RUS FR ДонНТУ Портал магистров ДонНТУ
Магистр ДонНТУ Давыдова Елена Евгеньевна

Давыдова Елена Евгеньевна

Факультет

Физико-металлургический

Специальность

Экология металлургии

Автореферат по теме:

Эколого-экономические преимущества и перспективы развития производства металлизованного сырья для выплавки электростали

Руководитель доц. И. М. Мищенко
Email: dav1dova@mail.ru Главная Библиотека Ссылки Отчет о поиске Индивидуальное задание

Содержание

  1. Введение
  2. Основные исследования и результаты
  3. Заключение

Введение

Обоснование актуальности работы


        Ситуация с интенсивным загрязнением воздушного бассейна формировалась в процессе становления и развития промышленности на протяжении нескольких веков. Выпуск продукции любой ценой был основным девизом промышленности, особенно советского периода. При строительстве и эксплуатации промышленных объектов экологическому аспекту уделялось очень незначительное внимание. Грандиозные объемы производства, большой ассортимент выпускаемой продукции и многостадийность технологических схем получения чугуна, стали и сплавов ставят предприятия черной металлургии в ряд основных поставщиков вредных выбросов в атмосферу.

        Основная масса железа, используемая человечеством, происходит через операцию восстановления из железной руды, осуществляемую в доменных печах. В настоящее время доменная печь, как агрегат высокой производительности и весьма экономичный, не имеет конкурентов. Однако доменное производство имеет существенные недостатки: необходимость использования каменноугольного кокса; использование железорудного сырья в виде достаточно прочного кускового материала (агломерата). Таким образом, для функционирования доменного производства необходимы добыча коксующихся углей, коксохимическое производство, обогащение железных руд, агломерационное производство и т.д. Все это, помимо чисто производственных затрат, связано с решением серьезных экологических проблем.

Цели и задачи


        Цель работы – определение эколого-экономических преимуществ получения металлизованного сырья по ряду показателей и выявление перспективных направлений развития прямого получения железа.

        Поэтому, основными приоритетами в разработке данной работы служили:
  • улучшение экологической ситуации;
  • сокращение выбросов вредных веществ, соответствующих производству агломерата и кокса;
  • снижение экономических затрат на производство;
  • повышение конкурентоспособности нашего рынка металлов.

Уровень научной новизны


        Уровень научной новизны данной работы довольно высок, так как публикаций по проблеме пока не очень много, этот вопрос на Украине ранее подробно не рассматривался, и только сейчас начинаются отдельные исследования и проектирование производства бескоксового металла на передовых зарубежных металлургических предприятиях.

Практическая ценность


        Новые металлургические процессы позволяющие более экономично использовать энергетические и сырьевые ресурсы, повышающие качество металлопродукции, дают возможность преобразовать традиционную металлургию. Рост доли затрат на защиту окружающей среды при строительстве новых предприятий, развитие пневмо- и гидротранспорта применительно к доставке рудных материалов потребителю предопределяют размещение новых металлургических предприятий. Это позволит строить экологически чистые заводы бескоксовой металлургии в густонаселённых районах. Устранение таких сложных и тяжёлых производств, как коксовое и доменное, не только приведёт к снижению трудовых затрат при получении стали, но и позволит добиться необычайно высокой степени её чистоты. Упрощение металлургического цикла и, в частности, технологии производства стали позволит автоматизировать процесс, улучшить условия труда. Кроме того, данная технология дает возможность компенсировать возрастающий дефицит металлолома в стране, лучше сбалансировать работу металлургических предприятий, получить прямую экономию на расходах по производству металлургического сырья.

В начало страницы
         

Основные исследования и результаты

        

Состояние вопроса на локальном и национальном уровне

        Минерально-сырьевая база, как важнейшая составляющая часть природных ресурсов, имеет исключительное значение не только для развития экономики государства, но и является гарантией её безопасности и обуславливает перспективные стратегические направления устойчивого социально-экономического развития промышленных регионов Украины.

