Теория и технология производства стали 1. Учебник для вузов. М. Мир, ООО Издательство act

• Название: Учебник для вузов. М. Мир, ООО Издательство act
• Анкор: Теория и технология производства стали 1.doc
• Дата: 22.04.2017
• Размер: 7.23 Mb.
• Имя файла: Теория и технология производства стали 1.doc
• Тип: Учебник; #5208
• страница: 69 из 88

25.10. ПЕРЕРАБОТКА ОТХОДОВ

В ПРОЦЕССАХ ПОЛУЧЕНИЯ ЧУГУНА
25.10.1. Достоинства доменных пе­чей и их использование. Доменная печь представляет собой агрегат, почти идеально приспособленный для пере­работки (утилизации) многих видов отходов. Это определяется следую­щим:

а) наличием в горне печи высоко­температурной зоны с окислительным потенциалом газовой фазы и температурами 2000—2400 °С, что обеспечи­вает практически полное сгорание всех горючих составляющих отходов;

б) наличием восстановительной ат­мосферы, что препятствует образова­нию таких моментов, как оксиды азота;

в) наличием многометрового, дос­таточно плотного слоя твердой ших­ты, который затрудняет интенсивный вынос твердых частиц, как бы «проце­живая» поднимающиеся вверх газы;

г) наличием высокой (30 м и более) шахты, что обеспечивает почти полную утилизацию в самой шахте тепла отхо­дящих газов (температура отходящих из печи газов всего 100—200 °С при темпе­ратуре газов в горне 2000 °С и более);

д) высокой производительностью современных крупных доменных пе­чей. При годовой производительности одной доменной печи 3,5 млн. т чугуна введение в шихту 5 % отходов позво­ляет перерабатывать ежегодно более 150 тыс. т отходов на одной печи.

По таким показателям, как произ­водительность и расход кокса, эконо­мически целесообразной представля­ется утилизация в доменной печи, на­пример, металлической стружки, об-рези, скрапин и т. п.; однако такие отходы еще более целесообразно ис­пользовать в составе шихты сталепла­вильных агрегатов. Что касается до­менных печей, то в настоящее время во многих странах ведутся исследова­ния в опытно-промышленных масштабах по переработке в них ряда отхо­дов химических производств, отходов пластмасс, отработавших свой срок автомобильных покрышек, замаслен­ной окалины и т. п., вплоть до перера­ботки твердых бытовых отходов.

С 1995 г. на одном из германских за­водов работает система вдувания в до­менную печь угля, мазута и пластика. Собираемые отходы упаковочных ма­териалов из пластмасс в измельченном до < 5 мм виде вдувают через 8 фурм из 32, имеющихся на печи. Мощность си­стемы для вдувания пластмассовых от­ходов составляет 70 тыс. т/год. Система включает силосные бункера, грохоты, устройства для смешивания материа­лов. Отмечено, что объемы выбросов SO₂, НОд. и пыли находятся на уровне предельно допустимых по принятым в Германии нормам. Усредненный химический состав вдуваемого в печь пластика, %: С 77,81; Н 11,99; S 0,9; Се 1,4; К 0,084; Са 0,092; золы 4,9.

Обширный цикл исследований возможности переработки пластмасс в печи шахтного типа проведен в Япо­нии. Исследователи разработали схему производства полупродукта (жидкого чугуна) в агрегате типа вагранки с ис­пользованием в качестве шихты скра­па, а в качестве топлива порошкооб­разного угля и измельченного пласти­ка. При работе с использованием кислородного дутья годовая произвот дительность агрегата должна состав­лять в зависимости от его размеров 14 т/дм³ объема. Расход топлива, кг/т жидкого металла: смесь порошкооб­разного угля 300 и порошкообразного пластика 150.

