Махортова Юлия Викторовна

РЕФЕРАТ

Актуальность темы

Актуальность данной темы заключается в том, что предлагаемые для внедрения в электросталеплавильное производство технологические методы направлены на ресурсосбережение и энергосбережение, а также на уменьшение вредных выбросов производства. Они позволят снизить затраты топливных ресурсов, улучшить и ускорить процесс плавления, сократить выбросы пыли и токсичных соединений. Это приведет к снижению себестоимости продукции и снижению вредного воздействия на окружающую природную среду.

Цель и задачи работы

Цели данной работы является:
— снижение энергетических затрат электросталеплавильного производства;
— разработка ресурсосберегающей технологии;
— снижение вредного воздействия электросталеплавильного производства на окружающую природную среду.
Задачи:
— поиск и усовершенствование энергосберегающих технологий;
— поиск и усовершенствование ресурсосберегающих технологий;

Новизна работы

Новизна работы заключается в том, что предлагаются для внедрения в электросталеплавильное производство современные технологии, которые позволяют достичь планируемых целей и задач этой работы.

Практическая значимость результатов

Результат данной работы — разработка технологических методов для внедрения в условиях электросталеплавильного производства. Использование этих методов позволит предприятию организовать более эффективное производство стали, обеспечив минимальное негативное воздействие производства на окружающую среду, позволит снизить возможные экологические платежи за выбросы, снизит себестоимость продукции за счет снижения энергозатрат и уменьшения экологических выплат, позволит повысить конкурентоспособность продукции и увеличить экспортные возможности продукции. Результаты данной работы могут быть применены для условий любого завода.

Обзор состояния вопроса

Известно, что экономика Украины имеет низкий уровень самообеспечения энергетическими ресурсами при реальной перспективе резкого повышения цен на энергоносители. Сегодня наша страна занимает первое место в мире среди промышленно развитых государств по затратам энергии на единицу производимого валового продукта. Очевидно, что такого, как у нас, расточительного расходования энергетических и материальных ресурсов не выдержит экономика ни одной страны.
Меры по тепло- и энергосбережению в металлургии можно разделить на глобальные, требующие многомиллионных инвестиций и достаточно продолжительного времени для внедрения, и на сравнительно недорогие, доступные для массового применении, быстро реализуемые и быстро окупаемые.
Хотя в России стали в целом производится в два раза больше, чем в Украине, но в мартеновских печах выплавляется примерно в 1,5 раза меньше, а в электрических дуговых сталеплавильных печах (ДСП) — в 4 раза больше, чем в Украине. Т.е. доля электростали составляет примерно 23 — 25% от общего производства. Впрочем, объемы ее постоянно наращиваются и к 2015-му должны достичь 25 млн. тонн в год (32 — 35%).
Главное в стратегии развития металлургии России заключается в опережающих темпах строительства новых металлургических мини-заводов, переплавляющих металлолом в ДСП. Компактные мини-заводы возводятся в «неметаллургических» регионах, вблизи крупных потребителей готовой продукции, в частности арматуры для строительства, и центров заготовки стального лома, что гарантирует обеспечение этим сырьем электросталеплавильного производства.[1]
На Украине, в районе Белой Церкви, началось строительство современного энергоэкономного сталепрокатного мини-завода. Это уникальный технико-экономический проект многократно реализованный в мировой практике. Более 15 лет назад эти технологию и оборудование можно было увидеть на мини-заводов в Ньюкоре (США) и «Арведи» вблизи Милана (Италия). Эти предприятия соседствуют с жилыми массивами. Их корпуса снаружи похожи на здания больших медицинских центров, больниц. С одной стороны - в ворота заезжают вагоны с металлоломом, с противоположной — те же вагоны выезжают уже с готовой продукцией - прокатом. Рабочие внутри завода ходят в белых халатах. Да и назвать их рабочими в нашем понимании нельзя. Правильнее говорить о техническом персонале, управляющем производственным процессом. Весь технологический процесс и оборудование компьютеризированы и автоматизированы. Разумеется, что о каком-либо ощутимом загрязнении атмосферы, окружающей среды речь не идет.
Сталепрокатный завод в Белой Церкви еще более современный, поскольку технологии за 20 лет были значительно усовершенствованы. Отдельные технологические решения действительно уникальны, вызывают у специалистов без преувеличения восторг и восхищение. О загрязнении окружающей среды здесь говорить вообще не приходится — проект это исключает. Проект строительства Белоцерковского сталепрокатного завода не просто экологически безопасный — он образцовый, соответствующий высшим мировым стандартам.

