ОХРАНА ВОДНОГО БАССЕЙНА НА МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРЕДПРИЯТИЯХ

Металлургия наряду с другими про­изводствами химии — одна из наибо­лее водопотребляемых отраслей про­мышленности. Черная металлургия страны потребляет 13-15 % общего количества воды, расходуемого всеми отраслями промышленности. В на­стоящее время удельный расход воды на 1 т стали, включая все технологи­ческие операции по добыче и подго­товке руды, кокса, а также дальней­шему переделу чугуна в сталь, а да­лее — в прокат, трубы, метизы и т. д., превышает 260 м³. К сожалению, в этот показатель входит значительное количество воды из природных источников. Несмотря на предприни­маемые меры по эффективному ис­пользованию оборотной воды, более 4 % общего потребления воды из при­родных источников падает на черную металлургию.

Важную роль в проблеме рацио­нального использования и охраны водных ресурсов принадлежит норми­рованию водопотребления и водоотведения, использованию нетрадицион­ных источников водоснабжения, та­ких, как поверхностный сток, сточные воды городов после биологической очистки.

Основная задача нормирования — обеспечение производства продукции технически и экономически обосно­ванным количеством воды в целях наиболее рационального использова­ния водных ресурсов. Нормированию подлежит потребление общего коли­чества воды, необходимой для произ­водства единицы продукции, в том числе потребность в воде питьевой и свежей технического качества, обо­ротной, повторно и последовательно используемой, а также сточных вод, отводимых после очистки.

По масштабу применения нормы водопотребления и водоотведения классифицируются на операционные (агрегатные), попередельные, заводс­кие и отраслевые.

Операционная норма водопотребле­ния (водоотведения) определяется по­требностью в воде на производство единицы продукции при выполнении определенной операции и количе­ством отводимых сточных вод. Агре­гатная норма водопотребления (водо­отведения) определяется объемом воды, потребляемой (отводимой) кон­кретным агрегатом, с отнесением это­го объема к количеству выпущенной основной продукции за равные про­межутки времени.

Попередельная норма водопотребле­ния (водоотведения) на единицу про­дукции технологического передела включает нормативную потребность в воде на технологические, вспомога­тельные и подсобные, а также хозяй­ственно-питьевые нужды, относящие­ся к данному переделу, и соответству­ющее количество отводимых сточных вод.

Сточные воды металлургических заводов могут содержать взвешенные вещества, нефтепродукты, щелочи, соли, фенол, цианиды и др., поэтому вода, используемая на металлургичес­ких заводах, должна подвергаться очи­стке. Очистка сточных вод осуществ­ляется с помощью механических, хи­мических, физико-химических и био­логических методов.

К сожалению, пока еще не все из­вестные способы очистки сточных вод достаточно эффективны, поэтому принимают все меры к использованию бессточных оборотных систем водо­снабжения, предусматривающих пре­дохранение воды от попадания в нее пыли и вредных веществ и включаю­щих эффективную очистку воды не­посредственно на заводе. Одновре­менно ведется разработка инженер­ных решений, направленных на уменьшение расходов воды и совер­шенствование технологических про­цессов с целью сокращения водопот­ребления. Одним из таких решений является замена обычного водяного охлаждения на пароиспарительное. Если применять не техническую, а хи­мически очищенную воду, то можно, не боясь выпадения осадков (накипи), нагревать ее до 100 °С и выше¹. При этом от охлаждаемого элемента отво­дится не только тепло, затрачиваемое на нагревание воды до кипения, но и скрытая теплота парообразования. Это позволяет сократить расход воды в десятки раз.

В расчетах можно принимать, что 1 кг воды при испарительном охлаж­дении отбирает от охлаждаемой дета­ли до 2550 кДж, в то время как при традиционном водяном охлаждении — 40—80 кДж. При существенно мень­шем расходе воды на охлаждение за счет использования скрытой теплоты парообразования применяют более дорогую химически очищенную деаэрированную воду, при кипении которой в охлаждаемых деталях не образу­ется накипь, что ведет к увеличению срока их службы.

