Сталеплавильное производство и прямое восстановление металла

Введение 

    Металлургия  —  одна  из  древнейших  областей  деятельности   человека.

Неслучайно отдельные  эпохи истории названы, исходя из  распространения  того

или иного металла: "бронзовый век", "железный век".

     В  глубокой древности была разработана оригинальная,  весьма  интересная

технология прямого  получения железа. На территории нашей  страны еще  в  1400

году до нашей  эры, как  утверждают  археологи,  уже  выплавляли  железо  так

называемым кричным  методом. Сначала в  гopнаx  при  температуре  около  1000

градусов (такую  температуру можно создать, не применяя современных  способов

нагрева) восстанавливали  железную  руду  обыкновенным  углем,  получали  так

называемую крицу. Затем крицу, своего рода  железную  губку,  -  многократно

проковывали в горячем состоянии.  В результате  появилось довольно  чистой

железо, из которого можно было изготовить различные  предметы быта и оружие.

    Кричным  же способом  изготовлена  и   знаменитая  металлическая  колонна,

которая высится  близ города Дели. Воздвигнута она в начале V века нашей  эры

и изготовлена  из железа феноменальной чистоты - металл содержит лишь 0,28  %

примесей.  Простояла  колонна  более  1500  лет  без  каких-либо   признаков

коррозии.

    Со  временем двух  ступенчатая   система  восстановления  железа  углем  с

последующей  ковкой  –  единственная   тогда   промышленная   схема   черной

металлургии –  отошла в небытие.  Ее  заменил  доменный  процесс,  который  в

сочетании с  мартеновским и кислородно-конверторным царствует  в  современной

металлургии.

    Однако  экономика и дополнительные требования  к  чистоте  металла  снова

вызвали к жизни  старый, испытанный  метод.  Побуждающие  причины  достаточно

очевидны. Кроме  дефицита энергоресурсов и в частности  кокса,  можно  указать

быстро растущую потребность в высококачественном металле. Авиация,  ракетная

техника, приборостроение  –  вот  далеко  не  полный  перечень  потребителей

наиболее чистых металлов. 
 
 

 1.Сталеплавильное производство.

 Различные сталеплавильные процессы можно  считать вариантами окислительной плавки, задачи которой сводятся в основном к про- плавлению твердых материалов, удалению (в результате окисления) избыточных углерода, кремния и марганца, а также вредных примесей (серы, фосфора), и нагреву металла до температуры выпуска. Исходным материалом для получения стали является выплавляемвм в доменных печах чугун, продукты прямого получения железа и скрап- металлические отходы металлургических й металлообрабатывающих производств, металлический лом и т.п. Источниками кислорода могут быть окисленные газы факела и печной атмосферы, технический кислород, различные твердые окислители. Получение стали происходит при высокой температуре (до 1800 °С).

 1.1Мартеновские цехи

 При мартеновском процессе получения стали расплавлении и нагреве     жидкого металла и шлака обеспечивается излучением светящегося факела от сжигаемого топлива (жидкого или газообразного), при этом тепло отходящих газов используется для подогрева воздуха, вдуваемого в рабочее пространство мартеновской печи.[;Для охлаждения элементов печи применяют как водяное, так и испарительное охлаждение.

  Кроме того, в мартеновском цехе вода расходуется на охлаждение кислородных фурм, на очистку газа (при применении мокрой газоочистки), а также на поливку рабочей площадки у печей, замочку и охлаждение инструмента, заливку шлака, мойку механизмов и т.д.

При водяном охлаждении всех элементов мартеновской печи общий расход воды на выплавку 1т стали составляет 10—15 м³. На восполнение потерь воды в системе требуется- добавка свежей воды в количестве 4—6% от общего расхода. Напор, воды в сети на вводе в цех должен) быть 0,25—0,3 МПа, кроме кислородных фурм, для ох- лажения которых требуется вода с напором 0,8—1,0 МПа.

  Водяное охлаждение мартеновских цехов обладает целым рядом недостатков, основными из которых являются большое водопотреб- ление и небольшой срок службы водоохлаждаемых элементов из-за прогара в результате отложений солей и взвесей.