Основные исследования и результаты

Электросталеплавильное производство является одним из производств, выбрасывающих большое количество пыли других загрязняющих веществ. Величина этих выбросов зависит от применяемого сырья, технологического режима плавки, использования интенсификаторов и способа отвода газов от печи.
Выход технологических газов из электросталеплавильной печей определяется сгоранием углерода шихты и электродов, разложением необожженной части известняка и подсосом атмосферного воздуха в печь.
Количество отходящих газов равно 40 — 150 м³/ч на 1 т садки без продувки кислородом и 200 м³/ч при продувке.
Физико-химические процессы, протекающие в электропечах при выплавке различных марок сталей различны, они определяют состав вредных выбросов.

Пылевые выбросы. Мелкодисперсная пыль образуется в результате испарения металла в районе действия электрических дуг, пары которого конденсируются и взаимодействуют с кислородом и азотом имеющимися в рабочем пространстве печи. Более крупные фракции пыли образуются из шлакообразующих и раскислителей.
В период расплавления чистой и крупногабаритной шихты образуется небольшое количество пыли. В период кипения выбросы достигают максимальных значений в результате действия кислородных струй и активного кипения металла, в период доводки выбросы снижаются до минимума.
Вынос пыли составляет 10 кг/т стали, выплавляемой без продувки кислородом, и 20 кг/т стали с продувкой. В первую половину плавки выделяется до 75% всей пыли. При выплавке стали на грязном, ржавом и малогабаритном скрапе количество пыли увеличивается.
При продувке кислородом количество возгоняемой пыли резко увеличивается. Приведем ряд данных с разных заводов: на одном — средний размер частиц пыли был равен 0,06 мкм, в другом случае пыль содержала 85% частиц с фракцией меньше 4 мкм, в третьем случае свыше 95% пыли имели размер меньше 0,5 мкм.[2]
Пыль выбрасываемая электросталеплавильными печами, состоит преимущественно из оксидов железа. В период расплавления суммарное количество оксидов железа составляет около 80%, в период кипения (при продувке кислородом) 62%, в период доводки — 53%.
В период расплавления в пыли появляются оксиды марганца (примерно 11%), в период доводки — оксиды кальция (6%) и магния (9%).

Выбросы вредных веществ. Высокая температура и действие электрической дуги в рабочем пространстве печи вызывает образование оксида углерода, оксидов азота и серы, цианидов и фторидов, которые выбрасываются из печи вместе с газами.

Отходящие газы ДСП взрывоопасны. Состав газа %: CO — 15-25 %, H₂ — 0,5-3,5; CO₂ — 5-10; N₂ — 61-70; O₂ — 3,5-10.

Неорганизованные выбросы.Количество неорганизованных выбросов из дуговых электросталеплавильных печей точному учету не поддается из-за наличия неконтролируемых отверстий. Общее количество газов неорганизованных выбросов составляет до 40% всего количества технологических газов.[3]

Повышение экологичности производства.Количество вредных выбросов можно существенно сократить, а некоторые можно исключить полностью при помощи правильной организации отсоса газов из рабочего пространства печи.

1) Хорошо применять регулируемый отсос и поддерживать под сводом постоянное давление, равное внешнему давлению воздуха. Хорошо зарекомендовал себя двойной отсос газов из области рамы рабочего окна и отверстия под сводом. При этом в устройстве, отводящем газ от рамы, следует устанавливать регулируемую дроссельную заслонку. Для хорошей работы регулируемого отсасывающего устройства нужно уплотнять отверстия между электродами и сводом печи при помощи механических приспособлений и путем подачи воздуха под небольшим давлением.

2) Выбросы пыли при продувке ванны кислородом можно сократить, применяя газово-кислородные горелки и фурмы специальной конструкции, которые одновременно могут интенсифицировать процесс выплавки стали.

