Olena Zhyriakova

Мета. Задачі
Беручи до уваги кризову екологічну ситуацію в Донбасі, Кривбасі та Придніпров'ї, необхідна розробка перспективних проектів по нейтралізації токсичних і супертоксічних агломераційних газів. В умовах ринкової економіки, конкуренції та загальної тенденції подорожчання енергоносіїв пріоритетного значення набувають якість продукції та енерговитрати на її виготовлення. Прогресивна зміна цих показників нерозривно пов'язана з поліпшенням екологічних характеристик, що особливо важливо для агломераційного виробництва. До загальних напрямків економії енергоресурсів для агломераційних фабрик відносять підготовку шихтових матеріалів та шихти в цілому; збільшення висоти шару шихти, що спікається; оптимізацію параметрів роботи та конструктивних характеристик запального горна; використання тепла гарячого агломерату і газів, що відходять від агломераційної машини; підвищення герметичності обладнання та зниження втрат тиску в ньому; оптимізацію режимів роботи ексгаустерів. Для кожної окремої агломераційної фабрики ступінь значущості кожного з цих напрямків різна. Вміст у газах, що відходять, шкідливих газоподібних складових (оксидів вуглецю, сірки, азоту) визначається складом шихти та особливостями технологічного процесу. Для вирішення поставленої проблеми розглядаються сучасні тенденції розвитку агломераційного виробництва, визначаються технологічні способи та організаційно-технічні заходи, що дозволяють пригнічувати утворення газопилевих викидів до виходу з процесу.


Актуальність. Мотивація
Агломераційні фабрики України, побудовані більш ніж 40-70 років тому, мають високий 70-90% ступінь зносу і морально застаріли. В їхньому складі немає сучасних технологічних схем, ефективного обладнання для усереднення і дозування сировини, змішування та окомкування шихти, охолодження, дробіння і особливо грохочення агломерату. З цієї причини протягом багатьох десятирічь унеможливлювалось кардинальне поліпшення якості товарного продукту агломераційних фабрик, особливо за вмістом в ньому небажаних дрібних фракцій.
Треба зауважити, що у виданому в 2005 р. Всеукраїнському проекті «Металургія, машинообробка, машинобудування» в якості першочергового заходу розвитку доменного виробництва декларується «поліпшення якості підготовлених до доменної плавки сировини і коксу», але нічого конкретного, конструктивного стосовно виробництва агломерату не запропоновано. Технічна політика нового керівництва приватизованих держпідприємств - генеральних менеджерів фінансово-промислових корпорацій - зосереджена в основному на забезпеченні виробництва потрібної кількості агломерату. Для цього проводилися помірні підтримуючі ремонти агломераційних машин без виконання великих реконструктивних робіт, спрямованих на поліпшення головного - якості агломерату. В результаті агломераційне виробництво України відстає від досягнень кращих світових аналогів у 5-7 разів. Тому так необхідна модернізація аглофабрики в цілому, а також за окремими агрегатами і пристроями.

Найбільша в Європі аглофабрика ВАТ "ММК ім. Ілліча"
(знімки з супутника, Google Earth)

Наукова новизна
Існує велика кількість розробок у даній області для окремих елементів процесу. Дана робота систематизує досвід кращих відомих світових і національних досягнень, відображає вплив технологічних факторів агломераційного виробництва на питомі витрати твердого палива, сировини і кількість газопилевих викидів.


Плановані результати
У результаті аналізу загального стану технології та екологічного стану на агломераційних фабриках, досліджень нових і модернізованих процесів пропонуються деякі узагальнення та рекомендації щодо розвитку агломерації в напрямку скорочення пило- та газоутворення в ході самих процесів підготовки, спікання шихти й обробки спіку стосовно аглофабрик України. В результаті дослідження діючих і пропонованих способів екологізації складаються таблиці, в яких для кожного заходу показані результати енергоз6ереження і зменшення викидів токсичних речовин.


