Тема 4.
Металургійний комплекс
4.1. Загальні відомості про металургійний
комплекс.
Металургія −
галузь науки і
промисловості, яка пов’язана
з первинним отриманням металів.
Тобто металургія займається виробництвом металів із руд та
інших видів сировини.
Металургійний комплекс займається видобутком руд, виплавлянням металів,
їх сплавів та виробництвом прокату, який є базовим для розвитку машинобудування. Комплекс
складається з гірничовидобувної промисловості, чорної та кольорової
металургії.
Гірничовидобувна галузь видобуває рудну та нерудну сировину для її
подальшої переробки.
Чорна металургія виплавляє
чавун, сталь, а
також надає їм відповідну форму (прокат).
Кольорова металургія займається
виплавлянням легких, важких, благородних, рідкоземельних металів
та виробництвом сплавів.
Більшість металургійних
підприємств України мають
повний цикл виробництва і щорічно
виплавляють від 1 до 10 млн тонн
сталі. Україна має 14
металургійних комбінатів, які
відносять до найбільших підприємств світу. До найбільших
металургійних підприємств України
відносять “Криворіжсталь”, “ім.
Ілліча”, “Азовсталь”, Алчевський МК, “Запоріжсталь” та
“Дніпроспецсталь”.
4.2 Чорна металургія
Чорна металургія – одна
з провідних базових
галузей господарського
комплексу нашої держави. Машинобудування – основний
споживач її продукції. Україна посідає VI
місце у світі за виплавлянням чавуну та сталі.
Вітчизняні труби великого діаметра експортують до різних країн світу.
Для подальшого розвитку
і вдосконалення чорної
металургії Україна має всі
необхідні умови: величезну,
компактно розміщену сировинну
базу (залізні та марганцеві руди, коксівне вугілля, вогнетривкі, флюсові
вапняки тощо). Перспективи подальшого розвитку вбачаються в першу чергу
у вдосконаленні виробництва,
впровадженні сучасних технологій,
підвищенні якості продукції тощо.
Виробництва, в яких
представлено всі головні
ланки чорної металургії
(виробництво чавуну, сталі
та прокату), називають комбінатами повного
циклу. Територіально вони
розміщені в трьох металургійних районах: Придніпров’ї, Донбасі та Приазов’ї.
Основним способом виплавляння
чавуну та сталі
ще досі лишаються традиційний
доменно-мартенівський спосіб. Він
має істотні недоліки: тривалість
виплавляння чавуну та
сталі становить 6-12 год, значні витрати палива та води,
неекологічність. На сучасному етапі сталь виробляється шляхом рафінування
чавуну за схемою виробництва руда – чавун –
сталь. Переробку чавуну
на сталь проводять
у сталеплавильних агрегатах з
використанням кисневого дуття.
Існує декілька способів отримання сталі: конверторний, мартенівський та
інші.
4.2.1 Виробництво чавуну.
Виробництво чавуну – складний
технологічний процес, що
крім, доменного процесу охоплює
підготовку вихідних матеріалів
для доменного плавлення і
первинного перероблення отриманих продуктів – чавуну, шлаку
та доменного газу.
До доменного процесу належить також
виробництво
кам’яновугільного коксу – основного палива для доменної плавки чавуну.
Чавун – це високовуглецевий нековкий
сплав заліза з
вуглецем, містить у собі 2,14-6,3% С, а також домішки Мn – до 3%, Si –
до 4,5%, S – до 0,12%, P – до 2,5 відсотків. Чавун – найважливіший первинний
продукт металургії, частка якого в сучасному машинобудуванні становить 75% від
загальної маси заготовок. Чавун, отриманий з доменних печей, поділяють на
переробний, ливарний та феросплав доменний.
Переробний чавун застосовують для
подальшої переробки на сталь на металургійних
заводах, для виробництва
сталевого литва.
Ливарний чавун використовують для чавунного литва.
Феросплав доменний використовують для розкиснення та легування сталі.
Одержання чавуну можна описати загальною схемою: підготовка руди – завантаження печі –
доменний процес – чавун.
Вихідними матеріалами для отримання чавуну є залізорудні матеріали
(руда, агломерат, окатки),
флюси і кокс.
Їхню суміш, складену
у відповідних пропорціях, називають доменною шихтою.
На металургійний завод залізорудні матеріали надходять у вигляді кускової (> 10 мм) і
дрібчастої (< 10 мм) руди та
концентрату. Кускова руда надходить на рудний двір доменного цеху.
Дрібчасту руду і концентрат
разом з мангановою
рудою та флюсом (вапняком) подають на
процес згрудкування, де
вони спікаються. Згрудкований продукт (агломерат або
окатки) надходить до бункерів доменних печей. Сюди також
надходить кокс, який отримують із
кам’яного вугілля у
коксівних печах. Кускову
руду, агломерат, окатки, кокс,
флюс та замінники
залізної руди (металевий
брухт, мартенівський шлак,
чавунна стружка) завантажують
у доменну піч зверху .
Умовно доменний процес,
що перебігає в
доменній печі, можна поділити на
етапи: горіння палива
– вуглецю (коксу); розкладання компонентів шихти; навуглецювання
заліза; шлакоутворення.
Ці етапи процесу відбуваються в печі одночасно на різних рівнях. У печі
безперервно рухається з гори донизу потік шихти, а
знизу догори – потік газів, які
утворюються під час
горіння палива. Суть
доменного плавлення полягає у
відновленні заліза з оксидів у руді, навуглецюванні заліза та
окиснення пустої породи
та золи палива.
