, агломерації, доменного процесу, стале плавлення, прокату – між вхідними і кінцевими масами продуктів. Приведено рівняння матеріального балансу речовин у різних металургійних процесах та показані зміни якісного складу продуктів при пере- робках. Определены изменения материального баланса веществ при металлургических пе- ределах – коксования, агломерации, доменном процессе, сталеплавлении, проката – между входящими и конечными массами продуктов. Приведены уравнения материаль- ного баланса веществ при разных металлургических процессах и показаны изменения качественного состава продуктов при переделах. Вступ Гірничо-металургійний комплекс Украї- ни (ГМК) є провідною галуззю національної економіки, забезпечує близько 27 % товар- ного виробництва й майже 40 % валютних надходжень. За обсягами виробництва чаву- ну й сталі ГМК України посідає сьоме місце у світі. На експорт відправляється близько 80 % прокату чорних металів. Експорт ви- явився досить ефективним у зв'язку зі спри- ятливої (до кризи 2007-2009 рр.) економіч- ною ситуацією у світі, коли на світовому ринку різко зросла потреба й ціни на мета- лопродукцію. Однак разом із цим екологічна ситуація у ГМК досить складна. Порівняння екологічних показників виробництва мета- лургійної продукції в Україні й у країнах ЄС свідчить про те, що на всіх етапах металур- гійного переділу витрата природних ресур- сів і кількість відходів, що утворилися, всіх видів на підприємствах України значно ви- ще, ніж на сталеливарних фірмах країн ЄС. На частку української металургійної галузі доводиться 33 % стоків у водойми країни, 22,2 % викидів пилу, 47 % викидів СО, 18 % викидів окису азоту, 10 % викидів оксидів сірки й 10 % твердих відходів. У той час як у © Сердюк Я.Я., Тяпкін О.К., Сердюк С.П., Голуб Г.Н., Крючкова С.В., Уварова Л.И., 2010 Німеччині внесок цієї галузі в загальні ви- киди становить по: СО – 10 %, NО3 – 3 %, SО2 – 2,9 %, по твердим відходам тільки 0,28 %. Якщо ще врахувати всі види відходів у гірничодобувній галузі, що забезпечує сиро- виною металургійну промисловість, то реа- льне навантаження від металургійної проми- словості на навколишнє середовище зростає, як мінімум удвічі. За останні роки у зв'язку з відсутністю на- лежного фінансування не проводився ком- плексний аналіз стану галузі щодо викидів в атмосферу, скидань у водойми, утворення відходів, тому достовірна картина екологіч- ного стану галузі відсутня. Однак, на основі даних окремих промислових регіонів можна зробити висновок, що підприємства комплек- су істотно впливають на рівень техногенного забруднення й безпеку життєдіяльності насе- лення всієї України. Розташування великих підприємств у межах або поблизу населених пунктів при великому об'ємі скидань і вики- дів перетворює металургійні центри в кризові екологічні зони. Одним з важливих завдань на шляху роз- робки основ вирішення сучасних проблем екологічної безпеки цих територій є встанов- лення та аналіз кореляційних зв'язків кількос- ті та якості складу між ресурсами, які вхо- дять в металургійний процес та відходами, ЕКОЛОГІЯ І ПРИРОДОКОРИСТУВАННЯ, 2010, Випуск 13 50 що утворюються на металургійних перероб- ках. У технологічних циклах металургійного процесу одержання кінцевої товарної проду- кції, після кожної переробки (агломерація, доменна плавка та ін.) відбувається перехід речовин з одного стану в інший, з різними тепловими балансами й витратою електро- енергії. Процес будь-якої металургійної пере- робки визначається законом збереження мас і оцінюється наступними характеристиками [3]: · матеріальний баланс переробки зали- шається постійним, тобто дотримується ваго- ва рівність між речовинами, що утягуються в процес, і одержуваними наприкінці завер- шення цього процесу (тобто Мвх = Мвих); · коефіцієнтом переходу різних вихідних речовин (руда, кокс, вапняк і т.