К снижению расхода воды ведет и охлаждение горячей хи­мически очищенной водой («горячее охлаждение»). Сущность способа зак­лючается в том, что для охлаждения элементов печи используют химичес­ки очищенную воду с начальной тем­пературой около 70 °С, которая после нагрева в охлаждаемых элементах при­мерно до 95 °С используется для горя­чего водоснабжения (жилых домов, столовых и т. п.), а также для произ­водственных нужд (подогрева конден­сата и т. п.). Для каждого металлурги­ческого передела характерны свои особенности водопотребления и орга­низации экономии воды. Большое по­требление воды характерно для уста­новок непрерывной разливки стали. Вода расходуется на охлаждение крис­таллизаторов, обжимных роликов, рольгангов, тянущих клетей, газовых резаков, охладителей гидравлических систем, на охлаждение слитка (вто­ричное охлаждение) и для гидротранс­порта окалины. Обычно предусматри­ваются три отдельные системы водо­снабжения: охлаждение кристаллиза­торов, охлаждение машин и вторичное охлаждение. Расход воды сокращается при переходе от чисто водяного ох­лаждения заготовок к водовоздушному. В системах водовоздушного ох­лаждения применяют сопла специаль­ной конструкции; к такому соплу под­водятся вода и сжатый воздух. Внутри сопла образуется смесь из воздуха и воды, создается струя тонкораспылен­ной воды большой ширины и длины. Внедрение систем водовоздушного ох­лаждения позволяет в 1,5—2,0 раза со­кратить расход воды на вторичное ох­лаждение.

В конвертерном процессе происхо­дит выделение большого количества сильнозагрязненного газа с высокой температурой. Такие газы значительно загрязняют окружающую местность, поэтому до выбросов в атмосферу их нужно тщательно очищать. Поскольку температура газов высока, перед очис­ткой их необходимо охладить. В кис­лородно-конвертерных цехах вода расходуется на охлаждение фурм, ка­минов, дымососов, орошение и охлаждение газов, поливку пола и про­чие мелкие нужды. В зависимости от способа охлаждения конвертеров, от­вода и очистки газов расходы воды составляют от 5 до 13,5м³/т выплав­ляемой стали. Из этого количества примерно 35 % расходуемой воды не соприкасается с продуктом и не за­грязняется, а только нагревается, что позволяет использовать ее повторно. Остальная вода соприкасается с отхо­дящими газами, загрязняется части­цами пыли и требует надлежащей очистки для возможности ее повтор­ного использования или сброса в во­доем.

Системы водоснабжения охлажде­ния дуговых печей, как правило, уст­раивают оборотными, с охлаждением водой на градирнях или воздушных охладителях. Отдельные элементы ду­говых печей могут оснащаться систе­мами испарительного охлаждения или системами охлаждения горячей водой.

Существенное снижение расхода воды имеет место при переходе от мокрой газоочистки к сухой, есть ряд других решений, связанных с эконо­мией воды. На современных метал­лургических предприятиях преду­смотрен комплекс мер, обеспечиваю­щих уменьшение забора воды из при­родных источников. К ним относятся: сбор и использование дождевых вод на территории предприятия; использова­ние после соответствующей очистки городских сточных вод.

Сокращение расхода воды обеспе­чивается при разделении потоков «чи­стой» воды и сравнительно «грязной» (типа сточных вод от установок непре­рывной разливки, содержащих окали­ну и масло). При этом необходимо учитывать, что загрязнения в разных отделениях цеха могут существенно различаться; различаются и способы очистки (например, загрязнения сточ­ных вод газоочисток конвертеров и ус­тановок непрерывной разливки и т. п.). Требования к воде, которая на­правляется на полив территории, на уборку помещений, в бытовые поме­щения для персонала, для охлаждения печей, в котлы-утилизаторы и т. д., также существенно различны. Поэто­му каждый из перечисленных потоков воды подвергается предварительной обработке (декарбонизации, умягче­нию, обессоливанию, хлорированию, химической очистке и т. п.). Един­ственным решением этой непростой проблемы является создание на каж­дом предприятии серии бессточных систем.

