Сторінка
1

Системи технологій металургії і перспективи поліпшення її екологічних характеристик

Системи технологій чорної металургії

Історичні періоди розвитку суспільства, як відомо, позначені назвами основного матеріалу, який воно застосувало для вироблення засобів праці і предметів ужитку: кам’яний, бронзовий і залізний віки. Останній охоплює і наш час, оскільки залізо і сьогодні є найпоширенішим штучно вилученим з природи конструкційним матеріалом — фундаментом сучасної цивілізації. За вмістом хімічних елементів у земній корі залізо (у хімічних сполуках) займає четверте місце (близько 5 %), поступаючись лише кисню, кремнію й алюмінію. За своїми властивостями воно задовольняє широкий спектр технічних вимог: може бути пластичним і піддатливим для обробки тиском, пружним або таким твердим, що може різати інші метали. Додаючи в залізо-вуглецеві сплави легуючі елементи, такі як Cr, Wo, Co, W та ін., одержують нержавіючі й жаростійкі сталі.

Незважаючи на широке застосування в сучасній техніці алюмінію і нових сплавів на основі титану, цирконію, магнію та ін., значення заліза в народному господарстві не зменшується.

Щорічне виробництво сталі у світі становить понад 700 млн t. В Україні у 80-ті роки воно досягало 55 млн t, тобто було більше, ніж у будь-якій іншій європейській країні. Металургія і сьогодні є провідною галуззю індустрії розвинених країн світу. Система технології чорної металургії відпрацьовувалась віками. І все ж вона завдає чи не найбільше екологічних турбот суспільству. Про це наочно свідчить екологічний стан областей України з розвиненою металургійною промисловістю (див. рис. 34).

Традиційна система технології виробництва сталі складається з послідовних технологічних процесів:

— видобуток залізної руди і її збагачення;

— видобуток флюсів у кар’єрах;

— видобуток і збагачення вугілля;

— коксування вугілля;

— доменний процес відновлення заліза з одержанням чавуну;

— виплавлення сталей із чавуну в мартенах чи конверторах.

Стехіометрія, матеріальний баланс та екологія процесу. Роз­глянемо матеріальний потік системи технологій цього виробництва за вже відомою нам схемою (див. розділ 1.2.3). Нині промислові руди вміщують заліза від 20 % і вище, а в домну надходить попередньо збагачена (звільнена від пустої породи) руда зі вмістом заліза до 60 %.

Матеріальні потоки основних процесів доменного відновлення заліза базуються на стехіометрії процесу і можуть бути схематично викладені у розрахунку на 1 t чавуну — залізо-вуглецевого сплаву (940 kg Fe, 40 kg C, 20 kg — Si, Mg і домішки) у такій послідовності.

Реальний вміст заліза у збагаченій руді, яка завантажується в домну, може досягати 60 %. Отже, на одну тонну чавуну (940 kg Fe) потрібно збагаченої руди (за пропорцією):

У середньому вихідна (сира) руда до збагачення містить близько 30 % заліза на тонну чавуну, отже, її витрати за аналогічним розрахунком становитимуть 3140 kg, а відходи на кожну тонну чавуну відповідно становитимуть 3140 – 940 = 2200 kg.

Якщо навіть збагачувати руду до 100 % залізовміщуючого мінералу, наприклад Fe2O3 (гематиту), то вміст заліза в такій руді становив би (відповідно до молярних мас .

При цьому на тонну чавуну треба було витратити гематиту (без пустої породи):

Отже, за використання руди з 60 % вмісту заліза ми разом з гематитом Fe2O3 вносимо в домну 1570 — 1350 = 220 kg пустої породи, яка в основному є оксидом кремнію SiO2. Цей оксид досить туго- плавкий (1800°С), і щоб його розплавити й перевести в шлак за нижчої температури, до руди (в шихту) додають плавні (флюси), наприклад вапно — СаО. Флюс взаємодіє з пустою породою за реакцією СаО + SiO2 = CaSiO3. Одержаний силікат кальцію має нижчу, ніж чавун, температуру плавлення і питому масу, а тому накопичується в горні доменної печі над чавуном, звідки крізь летку (отвір у горні) виводиться в шлаковози.

З наведеного стехіометричного рівняння видно, що на один моль SiO2 витрачається один моль СаО. Оскільки їхні молярні маси близькі МСаО = 56 і = 60, то витрати СаО наближаються до маси пустої породи (SiO2 ) 220 kg

З огляду на економічну доцільність в шихту вводять не СаО, а СаСО3 (вапняк), який розпадається за 900°С безпосередньо в домні за стехіометричним рівнянням . Розрахуємо масу вихідного вапняку й діоксиду вуглецю, який виділився в домні: