Литературный обзор по способам переработки металлургических шлаков

     Содержание
Введение………………………………………………………………………...…..
9
1 Литературный обзор по способам переработки металлургических шлаков…………………………………………………………………………….....

11
1.1 Переработка шлака в строительные материалы……………………..….
11
1.2 Использование шлаков в строительстве автодорог………………….....
16
1.3 Использование шлаков в сельском хозяйстве……………………….….
18
2 Использование металлургических шлаков в ОАО «Уральская Сталь»……....
22
2.1 Характеристика отвалов металлургических шлаков ОАО «Уральская Сталь»……………………………………………………………………..…...

22
2.2 Состав и свойства сталеплавильных шлаков…………………..………..
27
2.3 Переработка сталеплавильных шлаков методом жидкофазного восстановления…………………………………………………………..…….

28
3 Материальный баланс переработки шлака в ПЖВ………………………..……
33
3.1 Уравнение баланса углерода………………………………………...……
35
3.2 Уравнение основности…………………………………………………....
41
3.3 Уравнение шлака……………………………………………………...…...
42
3.4 Уравнение чугуна……………………………………………………….....
42
4 Тепловой баланс переработки шлака в ПЖВ………………………………..….
46
5 Устройство установки Ромелт………………………………………………..…
47
5.1 Устройство печи жидкофазного восстановления…………………….....
47
5.2 Обслуживающие системы печи жидкофазного восстановления……....
54
5.3 Особенности процесса жидкофазного восстановления…………..…….
58
5.4 Использование металлургических шлаков ………………………..…….
63
6  Экономика и организация производства…………………………………….....
70
6.1 Организация производственных потоков и структура 
управления металлургического комплекса…………………………………

70
6.2 Показатели производства…………………………………………………
74
6.2.1 Расчет капитальных вложений для строительства
металлургического комплекса………………………………………………..

74
6.3 Расчет показателей по труду…………………………………………..….
75
6.4 Расчет себестоимости продукции………………………………………..
82
6.5 Расчет прибыли от реализации продукции……………………………...
82
Заключение…………………………………………………………………….........
90
Список использованных источников……………………………………………...
92
     
Аннотация
     
     В выпускной квалификационной работе предложена технология утилизации техногенных отходов металлургическими методами в агрегате «плавка жидкофазного восстановления» без их предварительной сортировки для условий ОАО «» Уральская Сталь. Проведен анализ методов переработки техногенных отходов, их влияние на окружающую природную среду.
     В экономической части выпускной квалификационной работы рассчитаны основные технико-экомические показатели: капитальные и текущие затраты, фонд заработной платы, себестоимость, рентабельность, безубыточный объем производства, срок окупаемости.
     Пояснительная записка к выпускной квалификационной работе выполнена на 90 листах, содержит 19 таблиц, 14 рисунков, список использованных источников из 26 наименований.
     
     
     
     Введение
     
     Развитие цивилизации сопровождается нарушением экологического равновесия в результате воздействия человека на природные объекты. Важнейшим фактором этого воздействия является загрязнение экосистем твердыми, жидкими и газообразными отходами, которое во многих регионах достигает угрожающих размеров.
     Дальнейшее ухудшение ее состояния становится опасным для человечества. Если в ближайшее время кардинально не изменить отношение к переработке и утилизации техногенных отходов, то глобальная экологическая катастрофа неизбежна, причем ее негативные последствия даже трудно прогнозировать.
     По оценкам специалистов стоимость работ по восстановлению окружающей среды, изменившейся в результате хозяйственной деятельности человека, превосходит рыночную стоимость выпускаемой продукции в сотни раз.
     В России экологическая ситуация является одной из самых неблагополучных среди промышленно развитых стран. Практически все города страны относятся к территориям с «очень высоким» и «наиболее высоким» экологическим неблагополучием [1].
    Статья 42 Конституции РФ предусматривает право граждан России на благоприятную окружающую среду. В 1998 году был принят Федеральный закон «Об отходах производства и потребления». Данный закон устанавливает требования и предусматривает лицензирование деятельности по обращению с опасными отходами. Министерство природопользования России разработало нормативно-методическую документацию, где определены критерии отнесения отходов к классам опасности и определены степени опасности воздействия размещения отходов на окружающую среду.
     Уральский регион и Оренбургская область, являются одними из самых неблагополучных в России, так как на их территориях сосредоточено большое количество промышленных предприятий с очень вредными производствами (черная и цветная металлургия, горнодобывающая, химическая, строительная промышленность и другие производства).
     Проблеме утилизации техногенных отходов металлургического производства во всем мире уделяется большое внимание. В настоящее время в России в шлаковых отвалах, по независимым оценкам, накоплено более 300 млн т шлаков сталеплавильного, литейного и ферросплавного производств, которые подлежат переработке по существующим технологиям [12 – 14].
     Значительную долю отходов металлургического производства составляют сталеплавильные шлаки, выход которых составляет в среднем от 150 до 200 кг/т стали. Таким образом, при существующих объемах производства стали в РФ ежегодно образуется в среднем 9 млн т шлаков текущего сталеплавильного производства [15]. При этом 95 % объема шлаков сталеплавильного производства составляют печные шлаки. В их состав входит до 10 % чистого металла, а также 15 – 40 % в виде оксидов железа. Общее количество железа в шлаках, которое можно извлечь, составляет 20 – 30 % от массы шлаков.
     Поэтому актуальной является проблема поиска принципиально нового способа утилизации отходов, который позволил бы решить следующие экономические и экологические проблемы. 
     1 Разработка технологии утилизации техногенных отходов в больших объемах металлургическими методами.
     2 Изготовление прочных шлаковых изделий для строительства гидросооружений и открытых водоемов.
     3 Получение металла для коммерческой реализации.
     4 Получение горячих восстановительных газов для нужд теплоэнергетики и металлургии.
     5 Высвобождение земель занятых отвалами металлургических шлаков.
     

