Виробництво сталі

Виробництво сталі  
         Сталь є основним конструкційним матеріалом для машинобудування, будівництва, транспортних засобів тощо. Частка сталі в загальному споживанні чорних металів складає 90%, тобто сталь є основним видом металу, що використовується для створення сучасної техніки. Це пояснюється двома факторами: по-перше, сталь є чудовим конструктивним матеріалом (має високу міцність і стійкість до зносу, добре зберігає форму в різних виробах, відносно легко піддається обробці тиском, зварюванням тощо); по-друге, основний компонент сталі – залізо є досить розповсюдженим хімічним елементом в земній корі (залізо за розповсюдженістю в надрах посідає друге місце після алюмінію).         

 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 в сталі можуть бути корисними і шкідливими. Корисні домішки позитивно впливають на властивості кристалів, а шкідливі – погіршують міжкристалічні зв’язки. В більшості марок сталей корисною домішкою є вуглець. Такі сталі називають вуглецевими.         

 Вміст  вуглецю в сталях найчастіше  становить 0,05…0,5%, але іноді може  досягати 1,2% (в чавуні 2…6%). Від вмісту  вуглецю в сталі залежать її  якісні механічні властивості. Високовуглецовані сталі мають добру міцність але погану антикорозійну стійкість.        

 У вуглецевих  сталях корисними домішками можуть  бути марганець (0,3…0,6%) і кремній  (0,15..0,3%). Вміст шкідливих домішок  таких як сірка, фосфор, азот  і кисень, обмежуються сотими і тисячними долями відсотка. Введення в сталь у певній кількості елементів, які називаються легуючими (хром, нікель та інші), покращує її як механічні, так і хімічні (антикорозійні) властивості. Такі сталі називають легованими.           

Історична довідка. Металургія сталі, як виробництва, виникла приблизно 3,5 тис. років тому в районі Суецької затоки (Сірія, Єгипет). Шлях розвитку чорної металургії можна  поділити на декілька етапів. Спочатку сталь виготовлялась прямим способом, тобто безпосередньо з залізної руди. Подалі в XII…XIV століттях почали виготовлять сталь шляхом рафінування чавуну в агрегатах періодичної (дискретної) дії без використання кисневого дуття.          

Третій  сучасний етап – переробка чавуну в рідку сталь в агрегатах періодичної дії з використанням кисневого дуття і покращанням якості сталі способом ковшової обробки синтетичними шлаками, вакуумом, інертними газами з доданням мікролегуючих порошків або без них.        

 В даний  час чорні метали виробляють  в 67 країнах світу. В 1994 році світовий об’єм випуску сталі становить 726,5 млн.т., в тому числі: Японія (97,2 млн.т), США (70,1 млн.т), Україна (25,9 млн.т).       

 На сучасному  етапі сталь виготовляють двома  способами: мартенівським та конверторним.  

 

Мартенівський спосіб          

Мартенівський процес здійснюється в печах, які  називаються мартенівськими. Вихідним матеріалом для виплавлення сталі  в печі є шихта. Але склад її відрізняється від тієї, що виготовляють для доменного процесу. Є два  варіанта виготовлення шихти: 1) рідкий чавун (55..65%), залізосталевий брухт (35...45%), а також вапняк; 2) залізна руда, рідкий чавун і вапняк.       

 Найчастіше  застосовують перший спосіб виготовлення  шихти.       

Одноканальна  мартенівська піч (рис. 17) складається  з верхньої будівлі (частина мартенівської печі, що знаходиться над робочим майданчиком) та нижньої будівлі (частина мартенівської печі, що знаходиться під мартенівським майданчиком).      

 Суть  мартенівського процесу полягає  в тому, що спочатку через вікна у ванну завантажують брухт і вапняк, а через жолоба - рідкий чавун. Завалка триває 2…3 години. Одночасно із завалкою шихти поперемінно через праві і ліві вертикальні канали і форсунки подають у плавильний простір печі повітря і паливо.

  

 

 

  

 

 

  

 

 

  

 

 

  

 

 

  

 

 

 

Рис. 17. Мартенівська піч: 1 – плавильний простір печі; 2 - ванна; 3 – відвід рідинної сталі;  4 – завантажувальні вікна; 5 – жолоби для подачі рідкого чавуну; 6 –подача повітря і газу; 7 – шибер; 8 – вертикальний канал; 9 – відвод шлаку; 10 – регенератор; 11 – лежак; 12 – газовідвідний канал; 13 – котел-утилізатор; 14 – електрофільтр; 15 – димосос; 16 – димар       

 Повітря і природний газ  або коксовий газ, проходячи  регенератор, підігріваються до  температури наближеної до 2000°С, при якій відбувається процес вироблення рідкої сталі. При роботі на рідкому паливі нафта або мазут подаються без підігріву форсунками безпосередньо в робочий простір печі.        

