УДК 669.1:622.78+669:628.53

Интересы современной экологической безопасности требуют коренного изменения подхода к проблеме организации малоотходных технологических процессов и комплексной переработки вторичных материальных и энергетических ресурсов металлургии. В черной металлургии одним из основных загрязнителей воздушного бассейна является сталеплавильное производство, особенно конвертерное, которое пришло на смену еще более «грязному» мартеновскому. По сравнению с мартеновским конвертерное производство характеризуется лучшими условиями труда и меньшим загрязнением окружающей природной среды, а также позволяет получать сталь с меньшими затратами. В тоже время обильное газовыделение является одним из главных недостатков конвертерного производства, а очистка газов и предшествующее их охлаждение продолжают оставаться сложными проблемами.

Современное состояние конвертерного производства Украины характеризуется словами «устаревшее» и «экологически опасное». Устаревшие технологические схемы выплавки стали в конвертерах, а также использование малоэффективных систем газоочисток приводит к значительным выбросам вредных веществ в атмосферу. Образующиеся после газоочистки железосодержащие шламы из-за отсутствия простых и экономически выгодных технологий их подготовки и утилизации очень часто остаются невостребованными и складируются в шламонакопителях. Конвертерный шлак, являющийся ценным оборотным продуктом, не находит должного применения и накапливается в шлаковых отвалах предприятий.

Направления по повышению экологической безопасности в сталеплавильном производстве можно разделить на три группы:

1. разработка малоотходных технологий производства металла;
2. разработка принципиально новых производительных и экономичных схем очистки сбросов и выбросов загрязняющих веществ;
3. полная комплексная переработка образующихся отходов.

Значительные резервы по организации малоотходного производства имеются в кислородно-конвертерном процессе. Повысить экологическую безопасность на украинских предприятиях можно за счет совершенствования и оптимизации технологии и технологических приемов, к которым можно отнести:

1. технологию плавки с рафинированием и доводкой состава металла в ковше;
2. комбинированную продувку, обеспечивающую экономию шлакообразующих, чугуна, ферросплавов и повышение выхода годного металла;
3. оптимизацию режима продувки, обеспечивающую уменьшение потерь металла с выносами и выбросами;
4. десульфурацию чугуна в ковше и доставку жидкого чугуна в ковшах миксерного типа для сохранения температуры чугуна;
5. увеличение доли лома в шихте и предварительный его нагрев;
6. ввод твёрдых углеродосодержащих добавок в агрегат;
7. увеличение степени дожигания СО до СО2 в полости конвертера или сбор конвертерных газов в газгольдере с последующим использованием СО;
8. применение отходов в качестве шлакообразующих.

Конвертерный газ является высококачественным технологическим и энергетическим топливом. В нем в незначительном количестве (до 1%) содержатся азот, водород и кислород, а основной составляющей является СО (до 90%) и СО2 (до 10%), Такой состав газа обуславливает высокую теплоту его сгорания (8,5-9,2 МДж/м3). Количество конвертерного газа, выходящее из конвертера составляет 60-80 м3 на 1 т садки, а температура близка к температуре металла в конвертере и составляет 1400-1 800°С. Выход газов и их состав переменны по ходу плавки. Для организации технологии их использования, как энергоносителя, потребуется герметизация существующих газоотводящих трактов для ликвидации несанкционированных подсосов воздуха (газовая смесь, содержащая больше 12% СО, становится взрывоопасной при концентрации кислорода больше 5 %) и установка специальных накопительных емкостей -газгольдеров для создания запаса газа и обеспечения бесперебойной подачи его потребителям.

Без очистки и охлаждения газ можно использовать для подогрева шихтовых материалов конвертерной плавки и как восстановитель железорудного сырья. Для использования конвертерного газа в качестве топлива или химического сырья он должен быть предварительно охлажден перед газоочисткой до 200-300С и соответственно очищен от пыли. Для охлаждения применяются несколько способов: разбавление воздухом; впрыск воды; оборудование газохода водоохлаждаемыми каминами или экранами; выработка пара в котлах-утилизаторах за счет физической теплоты конвертерных газов или продуктов их сгорания. Чаще всего эти способы комбинируются.

Газы на выходе из кислородного конвертера содержат энергию 0,95-1,05 МДж/т стали (20% физического тепла и 80% химической энергии). Использование теплоты газов позволяет сэкономить до 30 тыс. т. условного топлива на 1 млн. т. стали. Таким образом, применение конвертерного газа в качестве топлива является одним из резервов топливно-энергетических ресурсов.

В конвертерном производстве особую сложность представляет улавливание, подготовка и утилизация технологических и аспирационных пылей и шламов, особенно с повышенным содержанием цветных металлов. Современная технология подготовки пылей и шламов конвертерного производства, разработанная в ДонНТУ, была реализована на меткомбинате им. Дзержинского. Основной задачей этого комплекса являлась рациональная подготовка к утилизации в аглопроизводстве всех железосодержащих отходов кислородно-конвертерного цеха: шламов, известковой пыли, пыли аспирационных систем, отсевов извести и известняка, а также гранулированного конвертерного шлака. Совместная подготовка сухой известковой пыли известково-обжигового участка и влажного конвертерного шлама позволила значительно сократить расходы на подготовку отходов, по сравнению с технологией сушки шламов в сушильных барабанах. Кроме того, получаемая гомогенная сыпучая шламоизвестковая смесь пригодна для использования в агломерации, в то время как укрупненные и упрочненные гранулы конвертерного шлама после сушки не пригодны для агломерации.

В связи с увеличением в шихте конвертеров доли лома, загрязненного цветными металлами и вредными примесями, содержание цинка в пылевыносе может достигать 4-6%. Утилизировать такие шламы в строительной индустрии при производстве цемента не рационально, так как это приведет к безвозвратным потерям ценных компонентов, содержащихся в них. При переработке железосодержащих шламов с повышенным содержанием цинка в агломерационном производстве по обычной технологии спекания удаление цинка практически не происходит и он попадает вместе с агломератом в доменные печи. При попадании цинка в доменную печь происходит его накопление в пространстве печи, а о его вредном влиянии хорошо известно специалистам.

Такие шламы, загрязненные цинком, не пригодны для переработки в аглодоменном производстве. Их необходимо окусковывать и подвергать рециклингу с целью накопления интересующего компонента. По достижении необходимой для извлечения концентрации (15% и более) его отправляют на предприятия цветной металлургии. Но при использовании в сталеплавильных агрегатах таких железосодержащих отходов возникает ряд технологических трудностей связанных с их транспортировкой, загрузкой в агрегат, предотвращением выбросов, вторичным пылением.

Чтобы уменьшить содержание цинка в сталеплавильных шламах, необходимо не допустить попадания его в сталеплавильный агрегат вместе с металлоломом. Для этого необходимо удалить его с поверхности металлолома еще на стадии подготовки и нагрева. Нами предлагается оцинкованный металлолом предварительно подогревать конвертерным газом в восстановительной атмосфере на отдельно стоящих установках с газоочистками для улавливания возгонов. Для создания восстановительной атмосферы внутрь пакета предлагается запрессовывать твердые углеродсодержащие материалы в кусковом виде (дешевые сорта углей). В процессе подогрева лома, в результате присутствия угля будет поддерживаться восстановительная атмосфера, которая способствует эффективному удалению цинка с поверхности металла. Кроме того, этот прием позволяет максимально снизить окисление металлолома при его нагреве, а значит, и снизить потери металла на угар. Уловленные возгоны цинка и свинца периодически выгружаются и направляются на дальнейшую переработку. Такая технология позволит удалять с поверхности металлолома до 90% цинка, улавливать его в отдельной газоочистке, исключая, тем самым, попадание его в шлам основной газоочистки, который может быть утилизирован в аглопроизводстве без ограничений.