Для виробництва чавуну у піч
об’ємом 2700 м3 необхідно
вдувати щодобово 8 млн. м3 повітря та
додатково 500000 м3
кисню. Потім така кількість газів
випускається через димар
в атмосферу. Для охолодження домен використовується вода в
кількості 20-25 м3 на одну тонну чавуну, температура якої
підвищується у середньому
на 5-8оС.
Відпрацьована вода після охолодження
у градирнях знов
подається в охолоджувальну систему печі.
Паливо доменної печі
є не лише
джерелом енергії, але й реагентом, який
забезпечує відновлення заліза
з руди. Тому
паливо повинне відповідати вимогам: висока теплотворна здатність, малий
вміст золи та вологи, чистота за вмістом шкідливих домішок, висока механічна
міцність, пористість для
забезпечення інтенсивності
горіння, а до того ж воно має бути
недефіцитним та недорогим.
Таким вимогам відповідає кам’яновугільний кокс.
Його отримують із
спеціального коксівного вугілля
з вмістом летких
речовин 18-26%, які вилучаються
під час коксування, а
тверда маса спекається
і утворює пористе
паливо – кокс,
який має теплоту згорання 25-31 МДж/кг. На одну
тонну чавуну витрачається до 550 кг коксу.
Для виготовлення чавуну використовують такі руди:
• магнітний залізняк (основна
складова Fe3О4);
• червоний залізняк (Fe2О3);
• бурий залізняк – водні окиси
заліза 2Fe2 О3 3Н2О;
• шпатовий залізняк – карбонат
заліза Fe СО3.
Крім цих руд
використовують комплексні руди:
хроміти (містять крім заліза до 37,5% Сr), хромонікелеві,
титаномагнетити. Для оплавлення важкоплавких порожніх порід та золи палива
використовують флюси – вапняк, доломіт, кварц, піщаник тощо.
4.2.2 Виробництво сталі
Значення сталі, як
матеріалу, в народному
господарстві дуже велике. Майже
неможливо назвати ні однієї галузі господарства, де б не використовували сталь.
Рівень економічного розвитку країни насамперед залежить від
кількості та якості
сталі, що виплавляється. Світове виробництво сталі за останні сто
років зросло в 365 разів.
У 2014 році у
світі вироблено 1035,5 млн тонн
сталі. У світовому
виробництві сталі частка
конвертерної становить приблизно 59,5%, електросталі – 34,8,
мартенівської – 2,5, інших видів плавок – 3,2%. Річне виробництво сталі,
що припадає на
душу населення, у
країнах з розвиненою
промисловістю становить 400-600 кг.
В Україні загальна
потужність сталеплавильного виробництва становлять приблизно 37
млн тонн сталі
за рік (близько 600 кг на душу
населення). Приблизно 49,2% усієї сталі виробляється в конвертерах, 47,9
– у мартенівських печах і 2,8% – в електропечах.
Сталь – це
сплав заліза з
вуглецем та іншими
хімічними елементами (домішками),
розчиненими в залізі.
Домішки впливають на властивості сталі
як позитивно, так
і негативно. Тому
їх поділяють на корисні та шкідливі.
Основною домішкою в
сталі є вуглець,
вміст якого становить
від 0,05 до 2,14%.
Корисні домішки – це Mn (0,3-0,6%), Si (0,15-0,3%), Cr, Ni, Co, W.
Шкідливі домішки – S; P; N;
O, які
обмежуються сотими і тисячними відсотка.
Змінюючи вміст вуглецю,
можна отримати сталі
з різними механічними властивостями. Але
фізичні властивості сталі
поліпшують додаванням легуючих
елементів, при цьому отримують особливі фізико- хімічні властивості,
яких вуглецеві сталі не мають. Такі сталі називають легованими.
За хімічним складом сталь поділяють на низьковуглецеву (С менше ніж
0,25%), середньовуглецеву (С –
0,25-0,6%), високовуглецеву (понад 0,6%
С) і
леговану, в тому
числі хромисту, марганцевисту
(манганову), хромонікелеву. Залежно від
вмісту шкідливих домішок (сірки та
фосфору) сталь поділяють на
звичайної якості (вміст не
перевищує 0,07% S і 0,09% Р), якісну (вміст сірки і фосфору не
перевищує 0,045%) і високоякісну ( вміст сірки та фосфору не перевищує 0,025%
кожного).
За призначенням сталь поділяють на:
• конструкційну – використовують для
виготовлення металевих
конструкцій (для спорудження будинків
і мостів, виробництва різних машин). Конструкційна
сталь може бути як проста вуглецева, так
і легована. Легована
сталь дорожча, але
має кращі механічні властивості;
• інструментальну – використовують для
виготовлення інструментів,
валків прокатних станів,
деталей ковальського і штампувального устаткування.
Інструментальна сталь, зазвичай, містить велику кількість вуглецю
(іноді до 2%), а в деяких марках – легуючі елементи: хром, вольфрам, молібден
та ін.;
• топкову та
котельну – низьковуглецеву
сталь, яку використовують для
виготовлення парових котлів
і топок. Вона
повинна мати певні пластичні
властивості в холодному стані,
добре зварюватися, не старіти;
• для залізничного
транспорту – для виготовлення
рейок, осей, бандажів залізничних
коліс. Це середньовуглецева сталь,
до якої ставлять високі
вимоги, наприклад на
втому та на
суцільність структури металу;
• підшипникову – для
виготовлення кулькових і
роликових підшипників. До цієї
сталі, що містить
близько 1% С і 1,5%
Сг, ставлять дуже високі вимоги за вмістом неметалевих вкраплень.