Большое значение приобретают ве­дущиеся в настоящее время исследо­вания по переработке так называемых комплексных железных руд, т. е. руд, содержащих кроме железа другие цен­ные компоненты. Так, ученые Инсти­тута металлургии Уральского отделе­ния РАН разработали технологию плавки в доменной печи титаномагне-титовых руд с получением наряду с чу­гуном шлаков, содержащих 45—50 % ТiO₂ — ценного сырья для производ­ства титана.

Исследуется возможность проплав­ки в доменных печах шлаков медепла­вильного производства для получения чистых медистых чугунов, переработки в доменных печах руд, содержащих по­вышенные концентрации глинозема с целью получения глиноземистых шла­ков, содержащих более 40 % А1₂Оз, т. е. сырья для получения алюминия, и т. д.

25.10.2. Восстановительные агрега­ты. Извлечение ценных компонентов из таких отходов, как различные пыли, содержащие металлы или окси­ды металлов, шламы, окалина, отсевы угля или руд и т. п., целесообразно не только с потребительских позиций (как вариант снабжения ценным сы­рьем), но и как способ устранения или сокращения до минимума количества отходов, которые могли бы вызвать загрязнение окружающей среды.

Утилизация различных пылей и от­севов обычно связана с предваритель­ным их окускованием, окомкованием, агломерацией, восстановлением. Ис­пользуемое для этих целей оборудова­ние многообразно. В последние годы определенное распространение полу­чили печи с вращающимся подом. В этих печах (типа карусельных) оксид железа восстанавливается непосред­ственно до железа (рис. 25.1, 25.2).

Такие компоненты, как пыль отхо­дящих газов, прокатная окалина, от­ходы ферросплавов, замасленная стружка, вместе с мелким углем и кок­сом после измельчения попадают на окомкователь, где образуются само­восстанавливающиеся сырые окаты­ши. Благодаря смешиванию таких раз­нородных материалов (в том числе же­лезной руды, хромистой руды и т. д.) химический состав этих окатышей мо­жет меняться в широких пределах.

Восстановительный агрегат — печь с вращающимся подом — работает как противоточный теплообменник с ис­пользованием радиальной загрузки материала в печь по качающемуся (поворачиваемому) ленточному кон вейеру.



Рис. 25.1. Печь с вращающимся подом:

пЛ^^РИНЦ2^{П действия} (-'-технологический газ; 2-подвод энергии излучением; 3-рудоугольные сырые

окатыши; 4- печь с вращающимся подом); б- план печи (/-загрузка окатышей 2- отходящие гшы J-

направление вращения пода; 4— перегородка; 5- выгрузка окатышей)



Рис. 25.2. Основные возможности процесса в печи с вращающимся подом
Материал проходит один обо­рот на вращающемся поду и выгружа­ет при помощи шнека (винтового кон­вейера). Нагрев материала до темпера­туры восстановления обеспечивается горелками. Отходящие газы горелок движутся в противотоке с твердой за­груженной шихтой через зоны восста­новления и предварительного подо­грева на вращающемся поду. Загружа­емые сырые окатыши проходят между загрузкой и выгрузкой путь, соответ­ствующий повороту на 290°. За время этого поворота материал проходит практически через три зоны печи. Этими зонами являются:

I — зона предварительного подо­грева. Горелки в этой зоне работают с избытком воздуха.

II — восстановительная зона. Име­ющийся в шихте углерод и образую­щийся СО восстанавливают железо и никель. Свинец, цинк, галогены, со­держащиеся в шихте, уносятся с газа­ми и проходят через газоочистку. Го­релки в этой зоне работают в восста­новительном режиме.

III — зона выгрузки. Эта зона с нейтральной атмосферой отделена от

восстановительной зоны соответству­ющей завесой.

Температура газов в печи изменя­ется от 750 ºС в зоне выдачи до при­мерно 1250 ºС в восстановительной зоне. Из 8 т сырых окатышей получа­ют 6 т восстановленных окатышей.