3) Заслуживает внимания подача инертного газа (например, аргона) в очаг горения электрической дуги через осевые отверстия в электродах или другим способом. При этом количество высокодисперсной пыли уменьшается в 2 — 3 раза и технология плавки не изменяется.

Исходя из механизма образования пылегазовых выбросов в дуговых сталеплавильных печах можно сказать, что сокращение выбросов должно осуществляться, прежде всего за счет оптимизации способов подачи кислорода в ванну печи, организации дополнительного подвода тепла в рабочее пространство (установки газокислородных горелок), предварительного подогрева шихты перед загрузкой в печь, а так же выбора правильного режима плавки.

1) Имеющийся опыт по совершенствованию процесса продувки показывает, что процесс пылеобразования во многом зависит от конструктивных наконечника кислородных фурм. Для уменьшения пылеобразования необходимо снижать температуру металла в реакционной зоне продувки. Этого можно достичь путем рассредоточения дутья, добавления различных охладителей в реакционную зону, усиления циркуляции жидкого металла вблизи реакционной зоны. Наибольший эффект достигается при так называемой глубинной продувке.
Как известно, продувка с использованием многосопловых фурм усиливает циркуляцию металла в реакционной зоне, что приводит к снижению его температуры и уменьшению пылевыделения. Такой же эффект достигается при применении фурм с плоскощелевыми соплами. При этом повышается процент использования кислорода (на 15 — 20%) и выход годного (на 0,5%).[5]

2) Добавка к кислородному дутью воздуха позволяет значительно снизить интенсивность пылеобразования. Резкое снижение пылевыделения при продувке сталеплавильных ванн наблюдается при добавке к кислороду восстановительных газов или жидкого топлива. При выборе параметров кислородно-газовой продувки необходимо специфические особенности плавки в дуговых сталеплавильных печах. Сжигание топлива в рабочем пространстве печи является дополнительным источником тепловой энергии и естественно должно привести к ускорению процесса расплавления шихты и сокращению расхода электроэнергии. При этом необходимо обеспечить такую эффективность теплопередачи от факела к шихте, при котором бы не наблюдался интенсивный износ футеровки печи.
Примером такого технического решения является способ кислородно-газовой продувки, при котором факел обладает окислительным потенциалом, не оказывающим отрицательного влияния на стойкость футеровки, и резко сокращает образование бурого дыма. При этом способе выплавки стали в электропечах окислительная способность кислородно-газового факела регулируется в зависимости от периода плавки. В период расплавления расход природного газа составляет 0,4 — 0,5 объема кислорода.[6]

3) Процесс пылеобразования можно уменьшить при подаче в струю кислорода различных порошкообразных материалов. Добавка пшата в виде частиц размером не более 2 мкм в количестве 2,5 — 3% от массы садки печи приводит к резкому сокращению пылеобразования, снижению угара легирующих элементов и сокращению продолжительности плавки. Применение порошков железорудного концентрата в струе кислорода снижает содержание пыли в газах в 4 — 8 раза по сравнению с содержанием при продувке чистым кислородом: при этом выход годного увеличивается на 2,5%. Широкое распространение такого способа снижения пылеобразования сдерживается в настоящее время из-за отсутствия надежных и простых средств подачи пылевых частиц в струю кислорода.
Как указывалось выше, интенсификация процесса перемешивания ванны приводит к снижению температуры реакционной зоны и снижению интенсивности пылеобразования. Поэтому подача в ванну аргона для интенсификации перемешивания приводит к снижению пылеобразования и сокращению угара легирующих. Последнее может достигать 26 — 27%.[7]

4) Снижению выбросов в атмосферу способствует нагрев лома перед загрузкой его в печь. При подогреве лома до 700 — 760°С резко сокращается длительность плавки. При этом отпадает необходимость такой операции как подрезка, а продувка кислородом начинается при более высокой температуре ванны. Все это приводит к общему сокращению пылегазовых выбросов вследствие снижения угара железа и легирующих элементов.