Из-за недостатков, присущих от­крытым системам водоснабжения с охлаждением оборотной водой на гра­дирнях, в настоящее время чаще при­меняются замкнутые системы водо­снабжения; в них циркулирует умяг­ченная вода, которая охлаждается в замкнутых теплообменниках, т. е. можно полностью решить проблемы, связанные с отложениями осадков. Для умягчения воды применяются специальные умягчители.

8.4 Утилизация шлаков стале­плавильного производства.

Этапы пере­работки и утилизации всей массы обра­зующихся в сталеплавильном производ­стве шлаков являются обязательным элементом безотходной технологии. Во-первых, многочисленные шлаковые отвалы и связанные с этим отчуждения земельных угодий, образование пыли, отрицательное воздействие на воздуш­ный и водный бассейны вредны и эко­логически недопустимы; во-вторых, утилизация отходов экономически вы­годна. Достаточно отметить, что толь­ко чистого металла со шлаками извле­кается более 1 млн. т в год.

Основными путями утилизации шлаков сталеплавильного производ­ства являются: 1) извлечение металла; 2) получение железофлюса для вагра­нок и аглодоменного производства; 3) получение щебня для дорожного и промышленного строительства; 4) ис­пользование основных шлаков в каче­стве известковых удобрений (шлако­вой муки) для сельского хозяйства; 5) использование фосфорсодержащих шлаков для получения удобрений для сельского хозяйства; 6) вторичное ис­пользование конечных сталеплавиль­ных шлаков.

Сталеплавильные шлаки условно (имея в виду их дальнейшее использо­вание) можно разбить на несколько подгрупп:

а) шлаки, образующиеся в началь­ный период плавки (этот период часто называют окислительным). Эти шлаки содержат большое количество оксидов железа (иногда до 40 % от общего ко­личества шлака). Железо в шлаке мо­жет быть в виде оксидов FeO и Fe₂O₃ и в виде запутавшихся в шлаке король­ков железа. Основность этих шлаков невелика; обычно они скачиваются из агрегата после завершения начального периода плавки и могут храниться и перерабатываться отдельно;

б) шлаки, сформировавшиеся в конце плавки (конечные шлаки). Обычно эти шлаки содержат несколь­ко меньшее количество железа и име­ют более высокое значение основнос­ти (CaO/SiO₂ = 2,5 — 3,5). При выплавке низкоуглеродистой стали содержание оксидов железа и в этих шлаках может быть достаточно высоким (15-20%), однако корольков железа в них значи­тельно меньше. В дуговых печах при проведении восстановительного пери­ода под белым или карбидным шла­ком содержание оксидов железа сни­жается до <1 %, содержание СаО воз­растает до 55—60 %. Конечные шлаки можно оставлять в агрегате для ис­пользования в следующей плавке или после выпуска вновь загружать в печь;

в) шлаки, попадающие в сталеразливочный ковш с выпускаемой сталью. Эти шлаки в жидком состоянии содер­жат незначительное количество желе­за. На практике часто определенное количество металла, оставшегося на днище и стенках ковша после оконча­ния разливки стали, попадает вместе со шлаком в шлаковые чаши (это так на­зываемые скрапины). Получаемый в результате конгломерат конечного шлака и скрапин металла подвергают тщательной разделке с целью макси­мального извлечения железа.

В среднем можно принять, что в сталеплавильных шлаках содержится (в пересчете на чистое) 20—25 % желе­за, в том числе 10—15 % металлическо­го железа. Находящееся в шлаке ме­таллическое железо затрудняет даль­нейшую переработку шлака; для его помола требуется мощное дробильное оборудование. При измельчении шла­ка до кусков размером 25-27 мм из него удается извлечь металл (почти 15 % от массы шлака, что экономичес­ки оправдывает все затраты на помол и извлечение).

В отдельных случаях использова­ние шлака сталеплавильного произ­водства еще более эффективно.

1. В тех случаях, когда шлаки со­держат достаточно высокие концент­рации оксидов железа и марганца, они используются в качестве флюсов для ваграночного и аглодоменного произ­водства.

