Рециклинг отходов при выплавке стали в конвертерах

Министерство образования и науки РФ

Новокузнецкий институт (филиал) федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования

«Кемеровский государственный университет»

 

Факультет информационных технологий

Кафедра «Экология и естествознание»

 

 

 

Реферат

по дисциплине «Переработка вторичных ресурсов»

 

 РЕЦИКЛИНГ ОТХОДОВ ПРИ ВЫПЛАВКЕ СТАЛИ В КОНВЕРТЕРАХ

 

 

 

 

                                                                         Выполнил: студент гр. ГЭМ-12

                               Шелгачёва О.И. Проверил: к.т.н.

Фейлер С.В.

 

 

 

 

 

Новокузнецк 2013

 

Содержание

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Металлургическая промышленность является одной из основных отраслей, загрязняющих окружающую среду. На металлургических предприятиях России ежегодно образовывается 2,7 млрд. т отходов, которые могут стать ценным вторичным сырьем, но они используются только на 30% . Применение отходов производств, попутных и вторичных продуктов – огромный резерв не только экономии природного сырья, но и повышения эффективности производства и улучшения экологической обстановки [1, 2].

Сталеплавильное производство продолжает оставаться ключевым переделом в цепи технологических процессов получения стального проката. Ведущий сталеплавильный процесс – кислородно-конвертерный, получивший самое широкое распространение как в мире, так и в нашей стране, находится в настоящее время на пороге коренной реструктуризации и технологического переоснащения. Слишком велики по современным меркам безвозвратные потери тепла и железа с отходящими газами и шлаком. Таким образом назрела острая необходимость модернизации и дальнейшего развития конвертерного производства, основными направлениями которого наряду с коренным улучшением качества выплавляемого металла, расширением и усложнением его сортамента,  является снижение ресурсо- и энергозатрат на выплавку качественной стали.

 

 

1 Технология конвертерного производства

 

 

Процесс занимает главенствующую роль среди существующих способов массового производства стали. Такой успех кислородно-конвертерного способа заключается в возможности переработки чугуна практически любого состава, использованием металлолома от 10 до 30 %, возможность выплавки широкого сортамента сталей, включая легированные, высокой производительностью, малыми затратами на строительство, большой гибкостью и качеством продукции.

В основу конвертерного процесса положена обработка расплава газообразными окислителями без дополнительного подвода тепла извне. Технологический процесс плавки осуществляется за счет химической теплоты экзотермических реакций и физического тепла, вносимого жидким чугуном. Плавка ведется в специальном агрегате – конвертере, который представляет собой сосуд, футерованный изнутри огнеупорными материалами (рисунок 1).

1 – стальной кожух; 2 –  огнеупорная футеровка; 3 – кислородная фурма; 4 – завалка флюса; 5 – легирующие добавки; 6 – летка; 7 – ковш; 8 – заготовка; 9 – проволока; 10 – бесшовная труба; 11 – блюм; 12 – балка; 13 – толстолистовая сталь; 14 – листовая заготовка (сляб); 15 – листовой прокат.

 

Рисунок 1 – Кислородный конвертер

Технологическая схема производства стали представлена в приложении А.

Кожух конвертера выполняют сварным из стальных листов толщиной от 20 до 100 мм. В центральной части конвертера крепят цапфы, соединяющиеся с устройством для наклона. Механизм поворота конвертера состоит из системы передач, связывающих цапфы с приводом. Конвертер может поворачиваться вокруг горизонтально оси на 360о со скоростью от 0,01 до 2 об/мин. Для больше грузных конвертеров емкостью от 200 т применяют двухсторонний привод, например, четыре двигателя по два на каждую цапфу. В шлемной части конвертера имеется летка для выпуска стали. Выпуск стали через летку исключает возможность попадания шлака в металл. Летка закрывается огнеупорной глиной, замешанной на воде.

Процесс производства стали в кислородном конвертере состоит из следующих основных периодов (рисунок 2): загрузки металлолома, заливки чугуна, продувки кислородом, загрузки шлакообразующих, слива стали и шлака [3].

 

 

Рисунок 2 – Стадии производства стали в кислородном конвертере

 

В конвертер подаются следующие сырьевые материалы:

• жидкий передельный чугун из доменной печи после специальной предварительной обработки, т.е. десульфурации и дефосфорации;

• другие железосодержащие добавки, как правило, лом и железную руду в количестве, необходимом для корректировки теплового баланса и требуемой температуры стали;

• шлакообразующие добавки соответствующего состава, состоящие в основном из извести (CaO) и доломитизированной извести (CaO-MgO), обычно в форме кусков размером от 20 до 40 мм.