1 Литературный обзор по способам переработки металлургических шлаков
     
     Переработка шлака как самого крупнотоннажного отхода металлургической плавки представляет собой одну из важных задач. В настоящее время в черной металлургии уровень использования доменных шлаков составляет около 98 %, а сталеплавильных менее 30 % [2].
     Первые сведения об использовании шлаков относятся к XVI в. В строительстве шлак стали применять только в XVIII в.: в Нижнем Тагиле и Сатке из шлаковых расплавов начали отливать плиты для ступеней, брусчатку для дорог. В 1728 г. Джон Бейн взял патент на литье камней из огненно-жидкого шлака, которые шли на кладку фабричных дымовых труб, погребов и т. п. В 1761 г. в Швеции литые шлаковые камни применялись вместо кирпича для кладки верхней части шахт доменных печей. Отвальный шлак в России и других странах использовали в качестве щебня при постройке дорог [3].
     Ценные свойства шлаков еще больше привлекают внимание ученых и практиков, и проблема применения шлаков в строительстве становится государственно важной задачей [3].
     
1.1 Переработка шлака в строительные материалы

     «Совсем немного труда потребуется затратить, чтобы превратить шлаки в ценные строительные материалы», – писал выдающийся металлург И.П. Бардин [3]. И это, действительно, так. Ведь достаточно направить поток шлакового расплава, имеющего температуру 1400 – 15000С, в специальные формы, чтобы он превратился в различные строительные материалы и изделия, обладающие многообразными полезными свойствами [3].
     В зависимости от технологических приемов можно получать прочные и сверхпрочные литые изделия, легкие пористые материалы, материалы сыпучие и зернистые, как песок, и даже каменную вату. Дорожные и тротуарные плиты, бортовые камни, брусчатка, плиты для полов, фундаментные блоки, облицовочные плитки, фасованные детали и трубы, шлаковый щебень – все это отливается из шлаковых расплавов. Литые шлаковые изделия прочны, их твердость во много раз выше твердости бетона, они обладают высокой стойкостью в кислотных и щелочных средах [3].
     Совсем иными качествами обладают поризованные шлаковые расплавы. Они образуются в результате введения в огненно-жидкий шлак небольшого количества известняков, доломитов и воды. При остывании расплава получается пористая масса, подобная остывшей мыльной пене. В литейных формах расплав превращается в стеновые плиты, блоки, панели. В дробленом виде поризованный шлак применяется в легких бетонах в качестве пористого заполнителя – шлаковой пемзы. Этот материал, обладает малой плотностью и низкой теплопроводностью, очень хорош в строительных конструкциях [3].
     Если струю шлакового расплава резко охладить водой или воздухом, можно получить стекловидные капли-гранулы. Гранулированный шлак – ценное сырье для производства цементов. Он же может быть использован в качестве мелкого заполнителя в бетонах [3].
     Существует еще одно удивительное превращение шлака. Он способен стать ватой. Впервые шлаковая вата была получена в Англии в 1840 г. В последние годы прошлого столетия промышленное производство ваты из шлаковых расплавов было организовано в других странах. В России шлаковую вату начали получать в 1901 г. на Белорецком заводе. Первые заводы на шлаковом сырье стали работать в 30-х годах. Шлаковая вата, состоящая из тонких стекловидных нитей, – отличный теплоизоляционный материал, выдерживающий нагрев до 6000С. Она идет на изготовление войлока, матов, скорлуп и др. Шлаковая вата не гниет, не размокает и не горит. Благодаря высоким тепло- и звукоизоляционным свойствам она позволяет в 2 – 3 раза уменьшить толщину ограждающих конструкций. Широко применяется шлаковая вата в изоляции трубопроводов [3].
     