2. В тех случаях, когда шлаки со­держат достаточно много фосфора, они с успехом заменяют суперфосфат и широко используются в сельском хозяйстве. Шлаки, содержащие много фосфора, настолько ценны, что сама технология передела высокофосфори­стых чугунов построена таким обра­зом, чтобы одновременно получить и чистую по фосфору сталь, и возможно более богатый фосфором шлак.

3. Выскоосновные шлаки исполь­зуются в сельском хозяйстве для изве­сткования почвы.

4. При переделе руд, содержащих ванадий, одним из элементов техноло­гии является кратковременная про­дувка чугуна в конвертере. Ванадий — элемент, обладающий высоким срод­ством к кислороду; он окисляется вме­сте с кремнием, титаном, марганцем в самом начале продувки. Такие чугуны перерабатываются, например, в кон­вертерных цехах Чусовского металлур­гического завода и Нижнетагильского металлургического комбината. Чтобы повысить количество ванадия в обра­зующемся шлаке, известь в начале операции не загружают. Таким обра­зом удается в начальный период про­дувки получить шлак, содержащий 16-18 % V₂O₅. Этот шлак скачивают и направляют на ферросплавные заводы для производства феррованадия или используют в чистом виде для прямого легирования стали (поскольку известь в конвертеры не загружается, ванадие­вый шлак содержит очень мало фос­фора и серы).

5. При переделе чугуна с повышен­ным содержанием марганца образуют­ся высокомарганцевые шлаки; они могут быть использованы как добавки, повышающие содержание марганца в стали.

6. Высокоосновные конечные шла­ки используются повторно. Так, на­пример, конечные шлаки конвертер­ного производства содержат, %: СаО 50-60, Si0₂ 13-15, FeO 10-26, MgO 4—10. Эти шлаки содержат также оп­ределенное количество извести, не ус­певшей за время плавки ошлаковать­ся. При вторичном использовании та­кого шлака расход извести снижается, улучшается шлакообразование, повы­шается степень дефосфорации метал­ла; высокоосновные маложелезистые конечные шлаки электроплавки ис­пользуются для внепечной обработки стали (во время ее выпуска) с целью десульфурации.

7. В больших масштабах сталепла­вильные шлаки используются в дорож­ном строительстве. Неприятным мо­ментом при этом бывают случаи реаги­рования с влагой воздуха оставшейся неошлакованной извести в шлаке. Свойства и плотность материала при этом меняются, и на дорожном покры­тии образуются трещины. Кроме того, распад основных шлаков обусловлен переходом во время охлаждения при 675 °С силиката (CaO)₂-SiO₂ из (3- в у-модификацию с увеличением объема. Распад протекает во времени '. Существуют стандарты для предварительной оценки устойчивости структуры шла­кового щебня против распада. Извест­ны также способы предотвратить это явление, например продувкой жидкого шлака кислородсодержащим газом. При подаче кислорода двухвалентное железо Fe⁺² шлака окисляется до трех­валентного Ре⁺³ и, взаимодействуя с СаО, образует феррит кальция, кото­рый не разлагается на воздухе. Исполь­зуется также прием обработки шлака паром в закрытых емкостях в течение 2—3 ч. Обработанный таким образом шлак может быть использован в строи­тельстве. В большинстве случаев ис­пользованию шлака в качестве строи­тельного материала предшествует его выдержка в отвалах. Затем шлак из­мельчают и направляют на магнитную сепарацию для извлечения металла. Щебень из сталеплавильных шлаков является полноценным заменителем гранитного щебня в бетонах и железо­бетонах.

На ряде металлургических пред­приятий (Новолипецком металлурги­ческом комбинате, череповецком «Се­версталь», Таганрогском металлурги­ческом заводе и др.) создано и дей­ствует оборудование для практически 100%-ной переработки шлаков. При этом получают значительное количе­ство щебня, шлаковой муки, фосфат-шлака, извлекают значительное коли­чество металла. Однако пока еще в це­лом по стране проблема утилизации шлаков решена не полностью: многие конструктивные разработки находятся в стадии решения. Разрабатываются технологии получения из шлаков аб­разивных материалов; отрабатываются методы сухой и мокрой грануляции жидких сталеплавильных шлаков. Особенно перспективна организация сухой грануляции, при которой одно­временно можно решить две задачи: усиливая охрану водного бассейна, получать нагретый воздух. Следует от­метить расширение использования конвертерных шлаков при выплавке чугуна и в производстве агломерата. Применение шлака сопровождается заменой им в шихте части агломерата, сырого известняка и марганцевой руды; при этом удешевляется агломе­рационная шихта, увеличивается производительность агломашин и повы­шается прочность агломерата.