Крім цих є
сталі, призначення яких випливає
із їх назви: ресорно-пружинні, електротехнічні, трансформаторні, нержавіючі,
гарматні, трубні тощо.
Існує декілька принципових
технологічних процесів отримання сталі, основними з яких є:
Мартенівський спосіб
– випалювання надлишку вуглецю
в чавуні відбувається за рахунок
не лише кисню повітря, а й кисню оксидів заліза, які додаються у вигляді
залізної руди та іржавого залізного брухту.
Плавильні ванни потужних
мартенівських печей мають довжину до 16 м, ширину до 6 м і висоту понад 1 метр.
Місткість таких ванн досягає 500 тонн сталі. У плавильну ванну завантажують
чавун, залізний брухт і залізну руду.
До шихти додають також вапняк в якості флюсу. Температура печі
підтримується за 1600-1650°С і
вище. Вигоряння вуглецю
і домішок чавуну у
період плавлення відбувається
головним чином за рахунок надлишку кисню в
горючій суміші, а також за
рахунок кисню повітря. Внаслідок взаємодії
основних і кислотних
оксидів утворюються силікати і
фосфати, які переходять у шлак. Сірка теж переходить у шлак у вигляді.
Мартенівські печі, як
і конвертори, працюють
періодично. Після розливання сталі
піч знову завантажують
шихтою і так
далі. Процес переробки чавуну
в сталь у
мартенах відбувається відносно
повільно протягом 6-7 годин.
На відміну від
конвертора у мартенах можна легко регулювати хімічний
склад сталі, додаючи
до чавуну залізний
брухт та
руду в тій
чи іншій пропорції. Перед закінченням
плавлення нагрівання печі припиняють,
зливають шлак, а
потім додають розкиснювачі.
У мартенівських печах можна
одержувати і леговану
сталь. Для цього
в кінці плавлення додають до сталі відповідні метали або сплави.
Конверторний спосіб. Суть конверторного способу полягає у тому, що
через рідкий чавун, залитий у конвертор, продувається повітря, кисень
якого окиснює вуглець
та домішки. Процес
полягає в тому, що
кисень повітря, яке
вдувається через рідкий чавун, окиснює його домішки і при реакціях з
інтенсивним перебігом
утворюється така кількість
тепла, якої цілком
досить для перетворення чавуну
на сталь протягом 10-13 хвилин.
Електричне
плавлення – найбільш
сучасний спосіб отримання сталі, який має переваги порівняно
з виробництвом сталі у конверторах та мартенівських печах.
Простота регулювання теплового
режиму і високі температурні процеси
дозволяють використовувати шлаки
високої лужності, що спрощує
більш повне виділення
шкідливих домішок. В електричних
печах виплавляють високоякісні
конструкційні, інструментальні,
корозійностійкі, жаростійкі та
інші спеціальні сталі
та сплави. Для виплавляння
сталі використовують дугові
та індукційні електричні печі.
Місткість найбільш широко
застосовуваних дугових печей становить 0,5-360 тонн.
Печі середньої та
великої місткості використовують
на металургійних заводах для
отримання зливків, а печі малої місткості –
на машинобудівних підприємствах
для отримання стальних зливок.
Джерелом тепла є електрична дуга, яка збуджується між графітовими електродами
й металевою шихтою.
Застосування кисню дозволяє
значно інтенсифікувати процес, прискорити окиснення
вуглецю та інших
домішок. Вдування кисню
у ванну скорочує час
розплавлення шихти й нагріву металу, що скорочує тривалість окиснювального періоду.
У разі застосування
кисню тривалість плавлення зменшується на 30-35%, а витрати
електроенергії на 20-25% за одночасного покращання якості сталі.
4.3 Кольорова металургія
В епоху науково-технічної революції
кольорова металургія у зв’язку
з бурхливим розвитком
наукомістких галузей машинобудування набула великого
значення. Через бідність
сировинної бази на Україні
її розвиток обмежений, тому
вона представлена лише
окремими галузями. Чверть товарної
продукції дає вторинна
переробка кольорових металів, тобто за рахунок металобрухту.
Кольорову металургію в
Україні представлено такими
галузями: алюмінієвою, ртутною, нікелевою,
титаново-магнієвою, свинцево-цинковою,
мідною.
Умовно кольорові метали поділяють
на важкі та
легкі. До важких металів належать
ртуть, нікель, свинець, цинк, мідь.
Легкими металами вважають
алюміній, титан, магній.
Їх виробництво потребує багато
електроенергії, тому центри
виплавлення металів зорієнтовано на потужні джерела електроенергії.
Провідною галуззю кольорової
металургії України є
алюмінієва промисловість.
Вона дає близько 20%
від загального виробництва кольорових металів.
Споживачами кольорових металів
є найсучасніші галузі:
радіоелектроніка,
обчислювальна техніка, ракетобудування, літакобудування, ядерна
енергетика та ін.