1 – шлаковозный ковш; 2 – сливной желоб, 3 – ванная печь; 4 – печь-питатель; 5 – летка; 6 – центрифуга 7 – камера волокнообразования, 8 – камера полимеризации.
Рисунок 1.1 – Принципиальная схема производства шлаковаты 
из шлаковых расплавов
     
     Согласно рисунку 1.1 шлаковый расплав подается к установке в шлаковозных ковшах 1 и через сливной желоб 2 при опрокидывании ковша заливается в ванную печь 3. Для увеличения модуля кислотности расплава в печь добавляют бой стекла. Разогретый в печи до 1350-1400°С расплав из печи-питателя 4 через летку 5 подается на ротор центрифуги 6 и под действием центробежных сил превращается в волокна. Для превращения жидкого шлака в волокна применяют также дутьевой (обработка потоком пара, воздуха или дымовых газов) и комбинированный (центробежный и дутьевой) способы. Внутрь центрифуги подают связующий материал (например, водные растворы фенолформальдегидных смол). Образующиеся волокна, пропитанные связующим, осаждаются на движущейся сетке в камере волокнообразования 7 и в виде минераловатного ковра передаются в камеру полимеризации 8, где при повышенной температуре связующее переходит в твердое неплавкое состояние, обеспечивая достаточно прочную связь отдельных волокон между собой. После охлаждения минераловатный блок разрезается на мерные длины и в виде готовой продукции упаковывается в водонепроницаемую бумагу [4].
     Другой путь использования шлаков возможен при разработке шлаковых отвалов. Медленно охлажденные шлаки имеют кристаллическую структуру, которая обеспечивает им высокую прочность. Из отвальных шлаков путем дробления и сортировки можно получать крупный и мелкий заполнитель для высококачественных бетонов. Шлаковый щебень и песок с успехом заменяют традиционные заполнители из горных пород, специально добываемые в гранитных, известковых, песчаных карьерах. Саморассыпающиеся отвальные шлаки можно использовать в качестве вяжущих веществ для изготовления бетонных строительных конструкций при автоклавном твердении. Из отвального шлака, вновь превращенного в шлаковый расплав, можно получать минеральную вату, шлаковую пемзу, литой щебень и литые шлаковые изделия [3].
     Таким образом, из шлаковых материалов можно изготавливать различные бетонные и железобетонные конструкции для жилищного, промышленного и сельского строительства [3] в формах, согласно рисунку 1.2.
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     а) Вибро-форма для изготовления фундаментных шлаковых блоков
     
     б) форма для изготовления шлаковых плит
1 – боковой борт; 2 – торцевой борт; 3 – петли для кантования; 4 – вибратор; 
5 – поддон с основанием; 6 – стяжные винты
Рисунок 1.2 – Формы для изготовления шлаковых плит и блоков
     
     
     
     
     
1.2 Использование шлаков в строительстве автодорог

     Из сталеплавильных шлаков получают высококачественный минеральный порошок, являющийся важным структурообразующим компонентом (наполнителем) асфальтобетона. На долю минерального порошка приходится 90–95 % суммарной поверхности минеральных зерен, входящих в состав асфальтобетона. Основное его назначение – это перевод битума в пленочное состояние, а также заполнение пор между крупными частицами, в результате чего повышаются плотность и прочность асфальтобетона. Минеральному порошку из сталеплавильных шлаков свойственна более развитая поверхность, чем у порошка из карбонатных материалов и, как следствие, более высокое набухание его в смеси с битумом [5].
     Минеральный порошок повышает прочность асфальтобетона, но вместе с тем увеличивает его хрупкость. Поэтому содержание минерального порошка в смеси должно быть предельно минимальным, достаточным лишь для придания асфальтобетону нормативной плотности и прочности. Повышение массовой доли минерального порошка в смеси сверх необходимого минимума понижает трещиностойкость покрытий и резко снижает их сдвигоустойчивость [4].
     Металлургические шлаки являются эффективным заменителем природных каменных материалов, использующихся для строительства и ремонта автомобильных дорог. Шлаковый щебень по своим свойствам не уступает щебню из твердых пород, а иногда и превосходит его. 
     Щебень, песок и их смеси в зависимости от физико-механических свойств применяются для устройства всех видов конструктивных слоев дороги (покрытий, оснований, дополнительных слоев оснований и т.д. согласно рисунку 1.3).
     