Дослідження. Розробки
Питанням вдосконалення технологій, енергозбереження, екології в агломераційному виробництві присвячено багато робіт. Вчені японської фірми «Nippon Steel» проводять дослідження у цій області. Російські підприємства ВАТ «Уралмаш», ТОВ «ТОРЕКС», ВАТ «Уралмеханобр», а також німецька фірма «Siemens VAI» мають досвід розробки та реалізації комплексної реконструкції аглофабрик. На національному рівні проблемами реконструкції аглофабрик займаються ДП «Укргіпромез», УкрГНТЦ «Енергосталь», НВО «Донікс». В останні 3-4 роки для цілої групи підприємств (ВАТ «Алчевський металургійний комбінат», ВАТ «Єнакіївський металургійний завод», ВАТ «Дніпровський металургійний комбінат ім. Дзержинського», ВАТ «Азовсталь») виконуються попередні опрацювання на рівні технологічних завдань (ТЛЗ), техніко-економічних обгрунтувань (ТЕО) будівництва на нових майданчиках сучасних агломераційних комплексів. Старі аглофабрики наведених вище підприємств, які не підлягають реконструкції, повинні бути знесені. У Донецькому національному технічному університеті даною проблемою займаються к.т.н, доцент А.С.Бондар та к.т.н., доцент І.М.Міщенко.


Власні результати
Аналіз загального стану технології та екологічного стану на агломераційних фабриках України, результати досліджень нових і модернізованих процесів дозволяють зробити деякі узагальнення та рекомендації щодо комплексного розвитку технології агломерації з урахуванням зростаючих екологічних вимог і визначенням соціально-економічних наслідків використання пропонованих процесів. Пріоритетні напрямки розвитку агломерації повинні визначатися з урахуванням їх впливу на стан навколишнього середовища. Робота проведена стосовно аглофабрик України, що укомплектовані агломашинами, які побудовані в 30-60-ті роки, і де проблема поліпшення умов праці і захисту навколишнього середовища від забруднень особливо актуальна. Початкові операції агломераційного виробництва - розвантаження, складування та усереднення шихтових матеріалів виконуються в основному на відкритих складах, обладнаних баштовими або роторними вагоноперекидачами, рудно-грейферними перевантажувачами і одноківшевими екскаваторами. Обладнання на багатьох складах має обмежені усреднювальні можливості, не пристосоване до переробки пилевміщуючих матеріалів, у багатьох випадках не має достатнього запасу потужності. За методами складання на усреднювальних складах залізорудних сумішей аглофабрики можна поділити на дві групи, що відрізняються спільним і роздільним усередненням компонентів. При спільній схемі усереднення на фабриках комбінатів «Азовсталь», «Криворіжсталь», Макіївського, Дніпровського ім. Дзержинського всі залізорудні компоненти (концентрат, аглоруди, відходи) і вапно складують в один штабель, при роздільній - у два штабеля: концентратний і аглорудний. Відходи складують або в концентрат (Алчевський комбінат), або в аглоруди (комбінат ім. Ілліча) або частково складують окремо (наприклад, колошниковий пил на комбінаті «Запоріжсталь» і Єнакіївському металургійному заводі). Вапно на складі подають, як правило, в штабель концентрату. За місцем введення вапна аглофабрики поділяються на три групи, що відрізняються подачею вапна тільки на склад, тільки в потік залізорудної суміші або шихти й одночасним введенням вапна на склад і в потік шихтових матеріалів. Згадані схеми переробки сировинних матеріалів по-різному впливають не тільки на якість підготовки агломераційної шихти, але й на стан навколишнього середовища. Наприклад, вимушена подача вапна на відкритий усреднювальний склад без заходів пилопригнічення створює підвищену запиленість на самому складі і далеко за його межами. Застосування технологічно необхідного вапна і відносно сухих відходів для підсушування концентрату і надання йому сипучості має великий недолік: залізорудний коцентрат - найбільш стабільний за хімічним складом компонент шихти - розусереджується у зв'язку з недосконалим, без вагового дозування, введенням в нього добавок. Крім того, на процеси усереднення і подальшої підготовки сировини на аглофабриках негативно впливають відсутність нормативних технологічних запасів і неритмічне постачання шихтових матеріалів. Це неминуче виводить процес спікання шихти зі стаціонарного режиму, що супроводжується підвищеними пиловими, а часто і додатковими газовими викидами.