Лом загружают в наклоненный конвертер через горловину при помощи завалочных машин лоткового типа. Затем с помощью заливочных кранов заливают жидкий чугун, конвертер устанавливают в вертикальное положение, вводят фурму и включают подачу кислорода с чистотой не менее 99,5 % О2. Правильно организованный режим продувки обеспечивает хорошую циркуляцию металла и его перемешивание со шлаком. Последнее в свою очередь способствует повышению скорости окисления содержащихся в чугуне C, Si, Mn, P.

Одновременно с началом продувки загружают первую порцию шлакообразующих и железной руды (40 - 60 % от общего количества). Остальную часть сыпучих материалов подают в конвертер в процессе продувки одной или несколькими порциями, чаще всего 5 - 7 минут после начала продувки.

Шлакообразование в значительной мере определяет ход удаления фосфора, серы и других примесей, влияет на качество выплавляемой стали, выход годного и качество футеровки. Основная цель этой стадии плавки заключается в быстром формировании шлака с необходимыми свойствами (основностью, жидкоподвижностью и т. д.). Сложность выполнения этой задачи связана с высокой скоростью процесса (длительность продувки 14 - 24 минуты). Формирование шлака необходимой основности и заданными свойствами зависит от скорости растворения извести в шлаке. На скорость растворения извести в шлаке влияют такие факторы, как состав шлака, его окисленность, условия смачивания шлаком поверхности извести, перемешивание ванны, температурный режим, состав чугуна и т. д. Раннему формированию основного шлака способствует наличие первичной реакционной зоны (поверхность соприкосновения струи кислорода с металлом) с температурой до 2500 °C. В этой зоне известь подвергается одновременному воздействию высокой температуры и шлака с повышенным содержанием оксидов железа. Количество вводимой на плавку извести определяется расчетом и зависит от состава чугуна и содержания SiO2 руде, боксите, извести и др. Общий расход извести составляет 5 - 8 % от массы плавки, расход боксита 0,5 - 2,0 %, плавикового штампа 0,15 - 1,0 %. Основность конечного шлака должна быть не менее 2,5.

Окисление всех примесей чугуна начинается с самого начала продувки. При этом наиболее интенсивно в начале продувки окисляется кремний и марганец. Это объясняется высоким сродством этих элементов к кислороду при сравнительно низких температурах (1450 - 1500о С и менее). Окисление углерода в кислородно-конвертерном процессе имеет важное значение, т. к. влияет на температурный режим плавки, процесс шлакообразования и рафинирования металла от фосфора, серы, газов и неметаллических включений.

Характерной особенностью кислородно-конвертерного производства является неравномерность окисления углерода как по объему ванны, так и в течении продувки.

С первых минут продувки одновременно с окислением углерода начинается процесс дефосфорации  - удаление фосфора. Наиболее интенсивное удаление фосфора идет в первой половине продувки при сравнительно низкой температуры металла, высоком содержании в шлаке (FeO); основность шлака и его количество быстро увеличивается. Кислородно-конвертерный процесс позволяет получить < 0,02 % Р в готовой стали.   

Условия для удаления серы при кислородно-конвертерном процессе нельзя считать таким же благоприятным, как для удаления фосфора. Причина заключается в том, что шлак содержит значительное количество (FeO) и высокая основность шлака (> 2,5) достигается лишь во второй половине продувки. Степень десульфурации при кислородно-конвертерном процессе находится в пределах 30 - 50 % и содержание серы в готовой стали составляет 0,02 - 0,04 %.

По достижении заданного содержания углерода дутье отключают, фурму поднимают, конвертер наклоняют и металл через летку (для уменьшения перемешивания металла и шлака) выливают в ковш.

 Полученный металл  содержит повышенное содержание  кислорода, поэтому заключительной  операцией плавки является раскисление металла, которое проводят в сталеразливном ковше. Для этой цели одновременно со сливом стали по специальному поворотному желобу в ковш попадают раскислители и легирующие добавки.

Шлак из конвертера сливают через горловину в шлаковый ковш, установленный на шлаковозе под конвертером.

Таким образом по окончании продувки образуются следующие материалы:

1. Жидкая сталь (температура металла при выпуске из конвертера около 1600 °С)

2. Отходящий газ с высоким содержанием CO (около 80-90%), который утилизируется посредством частичного или полного дожигания СО в газоходах паровых котлов и используется в горелках нагревательных печей

3. Шлак, выпускаемый из конвертера после выпуска стали

Как газ, так и шлак являются ценными побочными продуктами, при условии надлежащей утилизации и хранения.