     
     

1 – износостойкий   слой   асфальтобетона   с   минеральным   порошком,
2 – верхний шлаковый слой покрытия, 3 – нижний шлаковый слой покрытия; 
4 – слой щебня толщиной 150 мм; 5 – дополнительный слой, состоящий из песка и гравия; 6 – основание
     Рисунок 1.3 – Схема современного дорожного покрытия с использованием шлаков
     
     В шлаковом щебне содержится частично мелочь; ее количество значительно возрастает при укатке шлака во время сооружения дорожного полотна. Порошкообразные сталеплавильные и доменные шлаки являются низкомарочным вяжущим компонентом и способны создавать монолитное основание дороги. Небольшие добавки цемента и извести в качестве активизатора значительно повышают прочность дорожного основания [5].
     Щебеночное основание из шлаков имеет преимущества по сравнению с основанием из гранитного щебня. Щебень из шлаков легче укатывается благодаря большей шероховатости поверхности зерен. Основание из шлакового щебня долговечно [5].
     Одним из новых перспективных направлений использования шлаков черной металлургии является укрепление ими грунтов при создании оснований автодорог [5]. 
     Материалы из электросталеплавильных шлаков применяют для стабилизации наиболее трудно укрепляемых связных грунтов в различных дорожно-климатических зонах нашей страны. 
     По исследованиям В.А. Мымрина, цементные шлакогрунты, используемые в качестве материалов различных конструкций слоев оснований автодорожных покрятий, обладают достаточно высокой прочностью, водо- и морозостойкостью [5].
     
1.3 Использование шлаков в сельском хозяйстве

     В России имеются обширные площади земель с повышенной кислотностью. Такие почвы содержат мало питательных веществ, имеют плохие физические свойства и структуру, и поэтому малоплодородны даже при достаточном количестве влаги, а иногда и при внесении минеральных удобрений [5].
     В ряде районов страны ощущается острый дефицит в известковых удобрениях. Для покрытия его первостепенное значение приобретает использование шлаков черной металлургии, которые наряду с нейтрализующими основаниями содержат фосфор, серу, марганец, микроэлементы и могут рассматриваться как комплексное известковое удобрение. Как показывают результаты исследований, внесение в почву шлака в количестве до 2,5 % благоприятно сказывается на росте и развитии сельскохозяйственных культур [5].
     В настоящее время для известкования используется мука, полученная при переработке сталеплавильных и ферросплавных шлаков высокой основности.
     Ценность шлаков по сравнению с известью в значительной степени повышается за счет наличия ряда микроэлементов.
     Так как известкование является долгодействующим мероприятием, положительное влияние извести на урожай начинает ослабевать только через 10–15 лет. За этот срок крупные зерна успевают разложиться. Поэтому допускается наличие крупных фракций в известковых удобрениях, что, естественно, снижает их себестоимость [5].
     При переработки шлаков в выше перечисленные материалы применяются различные виды дробилок, чаще всего это щековые и молотковые дробилки, схемы которых приведены на рисунках 1.4 и 1.5. Для получения более мелкой фракции используют мельницы. К примеру, для измельчения шлаков в сельскохозяйственных целях применима шаровая мельница (рисунок 1.6).
     
     
1 – неподвижная щека; 2 – подвижная щека; 3 – вал подвижной щеки; 4 – эксцентриковый вал; 5, 6 – механизм регулировки
     Рисунок 1.4 – Схема щековой дробилки
     
     
1 – станина; 2 – ротор; 3 – отбойные плиты; 4 – колосниковая решетка;
5 – молоток
     Рисунок 1.5 – Схемы молотковой дробилки
     
     
1 – сварной стальной цилиндрический барабан; 2 и 3 – торцевые крышки; 4 – подшипники; 5 – футеровка барабана; 6 – футеровка торцевых крышек; 7 – болты крепления; 8 и 9 – полые цапфы; 10 – зубчатый венец; 11 – улитковый питатель
Рисунок 1.6 – Шаровая мельница с центральной разгрузкой