5) В дуговых печах постоянного тока по сравнению с трехфазным выделение пыли резко снижается, что связано с особенностями дуги постоянного тока. В печах постоянного тока металл контактирует только с анодным пятном электрической дуги. Так как плотность тока и удельный тепловой поток в анодном пятне на порядок ниже, чем в катодном, в процессе плавки в печах постоянного тока испаряется меньше металла и шлака, образуется в 6 — 8 раз меньше пыли, чем в трехфазных печах. Это подтверждено опытом, где было установлено уменьшение угара металла, меньшее развитие окислительных процессов в ходе плавки и снижение уровня пылевыбросов в 5 — 8 раз.[8]
Кроме того, в печах постоянного тока происходят процессы, отличающиеся от процессов в печах переменного тока. Вокруг дуги постоянного тока создается постоянное электрическое поле, воздействующее на заряженные частицы, находящиеся в нем. На положительно заряженные частицы действует сила электрического поля, направленная к катоду. Положительно заряженные частицы, прежде всего Fe²⁺, витающие в околоэлектродной зоне, разряжаются, слипаются и возвращаются в расплав, что подтверждается измерением содержания FeO в технологических газах печей постоянного и переменного тока. На отрицательно заряженные частицы действует сила, направленная к расплаву. В печах переменного тока мгновенное значение электрического поля меняет свое направление и величину с частотой 50 Гц. Силы, действующие на частицы, также периодически меняют направление, и направленного движения частиц не происходит. В результате образуется однородное в печном пространстве пылегазовое облако, которое выносится технологическими газами. Поэтому печи постоянного тока имеют явное экологическое преимущество по сравнению с трехфазными печами.[9]
Большая стабильность дуги обуславливает меньший газообмен между объемом печи и атмосферой и соответственно меньший объем технологических газов.

9) Снижение выноса пыли в систему газоочистки может быть обеспечено путем изменения конструкции дуговой печи и свода в частности. Водоохлаждаемый свод с системой газоотсоса. В нем по периметру выполнена кольцевая камера образованная трубчатыми водоохлаждаемыми панелями, змеевики которых навиты в плоскости, перпендикулярной продольной оси печи. Камера закрыта сверху листом экрана в котором выполнено отверстие под сводовый патрубок. Нижняя часть камеры представляет газораспределительную решетку с переменным шагом по угловому положению относительно отверстия газохода. В камере создается разрежение. Отсос газов в кольцевую камеру проводится со всей поверхности подсводового пространства печи со значительной степенью равномерности. Следствием распределенной системы газоотсоса является снижение скорости печных газов. Это способствует уменьшению выноса крупных частиц в систему газоочистки и подсоса воздуха через неплотности печи. Кроме того, сама газораспределительная решетка является первичным фильтром очистки печных газов от пыли, которая оседает на относительно холодной поверхности гарнисажа на трубах и по мере роста его толщины сверх равновесной, по условиям теплообмена, оплавляется и возвращается в печь. Определение запыленности отходящих газов при переходе со стандартного водоохлаждаемого свода на свод с системой распределенного газоотсоса показало снижение уровня запыленности в период плавления в 2 — 4 раза, в период доводки плавки — в 1,5 — 2 раза.

Супертоксичные выбросы и их сокращение,
Диоксины и фураны являются одними из самых токсичных соединений, известных человеку. Для образования диоксинов необходимы органические соединения, кислород и определенная температура. На заводах все реже имеется в наличии качественный лом, увеличивается доля стального лома, загрязненного полихлорвиниловыми соединениями. В сочетании с этими материалами при нагреве лома образуются летучие органические соединения, диоксины и фураны. Катализаторами, во много раз увеличивающими содержание диоксинов в продуктах горения, служат тяжелые металлы такие, как медь.
Дуговые печи выбрасывают 0,01 — 1,3 нг/м³ «токсичного эквивалента».
Улавливание диоксинов и фуранов представляет большую проблему. Обычные системы газоочистки улавливают до 60% диоксинов. Необходимым условием снижения содержания диоксинов в технологических газах является четкое понимание поведения диоксинов в различных технологических процессах, знание условий их образований и разложений, продолжительность их существования при различной температуре. При высокой температуре больше (1200 °С) диоксины полностью разлогаються. Однако при охлаждении технологических газов диоксины вновь образуются в результате реакции «новосинтеза» органических компонентов и хлорида в газах при 200 — 600 °С). В интервале температуры 250 — 400 °С «новоиснтез» диоксинов достигает максимума. Температурурная зависимость образования и разложения и диоксинов представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 — Влияние температуры отходящих газов после закалочного процесса на концентрацию диоксинов
(анимация: 4 повторения, 5 кадров, 139 КБайт)