        Металлургия сделала уверенные шаги в новый век. Другая эпоха диктует «старому миру» свои правила игры. Этот феномен можно было бы назвать «философия чистой стали». В данном случае смысл понятия «чистая сталь» выражается в том, что мировой рынок стали требует все более качественный продукт, но отнюдь не по более высокой цене. Решение этой дилеммы является сегодня приоритетом всей деятельности металлургов, а также стран, экономика которых в значительной степени сфокусирована на тяжелой индустрии.

        В настоящее время на Украине 98 % стали производится по единой схеме (рисунок 1): «кокс – агломерация – доменная плавка – получение стали (в конвертере или мартеновской печи)» [1].


        Рисунок 1 – Традиционная схема получения железа
        Количество кадров – 37, количество повторений – 4, размер файла – 122,9 Kb

        Основное количество вредных выбросов выделяется на стадии подготовки сырья к плавке (рисунок 2). Вклад этих предприятий в общий объем выбросов промышленности составляет около 30 %, в том числе по пыли – 3,7 %, по СО – 7,7 %, по SO2 – 2,2 %.

        Рисунок 2 – Распределение основных выбросов по металлургическим переделам

        При этом на долю агломерационного и коксохимического производств приходится 21,4 % общего количества выбросов пыли, порядка 90 % – SO2, 54,9 % – СО и 24,3 % – NOх [2].

        В последние 30 лет в индустриально развитых странах велись поиски прямого, внедоменного способа получения стали, минуя три наиболее тяжелых в экологическом отношении передела – агломерационный, доменный и коксохимический [3].

        Известно, что наибольшие резервы в снижении выхода вредных веществ и уменьшении затрат на их обезвреживания скрыты в совершенствовании самого технологического процесса.

        Понятно поэтому, что возможность организации рентабельного процесса прямого получении железа непосредственно из железной руды, минуя доменную печь, представляет собой заманчивую научно-исследовательскую задачу. При этом необходимо принять во внимание также следующее:

            – развитие способов глубокого обогащения железных руд обеспечивает сегодня получение не только высокого содержания железа в концентратах, но и заметное очищение их от серы и фосфора. При обычной доменной плавке эти преимущества не могут быть использованы (особенно учитывая содержание серы в коксе);

            – материал, полученный непосредственно из железных руд, практически не содержит примесей цветных металлов.

        Такие материалы незаменимы при производстве сталей ответственного назначения, требующих высокой чистоты по примесям цветных металлов [4].

        Решение проблемы получения (в промышленных масштабах) железа, минуя доменный процесс, осуществляется, в основном, следующими способами [5]:
            
  1. восстановление железа из твердых железорудных материалов взаимодействием с твердыми или газообразными восстановителями (рисунок 3) по реакциям:
                    Fе + (С; СО; Н2; СH4) = Fе + (СО; СО2; Н2О)


    1 – скруббер охлаждающего газа; 2 – инертный затворный газ; 3 – шахтная печь металлизации; 4 – скруббер колошникового газа; 5 – охладитель конвертированного газа; 6 – вентилятор для подачи вспомогательного воздуха; 7 – вспомогательные горелки риформера; 8 – главные горелки риформера; 9 – риформер; 10 – инертный газ на осушку; 11 – вентилятор для подачи основного потока воздуха; 12 – рекуператор; 13 – эксгаустер для подачи отходящих газов в дымовую трубу; 14 – природный газ, очищенный от соединений серы; 15 – концевой холодильник технологического газа; 16 – каплеуловитель; 17 – скруббер для очистки газа на выходе из печи; 18 – компрессор охлаждающего газа.
            Рисунок 3 – Схема прямого получения стали по способу «Мидрекс»

            Согласно этому способу, восстановление окатышей производится в шахтной печи, в которой горячий восстановительный газ реагирует в противотоке с оксидами железа концентрата.