Дробіння вапняку, палива, возврату і аглоруди до оптимальної крупності
Практикою агломерації та дослідженнями доведено, що оптимальна крупність зазначених компонентів забезпечує не тільки підвищення продуктивності і поліпшення міцності агломерата, але й суттєве скорочення витрат твердого палива:

• аглоруда й возврат - не більше 5-6 мм;
• концентрат 0,07-0,1 мм;
• флюсові вапняки - 0-3 мм (2 мм);
• тверде паливо - 0,5-3 мм.

Вапняк подрібнюють в спеціальних молоткових дробарках до крупності 0-3 або навіть 0-2 мм. Тверде паливо (коксові відходи, антрацит) подрібнюють в валкових дробарках до крупності <3 мм, причому використовують такі додаткові засоби, які гарантують виключення з палива дрібних пилеподібних класів <0,5 мм, які швидко згоряють, мають меншу тепловіддачу у зв'язку з меншим вмістом в них пального вуглецю і виділяють більше СО при горінні. При повному видаленні фракцій 0-0,5 мм витрата палива зменшується на 15,2%, концентрація СО у газах, що відходять, зменшується на 17,6%. Видалити фракції 0-0,5 мм з палива можна шляхом його пневмокласифікації або проміжного грохочення. За кордоном використовують класифікацію, грохочення і гравітаційно-інерційний спосіб поділу класів крупності палива.
Японці, використовуючи паливо крупності 1-2 мм, витрачають його на 20,2% менше, ніж при використанні палива звичайної крупності 0-3 мм. При рекомендованій оптимальній крупності возврату і руди 5-6 мм, фактично крупність сягає 15-20 мм. Впровадження додаткового подрібнення руди та возврату може знизити витрати твердого палива на 7%, підвищити міцність агломерату на 6% і збільшити продуктивність процесу спікання на 10%.

Усереднення шихтових матеріалів
Реальні коливання у шихтових матеріалах за вмістом заліза і основністю приблизно в три рази перевищує необхідні показники:

• ± 0,5 за вмістом заліза;
• ± 0,05 за основністю.

Фактично коливання вмісту Fe в рудній суміші, що надходить до агломерації, становлять 1,5-2%. Якщо вийти на рівень загальносвітових досягнень за стабільністю хімічного складу рудної сировини, то можна знизити витрату палива в агломерації і доменному виробництві мінімум на 7-10%.

Виробництво і застосування вапна в агломерації
Застосування вапна в агломерації дозволяє:

• забезпечити транспортабельність - сипучість таких вологих матеріалів як рудний концентрат, шлами, - виключає їх змерзання при транспортуванні та складуванні, забезпечує якість дозування за рахунок збереження стійкості потоку матеріалів з бункерів і перевантажувальних пристроїв;
• забезпечити добре окомкування аглошихти, достатню міцність гранул, як при транспортуванні шихти до агломашин, так і в процесі спікання шару, де діють значні статичні навантаження, а також пов'язані з переносом вологи та тепла в шарі;
• витрачаючи 50-70 кг/т агломерату свіжого вапна фахівці агломерації отримують газопроникну структуру шару і можуть збільшити його висоту до 400-600 мм, одержуючи на кожних 20 мм 1-2% економії твердого палива, а також підвищення міцності агломерата за виходом дрібних класів із нього на рівні 0,5-0,7% при вказаному збільшенні висоти шару (на 20 мм). Додаткові витрати палива на виробництво вапна (приблизно 150 кг у.п. на 1 т вапна) окуповуються завдяки досягненню поліпшення показників аглодоменного виробництва.