8. Существенную экономию ресур­сов получают при использовании жид­ких шлаков:

а) в электросталеплавильном про­изводстве — это практика работы на «болоте» (в результате возрастает про­изводительность, ускоряется шлако­образование, достигается экономия флюса, снижается расход электро­энергии);

б) в конвертерном производстве — при оставлении конечного шлака в печи улучшается тепловой баланс, ус­коряется шлакообразование, эконо­мится флюс, снижаются потери желе­за со шлаком;

в) в конвертерном производстве — благодаря «раздувке» шлака на поверх­ности футеровки после выпуска плав­ки возрастает стойкость футеровки, снижается расход огнеупоров.

9. Особо эффективна разработка шлаковых отвалов заводов, произво­дящих сталь легированных и высоко­легированных марок. Во многих слу­чаях для этого не требуется использо­вание особо сложного оборудования.

Приведем в качестве примера орга­низацию разработки шлаковых отва­лов на заводе «Днепроспецсталь». За­вод производил около 800 марок ста­лей разных композиций по химичес­кому составу. При этом содержание марганца в стали отдельных марок до­стигало 30 %, хрома — 28, никеля — 80, ванадия — 3, молибдена — 18, вольфрама— 19, кобальта— 10, меди — 3 %.

Все металлоотходы по степени легированности и химическому составу можно разделить на внутризаводские группы. На «Днепроспецстали» их бо­лее чем 450, включая 70 групп легиро­ванного лома. Для использования скрапа на прямую выплавку серийных сталей и даже на выплавку так называ­емой шихтовой болванки требуется обязательная тщательная рассорти­ровка скрапа по химическому составу.

Практически извлечение скрапа ведется с помощью карьерных экска­ваторов, бульдозеров и автосамосва­лов.

Извлеченный скрап перевозят в копровый цех; его разделяют на магнитный и немагнитный. Кроме того, по габаритам (массе) скрап разделяют на негабаритный (более 10—15т), га­баритный (0,5-10,0 т) и мелкий (0,25-0,5т). Отдельно складируется скрап, в котором видны сплавленные скрапи-ны разных плавок, а также скрапины с большой долей (более 20 %) неотделя­емого шлака. От каждой габаритной и негабаритной скрапины отрезается проба на химико-спектральный конт­роль в стационарной лаборатории. По результатам контроля скрапине присваивается группа отходов по за­водской технологической инструк­ции, ее взвешивают. С полученными данными о химическом составе, при­своенной группе отходов и массе скрапина направляется на платфор­мах в сталеплавильный цех для ис­пользования при выплавке стали со­ответствующей марки.

Негабаритный скрап в копровом цехе разрезают с помощью газокисло­родных горелок или другого оборудо­вания.

Отгрузку немагнитного скрапа ве­дут в лотках для удобства загрузки в бадьи или непосредственно в оборот­ные печные бадьи, перевозимые на лафетах в цех.

Встречается также «слоеный» скрап и скрап с высоким содержанием шлака. Его переплавляют в дуговых печах на шихтовую болванку, которая служит в дальнейшем в качестве пер­воклассной шихты, имеющей гаранти­рованный химический состав, точную массу и высокую плотность. Мелкий магнитный скрап, для которого за­труднительно выполнить 100%-ный контроль химического состава, также используют для выплавки шихтовой болванки.

В результате в 1999 г. из шлаковых отвалов было извлечено и направлено в копровый цех 19 570 т скрапа, из ко­торых в дуговых печах за это же время переплавлено 18 370 т. При этом около 12 тыс. т составил скрап легированных сталей; большая его часть использова­на на прямую выплавку. - Накопленный опыт позволяет су­щественно рационализировать спосо­бы как добычи, так и утилизации скрапа, различающегося по габарит­ным размерам и химическому составу.