     На основании анализ литературных и производственных данных можно сделать следующие выводы.
     1 Металлургические шлаки – это ценный продукт, который применяется и используется в многих областях народного хозяйства. Из шлаковых материалов можно изготавливать любые бетонные и железобетонные конструкции для жилищного, промышленного и сельского строительства, для гидросооружений (укрепления берегов рек, озер, намывки новых приморских территорий).
     2 В настоящее время большинство из образующихся шлаков классифицируются как промышленные отходы и зачастую хранятся в специальных отвалах для гарантии от распада длительное время, затем «добываются» и подлежат переработке на дробильно-сортировочных комплексах, превращаясь в товарную продукцию.
     3 Переработка шлака указанными способами включает обязательное дробление, грохочение и измельчение (энергозатраты на все процессы составляют от 4 – 8 кВт?ч/т), т. е. являются достаточно энергоемким процессом, что сдерживает его более полное использование.
     4 Значительная доля черного металла присутствует в шлаках в виде оксидов FeO и Fe2O3. При переработке шлаков в строительный щебень, цементы, сельскохозяйственные удобрения  металл из оксидов не извлекается. Потери металла со шлаками на сегодня в РФ составляет до 1 – 1,2 млн т в год
     5 Горы шлаковых отвалов изменяют и портят ландшафт, отравляют воздушный и водный бассейны, а также загрязняют почвы, увеличивают социальную напряженность в обществе.
     
      
     
2 Использование металлургических шлаков в ОАО «Уральская Сталь»
     
2.1 Характеристика отвалов металлургических шлаков ОАО «Уральская Сталь»

     В районе металлургического предприятия ОАО «Уральская Сталь» (ОХМК) находятся девять объектов размещения отходов: отвалы доменного производства Южный и Северный (ныне полигон промышленных отходов), отвал мартеновского производства, отвал ЭСПЦ, накопитель отходов КХП (законсервированный), накопитель отходов КХП и ТТО, шламонакопители ЦВС № 1 и 2 и золонакопитель ТЭЦ.
     Из них три объекта выведены из эксплуатации: Южный отвал доменного производства, шламонакопитель ЦВС № 1, накопитель отходов КХП (законсервированный).
     Шлаки доменного и сталеплавильного производства как отход по Федеральному классификационному каталогу отходов (ФККО) имеют код 3 51 000 00 00 0 [26], и относятся к 4, 5 классам опасности.
     Краткая характеристика отвалов металлургических шлаков приведена в таблице 1.
     Отвал шлаков доменного производства (Южный) введен в эксплуатацию в 1955 г выведен из эксплуатации в 1985 г и занимает площадь порядка 54 га, вместимостью примерно 12 329 тыс.т, мощностью 410 000 т/год. Ширина санитарно-защитной зоны около 3000 м, удаленность от ближайшего водного объекта – река Урал составляет 0,5 км, а от ближайшего населенного пункта – г. Новотроицк – 0,75 км. На отвале шлаков доменного производства размещены отвальные доменные шлаки.
     Размещение текущих доменных шлаков не производится. С 1992 г ведется разработка отвальных шлаков с извлечением металлургического скрапа и передачей шлака на переработку в Новокиевский цех переработки металлургических шлаков (НЦПМШ) ООО «ЮУГПК».
     Отвал шлаков мартеновского производства введен в эксплуатацию в 1978 г и занимает площадь порядка 46 га, вместимостью примерно 9 097,6 тыс.т, мощностью 750 000 т/год. Ширина санитарно-защитной зоны около 3000 м, удаленность от ближайшего водного объекта – река Урал составляет 3,75 км, а от ближайшего населенного пункта – г. Новотроицк – 0,125 км. На отвале шлаков мартеновского производства размещены отвальные и текущие мартеновские шлаки.
     Размещение текущих мартеновских шлаков не производится. С 1991 г ведется переработка текущих и отвальных шлаков на двух шлакоперерабатывающих установках с общей производительностью  1,1 млн т в год.
     Отвал шлаков электросталеплавильного производства введен в эксплуатацию в 1981 г, выведен из эксплуатации в 2013 г и занимает площадь порядка 16 га, вместимостью примерно 2 304 тыс.т, мощностью 115 200 т/год. Ширина санитарно-защитной зоны около 3000 м, удаленность от ближайшего водного объекта – река Урал составляет 5 км, а от ближайшего населенного пункта – г. Новотроицк – 4 км. На отвале шлаков электросталеплавильного производства размещены текущие электросталеплавильные шлаки. 
     С 2000 г ведется переработка текущих и отвальных электросталеплавильных шлаков на шлакоперерабатывающей установке с производительностью до 400000 т в год.
     Отвал шлаков доменного производства (Северный) введен в эксплуатацию в 1985 г, выведен из эксплуатации в 2010 г и занимает площадь порядка 15,791217 га, вместимостью примерно 10 000 тыс.т, мощностью 360 000 т/год. Ширина санитарно-защитной зоны около 3000 м, удаленность от ближайшего водного объекта – река Урал составляет 5 км, а от ближайшего населенного пункта – г. Новотроицк – 3,88 км. На отвале шлаков доменного производства размещены текущие доменные шлаки.
     Размещение текущих доменных шлаков не производится. С 2000 г ведется переработка текущих и отвальных шлаков на шлакоперерабатывающей установке с производительностью 400000 т в год.
     Водоотведение с территорий отвалов не осуществляется, т.к. шлаки обладают высокой водопоглощающей способностью.
     