Екологізація виробництва вапна повинна включати надійну локалізацію місць пилевиділення і ефективне очищення газоповітряних потоків від домішок вапна при максимальній концентрації вапняного пилу в газах, що відходять, 10-50 мг/м куб.

Дозування шихтових матеріалів
Складання аглошихти згідно з її розрахунком гарантує необхідну продуктивність, хімічний склад і міцність агломерату. Вплив точності вагового дозування на витрати твердого палива може сягати 25-50%. Шихту складають в автоматичному режимі, тобто шляхом постійного зважування потоків матеріалів, регулюючи видачу доз в кг на погонний м дозуючого або збірного конвеєра. Для якісного дозування з точністю видачі кожного компонента ±0,3-0,5% від максимального значення шкали приладу необхідне наступне обладнання дозувальних відділень аглофабрики:

• конструкції дозувальних бункерів повинні мати конічну форму з внутрішнім покриттям стін незалипаючими гідрофобними матеріалами;
• для виключення зависання матеріалів потрібні вібраційні або пневматичні системи обвалення зводу завислих матеріалів;
• необхідні датчики рівня, вимірювачі витрати і маси шихтових матеріалів у вигляді тензометричних датчиків і конвеєрних ваг;
• стійкість потоку матеріалів є однією з умов дотримання точності дозування;
• для контрольної точності зважування в сучасних системах автоматичного вагового дозування передбачені таріровочні пристрої.

Змішування і окомкування шихти
Основною метою змішування шихти є розосередження подрібненого палива і флюсів (вапняк, вапно). Кожна гранула шихти повинна отримати кілька частинок палива, щоб при її згорянні виділилось тепло, відбулися процеси плавлення і кристалізації розплаву. У погано перемішаній шихті частка обсягів має надмірну кількість палива, а в деяких його немає зовсім. Шихта без палива не агломерується і повертається в процес у вигляді возврату, а надлишкове паливо викликає переоплавлення і виникнення такої модифікації двухкальцієвого силікату як β-2 CaO·SiО2, яка при охолодженні перебудовує кристалічну решітку зі збільшенням об'єму на 10-12%, що перетворює агломерат в пил.
Для змішування в основному використовують барабанні агрегати, що відрізняються простотою в експлуатації, надійністю, достатньою ефективністю (якщо діаметр і довжина змішувачів відповідають властивостям матеріалів, що перемішуються). Подовження змішувачів часто супроводжується зменшенням витрат палива.
Окомкування шихти в оптимальному режимі дозволяє отримувати шихту з досить високою газопроникністю. Основні режимні параметри окомкування включають:

• частоту обертання окомкователів (u <4-6 об/хв), при якій зберігається режим перекатування шихти;
• ступінь заповнення барабана шихтою не повинен перевищувати 5-10%;
• ступінь зволоження шихти повинен бути стабільним 7,5-8%;
• діаметр і довжина барабана в поєднанні зі швидкістю обертання повинні забезпечити не тільки утворення та зростання гранул, але й достатнє їх ущільнення для отримання міцної структури, здатної витримати навантаження при транспортуванні до спікальних візків (палети).

Існує декілька способів модернізації процесу окомкування шихти, головною метою якого є зниження витрат палива та підвищення міцності агломерату. Це процеси роздільного окомкування. У світовій практиці застосовують технології окомкування з накатуванням твердого палива на готові гранули шихти. При роздільній подачі твердого палива (20-30% при дозуванні шихти і 70-80% при окомкуванні) вдається знизити витрати твердого палива на 8-10%, а газоподібного, частіше природного газу, на 7-12%.

Завантаження шихти на палети агломашин
Ця операція завершує цикл підготовки шихти до спікання. Завантажувальні пристрої повинні забезпечувати:

• оптимальний ступінь (частіше максимальний) сегрегації шихти, яка означає поділ її маси на класи крупності і за хімічним складом в напрямку від поверхні до нижньої частини шару;
• мінімальний ступінь руйнування гранул шихти при перевантаженнях від барабана до палет агломашин;
• однакову висоту шару за шириною і довжиною площі спікання агломашини;
• ідентичність гранулометричного складу і хімічних властивостей шихти за шириною і висотою шару.

