Остапчук М.В., Рибак А.І. Системи технологій (за видами діяльності)

Подождите немного. Документ загружается.

Іноді ці закономірності можуть бути записані у вигляді поліномів будь-якої

степені від однієї або декількох змінних

...,...y

xbxbxbxbxbb



223

1113322110

Де у — шукана величина;

- незалежна змінна;



- коефіцієнти при незалежних змінних.

Кінетику подають у вигляді моделей із зосередженими та розподіленими

параметрами. В першому випадку описують алгебраїчними рівняннями або

звичайними диференціальними рівняннями в частинних похідних або

кінцевими рівняннями (Множинної регресії т.ін.)

Кінетику технологічного процесу можна подати у відносних (безрозмірних)

координатах. Рівняння кінетики одержують експериментально постановкою

дослідів або аналітично шляхом розв'язання відомих рівнянь кінетики

відносно визначаємого па-

215

раметру при умові, що всі чисельні значення констант відомі.

В загальному вигляді можна сформулювати три задачі кінетичного

дослідження: виявлення механізму явища, визначення впливу початкових

факторів на вихідні характеристики та визначення сталих у рівняннях

кінетики.

Особливе значення має кінетичний аналіз біохімічних процесів, який дає

можливість: а) виявити механізм даної ферментативної реакції (визначити

термодинамічні характеристики фер-мент-субстратного комплексу, число

стадій його перетворень, встановлення послідовності приєднання субстратів

та кофакторів до ферменту, визначити спорідненість субстрату до ферменту,

виявити функціональні групи активного центру); б) дати оцінку міри

очищення гетерогенного ферментативного препарату; в) виявити біологічне

значення клітинних структур. Крім того, вивчення механізму кінетики

інгібірування ферментативних реакцій має велике практичне значення для

керування біохімічними процесами. Тобто, використання кінетичного аналізу

при вивченні ферментативного каталізу має теоретичне та практичне

значення.

При розв'язанні обернених задач кінетики визначають вхідні параметри. Які

забезпечують необхідний час виконання процесу, заданого кінцевого

значення параметру, інших заданих або оптимальних властивостей вихідних

продуктів (консистенція, хімічний склад, зовнішній вигляд та ін.) Обернені

(інверсні) задачі використовують і для визначення припустимих відхилень

режимів роботи, які істотно не впливають на ефективність процесу або якість

продукту. Визначення фізичних властивостей речовин кінетичних констант є

оберненими задачами.

Кінетичні закономірності репрезентують багатьма моделями. Для розв'язання

цієї задачі звичайно приймають існуючу модель та визначають в ній сталий

коефіцієнт або складають нову модель.

Для використання моделі необхідно мати значення сталих, відомий метод

розв'язання або повинна існувати принципова можливість перетворити

математичний опис до такої форми, яка дозволяє виконати аналітичні

розв'язання задачі або за допомогою обчислювальних пристроїв.

Хімічні та біохімічні явища завжди супроводжуються тепло- та

масообмінами. Наприклад, процес росту біомаси мікробної клітини є

результатом переходу використаних клітиною компонентів поживного

середовища у високоорганізовані структури клітинної

216

біомаси. Переміщення різних низькомолекулярних речовин в клітину,

ферментативні реакції енергетичного обміну, синтез амінокислот та білкових

компонентів, формування клітинних структур супроводжується витратами

клітинних структур. Загальна швидкість процесу визначається швидкістю тієї

реакції, константа якої має найменше значення. Переміщення компонентів

проходять відповідно із закономірностями масообміну, а біохімічні

перетворення — з виділенням або поглинанням теплоти.

В кінетичній області найбільш повільними є хімічні перетворення, в

дифузійній — швидкість дифузії реагентів в зоні реакції, а в змішаній —

швидкості хімічних реакцій і дифузії в порівнянні.

Контрольні запитання до 4-го розділу

1. Основні процеси, з яких складається будь-яка технологія.

2. Подрібнення та різання в технології.

3. Основні типи подрібшовачів та різальних машин.

4. Перемішування та дозування і їхнє призначення в технології.

5. Гідродинамічні процеси і їхня класифікація.

6. Осадження і відстійнення.

7. Фільтрування та устрій фільтрів.

8. Відцентрові методи розподілу гетерогенних систем.

9. Нагрівання та охолодження в технології і пристрої для їх здійснення.

10. Сушіння в технології та його значення.

11. Схема сушильної установки й основні потоки матеріалу і робочого

агенту.

12. Екстрагування в технології і його застосування для виготовлення

продуктів.

13. Перегонка та ректифікація в промисловості.

14. Основне рівняння теплопередачі та його аналіз.

15. Основне рівняння масопередачі та його аналіз.