  Применение испарительного охлаждения мартеновских печей позволило увеличить, срок службы водоохлаждаемых элементов печей в 4—6 раз по сравнению с водяным охлаждением, общий расход воды на выплавку 1 т стали снизился до 1—0,3 м³. Система испарительного охлаждения мартеновских печей может быть выполнена как по схеме с естественной циркуляцией, так' и по схеме с принудительной циркуляцией; Опыт работы многочисленных мартеновских печей показал, что при соответствующем расположении баков-оепараторов возможно во всех случаях применение естественной циркуляции. Применение кислорода для увеличения производительности мартеновских печей привело к необходимости очистки отходящих газов, содержащих большое количество пыли (до 4 г/м³) . Задача очистки отходящих газов мартеновских печей усложняется из-за переменного по ходу плавки содержания пыли, различной крупности частиц пыли и изменений температуры. Для очистки этих газов применяются как сухие газоочистки (электрофильтры), так и мокрые (скрубберы Вентури).

I Расход воды на газоочистку состарляет 0,3—0,8 л/м³ газа,) что соответствует расходу воды 1,6—4,2 м³/т выплавляемой стали. В газоочистке вода нагревается на 10—15 °С. При организации оборотного водоснабжения газоочистки без охлаждения воды, температура оборотной воды устанавливается в пределах 60—65 °С; потери воды на испарение от 10 до 15% общего расхода воды. Потребный напор воды, подаваемой на газоочистку, зависит от конструкции газоочистки и находится в пределах 0,5-0,6 МПа

   Состав и количество загрязнений сточных вод газоочистки зависит от технологического процесса и значительно изменяется по ходу плавки.

  Средняя концентрация взвешенных твердых веществ составляет 3 г/л,

максимальная — 17 г/л. Для очистки сточных вод мартеновской газоочистки применяют радиальные отстойники, открытые гидроциклоны или флокуляторы с реагентной обработкой. В качестве реагента обычно применяется полиакриламид с дозой 1 мг/л, при этом удельная гидравлическая нагрузка составляет для радиальных отстойников 2, открытых гидроциклонов 10, а флокуляторов 8— 9 м³

  Наличие в отходящих газах мартеновских печей окислов серы и азота приводит к тому, что сточные воды мартеновских газоочисток имеют кислую реакцию и приобретают коррозионные свойства, так как вышеупомянутые окислы растворяются в воде и образовывают анионы соответствующих кислот.

  При оборотном водоснабжении эти свойства усиливаются благодаря нагреву воды и накоплению солей, обычно рН оборотной воды равно 3. Для борьбы с коррозией конструкций системы, соприкасающихся со сточной водой газоочистки, либо эти конструкции выполняются в кислотоустойчивом исполнении, либо предусматривается обработка сточных вод известковым молоком с целью их нейтрализации. Доза извести по активному веществу составляет ориентировочно 70 мг/л. 

1.2Кислородно-конвертерные цехи

  При конвертерном способе производства стали из жидкого чугуна содержащиеся в нем примеси окисляются кислородом дутья. При этом углерод в значительной мере переходит в газ, а марганец, кремний, фосфор и сера переходят в шлаки. Реакция окисления примесей сопровождается выделением большого количества тепла, достаточного для поддержания стали в жидком состоянии.

  Конвертер представляет собой грушевидный стальной сосуд с футеровкой из огнеупорного материала.

  При кислородно-конвертерном процессе происходит выделение большого количества сильно загрязненного газа с высокой температурой. Такие газы значительно загрязняют окружающую местность, поэтому до выброса в атмосферу их нужно тщательно очищать. Пос Поскольку температура газов высока, перед очисткой их необходимо охлаждать. В кислородно-конвертерных цехах вода расходуется на ох- лажение фурм, каминов, подшипников дымососов, орошение и охлаждение газов, на очистку газов, поливку пола и прочие мелкие нужды. В зависимости от способа охлаждения конвертера, отвода и очистки отходящих газов расходы воды составляют от 5 до 13,5 м³Д выплавляемой стали. Из этого количества примерно 35 % расходуемой воды не соприкасается с продуктом и не загрязняется, а только нагревается, что позволяет использовать ее повторно.

  Остальная вода соприкасается с отходящими газами, загрязняется частицами пыли и требует надлежащей очистки для возможности ее повторного использования или сброса в водоем.

  К потребителям чистой воды кислородно-конвертерного  цеха вода подается с напором 0,45—0,55 МПа, на охлаждение фурм требуется подавать воду с напором (в месте подвода к фурме) до 1,2 МПа. На газоочистные устройства вода подается с напором 0,4—0,6 МПа, в зависимости от их конструкции.) Для очистки 1000 нм³ отходящих газов мокрым способом требуется для конвертеров с дожиганием и утилизацией тепла отходящих газов 1—3 м³ воды, без утилизации тепла — до 8 м³ воды, а для конвертеров без дожигания — до 10—13 м³ воды. Сточные воды от очистки конвертерного газа загрязнены взвешенными твердыми частицами и растворимыми химическими веществами. Состав и количество загрязнений зависят от схемы отвода и очистки отходящих газов, причем происходит изменение состава сточных вод по ходу плавки.