Основною сировиною для
одержання кольорових металів
є руди. Крім рудних
джерел для виробництва
багатьох кольорових металів використовують вторинну
сировину: відходи металообробки
у промисловості, деталі, що відслужили свій термін, побутові відходи
тощо. У перспективі вторинна
сировина повинна стати
основним джерелом одержання
деяких кольорових металів.
Одержання кольорових металів
з руд −
непросте завдання, яке ускладнюється тим,
що, як правило,
переробляють бідну та
складну поліметалічну руду. Під
час її переробки
необхідно одночасно з одержанням основного металу забезпечити відділення всіх інших цінних компонентів. Тому
у кольоровій металургії
використовують не один металургійний процес,
а низку послідовних
процесів, що забезпечують поступовий поділ перероблюваної
сировини .
В основу будь-якого
металургійного процесу покладено
принцип переведення оброблювальної сировини в систему, що складається із
двох, трьох і більше
фаз, що повинні
відрізнятися складом і
фізичними властивостями.
Наприклад, первісно перемішана
тверда руда розплавляється і
утворює рідкі фракції основного металу та шлаку. Метал і шлак розрізняються
між собою температурою
плавлення та густиною. Тому у рідкому стані вони відстоюються і діляться на два шари – більш легкий шар (наприклад рідкий
шлак) плаває на
більш щільному шарі металу. Обидва шари окремо зливають із
печі.
Таким
чином відбувається виплавляння металу і
відокремлення від нього шлаку. Під
час виробництва кольорових
металів основні технологічні
процеси поділяють на дві групи:
1. Пірометалургійні (які
відбуваються за високих температур).
2. Гідрометалургійні
(відбуваються у водних середовищах).
Окремою групою виділяють
електрометалургійні процеси, в яких
електроенергія виступає як рушійна енергетична сила для їх перебігу.
4.3.1. Виробництво міді.
Мідь – один із
найважливіших кольорових металів (температура плавлення становить 1083,4°С, густина – 8,9
кг/дм). За електропровідністю вона
дещо поступається сріблу
і є основним матеріалом в електро-
та радіотехніці, які споживають 40-50% всієї міді.
Мідь має цінні механічні властивості – ковкість і витягування.
Майже всі галузі машинобудування застосовують мідні сплави – латуні й
бронзи.
Бронзи. Найбільш поширені –
олов’янисті (4-33% Sn), свинцеві
(близько 30% РЬ), алюмінієві (5-11% Аl )
та силіцієві (4-5% Si). Їх застосовують для
виготовлення підшипників, теплообмінників та
інших виробів у вигляді листа, прутків
і труб для хімічної, паперової і
харчової промисловості.
Латунь – сплав
міді з цинком (до 50% Zn), що містить
невеликі добавки інших елементів (АІ, Sі, Ni, Мn). Її
переважно застосовують у хімічній промисловості.
Сплави міді з
хромом та порошковий
сплав з вольфрамом використовують для виготовлення
електродів та електричних контактів, а сплави
з фосфором (6-8%) – для
виготовлення припоїв. Як
легуючий компонент мідь є обов’язковою складовою багатьох алюмінієвих та
інших сплавів.
Компонентами для отримання міді є руди та продукти їх збагачення –
концентрати та вторинна сировина, до того ж на частку останньої припадає
близько 40% загальної кількості виробленої міді.
На виробництві використовують руди, що містять 0,8-1,5% Сu і
більше, хоча промисловими вважають
руди, які мають уже 0,6-0,8% Сu.
Мідь із руди отримують двома
способами – гідро- та пірометалургійним
(90% усього виробництва).
Більшість
мідних руд збагачують
методом флотації (процес ґрунтується
на різному змочуванні водою металовмісних часточок пустої породи), внаслідок
чого отримують концентрат,
що містить 8-35% Сu.
У процесі збагачення комплексних руд із них можна вилучати інші цінні елементи. Для цього застосовують
селективну флотацію, яка
дає змогу послідовно
вилучати металовмісні
часточки різних металів (для
цього добирають відповідні
флотаційні реагенти).
Рудні
концентрати, досить збагачені міддю (25-35% Сu) плавлять. Основний недолік
такої технології – відсутність
утилізації сірчистого ангідриду
SО2, який забруднює атмосферу.
4.3.2
Виробництво алюмінію.
У загальному
виробництві металу у
світі алюміній посідає
друге місце після заліза
і перше серед
кольорових металів. Він
має високу електро- і
теплопровідність,
поступаючись лише сріблу
й міді, його застосовують як
провідниковий матеріал та
для виготовлення деталей багатьох пристроїв.
Температура плавлення алюмінію
становить 660°С, температура кипіння – 2520°С, щільність – 2700 кг/м3
.
Особо важливе значення в промисловості мають
алюмінієві сплави.
Алюмінієві сплави поділяють
на деформівні (піддаються холоднійта гарячій механічній обробці –
прокатуванню, куванню тощо) та ливарні.
Серед
сплавів, що деформуються,
насамперед слід відзначити дюралюміни (3,4-4% Си, 0,5
Мn, 0,5% Мg), створення
яких сприяло бурхливому розвитку
авіаційної техніки. За
своїми механічними властивостями
дюралюміни наближаються до деяких сортів сталі.
Серед
ливарних сплавів найбільше
поширені силуміни – сплави
з великим вмістом силіцію
та добавками легуючих
елементів. Силуміни мають високі
ливарні властивості, що
дає змогу отримувати
фасонне литво будь-якої конфігурації. Завдяки високому вмісту кремнію
вони досить дешеві.