Продукти  згорання, рухаючись через шлаковики  та регенератори і залишаючи тут  частину забруднюючих речовин та тепла, прямують до лежака і далі до газовідвідного каналу. Система шиберних затворів здійснює реверсування потоків гарячих газів і повітря, направляючи їх в праву або в ліву частину плавильного простору печі.       

 Процес  плавки триває 5–8 годин, а при домішках до повітря кисню він скорочується 4,5…5,5 годин. Після закінчення процесу плавки, коли в рідкій сталі залишають 0,05…0,5% вуглецю, вона через відповідну лійку зливається в ковші.      

 Головною  перевагою мартенівського процесу  – універсальність (можливість, виплавляти вуглецеву конструктивну та інструментальну, а також леговані сталі), а недоліками є велика тривалість процесу та значні витрати палива.      

 Мартенівські  печі викидають у навколишнє  середовище до 75% пилу, 85% оксидів азоту та 90% оксидів сірки від сумарного викиду сталеплавильних агрегатів. Склад мартенівських газів такий: діоксид вуглецю 5%, оксид вуглецю 1%, кисень 14%, азот 74%, пил 10...15 мг/м3.      

 При  мартенівському виробництві газ,  що виділяється з мартенівської печі, перед викидом в атмосферу підлягає обов’язковому очищенню від пилу. Перед очищенням газ охолоджують сухим або мокрим способом до температури 200...250°С. при сухому способі використовують котли-утилізатори, при мокрому – в скруберах  Вентурі, які змонтовані разом з краплевловлювачами. При сухому очищенні після котла-утилізатора встановлюють електрофільтр. після очищення газ всмоктується димососом і через димар викидається в атмосферу. Ефективність уловлювання пилу сягає 99%. для видалення азоту з мартенівських газів застосовують аміачно-каталітичний метод. Підготовлення газів до каталітичного очищення включає їх охолодження та очищення від пилу. Процес відновлення оксидів азоту аміаком до елементарного азоту відбувається при температурах 280...320°С за наявністю ванадієвого каталізатора. Розроблюються методи окиснення азоту до діоксидів. Для цього використовують тверді, рідкі або газоподібні окиснювачі, такі як гіпохлорід натрію, хлорне вапно, діоксид хлору, озон. Отриманий діоксид азоту та непрореагований оксид азоту уловлюються лужним розчином. Досліджуються також методи адсорбції оксидів азоту твердими адсорбентами в нерухомому та киплячих шарах. В якості адсорбентів використовується сланцева зола, вапно, цеоліти та інші речовини. При цьому поглинається до 80% оксидів азоту.

Конверторний спосіб  
    Конверторний спосіб отримання сталі полягає в тому, що через рідкий чавун, який залишається в конвертері, продувається повітря або кисень, в наслідок чого йде окиснення вуглецю та домішок. Конвертор являє собою стальну посудину грушоподібної форми місткістю від 10 до 60 т викладену усередині вогнетривкою кладкою товщиною 275–400 мм.      

Існує два  види конверторного процесу: кислий-бесемерівський і киснево-конверторний. Чавун заливають  у конвертор через горловину до рівня розміщення фурм. Фурми це запресовані в днище конвертора труби, через які в конвертор вдувається повітря. Після заповнення встановленої частини конвертора чавуном, він поступово переводиться у вертикальне положення  

  Разом йде подача повітря з всезростаючим тиском від 0,1 до 0,25 МПа. при продуванні рідкого чавуна повітрям або киснем в конверторі температура підвищується до 3000°С, внаслідок чого відбувається вигорання з чавуну вуглецю, випаровуються оксиди заліза та інші домішки. Ці пари разом з продуктами згоряння називаються конверторним газом. На 1 т плавки в конверторі утворюється 90 м3 газу та до 20 кг пилу. Конверторний газ містить, в основному, оксид вуглецю (85..90%), діоксид вуглецю (8...14%), а також невелику кількість кисню, азоту, сірки та інших. Наприклад, кількість сірки дорівнює 7..8% від вмісту її в шихті.  

 

Заходи боротьби з негативним впливом сталеплавильного виробництва на довкілля  
       В сталеплавильному виробництві утворюється багато стічних вод з великим забрудненням. Вони утворюються в процесі очищення газів мартенівських печей, конверторів, при охолодженні та гідроочистці виливниць, пристроїв безперервного розливання сталі та обмивки котлів-утилізаторів. Стічні води містять багато твердих часток.     

 В стічних водах мартенівського виробництва, які надходять з системи газоочистки мартенівських печей, міститься до 80% часток пилу розміром від 0,1 до 0,7 мм та до 20% розміром від 0,07 до 0,6 мм. Середня концентрація завислих твердих часток в стічних водах складає 3 г/л. На 93 % вони складаються з оксидів, заліза. На 1 т виплавленої сталі припадає 1,6…4,2 м3 води. Для очищення стічних вод застосовують радіальні відстійники із застосуванням коагулянтів і флокулянтів, а також магнітної сепарації.      