Горячие спеченные окатыши с вос­становленными железом и никелем выгружают из печи и прямо в транс­портных резервуарах доставляют к ду­говой печи (непрерывной загрузкой и периодическими выпусками). В печи окатыши плавятся и восстанавливает­ся хром.

Пример одного из составов получа­емого полупродукта, %: С 3,5; Сг 10; Ni 20; Мп 2,5; Си 0,6; Мо 0,6.

25.10.3. Строительство отделений по извлечению цинка и свинца. Вариантом организации эффективной утилиза­ции ценных компонентов пыли явля­ется строительство специальных отде­лений (цехов). Так, на одном из ме­таллургических заводов (Германия) сооружена специальная установка по переработке пылеватых отходов с це­лью максимального извлечения цинка и свинца (рис. 25.3).



Рис. 25.3. Технологическая схема извлечения цинка и свинца из плавильной пыли доменных и сталеплавильных цехов, принятая фирмой Thyssen Stahl AG:

/ — уголь; 2— пыли; 3 — шламы; 4 — гранулятор; 5 —реактор кипящего слоя; 6— воздух; 7—компрессор; 8— топливо; 9— подогрев; 10— циклон; 11 — роторный охладитель; 12— вода; 13 — испарительный охлади­тель; 14 — смеситель; 15— на повторное использование; 16— шлаки; 17— отходящие газы; 18— тканевые фильтры; 19— концентраты, содержащие цинк и свинец
После окомкования пыли получен­ные гранулы поступают в реактор ки­пящего слоя, где при температуре око­ло 1000 ºС в восстановительной атмо­сфере происходят возгонка примесей цветных металлов и удаление образу­ющихся паров, содержащих цинк, свинец и щелочные элементы. Далее в циклонах продукты возгонки отде­ляются от пыли, а гранулы, состоя­щие в основном из оксидов железа, после охлаждения поступают на аглофабрику.

Пыль, осажденная в циклонах, воз­вращается в реактор кипящего слоя, а возгоны после охлаждения отделяют от газа в рукавных фильтрах и направ­ляют на реакцию уловленных в них цинка и свинца. Степень извлечения цинка и свинца при использовании такой технологии достигает 80 %.

25.10.4. Новые методы утилизации угольной мелочи. Утилизация отсе­вов — угольной мелочи — с использо­ванием металлургических технологий может быть реализована процессом REDSMELT (от англ. REDuction + + SMELTing — восстановление + + плавление), разработанным фирмой Mannesmann Demag (Германия).

Процесс проводится в двух агрега­тах: на первой стадии в огромные ро­торные печи (диаметром до 60м) за­гружают железорудно-угольные окаты­ши с целью их металлизации до 85 %; затем металлизованные окатыши по­ступают в электропечь, где получают полупродукт, содержащий, %: С 2—4; Si до 0,3; S менее 0,05.

При двух роторных печах и одной электропечи мощностью 60—65 МВт производительность комплекса око­ло 1 млн.т полупродукта (синтети­ческого чугуна) в год стоимостью 90—130 долл./т. Далее полученный по­лупродукт используют в качестве ме-таллошихты.

Определенное распространение получает способ совместной перера­ботки оксидных железосодержащих отходов, доменной и сталеплавильной пыли и кеков¹, угольной мелочи и коксика (последние играют роль вос­становителей). Процесс восстановле­ния осуществляют в печи с вращаю­щимся подом. Полученный продукт со степенью металлизации 85-92 % и содержанием 2—4 % С в виде окаты­шей или брикетов используют в шихте металлургических агрегатов. Разработавшие этот способ амери­канские и японские фирмы (Midrex Direct Reduction Corp. и Kobe Steel Ltd.) назвали его FASTMELT-про-цессом. Способ переплава получае­мого полупродукта в дуговой печи специальной конструкции называют FASTMELT-процессом. Получаемый при этом синтетический чугун, на­званный FASTIRON, содержит, %: С 3,0-5,0; Si 0,2-0,5; Мп 0,8-1,2; S < 0,05; Р < 0,05. Такой материал мо­жет считаться чистой металлошихтой, содержащей мало примесей цветных металлов.
'От англ, cake — затвердевать. (В метал­лургии — слой твердых частиц, остающихся на фильтрующей поверхности после фильт­рации суспензий.)