            
  2. восстановление железа в кипящем железистом шлаке (жидкофазное восстановление) по реакциям:
                    (FeO) + (С; СО) = Fе + СО2;         
  3. получение из чистых железных руд карбида железа по реакции:
                    3Fe2O3 + 5Н2 + 2СH4 = 2Fе3C + 9Н2О.
            Процесс протекает при температуре ~600 °С и давлении ~4 атм (0,4 МПа), получают зерна 0,1-1,0 мм, содержащие > 90 % Fe3C [6].

        Процесс повышения содержания железа в железорудных материалах получил название процесса металлизации, получаемый продукт – название металлизированного, под степенью металлизации понимают обычно процент железа в продукте.

        По назначению металлизированные продукты обычно делят на три группы:
            
  1. продукт со степенью металлизации до 85 % используют в качестве шихты доменной плавки [7-8];         
  2. продукт со степенью металлизации 85-95 % используется в качестве шихты при выплавке стали [9];         
  3. продукт, содержащий более 98 % Fе, используют для производства железного порошка [10].
        Процессы металлизации железорудных материалов осуществляются при температурах, не превышающих 1000-1200°С, т.е. в условиях, когда и сырье (железная руда иди железорудный концентрат), и продукт представляют собой твердую фазу, а также не происходит размягчения материалов, их слипания и налипания на стенки агрегатов. Такие процессы прямого получения железа из руд получили название процессов твердофазного восстановления. Поскольку полу чаемый материал напоминает пористую губку, его часто называют «губчатым железом».

        Основная масса получаемых продуктов используется в качестве шихты сталеплавильных агрегатов.
Для восстановления оксидов железа обычно используют в качестве восстановителя или уголь (твердый восстановитель), или природный газ (газообразный восстановитель). При этом предпочтительно использование не «сырого» природного газа, а горячих восстановительных газов, так как при этом не затрачивается тепло на диссоциацию углеводородов, а приход тепла определяется нагревом восстановительных газов.

Состояние вопроса на мировом уровне

        Производители губчатого железа в течение нескольких последних лет работали в очень благоприятных условиях, что объясняется совместным действием следующих факторов:
           – дефицитом скрапа на мировом рынке;
           – проявляющейся в черной металлургии тенденцией использования железа прямого восстановления в качестве шихты для электродуговых печей, особенно при производстве высококачественных сталей;
           – увеличением производства стали в мире.
        По первому способу в мире работает несколько десятков (общей мощностью около 50 млн. т/год); по второму – две промышленных и несколько полупромышленных установок; по третьему – одна промышленная установка.

        Мировая потребность в железосодержащем материале для черной металлургии и литейного производства достигла в 2007 году 1,4 млрд. т, в то время как в 2000 году – 1,1 млрд. т. Из этого количества около 58 млн.т составили заменители стального скрапа и заменители передельного чугуна. Железо прямого восстановления может выступать в роли заменителей этих обоих видов шихты.

        Если в Китае сохранятся темпы роста черной металлургии 5-6 % в год, а в остальном мире 2-3 % в год, то мировая потребность в железосодержащем материале к 2015 году достигнет 1,8 млрд. т/год, т.е. увеличится на 400 млн. т [11].

        Чтобы обеспечить такой прирост, требуется примерно 180 млн. т/год скрапа, исходя из предположения, что 210 млн. т/год передельного чугуна будет дополнительно произведено на существующих или реконструированных доменных печах. В этом случае потребность в заменителях стального скрапа и передельного чугуна возрастет на 110 млн.т/год, увеличившись с современного уровня (58 млн.т/год) до 168 млн.т/год в 2015 г. Тем не менее наиболее узким местом для сооружаемых цехов прямого восстановления железа останется сырье (оксидные окатыши).

В начало страницы

Заключение

        В связи с ужесточением экологического контроля за металлургическим производством и, одновременно, в связи с необходимостью иметь шихтовые материалы, чистые от примесей цветных металлов, масштабы внедоменного производства железа непрерывно растут, одновременно расширяется и фронт исследовательских работ в этом направлении.

        Учитывая спрос, определяемый наиболее благоприятным прогнозом, мировая горнодобывающая промышленность и агломерационное производство также должны будут значительно увеличить в ближайшие годы свои мощности.