Таблица 1 – Краткая характеристика отвалов металлургических шлаков ОАО «Уральская Сталь»
Наименование отвала
Год ввода в эксплуатацию
Занима-емая площадь,
га
Количество накопив-шегося шлака,
млн.т
Поступление,
т/год
Ширина СЗЗ,
м
Удаленность






от ближайшего водного объекта – р.Урал
от  г.Новотро-ицка
1. Отвал шлаков доменного производства (Южный)
1955
54
12,329
410 000
3000
0,50
0,75
2. Отвал шлаков мартеновского производства
1978
46
9,0976
750 000
3000
3,75
0,125
3. Отвал шлаков электростале-плавильного производства
1981
16
2,304
115 200
3000
5,00
4,00
4. Отвал шлаков доменного производства (Северный)
1985
15,79
10,000
360 000
3000
5,00
3,88

     С 2006 года отвалы металлургических шлаков переданы в долгосрочную аренду ООО «Южно-Уральскоя горно-перерабатывающая компания» для переработки отвальных и текущих шлаков в металлоскрап и щебень различной фракции.
     За период с 2010 по 2014 года были получены и отправлены в переработку сталеплавильные шлаки, количество которых можно проследить в таблицах 2 и 3 и на рисунках 2.1 и 2.2.




Таблица 2 – Количество шлаков ЭСПЦ ОАО «Уральская Сталь» и переданных на переработку в сторонние организации
 
Шлак электросталеплавильного производства
 
2010
2011
2012
2013
2014
Образование шлака за год, т
243138
267444
285415
263857,4
270000
Передача шлака в другие организации, т
243138
267444
285415
263857,4
270000
     
     

Рисунок 2.1 – Количество шлаков ЭСПЦ ОАО «Уральская Сталь» и переданных на переработку  в сторонние организации


Таблица 3 – Количество мартеновских шлаков ОАО «Уральская Сталь» и переданных на переработку в сторонние организации

Шлак мартеновского производства

2010
2011
2012
2013
2014
Образование шлака за год,   т
391701
224170,17
279454
40524
-
Передача шлака в другие организации в текущем году,   т
391701
224170,17
279454
40524
-



Рисунок 2.2 – Количество мартеновских шлаков ОАО «Уральская Сталь» и переданных на переработку в сторонние организации

     Вместе со шлаком в отвалы попадают и остатки стали, которые затем извлекаются в виде корольков, скрапин, козлов и возвращаются в производство, часть стали в виде мелких корольков остается в массе шлака, затем сепарируется при переработке (примерно 60 %) и также возвращается в производство. Однако, часть корольков не извлекается при сепарации и остается в шлаках (5 – 7 % от массы шлака) и теряется безвозвратно. При этом в окислительных шлаках также содержится значительная доля оксидов железа: для шлаков электросталеплавильного производства доходит до 40 %.
     Железо, содержащееся в шлаках в виде оксидов таких концентраций, теряется безвозвратно, а учитывая, что они находятся в жидком расплаве, процесс их восстановления представляется малозатратным, тем более что прочность щебня при снижении концентрации оксидов железа до 5 – 7 % изменяется незначительно.
     