25.11. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ

ХИМИЧЕСКОГО ТЕПЛА ОТХОДЯЩИХ ГАЗОВ СТАЛЕПЛАВИЛЬНЫХ АГРЕГАТОВ
25.11.1. Улавливание конвертерных га­зов. Отходящие газы сталеплавиль­ных агрегатов содержат обычно сле­дующие компоненты: СО, СО₂, N₂, О₂ и иногда Н₂ и SO₂. Два компонен­та отходящего газа (СО и Н₂) делают его перспективным для использова­ния газа в качестве топлива. Однако следует учитывать разные условия ра­боты отдельных сталеплавильных аг­регатов:

а) конструкция мартеновской печи такова, что отходящие газы проходят сложный путь (рабочее пространство печи с окислительной атмосферой — вертикальные каналы — шлаковики — регенераторы); в результате в конце пути они практически не содержат го­рючих составляющих;

б) дуговые печи работают обычно с использованием в качестве металло-шихты металлолома (материала с низ­ким содержанием углерода), поэтому газы, отсасываемые из электропечей, содержат обычно малое количество горючих составляющих (рис. 25.4);



Рис. 25.4. Система удаления и очистки печ­ных газов дуговых печей

в) конвертеры обычно используют в качестве шихты 75—80 % жидкого чугу­на, т. е. материала с высоким содержа­нием углерода. В период интенсивного обезуглероживания содержание СО в отходящих газах возрастает до 90 %. При использовании углеводородов в качестве охладителей фурм донного ду­тья в отходящих газах содержится так­же некоторое количество водорода.

Если использовать метод работы без дожигания, то отходящий газ будет содержать 70-85% СО и 2-5% Н₂, т. е. его можно с успехом применять в качестве топлива или для других це­лей. При этом приходится учитывать особенности технологического про­цесса выплавки стали в конвертерах: поплавочная работа; быстрая смена протекающего потока — с атмосфер­ного воздуха на горючий газ с высо­ким содержанием СО и обратно на воздух; невозможность полностью ис­ключить возникновение хлопков; не­большая доля периода интенсивного обезуглероживания (10—15 мин) по от­ношению к длительности всей опера­ции (35-40 мин).

Первые промышленные опыты экс­плуатации установок по улавливанию и утилизации конвертерных газов были организованы в бедной энергетически­ми ресурсами Японии в начале 60-х го­дов прошлого века. В настоящее время такая практика получила достаточно широкое распространение и в других странах. Конкурирующими оказались два способа очистки: а) «мокрый», с ис­пользованием для улавливания пыли скрубберов или труб Вентури (затем обезвоживание, сушка шламов и от­правка их на аглофабрику); б) «сухой», с использованием электрофильтров (затем брикетирование пыли и отправ­ка ее в сталеплавильный цех).

На рис. 25.5 показана одна из схем «сухого» метода. Накопленный опыт выявил особую роль котла-утилизато­ра, а именно: 1) относящееся к ко­тельной установке уплотнительное кольцо играет самую решающую роль в улавливании газов; 2) геометричес­кая форма котла-утилизатора должна быть оптимальной (чтобы предотвра­тить завихрения, которые иногда при­водят к образованию взрывоопасных смесей и хлопков).