Щодо
металургії, то виробництво алюмінію складається
з двох основних процесів – отримання
глинозему (АІ2О3)
з бокситів та
електроліз глинозему.
Алюміній
отримують електролізом глинозему,
розчиненого в розплавленому електроліті.
Електролітичний
видобуток алюмінію – складний
технологічний процес,
пов’язаний з величезними
витратами електроенергії, що відбувається за
високої температури. Усе
це, природно, впливає
на вартість алюмінію, тому
багато підприємств з
виробництва алюмінію
розташовано безпосередньо біля
гідроелектростанцій, джерел дешевої електричної енергії.
4.4
Вплив металургійних виробництв на довкілля.
4.4.1
Вплив чорної металургії
Чорна металургія посідає друге місце із загальної кількості викидів
забруднювальних речовин в атмосферне повітря – після теплоенергетики.
Основними
джерелами викидів в
атмосферу у чорній
металургії є: агломераційне
виробництво, виробництво чавуну та сталі. За
даними аерокосмічних знімань
снігового покрову, зона
дії підприємств чорної металургії
простягається на відстань
до 60 км від джерел забруднення. Навколо
металургійних заводів формуються
своєрідні техногенні зони, де
повітря, вода, сніг,
ґрунт, рослинність містять
широкий набір шкідливих речовин,
включаючи і такі надзвичайно небезпечні, як свинець та ртуть.
Переважно викиди складаються з оксидів карбону
(67,5% сумарного викиду в атмосферу),
твердих речовин (15,5%), діоксиду
сульфуру (10,8%) та оксидів нітрогену (5,4 відсотка).
Забруднення атмосфери.
До основних
джерел забруднення атмосфери відносяться
агломераційне, коксове виробництво,
доменне виробництво чавуну, сталеплавильне виробництво та ін.
Агломераційне
виробництво. За
агломераційного виробництва
викиди шкідливих речовин
в атмосферне повітря
поділяють на технологічні, які
утворюються у процесі спікання агломераційної шихти і охолодження агломерату,
та неорганізовані, які
утворюються у процесі дроблення шихтових
матеріалів і агломерату,
їх грохочення та перевантаження під час транспортування.
Коксове
виробництво. Камерні печі
для коксування (коксові батареї) використовують з метою отримання
коксу внаслідок піролізу вугілля. За
технологією використовують
суміш вугілля різного
складу, у процесі
перемішування якого відбувається значне виділення пилу. Попереднє
нагрівання суміші, що сприяє підвищенню
стабільності коксу та
здійснюється в камерах згоряння, зумовлює реакцію з
компонентами навколишнього середовища, внаслідок чого
утворюються шкідливі сполуки – оксид та діоксид вуглецю, метан, вуглеводні, оксиди азоту та
сірки.
Після закінчення
процесу коксування готовий
кокс вивантажують із коксових
печей, що також супроводжується виділенням великої кількості пилу та
газів.
Кількість пилу, що виділяється
у процесі коксування, становить до 700 г/т коксу.
Доменне виробництво чавуну. На виробництво однієї тонни чавуну утворюється
майже 2000 м3 доменного газу. Доменний газ містить 3,5-3,6% – водню,
0,1-0,4% – кисню, 0,1-0,6% – метану,
55% –
азоту, 25-32% – оксиду
вуглецю, 10-15% – діоксиду вуглецю, значну кількість пилу.
Після очищення від пилу він стає якісним
паливом, яке
використовується у доменному цеху для
нагріву повітронагрівачів,
тому основна кількість
доменного газу не
потрапляє в атмосферу. Доменні
печі на одну тонну виплавленого чавуну виділяють один м3 шкідливих
газів, що потрапляють в атмосферу.
У цих газах міститься (за масою): 25-30% СО, 12-18%
СО2, 2-7% Н2, 0,5% СН , 47-57% NO2, пилу 15-70
мг/м3.
Джерелом
надходження пилу у
навколишнє середовище є
також вентиляційні гази підбункерних
приміщень доменних цехів.
Ці гази містять 2-5 г/м3 пилу, для
очищення від якого
використовують електрофільтри, що
знижують вміст пилу
у газах, який
викидається, до 60-80 мг/м3
Сталеплавильне
виробництво. Виплавляння
однієї тони сталі пов’язано з
викидами в атмосферу 40
кг твердих часток, 30
кг діоксиду сірки, близько 50 кг
оксиду вуглецю. Пил містить сполуки Mn, Fe, Cu, Zn,
Cd, Pв
та ін. Під
час виплавляння високолегованих сталей
у довкілля також надходять
сполуки Va, Cr, Ni, Mo та ін.
З усіх пилогазових викидів із сталеплавильних агрегатів найбільша
кількість припадає на
мартенівські печі: 90% – оксидів
сірки, 85% – оксидів азоту та 75% – пилу. На одну тонну садки у мартенівських
печах, у разі опалення їх природним газом, утворюється від 1000 до 4000 м3/год
газу, який має
на виході з
печі температуру 700-800°С.
Хімічний склад газу залежить від виду
використаного палива, складу шихти та технології плавлення. В ньому містяться
оксид та діоксид вуглецю, оксиди азоту та сірки, кисень, водень, азот, водяна
пара та деякі інші речовини. Кількість оксидів сірки залежить від виду
використаного палива і під час опалення
доменним газом
може досягати 800 мг/м .