16. Абсорбція та адсорбція в технології.

17. Холодильний цикл та схема холодильної машини.

18. Пдраліз, піроліз та гідрогенізація в технології.

19. Фільтрування та осадження в технології.

20. Визначте рушійні сили перебігу основних процесів в технології.

21. Міробіологічні перетворення і їхнє значення в технології.

22. Швидкість хімічних та біохімічних перетворень.

217

Розділ 5. Металургійний комплекс

5.1. Загальна характеристика металургійного комплексу

Гірничо-металургійний комплекс України — це сукупність підприємств, які

послідовно здійснюють видобування, збагачення, металургійну переробку

руд чорних, кольорових і рідкісних металів та нерудної сировини для

металургії, виробництва чавуну, сталі, кольорових і рідкісних металів,

сплавів, прокатне виробництво, переробку вторинної сировини. До гірничо-

металургійного комплексу належить також коксохімія, виробництво вогне-

тривів, будівельних конструкцій з металу, електродів, металургійного

устаткування, порошкова металургія тощо.

Гірничо-металургійний комплекс є невід'ємною складовою виробництва

конструкційних матеріалів, що значною мірою визначає економічний

потенціал країни і забезпечує матеріалізацію капіталовкладень в основних

фондах. Основними споживачами продукції гірничо-металургійного

комплексу є машинобудування, будівництво, транспорт, сільське

господарство.

Функціональним ядром комплексу є чорна і кольорова металургія, їхній

комплексний зв'язок ґрунтується на певній взаємозамінності чорних і

кольорових металів у машинобудуванні та будівництві, подібності окремих

технологічних процесів при виробництві сплавів, використанні цинку та

інших матеріалів для антикорозійного покриття (оцинкування) листового

заліза тощо.

До складу металургійного комплексу України входять 14 металургійних

комбінатів, 7 трубних заводів, 10 металовиробних підприємств, 16

коксохімічних підприємств, 17 підприємств з виробництва вогнетривів, 26

гірничо-збагачувальних комбінатів, З феросплавних заводи, 20 заводів

кольорової металургії, 35 підприємств вторинної чорної та кольорової

металургії.

Найбільшими підприємствами чорної металургії є п'ять найбільших

підприємств галузі: Маріуполький металургійний комбінат ВАТ "Азов-

сталь"; ВАТ "Дніпроспецсталь"; ВАТ "Донецький металургійний завод";

металургійний комбінат "За-поріжсталь"; Маріупольський металургійній

комбінат ім. Ілліча.

Сприятливими умовами для розвитку гірничо-металургійно-го комплексу, в

Україні є територіальні поєднання насамперед Донбасу і Придніпров'я,

значних родовищ коксівного вугілля, залізної та марганцевої руд,

високоякісних вапняків і формувальних пісків та вогнетривів, наявність

родовищ алюмінієвої сиро-

218

вини, ртутних, титанових, нікелевих, ванадієвих, молібденових руд, магнієвої

сировини, руд якісних металів; забезпечення районів розвитку

металургійного виробництва транспортною мережею і водними ресурсами,

великий попит на метал; необхідна кількість вторинної сировини.

Гірничо-металургійному комплексу притаманна висока концентрація,

автоматизація та механізація виробничих процесів, компактність

територіального зосередження. Він виконує важливі функції щодо

територіальної організації продуктивних сил України, впливає на

формування галузевих промислових, металургійних вузлів і центрів.

Сучасна металургія України посідає одне з провідних місць у міжгалузевій

структурі промисловості. Україна має необхідні умови для розвитку чорної

металургії. Це великі запаси залізних і марганцевих руд, виробничі

потужності металургійних заводів, кадри, розвинені машинобудівний

комплекс і будіндустрія.

Виробництво чорних металів зосереджено на підприємствах повного циклу (з

випуском чавуну, сталі, прокату), що розміщені в чотирьох регіонах — у

Придніпров'ї (Дніпродзержинськ, Дніпропетровськ, Запоріжжя), Криворіжжі

(Кривий Ріг), Донбасі (Донецьк, Макіївка, Комунарськ, Костянтинівка,

Краматорськ), Приазов'ї (Маріуполь).

Основними чинниками розміщення підприємств повного циклу (їх в Україні

12) є місця залягання залізної руди та коксівного вугілля. Це пов'язано з

великою сировино- та пали-воємністю виробництва.

Чорна металургія включає також виробництво феросплавів (Нікополь.

Запоріжжя, Стаханов), труб (Нікополь. Новомосковськ, Дніпропетровськ,

Харцизьк, Макіївка, Маріуполь). Коксохімічна підгалузь чорної металургії

України представлена 15 коксохімічними заводами. В експлуатації

перебувають 76 коксових батарей. Виробничі потужності коксохімічної

промисловості — 30 млн. т коксу на рік.