Температура отходящих газов после охлаждения является определяющим фактором. Концентрация диоксинов может быть снижена до допустимого уровня при комбинации термической обработки печных технологических газов (дожигания газа) с быстрым охлаждением и эффективной фильтрацией газов. Снижению образования ядовитых органических соединений в технологических газах способствует мониторинг стального лома и его подготовка к плавке.

Перспективы исследований по теме

Заслуживает дальнейшего рассмотрения внедрение рассмотренных выше технологических методов снижения вредных выбросов и технологий ресурсосбережения именно на существующих металлургических предприятиях Украины. Необходимо стимулировать исследования в направлениях, позволяющих снизить количество вредных выбросов и обеспечивающих малоотходность технологического процесса, ведь прежде всего в этом должны быть заинтересованы сами металлургические предприятия.
Игнорирование данной проблемы повлечет за собой увеличение экологических платежей за выбросы, превышающие установленные нормы, и снижение рентабельности предприятия, уменьшение конкурентоспособности продукции на мировом рынке, а также сохранится высокое загрязнение окружающей среды города и рабочей зоны цехов из-за несовершенства технологий, применяемых на предприятиях в настоящее время.[10]

Выводы

Для того чтобы уменьшить количество вредных выбросов в атмосферу, снизить количество сбросов от электросталеплавильного производства, необходимо создание ресурсосберегающих, малоотходных технологий. В полной мере это может быть обеспечено, только применив комплексный подход к решению проблем. Необходимо совершенствование технологии, повышение уровня межотраслевой кооперации, координации работ в вопросах утилизации отходов и защиты окружающей среды. Рациональное использование природных ресурсов, снижение их потребления технологическими методами и путем утилизации отходов ведут к экологизации производства и минимизируют нагрузку электросталеплавильного производства на окружающую среду.

Перечень ссылок

1. Андоньев С. М, Зайцев Ю. С, Филипьев О. В. Пылегазовые выбросы предприятий черной металлургии. — Харьков — 1998. — 246с

2. Лопухов Г. А. Эволюция электросталеплавильного производства к 2010 году // Электрометаллургия. 2002. № 5. С. 2 — 3.

3. Афонин С. З. Сталеплавильное производство России и конкурентоспособность металлопродукции // Электрометаллургия. 2003. № 1. С. 2 — 5.

4. Авдеев В. А., Друян В. М., Кудрин Б. И. Основы проектирования металлургических заводов: Справочное издание. М.: Интермет Инжиниринг, 2002. 464 с.

5. Вагин Г. Я., Лоскутов А. Б., Шалаев С. А. Основные направления экономии энергии на металлургических предприятиях // Промышленная энергетика. 1995. № 9. С. 12—15.

6. Осипенко В.Д., Егоричев А. П., Максимов Б.Н. Отвод и Обеспыливание газов дуговых сталеплавильных печей. — М.: Металлургия, 1986. - 140 с.

7. Юзов О. В., Харитонова М. А., Гурьев В. С. Эффективность охраны атмосферы от выбросов сталеплавильного производства. — М.: Металлургия, 1987. — 103 с.

8. К.Л. Клайн Высокопроизводительная работа электродуговой печи с малыми выбросами на заводе BSW // Электрометаллургия. — 2000, №7.— с.23—30.

9. Б.П. Платонов Физико-химические процессы образования пылегазовой фазы в дуговых печах // Известия ВУЗов Черная металлургия. 1999 — №2 — с. 68 — 69.

10. Вишкарев А. Ф. Снижение пылевыбросов в атмосферу при выплавке стали в электродуговых печах. // Новости черной металлургии за рубежом. — 2003. — № 2. — с. 68 — 69.

Примечание: На данный момент работа находится в стадии разработки. Завершение планируется на начало декабря 2009 года.

©ДонНТУ 2009 Махортова Ю. В.