д.), що утягу- ються в металургійній переробці в інший стан (метал, шлаки, газ); · тепловим балансом металургійного процесу; · витратами електроенергії й залучених додатково природних ресурсів (повітря, во- да), а також витратами трудових ресурсів; · коефіцієнтом корисного використання кінцевих продуктів металургійної перероб- ки; · ступенем токсичності речовин, одер- жуваних у металургійних процесах і їхньому впливі на екологічний стан компонентів на- вколишнього природного середовища. Визначення цих характеристик і уза- гальнена систематизація їх у вигляді рів- нянь регресії дозволить заздалегідь про- гнозувати можливі зміни екологічного стану територій при проектуванні нових металургійних підприємств або збільшен- ні продуктивності вже існуючих об'єктів господарювання. Зміни матеріального балансу речовин між вхідними і кінцевими масами продуктів у металургійних переробках Коксування. Кам'яне вугілля не може без- посередньо бути використане як паливо в шахтних печах. Вугілля містить 20-40 % ле- тючих речовин, які вже при нагріванні до 250-350 оС починають інтенсивно виділяти- ся, розриваючи шматки самого міцного ву- гілля з утворенням вугільного пилу, що утруднює роботу доменних печей і приво- дить до порушення технологічного процесу й створенню аварій. Присутність кам'яного вугілля в шихті доменних печей неприпус- тимо, тому було створено нове штучне па- ливо (кокс) для доменних печей. Одержання коксу полягає в піролізі вугілля без доступу повітря при 900 – 1100 оС протягом 14-18 годин; отриманий продукт містить не більше 1,5-2,0 % летючих речовин. Середній вихід металургійного коксу з валового завантаження становить 93-94 %. У процесі коксування вугільна шихта втрачає 300-350 м3 летючих на 1 т шихти («бруд- ний» коксовий газ), що направляється в хі- мічні цехи, де з нього витягають смоли, амі- ак, бензол і інші компоненти. Очищений ко- ксовий газ використовується на металургій- них заводах для опалення коксових батарей, мартенівських печей і для вдмухування в доменні печі. Таким чином, процес коксу- вання практично є безвідходним, не дивля- чись на технологічні втрати газу, які не пе- ревищують 1 % [1]. Елементарні рівняння усередненого ма- теріального балансу процесу коксування підтверджені дослідними даними, мають вигляд: 1 Мв = Кк . Мв + Кг . Мв + 1680 МДж; де Кк = 0,93 – коефіцієнт переходу маси вугільної шихти до маси коксу; Кг = 0,06 – 0,07 - коефіцієнт переходу маси вугільної шихти до маси летючих речовин; Мв – одиниця маси вугільної шихти. Витрата електроенергії на одержання 1 т коксу складає 70 кВт/година. Агломерація. Огрудкування пилуватих залізних руд і тонких концентратів перед доменною плавкою дозволяє істотно по- ліпшити техніко-економічні показники ро- боти доменних печей і збільшити їхню продуктивність. У цей час промисловістю використовуються два методи огрудкуван- ня: агломерація (спікання) руд і концент- ратів і виробництво окатишів з концентра- тів. Агломераційна машина складається з ланцюга сталевих або чавунних візків (па- лет), що рухаються, обладнаних по краях бортами. Ширина палет становить 1,5-2,5 м, довжина ланцюга 11-30 м. На візки ук- ЕКОЛОГІЯ І ПРИРОДОКОРИСТУВАННЯ, 2010, Випуск 13 51 ладається шар агломераційної шихти, сере- дній склад якої наведений у таблиці 1. Запалювання шихти проводять полум'ям газу (1200-1300 оС). Надалі тепла, що виді- ляється при горінні коксового дріб'язку при просякненні повітря через шар шихти ( 25- 50 см), цілком достатньо для плавлення ши- хти ( 1300-1500 оС). Процес агломерації ха- рактеризується відсутністю твердих відва- льних відходів; дрібні тверді частки верта- ються в шихту. У процесі агломерації на 1 т агломерату виділяється 6-9 м3 коксових га- зів, що відсмоктуються з вакуум камер екс- гаустером-димососом, очищаються від пилу й викидаються в димар. Витрата електро- енергії на виробництво 1 т агломерату скла- дає 29 кВт.ч/т; води - від 5 до 9 м3 на 1 т, з якої на «брудний цикл» доводиться 3,5-6,5 м3, ці води направляються в шламовідстой- ники. Таблиця 1 - Середній склад шихти агломераційних фабрик у чорній металургії [1] Компоненти шихти Фракція, мм Вміст у шихті, кг/т агломерату Залізна руда й шліхи сухої магнітної сепарації < 8,0 274 Концентрат мокрої магнітної сепарації < 0,074 637 Відсівання агломерату < 5,0 36 Марганцева руда < 8,0 11 Колошниковий пил і окалина прокатних цехів < 3,0 53 Конвертерні шлаки < 5,0 2 Вапняк < 3,0 192 Вапно < 1,0 23 Коксовий дріб'язок і антрацитовий штиб < 5,0 64 Різні відходи < 8,0 17 Середній матеріальний баланс процесу агломерації можна представити наступними залежностями: М = КрМ + КкМ + КдМ - КгМ; де М - маса одиниці одержуваного агломе- рату, т; Кр, Кк, Кд, Кг - коефіцієнти складових агломераційної шихти, стосовно одиниці маси одержуваного агломерату (в % або час- тках одиниці), відповідно по руді, коксу, домішкам і газам, що відходять (Кр = 0,69 – 0,71; Кк = 0,06; Кд = 0,265; Кг = 0,025). Варто підкреслити, що залежно від скла- ду шихти значення цих коефіцієнтів може змінюватися в межах ±5%. Тепловий баланс агломераційного проце- су залізних руд представлений у таблиці 2. Таблиця 2 - Тепловий баланс процесу агломерації залізних руд (Вегман Е.