Виробничі потужності підприємств чорної металургії України становлять:

чавуну — 52, сталі — 54, готового прокату — 41,5 млн. т. За цим показником

Україна займає п'яте місце в світі після Японії, США, Китаю, Росії,

випереджаючи також такі розвинені країни, як Німеччина, Італія, Франція,

Все це є важливою передумовою подальшого розвитку чорної металургії в

Україні і підтверджується також наявністю в Україні висококваліфікова-

219

них кадрів металургів, а також розвиненими машинобудуванням і

будівельною індустрією — головними споживачами металу.

Продукція чорної металургії України має попит на світовому ринку, завдяки

чому галузь належить до важливих джерел надходження валюти.

Загальний випуск металопродукцїї перевищує потреби України. Проте

залишається гострий дефіцит тонкого листа, білої жерсті, листа і труб з

покриттям, нержавіючої сталі, сталі електротехнічного призначення,

водопровідних труб та інших видів металопродукції. Через це за великих

обсягів вивезення металу спостерігаються також і значні обсяги його

імпорту. Це зумовлює необхідність реструктуризації металургійного

виробництва, в результаті здійснення якої поліпшиться забезпеченість

України металом власного виробництва при менших обсягах випуску

прокату, підвищиться ефективність зовнішньоекономічного обміну,

зменшаться витрати на виробництво металу.

Важливе значення має скорочення витрат на випуск металу завдяки

впровадженню більш прогресивних технологій. Так, докорінні зміни мають

відбутися у сталеплавильному виробництві, де запропоновано повністю

замінити нині переважаючий мартенівський спосіб виплавлення сталі на

киснево-конверторний та електропічний. Потребують вирішення багато

питань щодо якості сталі та металопродукцїї. Наприклад, недостатньо розви-

нене виробництво термічно зміцнених прокату і сталевих труб.

Зазначені заходи дають змогу вирішити і ряд інших проблем. Серед них —

значне поліпшення екологічної обстановки в регіонах з розвиненим

металургійним виробництвом, особливо поблизу підприємств, на яких будуть

виведені з експлуатації доменні цехи та коксохімічні заводи. Важливою

проблемою, яка значною мірою вирішується в результаті структурної

перебудови, є скорочення потреби у паливі (більш як на 20 млн. т) і електрое-

нергії (приблизно на 10 млрд. кВт-год), причому перше має відбуватися не

тільки у зв'язку зі скороченням обсягу виробництва, а й завдяки зниженню в

галузі на (13... 14) відсотків питомих витрат палива (на 1 т готового прокату).

Майже вдвічі може зменшитися потреба в найдорожчому і дефіцитному виді

палива — коксі. Зменшення потреби в ньому дасть можливість вивести з

експлуатації ряд коксохімічних підприємств і скоротити потужності

Алчевського та деяких інших коксохімічних заводів. Все це особливо сприя-

тиме поліпшенню екологічної обстановки у зазначених регіонах.

220

Проте розглянуті заходи реструктуризації чорної металургії в Україні можуть

бути досягнуті при дотриманні ряду можливих умов. Однією з них є

розробка комплексної програми розвитку металургійного виробництва і

металоспоживчих галузей (насамперед машинобудування). Це є необхідним

тому, що в Україні не виробляється багато видів продукції Машинобудівного

комплексу (наприклад, машини безперервного розливання сталі), що може

загальмувати проведення структурної перебудови у металургійному

виробництві. Другою умовою реалізації заходів щодо реструктуризації є

необхідність значних коштів (40...45 млрд дол. США), що може бути

забезпечено з допомогою державних субсидій та пільгових умов

кредитування, залучення іноземних інвестицій та інших джерел

фінансування. Порівняно з чорною металургією менш розвинена в Україні

кольорова металургія, що пов'язано передусім з відсутністю розвіданих

сировинних ресурсів.

Алюміній з орієнтацією на джерело дешевої електроенергії та привізний з

Миколаєва глинозем (з імпортних бокситів) виробляється в Запоріжжі; цинк

з привізної сировини — у Костянтинівні Донецької області

(електроенергетичний чинник), елект-ро- та енергоємні титан і магній — у

Запоріжжі, магній також — у Калуші Івано-Франківської області, де є

сировина; ртуть — у Микитівці Донецької області, латунний і мідний прокат

— у Ар-темівську Донецької області.

В Україні налагоджено виробництво й інших кольорових металів —

цирконію, кобальту, ніобію. На черзі українське золото. Поклади

золотоносних руд геологи знайшли. Для збільшення виробництва кольорових

металів на діючих виробничих потужностях потрібно створити потужності з

випуску нових видів продукції, які раніше не вироблялися в Україні.