Завдяки сегрегації твердого палива вирівнюються температури за висотою шару, а економія твердого палива в зв'язку з поліпшеною сегрегацією може досягати 8-10% і більше. М'яке укладання шару шихти зі збереженням його порозності дає можливості для підвищення продуктивності процесу, створює умови для економічного спікання шихти у високому шарі.
Пошук способів модернізації технології та обладнання завантаження шихти на агломашини продовжує залишатися актуальною задачею, оскільки в агломерації досі не розроблено такого унікального завантажувального пристрою, який відповідав би всім вимогам сучасної технології формування на агломашині шару з оптимальними температурно-тепловими та газодинамічними характеристиками. Системи завантаження на українських аглофабриках не відповідають багатьом вимогам специфічної технології підготовки і спікання шихти, що містить залізорудні концентрати і відходи, вони менш досконалі, ніж деякі закордонні аналоги і потребують як мінімум елементарної модернізації. У той час як японські фахівці запропонували кілька оригінальних конструкцій двоступінчастих завантажувальних пристроїв агломашин, що успішно використовуються не тільки в Японії, але і в Китаї, Бразилії та інших країнах.

Спікання шихти у високому шарі
Це основний напрямок вдосконалення агломерації у світовій практиці, оскільки завдяки йому досягаються кращі показники за міцністю агломерату та економією твердого палива. Збільшення висоти шару на 20 мм дозволяє знизити витрати твердого палива на 2%, зменшити викиди в атмосферу:

• пилу на 7%;
• СО на 3,6%;
• SО2 і NOХ на 2-3%.

Збільшення висоти шару можливе за трьох умов:

• якісної підготовки гранульованої шихти за рахунок використання сучасного обладнання та зв'язуючих речовин;
• при оснащенні агломашин потужними ексгаустерами, здатними створити велике розрідження (15-30 кПа) під шаром, що спікається;
• газові мережі агломашин повинні мати високу герметичність.

Спікання шихти у високому шарі використовує теплотехнічні вигоди агломерації: чим вище шар, тим більша частка його висоти має характеристику підвищеного притоку тепла регенерації і достатніх температур для плавлення і формування міцного спіку.

Комбінований нагрів в шарі аглошихти
Спікання у високому шарі значно вирівнює температурні умови формування агломерату. Однак, не закриває проблем дефіциту тепла в верхньому горизонті шару, що спікається. Для цього (забезпечення приблизно однакових температур за висотою шару) є комбінований нагрів, що складається:

• з тепла горіння палива всередині шару;
• з тепла зовнішнього теплового джерела - повітря або продуктів горіння паливних газів (природний газ, кокс, доменний, конвертерний гази).

Рециркуляція агломераційних газів
Метою є допалювання або розкладання СО і складних вуглеводнів, а також часткового поглинання в шарі сірчистого ангідриду. Зазвичай в процес агломерації повертають гази, що відходять від останніх вакуум-камер з температурою 150-200 °С. Оптимальний ступінь рециркуляції для промислових умов українських аглофабрик складає близько 25%. При цьому вдається знизити викиди СО в атмосферу також на 25% і знизити витрати твердого палива на 2 кг/т агломерату. Для подовжених машин, де близько 40% площі використовують для охолодження агломерату доцільним є продування повітрям практично готового спіку і подача цього повітря з температурою близько 600 °С у процес спікання. У цьому випадку можна знизити вміст твердого палива на 20%.
Склад аглогазу:

• СО = 0,5-3%;
• СО2 = 14%;
• SO2 = 0,3%;
• NOХ = 0,05%;
• N2 = 60%;
• PCDD/PCDF.

