ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ПРОИЗВОДСТВА ЧЕРНЫХ МЕТАЛЛОВ

Железо важнейший металл современной индустрии.

Черная металлургия является одной из ведущих отраслей мировой индустрии. В настоящее время в мире ежегодно добывается более 1 млрд тонн железной руды и производится около 800 млн тонн стали. Среди других отраслей материального производства черная металлургия занимает одно из первых мест по количеству используемых природных ресурсов.

Черная металлургия оказывает активное и пагубное воздействие на окружающую среду. Это в первую очередь связано с потреблением большого количества различных сырьевых материалов и образованием больших количеств самых разнообразных отходов. На долю предприятий черной металлургии приходится около 15% всех промышленных выбросов в атмосферу пыли, 8 10% выбросов диоксида серы, 35-40% монооксида углерода, около 15% оксидов азота, 10 15% общего объема потребления промышленностью свежей воды и примерно столько же сбрасываемых сточных вод [36].

ОСОБЕННОСТИ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА

Металлургическое производство традиционно состоит из четырех основных стадий: агломерационного, доменного, сталеплавильного и прокатного производств. К ним следует добавить коксохимическое производство, производство огнеупоров и энергии, как правило, включаемые в промышленный комплекс черной металлургии. Принципиальная схема производства стали показана на рис. 13.1.

Основной агрегат в черной металлургии доменная печь. Схема доменного цеха представлена на рис. 13.2. Высота печи достигает 30 и более метров, а диаметр превышает 7,5 м. Измельченную железную руду или агломерат вводят в доменную печь сверху, послойно смешивая с коксом. Снизу в печь продувают предварительно нагретый воздух, в котором уголь сгорает до оксида углерода, восстанавливающего оксид железа:

Эта реакция обратима и преимущественно идет в верхней части доменной печи. Равновесие ее тем сильнее смещается вправо, чем ниже температура. Часть Fc^O:} восстанавливается лишь до FeO, который.

Рис. 13.1. Принципиальная схема производства стали

попадая в нижнюю часть домны зону высокой температуры, восстанавливается непосредственно углем:

FeO + С ->• Fe + СО.

Температура в нижней части доменной печи доходит до 1600 °С. Железо при этом плавится (температура плавления железа 1539° С) и стекает в горн, откуда его периодически выливают в формы.

Рис. 13.2. Доменная печь: 1 приемная воронка; 2 малый конус; 3 распределитель шихты; 4 воронка большого конуса; 5 - наклонный мост; б скип; 7 воздушная фурма; 8 защитные сегменты колошника; 9 шлаковая летка; 10 чугунная летка; 11 большой конус

Железные руды, содержащие кислые породы (диоксид кремния или оксид алюминия), предварительно смешивают с основными добавками, называемыми флюсами, обычно это известняк. В настоящее время флюсы вводят на стадии агломерации. Руды, содержащие основную пород)', смешивают с кислыми добавками (песком, гранитом). Флюсы образуют с пустой породой легкоплавкие шлаки, которые собирают на поверхности расплавленного чугуна (доменные шлаки) и периодически удаляются из печи.

Расплавленное железо растворяет углерод, кремний, фосфор, серу и марганец, образуя чугун, используемый непосредственно для отливки изделий либо перерабатываемый на сталь.

Сталь получают путем удаления углерода и остальных примесей до нужной степени чистоты в конверторах (рис. 13.3) или мартеновских печах (рис. 13.4). Специальные стали получают в электропечах.

Рис. 13.3. Положения конвертера при заливке чугуна (а), продувке (б) и сливе

стали в ковш (в)

Мартеновская печь, обогреваемая газообразным топливом или мазутом, работает следующим образом. Газ и воздух проходят через предварительно разогретые до температуры около 1200° С камеры- рекуператоры 8 и 9, выложенные внутри огнеупорным кирпичом, где нагреваются до 800 900°С. При сжигании разогретого газа в атмосфере разогретого воздуха в горелке 1 образуется факел пламени, поднимающий температуру в рабочем пространстве печи до 1700° С и выше. Твердые шихтовые материалы, загружаемые через окна 2. плавятся на поду 3, откуда сливаются в ковши. Продукты сгорания при температуре около 1600 °С поступают в камеры 4 ^и 5 и разогревают их керамическую кладку до температуры 1200 °С, после чего уходят в дымовую трубу. К этому времени камеры 8 и 9 уже достаточно охладились, отдавая свое тепло нагреваемым газу и воздуху. Поэтому, при изменении

Рис. 13.4. Схема мартеновской печи: 1 горелка; 2 окна для загрузки шихты; 3 под печи; 6’, 7 клапаны для изменения направления газа и воздуха; 2, 5, 8, 9

камеры-рекуператоры

положения клапанов 6 и 7 направление газа и воздуха меняется, и они поступают в камеры 4 ^и 5, разогретые отходящими газами. Процесс повторяется в течение всей плавки в той же последовательности после очередной перекидки клапанов 6 и 7.

В доменном производстве основным источником загрязнения воздушного бассейна являются агломерационные фабрики. На долю выделяемой ими пыли приходится до 17% от общих выбросов предприятий черной металлургии, диоксида серы 46%, оксидов азота 20%, монооксида углерода 55%.

Главный отход доменного производства это доменные шлаки, образующиеся в количестве от 0,4 до 0,65 т на тонну выплавляемого чугуна. Это самые многотоннажные отходы металлургического производства. Общее количество доменных шлаков, получаемых на отечественных предприятиях, составляет около 50 млн тонн в год. Доменное производство связано также с выделением больших количеств пыли и газов, включая монооксид углерода, диоксид серы и оксиды азота.

При мокрой очистке доменного газа образуется большое количество загрязненных сточных вод.

Производство стали, в свою очередь, связано с образованием значительных количеств шлаков и отходящих газов. Очистка конверторных газов очень сложна и сопровождается образованием сильно загрязненных сточных вод. Еще большей запыленностью и высоким содержанием оксидов азота характеризуются отходящие газы мартеновских печей.

В производстве проката наибольшую трудность вызывает очистка газов от травильных ванн, в которых наряду с оксидами азота и парами кислот содержатся такие высокотоксичные примеси, как соединения мышьяка. Сложную проблему представляет также переработка сбросных травильных растворов.

Коксохимическое производство сопряжено с выделением больших количеств пыли, газов и сточных вод. Стоки коксохимического производства содержат такие опасные (и в то же время ценные) вещества, как аммиак, фенолы, цианиды, сероводород, смолистые вещества и другие канцерогенные соединения.

В ближайшие десятилетия в производстве стали и сплавов на основе железа будет использоваться преимущественно традиционная технология. Поэтому в настоящее время задача создания безотходного металлургического производства решается главным образом путем его последовательного усовершенствования за счет снижения материало- и энергоемкости, а также использования образующихся отходов.