Ф., 1989) Прихід Витрата О ди ни ця в им ір у Те пл от а го рі нн я ко к- со во го д рі б' яз ку Те пл от а за па лю ва нн я аг ло ме ра ці йн ої ш их ти Те пл о аг ло ме ра ці йн о- го п ов ер не нн я Те пл о на д ис оц іа ці ю ка рб он ат ів Н а ви па р во ди Те пл о га зі в, щ о ві дх од ят ь Те пл ов і в тр ат и % 91,5 8,5 22,1 14,3 22,1 33,0 8,5 МДж/т 2688 252 652 420 652 966 252 Виробництво залізорудних окатишів. При агломерації тонкоподрібнених залізо- рудних концентратів через різке зниження газопроникності шихти помітно зменшуєть- ся швидкість процесу. Тим часом, у металу- ргійну переробку утягується усе більше си- ЕКОЛОГІЯ І ПРИРОДОКОРИСТУВАННЯ, 2010, Випуск 13 52 ровини, що містить 80-90 % фракції менше 0,07 і навіть менше 0,05 мм. Вдалим рішен- ням проблеми огрудкування тонких залізо- рудних концентратів з'явилося виробництво залізорудних окатишів, уперше запропоно- ване в 1912 р. Андерсоном (Швеція). Схеми одержання окатишів являють собою комбі- націю двох етапів: · формування окатишів шляхом окомку- вання вологої шихти в спеціальних апаратах - окомкувачах (виробництво сирих окати- шів); · зміцнення гранул (випалювальним або безвипалювальним способами) для додання окатишам міцності, необхідної для зберіган- ня, транспортування до доменних печей і проплавки їх у печах. Сирі окатиші формуються при обкату- ванні тонкодисперсного матеріалу, зволоже- ного до певного ступеня. У шихту окатишів для посилення міцності й термостійкості вводять сполучні домішки - бентоніт, вапно, хлористий кальцій, залізний купорос, гумі- нові речовини. Механічна міцність сирих окатишів повинна бути достатньою, щоб не відбулося їхнє руйнування при транспорту- ванні до випалювальних агрегатів. Випробу- вання на міцність проводиться шляхом ски- дання сирих окатишів з рівнів висот транс- портерів (окатиші повинні витримувати без руйнування не менш 15 скидань із висоти 300 мм). При термічній обробці окатиші послідов- но піддаються сушінню (300-500 оС), піді- гріву газом (800-1200 оС), випалу (1200-1350 оС) і охолодженню холодним повітрям до 100-150 оС. Витрата тепла, залежно від сиро- вини й конструкції випалювальних печей ва- ріює від 380 до 930 МДж/т. Витрата електро- енергії становить 57-62 кВтч/т. Собівартість проплавки агломерату й окатишів приблизно однакова. Основною перевагою окатишів є їх міцність у холодному стані, що дозволяє тра- нспортувати окатиші на великі відстані. Ма- теріальні й теплові баланси агломерації й ви- робництва окатишів практично ідентичні. Доменний процес. Процес одержання чаву- ну являє собою цілий ряд процесів відновлен- ня оксидів і складних сполук, розкладання гідратів і солей, горіння твердого, рідкого й газоподібного пального, хімічних реакцій. У результаті плавлення шихти, що заван- тажується в доменну піч, наприкінці процесу одержують метал, шлаки й газоподібні проду- кти. Відносну кількість шлаків при металур- гійному виробництві визначають або у відсот- ках стосовно маси отриманого металу або по кратності шлаків, тобто по співвідношенню маси шлаків і металу. Кількість шлаків у роз- рахунку на 1 т чавуну коливається від 0,3 до 0,7 т залежно від якості залізорудної сировини й технологічного процесу плавки. У наведеній нижче таблиці 3 визначено цей параметр для різних металургійних комбінатів. Таблиця 3 - Вихід кінцевих доменних шлаків при виплавці чавуну Підприємство Вихід шлаків, кг/т чавуну Кратність шлаків Криворізький металургійний комбінат 590 0,59 «Запоріжсталь» 664 0,66 «Азовсталь» 670 0,67 Новоліпецький МК 530 0,53 Магнітогорський МК 365 0,36 Кузнецький МК 428 0,43 Череповецький МК 323 0,32 Металеве залізо - продукт відновлення руд - з'являється в нижній частині печі. У міру плавлення шихти і її опускань до низу печі та її подальшого нагрівання залізо роз- чиняє в собі вуглець у кількості, що збіль- шується. При цьому температура плавлення заліза знижується, метал плавиться й у ви- гляді крапель стікає в горно. Зменьшення виходу шлаків на 100 кг/т чавуну дає економію коксу 20-25 кг/т чавуну й збільшує продуктивність печі на 3-4 %. Доцільність подальшого зниження виходу шлаків від його сучасного рівня (450-600 кг/т чавуну) не викликає сумнівів. Однак, у доменній печі за допомогою шлаків здійс- нюється десульфурація чавуну, тому при ЕКОЛОГІЯ І ПРИРОДОКОРИСТУВАННЯ, 2010, Випуск 13 53 зниженні виходу шлаків вище певної межі виникає небезпека виплавки некондицій- ного по сірці чавуну. Мінімально необхід- на кількість шлаків, по визначенню фахів- ців, виявиться близькою до значення 200- 230 кг/т чавуну, тобто мінімально припус- тима кратність шлаків повинна бути 0,2- 0,23. Нижче наведені усереднені розрахунки матеріального (таблиця 4) і теплового (таблиця 5) балансів доменної плавки. Спрощене рівняння наведеного матеріаль- ного балансу доменної плавки можна пред- ставити в наступному вигляді: М шихти + М дуття, газ = М чавун + Мшлак + М дом.газ; кг: 252,72 + 224,26 = 100 + 61,82 + 313,8; %: 53,0 + 47,0 = 21,0 + 13,0 + 66,0. Як видно з таблиці 4, у результаті плавки відбувається перерозподіл стану речовин: кількість твердих складових плавки зменши- лося з 53 % до 34 %, а газоподібних - збіль- шилося з 47 % до 66 %. Таблиця 4 - Розрахунок матеріального балансу доменної плавки (Вегман Е.Ф., 1989) на 100 кг чавуну Задано в піч, кг Отримано в печі, кг Рудна суміш - 175,27 Чавун - 100,0 Марганцева руда - 2,02 Шлаки - 61,82 Вапняк - 22,46 Газ - 305,32 Кокс - 52,97 Пари води - 8,48 Природний газ - 7,58 Дуття для спалювання коксу - 185,05 Дуття для спалювання природного газу - 31,63 Разом - 476,98 Разом - 475,62 Рівняння матеріального балансу для оди- ниці кількості одержуваного чавуну (у цьо- му випадку) представляється в наступному виді М = 2,53 М (шихта) + 2,24 М (газ, повітря) - 0,62 М (шлаки) – 3,14 М (доменний газ), де М - одиниця маси отриманого чавуну (кг, т). Знаючи продуктивність підприємства по виплавці чавуну й використовуючи предста- влене рівняння, можна прогнозувати орієн- товно кількість очікуваних твердих і газопо- дібних відходів. Слід зазначити, що домен- ний газ після очищення використовується в металургійній переробці, а 90-95 % кінцевих шлаків - у будівництві. Витрата тепла на виробництво 1 т чавуну становить 17.109 Дж, а витрата електроенер- гії – 70 кВт. ч. Сталеплавлення. Процес виробництва сталі складається у видаленні зайвого вугле- цю з розплавленого чавуну різними спосо- бами із введенням домішок для одержання сталі заданої якості. Масова виплавка сталі здійснюється, в основному, трьома способа- ми: мартенівським, електросталеплавильним і киснево-конверторним. Сутність мартенівського процесу переро- бки чавуну в сталь складається в згорянні палива в печі й створенні високої темпера- тури ( 1800-1900 оС), при якій з розплавле- ного чавуну видаляється значна частина вуглецю й домішок; при цьому з мартенівсь- кої печі виходить сплав заліза з вуглецем, вміст якого не перевищує 1,7 %. Електросталеплавильний спосіб вироб- ництва сталі полягає в тому, що як джерело тепла застосовується електрична енергія, що дозволяє одержувати високі температури до 3500 оС. Тому плавку металів і сплавів з ви- сокою температурою плавлення можливо здійснювати тільки в дугових і індукційних печах. Сутність киснево-конверторного способу виробництва сталі полягає в продуванні рід- кого розплавленого чавуну технічно чистим киснем зверху донизу; при цьому вигорають шкідливі домішки. Тепло, необхідне для проведення плавки, виділяється в результаті протікання екзотермічних реакцій у рідкому чавуні при його продуванні. Одним з показників ефективності проце- су сталеплавлення є вихід придатного отри- маного продукту із загальної маси метало- ЕКОЛОГІЯ І ПРИРОДОКОРИСТУВАННЯ, 2010, Випуск 13 54 шихти, що задається в піч. Вихід придатного обчислюється по наступній формулі [5] 100. Vм Х Vг= , де Х - вихід придатного, в % або частках одиниці; Vг - вага придатної сталі, т; Vм - вага металошихти, т. Нижче наведені дані по витратах сирови- ни й енергії на 1 т мартенівській сталі. За даними таблиці вихід придатного ста- новить Х = 1000:1353 = 0,74, а кратність шлаків дорівнює Кш = 125:1000 = 0,125. Ви- трата тепла на 1 т мартенівській сталі стано- вить 0,08-0,1 МДж, а електроенергії 4-8,5 кВт/год. Відмінність витрат матеріалів при інших способах виробництва сталі полягає тільки в кількостях тепла, що витрачається, і електроенергії на 1 т одержуваної сталі. Таблиця 5 - Витрата сировини, матеріалів, палива й енергії на 1 т мартенівській сталі в кг [5] Задано в піч Вага, кг Отримано з печі Вага, кг Чавун рідкий 683 Сталь придатна 1000 Брухт, стружка 326 Шлаки 50-125 Феросплави, що легують 69 Газ 223-273 Руда залізна 163 Пари води 5,0 Окалина 2 Вапняк 45 Вапно 8 Доломіт 42 Магнезит 9 Боксит 6 Разом 1353 1353 Рівняння матеріального балансу стале- плавильного виробництва (за даними табли- ці 5) з урахуванням кількості подаваного в піч дуття (повітря, газ) має такий вигляд 1,353 Мо (шихта) + 0,12 Мо (дуття) = Мо + 0,09 Мо (шлаки) + 0,323 Мо (газ) або в % 91,85 + 8,15 = 67,9 + 6,1 + 26; де Мо – одиниця виплавлюваної сталі. Для одиниці виплавлюваної сталі рівнян- ня матеріального балансу має вид Мо = 1,353 Мо (шихта) + 0,12 Мо (дуття) – 0,09 Мо (шлаки) – 0,383 Мо (газ). Виробництво феросплавів. Для виробни- цтва феросплавів характерне різноманіття застосовуваних технологічних заходів, обу- мовлених розходженням фізико-хімічних властивостей елементів, що входять до складу сплавів або отриманих у технічно чистому виді. Це визначило наступні основ- ні способи добування елементів з руд і кон- центратів: 1) електротермічний; 2) метало- термічний; 3) доменний; 4) електролітичний [2]. Електротермічні методи засновані на використанні дугових електричних печей, у яких тепло виділяється при проходженні струму через газовий шар і шихтові матеріа- ли, що мають високий електричний опір. Самі процеси характеризуються можливістю одержання високих температур в області горіння електричних дуг, можливістю здійс- нення процесів з будь-яким складом газової фази й у ваккумі. Металотермічний спосіб заснований на використанні тепла хімічних реакцій віднов- лення оксидів алюмінієм, кремнієм, кальці- єм. Процеси із застосуванням алюмінію мо- жуть проводитися без підведення електрич- ної енергії. Процеси виплавки характеризу- ються високим добуванням провідних еле- ментів і невеликих капітальних витрат на будівництво цехів і установок. Метод дозво- ляє повніше використовувати відвальні шлаки у вогнетривкій, сталеплавильній і бу- дівельній галузях. Електролітичні способи засновані на еле- ктролізі водяних розчинів або розплавлених солей і використовуються для одержання особливо чистих металів. Однак це пов'язане з витратою значної кількості електроенергії й необхідністю застосування особливо чис- тих матеріалів. Доменний процес дозволяє одержувати феросплави з марганцем, кремнієм і хромом, але він вимагає значної витрати високоякіс- ного коксу, а одержувані сплави містять ба- ЕКОЛОГІЯ І ПРИРОДОКОРИСТУВАННЯ, 2010, Випуск 13 55 гато вуглецю. Недоліком доменної плавки є неможливість досягнення високих темпера- тур внаслідок утворення великої кількості газів і втрат з ними тепла. У доменних печах у цей час виплавляється близько 50 % висо- ковуглецевого феромарганцю. Феросплавні процеси підрозділяються на безперервні й періодичні. Безперервні процеси характеризуються безперервним завантаженням шихти в рудо- відновну електропіч із закритим колошни- ком і періодичним (або безперервним) випу- ском феросплаву й шлаків. При цьому вико- ристовують печі великої електричної поту- жності (16,5-75 МВ.А), а в якості відновника застосовують вуглецеві матеріали. Безпере- рвний процес характеризується раціональ- ним використанням тепла при підведенні електроенергії - розплав завжди закритий шаром шихти. Втрати тепла мінімальні. Періодичні процеси ведуть із викорис- танням певної кількості шихти, призначеної для однієї плавки. Випуск продуктів плавки (металу й шлаків) ведуть періодично; найча- стіше випускають із печі метал і шлаки од- ночасно. Жужільні й безшлакові процеси. Електро- термічні процеси підрозділяють на безшла- кові й жужільні. Звичайно до безшлакових процесів відносять виплавку феросплавів, при яких кількість шлаків незначна й стано- вить 3-10 % від маси металу, тобто кратність шлаків становить Мш : Мм = 0,03-0,1. До та- ких відносять виплавку кристалічного крем- нію, феросіліцію, сілікокальцію, сілікоалю- мінію й феросілікохрому). Жужільні проце- си супроводжуються утворенням значної кількості шлаків. Кратність шлаків може становити 1,2-1,5 при виплавці високовугле- цевого феромарганцю й сілікомарганцю й досягати 2,5-3,5 при одержанні ферохрому й металевого марганцю сілікотермічним спо- собом. На рисунку показані величини основних параметрів - кратність шлаків, вихід газів і витрата електроенергії на 1 т металу - мета- лургійні процеси, що характеризують, одер- жання деяких феросплавів. Узагальнене рівняння матеріального ба- лансу при плавленні шихти й одержання будь-якого феросплаву має вигляд Кш . Мш = Кф . Мш + Кшл . Мш + Кг . Мш або стосовно одиниці маси одержуваного феросплаву Кф . Мф = Кш . Мф – Кшл . Мф – Кг . Мф; де Мш і Мф – одиничні маси шихти й одер- жуваного феросплаву, т; Кш, Кф, Кшл, Кг – коефіцієнти пропорційності, що показують частки виходу феросплаву, шлаків і газу від одиничної маси шихти або феросплаву, на- приклад, ; ш ф ф М М К = ш шл шл М МК = або ф ш ш М МК = . Прокатне виробництво. Прокаткою ме- талу на прокатних станах завершується ме- талургійний цикл заводу. Виробництво прокату включає наступні основні окремі процеси: нагрівання, прокат- ку, обробку сталі. Воно складається відпові- дно із трьох ділянок: · нагрівальних пристроїв; · властиво стана гарячої прокатки й пристрою для гарячого різання прокату; · оздоблювального відділення, де метал проходить охолодження, а потім виправлен- ня, різання, сортування й випробування. Не мають у своєму складі нагрівальних пристроїв тільки безперервно-заготовочні стани, що прокочують без підігріву гарячі блюми або заготовку, які надходять із блю- мінга. Основна стадія технологічного проце- су виробництва прокату - зміна форми й ро- змірів вихідного злитка або заготівлі, що становить ціль виробництва. Витрати по пе- реробці розподіляються в такий спосіб, в %: нагрівання - 25-35; прокатка - 50-65; обробка - 10-25. По технологічному процесі зливки спо- чатку проходять чорнову прокатку у заго- товку на спеціальних прокатних пристро- ях: блюмінгах, слябінгах, заготовочних станах. Безпосередньо зі зливка на сучас- них заводах виготовляються такі спеціаль- ні види готового прокату, як бандажі, ко- леса й особливо товсті листи. Останнім часом удосконалюється й впроваджується безперервне розливання сталі в сляби й блюми в сталеплавильних цехах. При цьо- му способі розливання відпадає необхід- ність в установці блюмінгів або слябінгів, у зв'язку із чим істотно міняється структу- ра прокатних цехів і технологічна схема прокатки. Втрати металу в прокатному ви- робництві відбуваються у вигляді обрізків, вигару й браку. Обрізка отриманого після прокатки ро- зкату для видалення деякої його частини ЕКОЛОГІЯ І ПРИРОДОКОРИСТУВАННЯ, 2010, Випуск 13 56 викликається дефектністю відповідної час- тини розкату й невідповідністю розміру розкату (довжини й ширини) розмірові го- тових виробів. Норми відходів на блюмін- гу, залежно від марки сталі, становлять 7- 18 % маси зливка. Рисунок – Кратність шлаків, вихід газів і витрати електроенергії на 1 т отримуваного металу Вигар є наслідком окислювання сталі в процесі нагрівання й прокатки. Окиси заліза, отримані в печі при нагріванні, утворюють окалину й зварювальний шлак, а окиси, отримані на стані при прокатці, - окалину. Величина вигару в нагрівальній печі визна- чається, в основному, температурою, харак- тером атмосфери в печі й тривалістю пере- бування в ній металу. Кількість окалини, що утвориться в процесі прокатки, залежить від температури прокатки, тривалості проце- су прокатки, зі збільшенням яких утво- риться більше окалини. Великий вплив на розмір вигару в печі й на стані вияв- ляють профіль і перетин металу. Чим бі- льше відношення поверхні металу до йо- го обсягу, тим більше утвориться окали- ни. Величина вигару не може бути роз- рахована й визначається на підставі до- слідних даних. ЕКОЛОГІЯ І ПРИРОДОКОРИСТУВАННЯ, 2010, Випуск 13 57 Таблиця 6 - Кореляційні зв'язки між вихідними й кінцевими масами продуктів металургійних переробок Процес Рівняння кореляційних зв'язків між вихідними й кінцевими масами продуктів металургійних переробок Виробництво феро- сплавів Узагальнене рівняння матеріального балансу при плавленні шихти й одержання будь-якого феросплаву має вигляд Кш . Мш = Кф . Мш + Кшл . Мш + Кг . Мш або стосовно одиниці маси одержуваного феросплаву Кф . Мф = Кш. Мф - Кшл . Мф - Кг . Мф де Мш і Мф – одиничні маси шихти й одержуваного феросплаву, т; Кш, Кф, Кшл, Кг – коефіцієнти пропорційності необхідної маси шихти й виходу феросплаву, шлаків і газів стосовно до маси шихти або маси феросплаву. Карбід кремнію 1Мш = 0,32. Мш (феросплав) + 0,048. Мш (шлаки) + 0,632. Мш (газ) або Мф = 3,12. Мф (шихта) - 0,15. Мф (шлаки) - 1,97. Мш (газ) Феросіліцій 1Мш = 0,72. Мш (феросплав) - 0,035. Мш (шлаки) - 0,245. Мш (газ) 1Мф = 1,39. Мф (шихта) - 0,05. Мф (шлаки) - 0,340. Мф (газ) Сілікокальцій 1Мш = 0,31. Мш (феросплав) + 0,060. Мш (шлаки) - 0,63. Мш (газ) 1Мф = 3,23. Мф (шихта) - 0,350. Мф (шлаки) - 1,88. Мф (газ) Феромарганець ви- соковуглецевий 1Мш = 0,294. Мш (феросплав) + 0,62. Мш (шлаки) + 0,086. Мш (газ) 1Мф = 3,398. Мф (шихта) - 2,1. Мф (шлаки) - 0,298. Мф (газ) Феромарганець ма- лофосфорний 1Мш = 0,15. Мш (феросплав) + 0,53. Мш (шлаки) + 0,32. Мш (газ) 1Мф = 6,63. Мф (шихта) - 3,5. Мф (шлаки) - 2,13. Мф (газ) Сілікомарганець 1Мш = 0,19. Мш (феросплав) + 0,66. Мш (шлаки) + 0,15. Мш (газ) 1Мф = 5,296. Мф (шихта) - 3,5. Мф (шлаки) - 0,796. Мф (газ) Ферохром 