  Система водоснабжения газоочисток конвертеров  принимается оборотная. Предусматривается предварительное улавливание взвешенных частиц крупностью  
 

  более 500 мкм,отдувка в случае необходимости свободного оксида углерода, осветление в радиальных отстойниках или фПокуляторах и последующее охлаждение на градирнях. Отдув- ка свободного оксида углерода требуется для того, чтобы вблизи осветлителей приземная ее концентрация не превышала уровня, опасного для обслуживающего персонала. Удельная гидравлическая нагрузка на радиальные отстойники принимается равной 1, а для флокулято- ров 3-3,5 м³/(ч • м³).

  Интенсификация  процесса осветления достигается применением высокомолекулярных коагулянтов. При коагуляции полиакриламидом с дозой 1 мг/л (по активному веществу) нагрузка на радиальные отстойники увеличивается до 3, а на флокуляторы до 7 м³/(ч м²). При этом осветленная вода будет содержать остаточное количество взвешенных веществ не более 300 мг/л. Поскольку вода в газоочистке нагревается на 15—20 °С, перед возвратом ее охлаждают на градирнях брызгального типа.

  Ниже приведены  наиболее применяемые схемы систем оборотного водоснабжения.

  На схеме оборотного водоснабжения (рис. 15) сточные воды от газоочистки (Го) поступают в распределительную камеру 1, куда также подается свежая вода (Св), реагенты (Р) и шламовая пульпа (Шл) из контактных резервуаров 2, подаваемая шламовыми насосами 4. 
 

 
 

  Из распределительной камеры усредненный поток поступает в два контактных резервуара 2, представляющих собой дегазационные камеры диаметром 6 м. Они снабжены водосливами каскадного типа,

  

в них  через систему перфорированных  труб воздуходувкой 3 нагнетается воздух, способствующий максимальному удалению из воды свободного СО. Количество нагнетаемого воздуха принимается и из расчета 20 м³/м³ газа. Газо-воздушная смесь отсасывается вентиляторами и выбрасывается в атмосферу через дымовую трубу 12. После дегазации сточные воды поступают на радиальные отстойники, 5 диаметром 30 м со встроенной камерой флокуляции. Уловленный в отстойниках шлам откачивается шламовыми насосами 6 на корпус обезвоживания для подготовки к утилизации на аглофабрике. Осветленная вода из отстойников стекает в приемную камеру 7 и подается насосами 8 на вентиляторные градирни 9. Охлажденная вода собирается в резервуаре 10 и циркуляционными насосами 11 направляется на j (азоочистку. Расход воды на одну газоочистку составляет 2000

  На  схеме оборотного водоснабжения газоочистки (рис. 16) сточные воды от газоочистных установок самотеком поступают в приемную камеру 1, куда также подводится пар. Далее они направляются в камеру 2 для дегазации и отделения крупных частиц взвеси, в которую подают также полиакриламид. Из камеры 2 предварительно очищенные сточные воды поступают в гидроциклоны-флокуляторы 3 и многоярусный флокулятор 4. Осветленная вода из флокуляторов мод остаточным напором поступает на градирню 5. Охлажденная вода собирается в приемной камере 6 и насосами 8 возвращается в газоочистные установки.

Шламы, содержащие крупные частицы, уловленные в камере 2, отводятся в двухсекционный горизонтальный отстойник 7, из которого осадок периодически удаляется грейфером в бункер для обезвоживания и затем отвозится автотранспортом на утилизацию. Шлам из флотаторов насосами 9 перекачивается в радиальные сгустители! 10 диаметром 18 м, затем насосами 11 в перемешиватели 12 пульпы и в фильтр-прессы 13 ФПАКМ-25. Все флокуляторы диаметром 12 м и высотой отстойной зоны 10 м, конструкция их разработана НПО "Энергосталь".

 

  При удельной гидравлической нагрузке 6 м³/(ч-м²) и при koh-J центрации взвеси в исходной воде оборотного цикла 20000—30000 мг/л, содержание взвешенных веществ в осветленной воде на выходе из флокуляторов без применения коагуляции не превышает 300 мг/л, а с применением коагуляции полиакриламидом в среднем 60—80 мг/л, Производительность оборотного цикла водоснабжения установок очистки конвертерного газа равна 4000 м³/ч..