Если организация таких мероприятий затруднительна, предлагается второй вариант, по которому цинк можно извлекать из шламов при организации рециклинга пылевыноса с дальнейшим его окускованием и обработкой огненно-жидкими шлаками. Цинксодержащие пыли и шламы, смешанные с восстановителем заливаются жидким шлаком в шлаковне. Такая технология может быть осуществлена как при сливе шлака из сталеплавильного агрегата, так и при переливе шлака из шлаковой чаши на отдельном участке. Важным элементом технологии является дозирование отходов по ходу слива. Теплотехнические расчеты показали, что одной тонной огненно-жидких шлаков, в которых саккумулировано до 2 ГДж физической теплоты, можно обрабатывать от 180 кг шламов с влажностью 10% без добавки углерода и до 1500 кг с добавкой 20% углерода. При этом происходит сухая грануляция шлака, обогащение их оксидами железа и возгонка цветных металлов. Уловленные в газоочистном аппарате (рукавный фильтр) возгоны, содержащие 30-45% цинка и 5-10% свинца, накапливаются в бункере и периодически отгружаются на заводы цветной металлургии или на специальные участки для переработки в товарный продукт. Гранулированный шлак выгружается из реактора (шлаковозной чаши) охлаждается и после грохочения может в значительных количествах (в зависимости от баланса фосфора) использоваться в аглодоменном переделе.

Удельный выход конвертерного шлака определяется сырьевой базой и техническим уровнем развития конвертерного передела, а накапливаемое (неиспользуемое) количество - уровнем шлакопереработки и готовности предприятий к применению способов и мер, обеспечивающих максимальное использование шлаков в качестве оборотного продукта.

Конвертерный шлак ценен благодаря наличию в нем ценных для металлургического передела компонентов, таких как CaO, MgO, MnO, CaF2, FeO. Кроме того, в конвертерном шлаке текущего производства содержится от 5 до 20% железа в виде «корольков». Содержание СаО в известняке и в конвертерном шлаке находится примерно на одном уровне (46-52%). Это позволяет использовать конвертерный шлак взамен известняка в аглодоменном производстве, в вагранках литейных цехов, в мартеновских печах.

Как показывают термодинамические расчеты, затраты тепла на диссоциацию известняка и получение шлакового расплава примерно в 1,5-1,7 раза больше, чем при применении конвертерного шлака.

Если учесть еще и то, что известняк природный материал, запасы которого, в конечном счете, ограничены, а конвертерный шлак является отходом производства, преимущество его использования в металлургическом переделе вместо известняка бесспорно.

Переработка конвертерного шлака текущего производства производится на стационарном участке шлакопереработки с использованием способа термодробления. Предусмотрена раздельная переработка жидкого шлака и ковшевых остатков. К технологии первичной переработки конвертерных шлаков на стационарном участке относится:

1. транспортировка шлака на участок;
2. слив шлака в ямы-траншеи;
3. передвижение шлаковозов в секцию для выбивки ковшевых остатков и выбивка последних;
4. термодробление и охлаждение шлака водой;
5. разработка остывшего шлака экскаватором;
6. извлечение крупногабаритного скрапа;
7. транспортировка остывшего шлака автотранспортом на дробильно-сортировочный участок.

Как показывает опыт работы Енакиевского металлургического завода, в аглошихте можно использовать конвертерный шлак фракции 0-Ю мм с расходом 30-50 кг/т агломерата без ухудшения технико-экономических показателей работы аглофабрики. В доменные печи и вагранки литейных цехов отправляется конвертерный шлак фракции 10-40 мм. При использовании конвертерного шлака в мартеновских печах вместо известняка за счет более раннего шлакообразования наблюдается более полное удаление фосфора в шлак.

Таким образом, с экономической и экологической точек зрения использование конвертерного шлака взамен известняка в металлургическом переделе очень выгодно, так как позволит снизить расход природных шихтовых материалов и кокса, а также сократить выбросы углекислого газа и пыли. Использование высокоэффективных газоочистных систем с организацией полной и комплексной утилизацией отходов позволит увеличить технико-экономические показатели производства стали и значительно снизить уровень загрязнения окружающей среды. Организация процессов, контролирующих движение цинка в металлургических процессах, позволит существенно снизить отрицательное влияние цинка на технологию доменного производства при утилизации пылевыноса сталеплавильных агрегатов, а также рационально решить вопрос получения дополнительного количества дефицитного цинка из отходов черной металлургии. Комплексный подход к решению экологических проблем конвертерного производства позволит существенно улучшить экологическую обстановку на металлургических комбинатах страны.

Поступила в редакцию 13.05.04