 В стічної воді конверторного виробництва міститься до 7 г/л завислих часток. Розміри часток: 0,1…0,04 мм становлять 30 % (від загальної кількості) і 0,05…0,01 мм – 70%. Для очищення цих вод також застосовують радіальні відстійники з попередньою обробкою стоків коагулянтами і флокулянтами, а також гідроциклони.     

 Провідна  роль в охороні водних ресурсів  на металургійних заводах належить  замкненим системам зворотного  водопостачання, так, при конверторному  способі вироблення сталі існують  три окремих схеми зворотного водопостачання: для газоочисних пристроїв конверторів; для зон вторинного охолодження машин безперервного лиття заготовок (МНЛЗ) та для споживачів чистої води конверторного відділення та МНЛЗ, в складі зворотних систем входять: відстійники циклони, циркуляційні насосні станції, градірні і фільтри.    

 В сталеплавильному  виробництві щорічно утворюються  більше 25 млн.т шлаків, що містять  залізо (до 24% у вигляді оксидів  та 20% в металевій формі); оксиди  марганцю (до 11%) і оксиди кальцію,  кремнію, алюмінію, магнію, хрому, фосфору; сульфіди заліза та марганцю. Половина маси шлаків йде на виготовлення різної продукції будіндустрії; 30% використовується як зворотній матеріал для використання в якості флюсів; 20% – перероблюються в добрива для сільського господарства; невелика кількість шлаків йде на виготовлення теплоізоляційних матеріалів та на грануляцію.      

 Шкідливий  вплив підприємств сталеплавильного  виробництва на довкілля можна  суттєво зменшити використанням  різних технологічних прийомів  та пристроїв. Велике значення має механізація ручних операцій. Для зменшення 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; обладнання ковшів шиберними затворами.     

 При  завантаженні шихти в мартенівську  піч та її нагріванні, спостерігається винос дрібних часток руди, вапняку та шлаку. Винос цих часток припиняється після покриття шихти шаром шлаку.     

 Під  час плавлення запиленість конверторних  газів вища ніж при завантаженні  шихти але залежить від періоду  плавки – найбільший винос пилу припадає на період продувки киснем. Тому не слід завантажувати у піч сипучі матеріали та додавати руду у ванну на стадії кипіння.     

 Щоб  зменшити шкідливі викиди при  розливанні сталі під шлаком, необхідно забезпечити: зниження  інтенсивності фтористих виділень шляхом зменшення вмісту фтористих компонентів в шихті; використання алюмомагнію замість алюмінію; марганцевої руди замість натрієвої селітри; зниження вологості домішок.  

  Велике значення має перехід із холодної води на киплячу в системах охолоджування сталеплавильних агрегатів. При цьому йде випаровування води, на яке витрачається значно більше тепла, ніж на нагрів, що дозволяє зменшити витрати води в 60 разів.

Виробництво кольорових металів  
    Кольорові метали – це алюміній, мідь, цинк, свинець, титан, ряд благородних металів (золото, срібло, платина) та інші. Їх використовують в машинах і приладобудуванні, радіоелектроніці, ядерній енергетиці, космічній і обчислюваній техніці та в інших галузях народного господарства.      

Основною сировиною для одержання кольорових металів є руди. Водночас для виробництва багатьох кольорових металів широко використовують вторинну сировину, до якої відносять відходи металообробної промисловості, браковані деталі і ті що відпрацювали свій термін, різноманітний металевий брухт, побутовий утиль та інші матеріали, що містять кольоровий метал. Роль вторинної сировини щорічно зростає.    

 Крім руд, концентратів і  вторинної сировини, у кольоровій  металургії застосовують також  інші корисні копалини, найважливішими з який є паливо і флюси. В якості палива тут може використовуватись природний газ, вугілля, вугільний пил, кокс, дизельне паливо, мазут. При спалюванні одночасно з виконанням своїх основних функцій – підігріву матеріалу, що підлягає плавленню, в ході технологічних процесів паливо виконує роль відновлювача.     

 Флюси в кольоровій металургії  виконують ту ж саму роль, що  і в чорній металургії, – корегування  складу шлаків, які утворюються  в процесі плавлення. В якості  флюсуючих добавок широко застосовують кварцити і вапняк, а іноді залізну руду, соду, фторіди та інші сполуки.     

 Одержання кольорових металів  з будь-якої сировини – дуже  важкий процес. Він ускладнюється  ще й тим, що в кольоровій  металургії переробляють, як правило,  порівняно бідну і складну за вмістом поліметалеву сировину. При її переробці металургійними засобами необхідно одночасно з одержанням основного металу забезпечити виділення всіх інших цінних компонентів у самостійні товарні продукти при високому ступені їхнього вилучення. Для цього застосовується цикл металургійних агрегатів. Для всіх підприємств кольорової металургії характерні багатоступеневі технологічні схеми.