        Исходя из известных планов строительства предприятий в мировой черной металлургии, производство окатышей во вновь построенных цехах и заводах достигнет к 2015 году 160 млн.т. Около половины этого прироста приходится на окатыши для прямого восстановления, остальную часть составляют окатыши для доменных печей. В результате рост производства железа прямого восстановления будет ограничен уровнем 55 млн.т/год. Из этого следует, что в ближайшие 10 лет в мире будут сооружены и введены в эксплуатацию 30-40 новых цехов по прямому восстановлению железа [12].
        Проект предприятия прямого получения электростали из металлизованного сырья предлагается для украинской черной металлургии. Реализация такого проекта намечается на базе Ингулецкого ГОКа, освоившего выпуск богатого железного концентрата с содержанием железа 67 % и в перспективе до 70 %. Исходным продуктом для металлизации могут быть не только окисленные окатыши, производство которых ещё предстоит освоить, но и богатый концентрат, восстановление которого будет осуществляться в печах с вращающимся подом. Такая технология позволяет получать из железной руды продукт в форме сферических образований, содержащих 96-98 % железа и 2-4 % углерода. Этот продукт компактнее железной руды по удельному содержанию железа, что позволяет снизить транспортные расходы.

Перспективы исследований по теме

         При реализации рассматриваемого проекта достигаются высокие экологические результаты, обусловленные исключением из схемы производства самых главных загрязнителей агломерационный и коксохимический переделы. С точки зрения экономических преимуществ данное производство позволяет получать новый первичный продукт, восполняющий недостающие ресурсы стального скрапа и, в недалеком будущем, недостаток передельного чугуна.

        Возможность реализации такого проекта является одним из показателей привлекательности инвестиционных вложений в черную металлургию Украины, что улучшает инвестиционный климат для иностранных инвесторов, благоприятно сказывается на внедрении инновационных технологий и повышает конкурентоспособность металлургической продукции.

Перечень ссылок

  1. Доменная печь без кокса и углерода? / Х. Б. Люнген, П. Шмеле // Черные металлы, – 2005, № 5. – С. 21-31
  2. Андоньев С. М., Зайцев Ю. С., Филипьев О. В. Пылегазовые выбросы предприятий чёрной металлургии. – Харьков, 1998. – 243 с.
  3. Альтернативные направления развития доменного процесса в ХХI веке / Ю. В. Федулов // Сталь, –2002, № 10. – С. 14-19
  4. DANAREX – новый процесс прямого восстановления железа / А. Мартинис, А. Тавано, Б. Франко // Черные металлы, – 2006, № 7-8. – С. 50-59
  5. Основы альтернативной металлургии железа: теоретические и экспериментальные предпосылки / В. М. Щедрин // Сталь, – 2001, № 12. – С. 8-13
  6. Воскобойников В. Г., Общая металлургия, М.: Металлургия, 2005, – 628 с.
  7. Андросов В. Н., Современная доменная плавка, СПб.: Изд-во СПбГТУ, 2001. – С. 100
  8. Познание процессов доменной плавки, под ред. И. В. Большакова и И. Г. Товаровского, Днепропетровск: ПОРОГИ, 2006, – 439 с.
  9. Іващенко В. П. та ін, Безкоксова металургія заліза, Дніпропетровськ: Дніпро-ВАЛ, 2002, – 338 с.
  10. Перспективы альтернативных металлургических производств / Е. А. Капустин // Сталь, – 1998, № 8. – С. 77-81
  11. Современные состояние процессов прямого и жидкофазного восстановления железа / Х.-Б. Люнген, К. Кноп, Р. Стефан // Черные металлы, – 2007, № 2. – С. 13-26
  12. Постоянное совершенствование технологии прямого восстановления железа / Г. Цвик, И. Сандовал, У. Браун, А. Фархади // Черные металлы, – 2006, № 5. – С. 17-20
В начало страницы
© ДонНТУ 2008, Давыдова Е. Е.