1Мш = 0,396. Мш (феросплав) + 0,412. Мш (шлаки) + 0,192. Мш (газ) 1Мф = 2,52. Мф (шихта) - 1,04. Мш (шлаки) - 0,48. Мф (газ) Феротитан 1Мш = 0,62. Мш (феросплав) + 0,19. Мш (шлаки) + 0,19. Мш (газ) 1Мф = 1,60. Мф (шихта) - 0,30. Мф (шлаки) - 0,3. Мф (газ) Сплави алюмінію (електрокорунд) 1Мш = 0,35. Мш (феросплав) + 0,19. Мш (шлаки) + 0,46. Мш (газ) 1Мф = 2,85. Мф (шихта) - 0,54. Мф (шлаки) - 1,310. Мф (газ) Феронікель (проплав недогарка) 1Мш = 0,12. Мш (феросплав) + 0,70. Мш (шлаки) + 0,18. Мш (газ) 1Мф = 8,33. Мф (шихта) - 6,0. Мф (шлаки) - 1,33. Мф (газ) Зразковий розрахунок виходу придатного наведено у таблиці 7. Таблиця 7 - Розрахунок виходу придатного (по Б.Я.Рябинькому, 1963) Найменування на 1 т придатного, кг % Задано: Зливок спокійної вуглецевої сталі 1190 100,0 Отримано: Обрізки 166 14,0 Вигар 24 2,0 Заготовка 1000 84,0 Рівняння матеріального балансу прокатного виробництва (за даними таблиці) можна представити в наступних видах: Задано Отримано зливок заготовка обрізки вигар 1Мс К1Мс К2Мс К3Мс де Мс - маса зливка, т; К1; К2; К3 - коефіцієнти, що показують, відповідно, відношення мас заготовки, обрізки й вигару до маси зливків, що задається в прокат, частки одиниці. ЕКОЛОГІЯ І ПРИРОДОКОРИСТУВАННЯ, 2010, Випуск 13 58 Тоді маємо: заготовка обрізки вигар 1Мс = 0,84Мс + 0,14Мс + 0,020Мс або зливок обрізки вигар 1М3 = 1,19М3 - 0,166М3 - 0,024М3 де М3 – маса одержуваної заготівлі, т. Таким чином, знаючи продуктивність заво- ду по випуску прокату (заготовки) у рік, мож- на орієнтовно визначити інші параметри. Оскільки різні види прокату на різному об- ладнанні мають дані, що відрізняються по виходу обрізки й вигару, то узагальнене рів- няння матеріального балансу прокатного виробництва має вигляд: маса зливка маса обрізки 1М3 = (1,05÷1,22)М3 – (0,02÷0,195)М3 – – (0,016÷0,025)М3. маса вигару Витрата електроенергії на 1 т прокату становить 26-70 кВт/год; води – 4,9-21,1 м3. Зміна хімічного складу рудної сировини (вихідного) у процесі металургійних переробок У процесі металургійних переробок - від пі- дготовки руди до доменної плавки до сталепла- влення й виробництва феросплавів - відбува- ється зміна хімічних складів вихідної речовини, що утягується в процес, і одержуваного кінце- вого продукту [1,4]. У ході агломерації залізної руди відбуваєть- ся інтенсивне вигоряння сульфідної сірки ших- ти. Пірит Fe2 і піротин Fe починають окислю- ватися з 250-280 оС по реакціях 4Fe2 + 11О2 = 2Fe2О3 + 8SO2 і 4Fe + 7О2 = 2Fe2О3 + 4SO2 . Вище 1383 оС у повітряній атмосфері гема- тит дисоціює з утворенням магнетиту, що є єдиним твердим продуктом реакції: 3Fe2 + 8О2 = Fe2О4 + 6SO2; 3Fe + 5О2 = 2Fe2О4 + 3SO2 . У присутності каталізатора (Fe2О3) до 40 % SO2 окислюється до SO3. Деяка частина органі- чної сірки коксового дріб'язку переходить у газову фазу у вигляді пар комплексів S2, S6 і S8. У газах, що відходять, присутні також Н2S і СОS. У зоні горіння твердого палива сірчисті з'єднання захоплюються з газової фази залізис- тим силікатним розплавом і розчиняються в ньому у вигляді СаS. Крім того, вапно, вапняк і феріти кальцію поглинають SO2 з газу. В про- цесі агломерації руди із шихти видаляється до 80-90 % сірки й ряд інших шкідливих домішок. У доменному процесі основними відновни- ками заліза є вуглець, монооксид вуглецю й водень. Хімічні елементи, що попадають із ши- хтою в доменну піч, залежно від їхніх перетво- рень в умовах доменної плавки, підрозділяють- ся на: - практично що повністю відновлюються (Fe, Ni, Co, Pb, Cu, P, Zn і інші); - частково відновлюються (Si, Mn, Cr, V, Ti); - не відновлюються (Са, Mg, Al, Ba, Na). У процесі доменної плавки (одержання ча- вуну) виділяється 4 стадії навуглецювання залі- за. Остаточний вміст вуглецю в чавуні зале- жить від стійкості карбідів, що визначається наявністю в чавуні домішок. Марганець, хром, ванадій утворюють карбіди, сприяючи збіль- шенню вмісту вуглецю в чавуні. Кремній, алю- міній, фосфор, мідь сприяють зниженню вмісту вуглецю в чавуні. Тому у феромарганці (6,5-7 % С) і дзеркальному чавуні (5 - 5,5 % С) завжди більше вуглецю, ніж у передільному, а у феро- сіліції (1,5 - 2,0 % С) і ливарних чавунах (3,5 - 4,0 % С) менше. Рідкий чавун являє собою кон- денсовану фазу, що не володіє далеким поряд- ком у розміщенні атомів. Основу речовини первинних шлаків домен- ної плавки складають силікати й алюмосиліка- ти кальцію, а також деяка кількість оксидів за- ліза, марганцю, магнію й частки графіту. У звичайних умовах шлак застигає