Охолодження і механічна обробка спіку
Спік охолоджують в спеціальних охолоджувачах для створення нормальних умов праці в циклі транспортування, дозування і завантаження агломерата в доменні печі. Тепло агломерата становить 38% у загальному тепловому балансі процесу спікання. Утилізація тепла агломерату дає 20% економії палива. При охолодженні стабілізується міцність і гранулометричний склад агломерата, при якому вдається виділити зі спіку максимальну кількість дрібних фракцій і отримати придатний агломерат стабільного складу за крупністю, що створює основу для економії палива в доменному виробництві.


Результати. Перспективи
Подорожчання палива та електроенергії повинне стимулювати виробників агломерату до більш активної роботи з технічного переозброєння та оновлення виробництва. Агломераційні фабрики України морально і фізично застаріли, виробляють низькоякісний, особливо за гранулометричним складом агломерат. Це є головною причиною недостатньої ефективності і підвищеної енергоємності продукції доменного виробництва. Технічний рівень агломераційного виробництва України можна значно підвищити шляхом впровадження ефективних процесів та обладнання на всіх стадіях - від усереднення сировини до грохочення агломерату. Для цього необхідне спорудження нових і глибока реконструкція старих агломераційних фабрик. Кардинальне поліпшення основних показників якості агломерату створює умови для економії тепла і палива, впровадження ефективних процесів інтенсифікації виплавки та підвищення якості чавуну (використання ПВП, сучасних завантажувальних пристроїв, підвищення параметрів комбінованого дуття, etc.), зменшення собівартості та підвищення конкурентоспроможності продукції доменного виробництва. Вдосконалення доменного виробництва на базі радикального поліпшення якості агломерату може забезпечити зростання випуску чавуну і зниження витрати коксу. Скорочення споживання коксу створює великі можливості для оновлення коксохімічного виробництва, виведення з експлуатації та демонтажу безнадійно зношених коксових батарей. У зв'язку з цим, крім зростання економічних показників, очікуються глибокі позитивні зміни екологічної ситуації по лінії основних забруднювачів - аглодоменного і коксохімічного виробництв. Для зниження капітальних та експлуатаційних витрат необхідно максимально використовувати спеціалізовані машинобудівні заводи України та ближнього зарубіжжя.


Література:
1. И.М.Мищенко, Н.С.Хлапонин. Развитие агломерации - основное направление энергосбережения и повышения эффективности в доменном производстве. Металл и литье Украины, №3-4, 2006.
2. Н.Н.Гугис, И.М.Мищенко. Развитие технологии агломерации и пути снижения вредных выбросов в атмосферу. М.: Ин-т "Черметинформация", 1989.
3. А.Я.Илюхин, И.А.Овчинникова. Развитие технологии загрузки шихты на агломерационные машины. Металл и литье Украины, №9-10, 2007.
4. Г.М.Майзель. Энергосбережение и экология - приоритеты в производстве металлургического сырья. Сталь, №4,1995.
5. И.М.Мищенко, Н.Т.Егоров. Возможности кардинального сокращения пылевых и газовых выбросов в агломерационном производстве. Металлургическая и горнорудная промышленность, №4, 2005.
6. Ю.С.Кривченко. Проектирование и модернизация предприятий горно-металлургического комплекса. Сборник материалов IV международной практической конференции «Машиностроение горно-металлургическому комплексу: от идей к совместным программам реконструкции и модернизации». Днепропетровск, 2006.
7. В.П.Бруев, С.Н.Евстюгин, В.И.Клейн, В.А.Глухих, С.А.Напольских, В.Ю.Егоров. Основные направления модернизации технологии и оборудования на аглофабриках УК «ЕвразХолдинг», Сталь, №12, 2008.


NB! При написанні даного автореферату магістерська робота ще не завершена. Остаточне завершення: грудень 2009. Текст роботи та матеріали за темою можуть бути отримані у автора (або її керівника) після вказаної дати.


e-mail: zhiryakova'at'yahoo'dot'com