Окрім газоподібних домішок, газ,
що виділяється, містить значні кількості
пилу – до 15 г/м3.
Мартенівський пил складається головним чином з
оксидів заліза (близько 88%). Крім цього, в ньому містяться оксиди алюмінію,
марганцю та інших речовин, що входять до складу шихти.
Під час роботи
електродугових печей в
атмосферу потрапляють тверді та
газоподібні забруднювачі. На одну тонну перероблюваної сталі виділяється
10-35 м3/год газів
під час топлення, 100-250 м3/год
під час окисненні та 25-50 м3/год під час відновлення.
Склад газів такий: 8-20% діоксиду карбону, 8-70% оксиду
карбону, 0-2% кисню, 18-75% діоксиду нітрогену.
Хімічний
склад конверторних газів у %
становить: СО2 – 17, N2 – 16, СО – 67. Газ містить також: SО2, (до 70 мг/м3),
Н2S (до 30 мг/м3), флюор (до 200
мг/м3), хлор (до 20
мг/м3) та до 200
г/м3 аерозольних твердих
включень. З роботою металургійних комбінатів
пов'язані такі екологічні
проблеми, як “лисячі хвости”
(викиди оксидів азоту),
які викликають кислотні
дощі, забруднення водойм, ґрунтів
тощо. Забруднення навколишнього середовища навколо підприємств
чорної металургії відчувається в радіусі 20-50 км. На один км2
території випадає за добу до 15 кг пилу.
Забруднення
гідросфери. Чорна металургія
країни споживає 13-15% кількості
води від загальних
витрат усіх галузей
промисловості. Нині питома витрата
води на виготовлення однієї тонни
сталі, включаючи всі технологічні операції
добування й підготовки
руди, коксу та
подальшої переробки чавуну на сталь, а потім – на прокат, труби, метизи,
перевищує 260 м3. До
того ж у
цей показник входить
значна частина води
із природних джерел. Незважаючи
на існуючі заходи
з ефективного використання оборотної
води, понад 4% усього
використання води із природних джерел припадає на чорну
металургію.
Стічні води у процесі виробництва агломерату містять залізо, оксид кальцію та вуглець. На коксохімічних заводах утворюються фенольні стічні води. На виробництво однієї тонни коксу витрачається 1,2-1,6 м3 води для гасіння коксу. У процесі очищення коксового газу від сірководню утворюється за годину приблизно до 6 м3 стічних вод, у складі яких містяться феноли, сірководень, аміак, ціаніди, бензольні вуглеводи, які відносять до канцерогенних речовин.
В доменному виробництві під час очищення 1000 м3
газу утворюється 4-6 м3стічних вод, які містять пил (часточки руди,
коксу, вапняку, агломерату), хімічні сполуки (сульфати, хлориди), розчинені
гази.
Стічні
води в процесі
виробництва сталі утворюються
під час очищення газів
мартенівських печей, конверторів тощо.
У стічних водах,
що потрапляють з
системи газоочищення
мартенівських печей, міститься до 80%
часток пилу розміром від 0,1
до 0,07 мм та до 20% розміром часток від 0,07 до 0,01 мм. Витрати води
на газоочищення становлять 0,3-0,8 л/м3 газу, що
відповідає витратам води 1,6-4,2
м3/т виплавленої сталі.
Середня концентрація завислих
твердих часток у стічних
водах становить 3 г/л,
максимальна до 17 г/л,
на 93% вони складаються з оксидів заліза.
Склад
та забруднення стічних
вод за конверторного
виробництва сталі залежить від
схеми відведення газів
і технологічного процесу.
У стічній воді міститься завислих часток до 7000 мг/л. Розміри часток
пилу у стічних водах: 0,1-0,04 мм – 30% (від
загальної кількості завислих часток) та 0,05- 0,01 мм – до 70
відсотків.
Щорічно
у поверхневі водні
об’єкти потрапляє до 1,0
млн м3 стічних вод,
з яких понад 85%
є токсичними. Разом
із стічними водами відходить значна
кількість забруднювальних речовин,
у тому числі завислі
речовини, сульфати, хлориди,
сполуки заліза, сполуки
важких металів тощо.
У разі скидання
забруднених стічних вод
металургійних підприємств у водоймищі збільшується кількість завислих
часток, значна кількість яких видає поблизу місця скидання, підвищується температура води, погіршується
кисневий баланс, від
винесення з водою мастильних продуктів з
прокатних цехів утворюється
масляна плівка на
поверхні водоймища. Потрапляння шкідливих речовин у водойми може
призвести до загибелі водних
організмів та порушення
природних процесів самоочищення
водоймищ. Шкідливий вплив на людей, тварин, макро- та мікроорганізми, рослинний
світ мають багато металів, їх сполуки
та інші неорганічні речовини,
які містяться у стічних водах
металургійних підприємств.
Забруднення літосфери. Під час
технологічних процесів у
чорній металургії
утворюється велика кількість
твердих відходів, які складуються на
великих площах та
в більшості випадків
шкідливо впливають на ґрунт,
рослинність, водні джерела
та повітряний басейн.
Звалища
твердих відходів займають
сьогодні тисячі гектарів
корисного ґрунту. В них накопичено близько 500 млн тонн шлаків.