Течение кислородно-конвертерного процесса обусловливается температурным режимом и регулируется изменением количества дутья и введением в конвертер охладителей - металлолома, железной руды, известняка.

 

2. Ресурсосберегающие технологии

2.1 Подготовка металлолома

 

Контроль содержания примесей и удаления их в процессе сталеплавления является одной из важных задач современной металлургии, решение которой обеспечит желаемый замкнутый цикл скрапа. Главные направления подготовки металлического лома - фрагментирование и классификация, удаление цветных металлов, подогрев и пакетирование легковесного лома, брикетирование стружки и удаление масел [3, 6].

Наиболее важная проблема - рафинирование металлолома для конвертеров от цветных металлов, загрязняющих его. Значительное количество физической и химической теплоты, содержащейся в конвертерных газах, позволяет решить эту проблему за счёт теплоты отходящих газов и тем самым резко снизить энергоемкость конвертерной стали.

Возможная схема подогрева лома с использованием теплоты конвертерных газов приведена на рисунке 3.

 

 

 

 

 

1 - конвертер, 2, 3 - камеры  радиационного и конвективного  нагрева лома в восстановительной  атмосфере, 4 - камера дожигания и  радиационного нагрева, 5 - камера  конвективного нагрева, 6 - транспортер  для подачи лома, 7 - бункер-накопитель, 8 - вспомогательный толкатель, 9 - камера  дожигания паров масла, 10 - основной  толкатель, 11 - накопитель расплава  меди, В - воздух для дожигания, Г - газообразное топливо, КУ- котел-утилизатор, ОУ- очистительные устройства

 

Рисунок 3 – Схема газоотводящего тракта конвертера с подогревом и рафинированием лома

 

 Подготовленный лом  загружается в систему газоотводящего  тракта через бункер-накопитель. Лом с помощью толкателей последовательно  проходит четыре камеры, две конвективного  нагрева (3 и 5) и две - радиационного (2 и 4). В камерах 2 и 3 лом нагревается до 1100-1250 °С в восстановительной атмосфере, цинк испаряется и плавится медь. Цинк в парообразном состоянии уносится в камеры 4 и 5, где окисляется и превращается в пыль, медь же собирается в накопителе камеры 2, из которого периодически выпускается в камере 5 часть пылевого цинка, которая оседает на холодном ломе. Для уменьшения оседания пыли цинка в случае очень измельченного лома высота загрузочного слоя в камере 5 должна быть снижена. Общая масса лома, скапливающегося в дымовом тракте, рассчитывается на 4-5 загрузок конвертера, что обеспечивает прогрев лома до высокой температуры и глубокую внутреннюю утилизацию теплоты. В период простоя конвертера в камеру 9 предусматривается подача не только воздуха, но и топлива; в камеру 2 также предусмотрен ввод топлива. При работе конвертера подача топлива отключается.

Для нагрева стружки применяется несколько типов печей: барабанные, камерные, шахтные и др. Основной тип печи для нагрева дробленой стружки – барабанная. Вариант такой печи для безокислительного нагрева стружки с выжиганием масла показан на рисунке 4.

 

1 - транспортер; 2 - бункер  с желобом; 3 - барабан; 4 - жаровая  труба; 5 - брикетировочный пресс; 6 - горелка; ДС - дробленая стружка; ПС - продукты сгорания

 

Рисунок 4 – Барабанная печь для безокислительного нагрева стружки и выжигания масла

 

Отличительная особенность печи – наличие жаровой трубы. В жаровую трубу направляются продукты сгорания, которые эжектируют в нее пары масла. Оно сгорает за счет избыточного кислорода продуктов сгорания. Стружка, нагретая до 750-850 °С, из печи высыпается в приемочный бункер брикетировочного пресса, где прессуется в брикеты размерами 0,3·0,3·0,3 м (плотность брикетов примерно 5,0 т/м3).

Тепловые методы подготовки металлического лома включают его пакетирование и брикетирование, удаление масла и эмульсий, а также цветных металлов. При фильтрации технологических газов через лом (особенно измельченный) из них частично удаляется пыль, что приводит к увеличению выхода годного продукта. Утилизация теплоты за счет подогрева лома одновременно позволяет значительно сократить затраты на использование вторичных энергоресурсов.

 

2. Переработка шлаков

 

В нашей стране в последнее время проявляется повышенный интерес к методикам, которые позволили бы снизить долю чугуна в металлической шихте конвертеров кислородного типа. Такое внимание связано с тем, что кокс постепенно становится дефицитной продукцией, за счет чего сокращаются масштабы производства чугуна и увеличиваются ресурсы металлолома.