у вигляді амо- рфного скла з характерним раковистим зламом. Процес сталеплавлення складається у вида- ленні зайвого вуглецю з розплавленого чавуну різними способами й введенням домішок для одержання сталі необхідної якості, тобто виро- бництва феросплавів, легованих сталей і інших продуктів. На процесах сталеплавлення й виробництві феросплавів завершуються зміни якісного складу продуктів металургійних переробок. Подальші переробки - прокат, ковальське виро- бництво, фасонне лиття й інше - спричиняють тільки зміни розмірів і форм кінцевої продукції. У таблиці 8 показані зміни якісного складу продуктів металургійних переробок. Висновки Підводячи підсумки слід зазначити на- ступне. Однією з основних причин сучасної кри- зової екологічної ситуації, яка складається в районах великих металургійних центрів України, є висока енергоємність одержання кінцевої промислової продукції й низький коефіцієнт корисної переробки природних ЕКОЛОГІЯ І ПРИРОДОКОРИСТУВАННЯ, 2010, Випуск 13 59 ресурсів. Після кожної металургійної пере- робки, залежно від цільового використання відходів цього переділу, їх можна класифі- кувати або як напівфабрикат, або як кінце- вий товарний продукт. Для одержання то- варної продукції з мінеральної сировини видобуток останньої багаторазово переви- щує масу кінцевої продукції. У технологіч- них циклах металургійного процесу одер- жання кінцевої товарної продукції, після кожного переділу відбувається перехід ре- човин з одного стану в інший, з різними тепловими балансами й витратою електро- енергії. Таблиця 8 - Зміни вмісту компонентів при металургійних переробках у ланцюзі «руда - агломерат - доменна шихта - відвальні шлаки» Вміст компонентів, %Найменування Feобщ MnО Si2 Al2O3 Ca Mg Na2O Рудна сировина 34,0 0,05 32-50 3-17 0, 1-12 0, 1-6 0, 2-1,2 Концентрат 65-70 0,3 3,0 0,2 0,04 0,03 Агломерат 68-72 0,3 3,2 0,1 0,04 0,03 Доменна шихта 78 0,5 0,5 2,0 16,4 Чавун 90-96 0, 3-1,5 0, 5-3,0 - - - - Відвальні шлаки домни 0,2-0,6 1,5 39-42 5-7 44-46 3-3,5 1,0 Сталеплавлення 98, 3- 99,6 0, 8-1,0 0, 02- 0,5 - - - - Відвальні шлаки сталеплавлення 0, 5-1,0 <0,5 30-50 12-15 20-30 2-3 - Вміст компонентів, %Найменування K2O S P2O5 Ti2 F С Лігатура, присадки Рудна сировина 0, 1-1,2 0, 01- 0,3 0, 1-0,4 0,03 - Концентрат 0,015 0,02 0,05 - Агломерат 0,005 0,02 0,05 - Доменна шихта - 0,03 0,005 4,9 Чавун - 0, 01- 0,03 0, 08- 2,0 0,01 - 3, 3-4,5 Відвальні шлаки домни 1,5 0, 5-1,0 - 0,02 <0,001 - Сталеплавлення - 0, 01- 0,05 0, 02- 0,05 <1,7 0, 05-1,0 Відвальні шлаки сталеплавлення - <0,001 <0,001 - <0,01 Визначені рівняння усереднених ма- теріальних балансів (вхідних і вихідних речовин) для всіх основних металургій- них процесів (коксування, агломерації, виробництва залізорудних окатишів, доменного процесу, сталеплавлення, ви- робництва феросплавів, прокатного ви- робництва, а також зміни хімічного складу рудної сировини в процесі мета- лургійних переробок) дозволяє прогно- зувати зміни екологічного стану терито- рій при проектуванні нових або модер- нізації вже існуючих металургійних під- приємств. Перелік посилань 1. Металлургия чугуна / Е.Ф.Вегман, Б.Н.Жеребин, А.Н.Похвиснев и др.- М., Металлургия, 1989. – 512 с. ЕКОЛОГІЯ І ПРИРОДОКОРИСТУВАННЯ, 2010, Випуск 13 60 2. Гасик М.И., Лякишев Н.П., Емлин Б.И. Теория и технология производства ферросплавов. М., Металургія, 1988. – 784 с. 3. Каганович С.Я. Экономика минерального сырья. М.: Недра, 1985. – 168 с. 4. Новожилов М.Г., Ройзен Я.Ш., Эрперт А.М. Качество рудного сырья черной металлургии. М.: Недра, 1977. – 415 с. 5. Рябинький Б.Я. Планирование и экономика металлургических заводов. М.: Гос.изд. по че- рной и цветной металлургии, 1963.- 754 с. Ya. Serdiuk, S. Serdiuk, O. Tyapkin, G.Golub, S. Kryuchkova, L. Uvarova THE CHANGES OF MATERIAL BALANCE COMPONENTS OF SUBSTANCES IN MINING- METALLURGICAL INDUSTRY Institute for Nature Management Problems & Ecology, National Academy of Sciences of Ukraine, Dnipropetrovs’k The modification compositions of material balance substances of metallurgical production between entrance and final of masses are determined. The еquations of material balance of substances of different processes аre given. The modification of qualitative composition of substances at repartitions аre showed. Надійшла до редколегії 14 травня 2010 р. Рекомендовано членом редколегії канд. техн. наук П.І. Копачем

Зміни складових матеріального балансу речовин у гірничо-металургійному виробництві

Institution

Ähnliche Einträge