25.11.2. Конвертер-газогенератор. Энергетический кризис 70-х годов ус­корил распространение технологий



Рис. 25.5. Схема сухого улавливания конвертерного газа:

/ — кислородный конвертер; 2—подвижная юбка газохода; 3— котел-утилизатор; 4 — испарительный охладитель; 5— охлаждающая вода; 6— сухой электрофильтр; 7—брикетирование пыли; 8— станция переключения; 9 — дымовая труба со све­чой; 10— охлаждение воды (градирня); 11 — охладитель газа; 12 — газгольдер; 13 — газоповысительная станция; 14 — газосмесительная станция; 15— к потребителю

газа


улавливания конвертерных газов. Бо­лее того, появились предложения и разработаны технологии с заменой ча­сти чугуна дешевым углем. Например, в технологии KMS-процесса предус­мотрено вдувание в конвертер уголь­ной пыли или кокса в смеси с природ­ным газом или азотом (используемым в качестве газа-носителя). В этом слу­чае конвертер играет роль газогенера­тора. Выход газа регулируется расхо­дом металлолома, угля (антрацита) и степенью дожигания газа. При 50 % скрапа в шихте и расходе угля 55— 125 кг/т стали получается на 1 т стали 200-240 м³ газа состава, %: СО 64-67, Н₂ 8-10, СО₂ 11-15. Теплотворная способность газа более 9000 кДж/м³. Расход кислорода составляет в этом случае 90— 155м³/т. Получаемый кон­вертерный газ используется в качестве топлива (рис. 25.6—25.8).

25.11.3. Газгольдеры¹ представляют собой стационарные сооружения для приема, хранения и выдачи газа. Раз­личают газгольдеры «мокрые» и «су­хие».
'От англ, gasholder, где holder — держа­тель.
«Мокрые» газгольдеры (иначе газ­гольдеры переменного объема) обычно состоят из цилиндрического вертикального резервуара (бассей­на), наполненного водой, и колокола (цилиндрический вертикальный ре­зервуар без нижнего днища). Сверху этот резервуар ограничен сферической крышей. Через дно заполненного водой бассейна под колоколом пре­дусмотрен выход газа из газопровода. При поступлении в газгольдер газа (из газопровода) колокол поднимается, при отборе газа — опускается.

Основное достоинство «мокрых» газгольдеров — сравнительная просто­та как изготовления, так и эксплуата-



Рис. 25.7. Энергетический баланс 250-т плав­ки по технологии KMS (50 % скрапа, степень дожигания 20%, антрацит):

а — потери на крекинг метана и восстановление же­леза; б —тепловые потери; в —защитный газ СН₄ и Н₂; г —окисление Si, Mn, P, Fe; КГ— конвертер­ный газ



Рис. 25.8. Зависимость теплотворной способ­ности конвертерного газа Q£™ от степени до­жигания укг и сорта угля (а — антрацит; б — бурый уголь; в —уголь 1) (250-т конвертер; измерения проводили в горловине конвертера)
ции. Основные недостатки — увлаж­нение газа, переменный режим давле­ния газа, трудности эксплуатации в зимнее время, значительный расход металла на изготовление.

«Сухие» (поршневые) газгольдеры представляют собой неподвижный корпус с поршнем, который поднима­ется при поступлении и опускается при выдаче газа. К недостаткам сухих или поршневых газгольдеров относят­ся сложность монтажа и трудность обеспечения герметичности между корпусом и поршнем.

В системе газоснабжения в нашей стране большее распространение по­лучили «сухие» газгольдеры постоян­ного объема (обычно они рассчитаны на высокое давление — до 1,8 МПа).

Особый вид газгольдеров — под­земные газовые хранилища.

В качестве примера использования газгольдеров приведем данные о газ­гольдере за конвертерным цехом за­вода фирмы Krupp Stahl (300-т кон­вертеры): газгольдер «сухой» с рези­новыми уплотнениями, диаметр 47 м, высота 48м, емкость 60 тыс. м³. Та­кой объем газгольдера позволяет обеспечивать сбор, хранение и усред­нение получаемого в процессе про­дувки газа.