Шламопилові
відходи утворюються практично
на всіх стадіях металургійного виробництва.
В нашій країні
щорічно утворюється близько 80
млн тонн доменних, сталеплавильних та феросплавних шлаків, а також 1
млн тонн шламів, 110 тис.
тонн пилу. Шлам містить
велику кількість заліза (майже 50 відсотків).
Суттєве
забруднення ґрунту дають
тверді відходи промисловості.
Тверді відходи на вітчизняних заводах з виробництва
чавуну становлять:
• брухт,
брак – 87 500 т/рік;
• шлак
окалина, зола – 40 000 т/рік;
• шлами,
флюси – 600 т/рік.
Утворення неутилізованих відходів у металургійному
виробництві в середньому становить
0,5 тонн
на 1 тонну сталі.
Якщо додати до цих
відходів величину відправлених у відвал
відходів у процесі видобутку й збагачення руди
і вугілля, то
питомий обсяг відходів
у металургійному виробництві
становитиме 2 т на 1 т сталі, а сумарний обсяг їх накопичень за рік
становитиме 63,6 млн. тонн,
що створює 51% усіх
накопичених у країні відходів.
4.4.2.
Заходи охорони довкілля від шкідливого впливу чорної металургії.
Для розв’язання
проблем, пов’язаних з
чорною металургією, слід впроваджувати нові
технології плавлення металу,
зводити очисні споруди,
використовувати відходи металургії
в інших виробництвах, коксовий газ –
для синтезу азотних
добрив, шлаки доменного виробництва у цементній промисловості тощо.
Шкідливий вплив підприємств чорної металургії на
довкілля можна суттєво зменшити використанням
різних технологічних заходів
та спеціального для цих цілей обладнання.
Для зменшення шкідливих викидів
передбачається:
-
механізоване завантаження шихти;
- підвісні
бункери для сипких матеріалів та феросплавів;
-
автоматизовані системи завантаження цих матеріалів;
-
обладнання для механізації робіт
з обслуговування конверторів
та міксерних пристроїв;
-
механізація прибирання шлаків
під конверторами та
сміття на
робочих майданчиках;
Одна з головних умов, що уможливлює знизити викиди
шкідливих речовин, – правильне, кваліфіковане ведення технологічних процесів.
Це є запорукою запобігання
аваріям та непередбаченим викидам шкідливих речовин.
Для
очищення стічних вод
конверторного виробництва
використовують переважно радіальні
відстійники. Для інтенсифікації їх роботи
використовують реагентний метод
оброблення стічних вод. Використання як
коагулянта поліакриламіду дозволяє
підвищити гідравлічне
навантаження на 1 м2
відстійника до 1,4 м3/год.
Після відстоювання вода повертається в систему оборотного
водопостачання.
Сьогодні
загальне водоспоживання в
чорній металургії становить 1689,6 млн. м3/рік.
Заміна
в охолоджувальних системах
холодної води на
кип’ячу дозволить зменшити витратити
води на охолодження
більше, ніж у 60 разів
за рахунок використання
процесу пароутворення.
4.4.3
Вплив на довкілля кольорової металургії.
До
чинників, що становлять
значний вплив на
стан довкілля, відносять
газоподібні, рідкі та тверді відходи виробництва.
Забруднення
атмосфери. Щорічно
підприємствами кольорової
металургії викидається в атмосферу до 3000 тис. тонн шкідливих речовин. Забруднення
атмосфери підприємствами кольорової
металургії характеризується переважно
викидами SО2 (75% від
сумарного викиду в атмосферу), оксидів карбону (10,5%) та пилу
(10,4%).
Джерелами
утворення шкідливих викидів
під час виробництва глинозему, алюмінію,
купруму, плюмбуму, стануму,
цинку, нікелю та дорогоцінних металів є
різноманітні види печей.
Слід зазначити, що під час
пірометалургійної переробки руд та концентратів утворюється значна
кількість відхідних сульфуровмісних газів,
для утилізації яких
відсутні економічно виправдані
технології. Внаслідок цього ступінь вловлювання діоксиду сульфуру на
підприємствах кольорової металургії не перевищує 22,6%.
Із 40 млн. тонн кольорових металів, що виробляються
у світі, частка алюмінію становить – 17 млн. тонн.
Під час виробництва
алюмінію в атмосферне
повітря викидається велика кількість
сірчаних сполук і
значна кількість пилу.
Піч спікання викидає за
годину 45 тонн пилу.
До того ж
цей пил містить
у собі токсичні пилоподібні
речовини такі, як арсен і свинець, а тому є особливо небезпечним. Оскільки
алюміній отримують електролізним
способом, струм, що проходить
через електроліт, спричиняє
у ванні високі температури. При
цьому розвиваються чисельні
хімічні реакції. Відбувається бурхливе
виділення анодних газів,
збагачених пилом та шкідливими
складовими. Під час виробництва
однієї тонни алюмінію
в атмосферу потрапляє приблизно 27 кг фтору.
Окис
вуглецю утворюється як
результат згоряння анодів,
які виготовляють з нафтового коксу та інших матеріалів, що містять
вуглець і смолисті речовини. У
смолах присутній канцерогенний 3,4-бенізапірен, що також
виділяється з газами.
Температура анодних
газів від 50 до 150 °С, тому має
місце також теплове забруднення атмосфери.
Аналогічно
відбувається забруднення атмосферного
повітря на підприємствах кольорової
металургії, що виробляє мідь,
цинк, свинець, нікель та інші
метали.