     
     
     
     2.2 Состав и свойства сталеплавильных шлаков
     
     Состав и свойства сталеплавильных шлаков определяет их роль в процессах передела [6]. В сталеплавильных шлаках всегда есть железо в виде оксидов до 24 % и в металлической форме до 20 %, а также оксид марганца до 11 %. Наличие металла в шлаках не только снижает выход стали, но и заметно усложняет переработку шлаков [6].
     Составы электросталеплавильных шлаков более разнообразны в сравнении с мартеновскими и конверторными шлаками. В процессе плавки в электропечи окисляются составляющие шихты, происходит формирование шлака и переход в него фосфора [6].
     Химические составы электросталеплавильного и мартеновского шлаков, полученные в сталеплавильном переделе ОАО «Уральская Сталь» приведены в таблице 4.
     
Таблица 4 – Химические составы сталеплавильных шлаков ОАО «Уральская Сталь»
Наименование компонента шлака
Содержание компонента шлака,
% (масс)

Электросталеплавильный 
Мартеновский
Оксид кальция (CaO)
43,92 – 45,56
36,80– 46,20
Кремния диоксид (SiО2)
20,06 – 22,44
4,90 – 24,20
Оксид магния (MgO)
7,28 – 13,82
0,80 – 11,20
Алюминия оксид (Al2О3)
5,14 – 8,72
2,20 – 12,60
Оксид марганца (MnO)
5,75 – 8,21
5,50 – 15,70
Оксид железа (II) (FeO)
8,00 – 15,86
7,20 – 22,40
Оксид железа (III) (Fe2O3)
0,93 – 3,72
0,80 – 8,10
Фосфор общий (в виде Р2О5)
0,25 – 0,58
0,20 – 1,40
Сера (S)
0,10 – 0,40
до 0,20
     
     
     
     Из всего этого можно сделать следующие выводы.
     1 Вокруг территории предприятия скопились 4 отвала с общим количеством шлаков металлургических шлаков 33,7309 млн. т, которые занимают земли площадью в 131,79 га, негативно влияют на окружающую среду отравляют воздушный и водный бассейн, ухудшают пригородные пейзажи, искажая их эстетический вид.
     2 На ОАО «Уральская Сталь» переработка сталеплавильных шлаков не осуществляется, они передаются в сторонние организации, при передаче шлаков на переработку теряется безвозвратно около 40 % суммарного железа в виде его оксидов и корольков.
     3 При дроблении и измельчении шлаков в агрегаты попадают куски металла, которые вызывают сильный износ рабочих частей дробилок и мельниц и даже их поломки, приводя к дорогостоящим ремонтам; поэтому процесс переработки шлаков медленный и энергозатратный.
     Для решения этих проблем существует способ переработки сталеплавильных шлаков методом жидкофазного восстановления, при котором не требуется дробление и измельчение шихты, энергозатраты снижаются за счет использования горячих расплавленных шлаков и в ходе процесса дополнительно получается чугун.
     
2.3 Переработка сталеплавильных шлаков методом жидкофазного восстановления
     
     Решение задачи переработки шлаков непосредственно в жидком состоянии после выпуска из сталеплавильного агрегата (черные шлаки) или ковша (белые шлаки) оздоравливает обстановку в цехе, позволяет остановить накопление шлаковых отвалов и освобождает земельные территории, ослабляя нагрузку на окружающую среду [17].
     Такая возможность возникает при комплексной схеме переработки шлака, когда на первом этапе происходит восстановление железа из оксидов и коагуляция мелких включений стали в массе шлака [17], а затем, на втором этапе, в специальном устройстве достигается его быстрое затвердевание с приданием необходимых свойств, отвечающих требованиям потребителей продукции [16].
     За сталеплавильным агрегатом, например ДСП, расположен агрегат комплексной обработки шлака (АКОШ), в котором предполагается доизвлечение металла путем жидкофазного восстановления оксидов и осаждения корольков. Несомненным преимуществом расположения агрегатов является возможность использования тепла шлакового расплава, сливаемого из сталеплавильного агрегата, что значительно влияет на экономику процесса [16].
     Для переработки сталеплавильных шлаком методом жидкофазного восстановления применяют различные плавильные агрегаты: ZEWA (Евросоюз), МАГМА (Россия), Ромелт (Россия), приведенные в таблице 5.
     1 Агрегат ZEWA малоизучен, разработан в условиях европейских предприятий, в России не испытывался.
     2. Агрегат МАГМА разработан ООО Промышленной компанией «Технология металлов» совместно с ЗАО «НПО «Гидропресс» и НТ ЗАО «АКОНТ» Россия г. Челябинск, изучен мало, только в условиях экспериментальной установки челябинского металлургического комбината.
     3. Агрегат разработан на базе МИСиС, прошел испытания в условиях Новолипецкого металлургического комбината. Разработанная в СССР применительно к черной металлургии разновидность процесса («Ромелт») в промышленных условиях  подтвердила его высокую эффективность, но кризис 1990-х годов не позволил металлургам практически довести эту технологию до промышленной реализации. Тем не менее, процесс был усовершенствован значительно, снизив энергозатраты и сделав его еще более эффективным [19].
     