Забруднення гідросфери.
Щорічно у кольоровій
металургії використовується до
1200 млн. м3 води.
Стічні води підприємств кольорової металургії забруднені мінеральними речовинами,
більшість з яких є токсичними
(ціаніди, ефіри, нафтопродукти тощо), солями важких металів (купрум, цинк,
плюмбум, нікель), сполуками
арсену, фторидами,
меркурієм, стибієм, сульфатами,
хлоридами тощо. У виробництві
алюмінію використовують замкнену
система споживання води, свіжа
вода необхідна для підживлення системи. Значне забруднення води відбувається
через поверхневий стік
з території підприємства.
Алюмінієве
виробництво належать до
тих виробництв, на
яких за умовами технології
неможливо певною мірою виключити надходження у стік специфічних домішок з
токсичними властивостями.
Забруднення літосфери.
Важливою проблемою для
підприємств кольорової
металургії є забруднення
ландшафтів. На територіях заводів
накопичується
дуже велика кількість
твердих відходів та
шламів.
Шламосховища
часом досягають за
площею 200 га. Ці шламонакопичувачі на
поверхні висихають і
вітер розносить пилюку
прилеглими до заводів
територіями. Відходи також
інфільтруються у ґрунт і
потрапляють у підземні горизонти, забруднюючи їх.
На
території алюмінієвих заводів
накопичується особливо багато промислових відходів
у вигляді червоних
шламів. Вони зберігаються просто неба
у спеціальних шламонакопичувачах, які
займають сотні гектарів. Наприклад,
площа шламонакопичувача МГЗ
займає 188 га із загальної площі заводу 480 га. За даними
технічного відділу МГЗ сьогодні у
шламонакопичувачі знаходиться 15,6 млн.
тонн червоного шламу,
до того ж
щорічно додається близько 1
млн. тонн. Дуже важливою
проблемою є транспортування глинозему
та його руди – бокситів. Боксити
доставляють водою і
під вивантаженням вони
сильно пилять і забруднюють береги та води водойм. Глинозем везуть
вагонами і оскільки він борошноподібний, то дуже велика кількість його
висипається і розпилюється у атмосферу.
Шлаки є другим
продуктом металургійних процесів,
які утворюються під час ошлакування (виведення у шлак) оксидів порожньої
породи і флюсів. Хоча шлаки можуть бути
і досить цінною
сировиною, проте у більшості випадків вони є відвальним продуктом, тобто
відходами металургійного виробництва. Вихід
шлаків під час
плавлення руд кольорових металів,
зазвичай, великий і
становить 60-120% від маси рудної
частини шихти. Основними
компонентами шлаків є SiO2, FeO, CaO, а також Al2O3, MgO, ZnO.
4.5 Заходи боротьби з негативним впливом на
довкілля підприємств кольорової металургії
Найактуальнішим завданням для підприємств
кольорової металургії є розробка і реалізація заходів боротьби з шкідливим
впливом на довкілля та використання відходів.
Охорона
атмосферного повітря на
підприємствах з виробництва кольорових металів полягає в
очищенні та уловленні шкідливих газів. Для цього застосовують
батарейні циклони, сухі
електрофільтри, димососи, що
встановлюють у кінці системи або перед електрофільтрами.
Виробництво
кольорових металів потребує
багато води, водні ресурси
витрачаються з використанням
технології зворотного водопостачання,
за допомогою якої стабілізація складу води, запобігання накипоутворенню і
посиленню корозії досягається
без скидання зі зворотної
системи. Тобто, технологічна
вода проходить кілька
стадій
виробничого процесу,
а потім залежно
від вимог тієї
чи іншої стадії, подається на ту чи іншу переробку без
попереднього очищення. Підживлення
такої системи свіжою
водою необхідне лише
для компенсації втрат води
від випаровування та
розбризкування. Для поповнення
замкнених зворотних систем біологічно очищеними стічними водами ці води, як і
води з природних джерел, мають бути пом’якшені та знесолені настільки, щоб у системі
встановилася рівновага на
заданому рівні.
Для
уникнення шкідливого впливу поверхневого
стоку з території підприємства необхідно
створювати локальні дощові
каналізації. Такі
каналізаційні системи збирають поверхневі стічні води і направляють на локальні очисні
споруди, де очищаються
води від основних забруднювачів, чим запобігається їх
потраплянню у водойми.
Під час виробництва
багатьох кольорових металів
утворюється шлам, що накопичується
у шламовідстійниках, і
який може використовуватись у
виробництві будівельних матеріалів. Наприклад, під час виготовлення
алюмінію з нефілінів
з відходів виготовляють нефіліновий цемент,
з якого отримують
конструкційний ізоляційний
газобетон високих марок, зі шламу отримують вогнетривкі бетон і цеглу, а також
випалені плити, блоки,
легковагий, ізоляційний матеріал.
У
дорожньому будівництві
його використовують як підстилковий шар, а також як в'яжучий
асфальтобетон.
Шлами можуть
слугувати перспективною сировиною
для багатьох інших будівельних
матеріалів. Червоний шлам алюмінієвого виробництва знайшов своє застосування як
реагент у металургійній промисловості під час виробництва агломерату і залізорудних окатишів, а також як пігмент
для зафарбування ламінованих
шарів деревостружкових плит та керамічної плитки.