     
Таблица 5 – Технико-экономические показатели агрегатов жидкофазного восстановления
ZEWA
МАГМА
Ромелт







Тип установки:
Ковш-печь с дуговым нагревом.
Реактор футерован огнеупорными материалами, которые подвергаются химическому и механическому воздействию расплавленного шлака, что затрудняет получение нужного состава клинкера.
Для данного агрегата характерна малая производительность, низкая стойкость футеровки, сравнительно большой расход энергии, сложность организации процесса в промышленных масштабах [21].
Гарнисажный, охлаждение жидкометаллическим теплоносителем (натрием), нагрев газокислородными горелками.
Агрегат состоит из: плавильной камеры, имеющей корпус, который охлаждается жидкометаллическим теплоносителем (натрием), для которого необходима система вторичного охлаждения; система подогрева шихты теплом отходящих газов. Ванна агрегата защищена огнеупорной футеровкой, которая отсутствует в шлаковой зоне и свободном пространстве. В местах отсутствия футеровки  образуется слой шлакового гарнисажа, который защищает стенки агрегата [21].
Водоохлаждаемый, гарнисажный, нагрев теплом реакций окисления углерода в шлаковом расплаве.
Агрегат состоит из рабочей камеры печи; сифонного отстойника шлака и сифонного отстойника чугуна.
Рабочая камера футерована и в зоне интенсивного барботажа имеет торцевые и боковые медные кессоны. Загружаемая шихта не требует особой подготовки


Продолжение таблицы 5
ZEWA
МАГМА
Ромелт
Характер работы:
Периодический
Непрерывный
Непрерывный
Тепловая мощность, вводимая в рабочее пространство, с учетом восстановителя (МВт):
10 – 12
(без учета восстановителя)
48 – 52
165 – 170
Размеры плавильной камеры:
Ковш 55 т
Средний диаметр – 2,25 м
Высота агрегата – 2,8 м
Наружный диаметр корпуса – 4 м
Длина корпуса – 9 м
Длина рабочего пространства на уровне фурм – 11 м
Ширина – 2,5 м
Высота агрегата – 6 м
(не учтены размеры отстойника для шлака и металла)
Производительность, (т/ч):

по проплавляемой шихте:
9 – 10
по получаемому металлу:
2,5 – 3,5
по получаемому шлаку:
5 – 6
Шихта с 25 – 30 % Feобщ
по проплавляемой шихте:
45 – 55
по получаемому металлу:
8 – 9
по получаемому шлаку:
30 – 45
Шихта с 30 % Feобщ
по проплавляемой шихте:
75
по получаемому металлу:
13 – 14
по получаемому шлаку:
40
Расход теплоносителей на плавление шихты и восстановление оксидов:
Электроэнергия (оценка)
800 – 1200 кВт ч/т
Природный газ 80 – 110 нм3/т
Кислород 160 – 220 нм3/т
Уголь 900 – 1084 кг/т
Кислород 900 – 930 нм3/т
Удельная производительность по проплавляемой шихте, т/(МВт ч) тепловой мощности:
0,75 – 1,0
0,94 – 1,07
0,44 – 0,46
Удельный расход первичной энергии на плавление шихты и восстановление оксидов металлов, (МВт ч/т):
2,83 – 3,97
1,56 – 1,93
6,78 – 7,88
     
     
     
     Анализ различных технологий для утилизации металлургических шлаков приводит к выводу, что оптимальным является процесс Ромелт, реализуемый в печи Ванюкова [17], при этом получают чугун и горячие восстановительные газы. Преимущества данной технологии следующие:
     - возможность одновременной переработки всех видов отходов (техногенных и высокотоксичных отходов, сталеплавильных окислительных шлаков, окалины, в том числе замасленной, пыли газоочисток и других железосодержащих отходов, пластмасс, отработанных шин, смазочных материалов, строительного мусора, отходов деревообработки и т.д.);
     - отсутствие необходимости подготовки шихты в виде брикетов;
     - применение низкосортных углей и отказ от дорогостоящего кокса;
     - возможность получения: шлака, металла, горячих восстановительных газов, электроэнергии;
     - полученный шлак используется для производства фасонных шлаковых изделий и теплоизоляционных материалов (щебня, шлакова.......................