Складовою розвитку кольорової металургії є заготівля і переробка брухту

чорних та різних видів кольорових металів, що вважається класичним

прикладом електро-паливо-працезберігаючої технології. Використання

річного обсягу заготівлі брухту і відходів кольорових металів рівнозначне

видобутковій переробці десятків мільйонів тонн мідної, свинцево-цинкової,

алюмінієвої та інших видів мінеральної сировини.

В Україні набуло розвитку виробництво рідкісних металів на базі

найбільшого в Європі родовища рідкісних металів та супут-них їм

рідкісноземельних елементів. На базі цього родовища працює

Верхньодніпровський гірничо-металургійний комбінат. Він

221

до цього часу зберігає монопольне становище в СНД за поставками

цирконового, рутилового та ільменітового концентратів і сполук цирконію.

Специфікою металургійного комплексу є непорівнянний з іншими галузями

масштаб виробництва і складність технологічного циклу. Для виробництва

багатьох видів продукції необхідно (15... 18) переділів, переробок починаючи

з видобутку руди й інших видів сировини. При цьому передільні

підприємства мають тісні зв'язки між собою не тільки в межах країни, але й

за її межами. Так, у виробництві титану і титанового прокату склалася стійка

міждержавна кооперація підприємств Росії, України, Казахстану і

Таджикистану.

Найбільш поширеними супутниками металургійних підприємств є:

теплоелектроенергетика, металоємне машинобудування (металургійне і

гірське устаткування, важке верстатобудування), виробництво

металоконструкції, металовиробів, тощо

Основою чорної металургії є один з найпоширеніших елементів в природі

(5,1%) залізо поступаючись тільки кисню, кремнію та алюмінію. Залізо

входить до більшості гірських порід. Густина заліза 7,87 т/

температура плавлення — 1539 °С.

У металургійний комплекс входять чорна і кольорова металургія, що

охоплюють всі стадії технологічних процесів: від видобутку і збагачення

сировини до одержання готової продукції у виді чорних і кольорових металів

і їхніх сплавів. Металургійний комплекс — це взаємообумовлене сполучення

технологічних процесів: видобуток і підготовка сировини до переробки

(видобуток, збагачення, агломерування, одержання необхідних концентратів

і ін.); металургійний переділ — основний технологічний процес з

одержанням чавуна, сталі, прокату чорних і кольорових металів, труб, тощо;

виробництво сплавів; утилізація відходів основного виробництва й

одержання з них побічних видів продукції.

У залежності від сполучення цих технологічних процесів виділяються такі

типи виробництв у металургійному комплексі. Виробництва повного циклу,

що представлені, як правило, комбінатами, у яких одночасно діють усі

переліченя стадії технологічного процесу.

Виробництво неповного циклу — це підприємства, у яких здійснюються не

всі стадії технологічного процесу, наприклад, у чорній металургії

виробляється тільки сталь і прокат, але відсутній випуск чавуну, чи

виробляється тільки прокат. До неповного

222

циклу відносяться також електротермія феросплавів, електрометалургія й ін.

Підприємства неповного циклу, чи "малої металургії" називаються

передільними, представлені у виді окремих дільніць по виробництву

ливарного чавуна, сталі чи прокату в складі крупних машинобудівних

підприємств країни.

5.2. Технологія чавуну

Виробництво чавуну є найважливішою галузею промисловості України.

Відомо, що продаж металу був і залишається головною статтею експорту

нашої держави. З чавуну відливають станини верстатів, супорти, зубчасті

колеса, циліндри, корпуси електродвигунів, плити, деталі швейних,

друкарських, лічильних, сільськогосподарських, текстильних та інших

машин. Чавуном називають сплав заліза з вуглецем більше ніж 2,14%.

Чавун виробляють у домнових печах розплавленням шихти, яка складається

із залізної руди, палива та флюсів, з використанням гарячого повітря. З руди

відновлюється залізо і сполучається з вуглецем та іншими елементами.

Рудою називають мінеральні утворення, що складаються зі сполук одного

або кількох металів, які економічно вигідно добувати промисловим

способом. Основними залізними рудами є магнітний залізняк (магнетит)

OFe

червоний залізняк (гематит)

OFe

бурий залізняк

OFe

або шпатовий залізняк (сидерит)

FeCO

Відрізняють руди багаті та бідні (залежно від кількості рудної складової),

легко- та важковідновлювані. Відновлення руд залежить від густини та

хімічного складу мінералів. Легковіднов-люваними є руди, які мають крихку

дірчасту структуру; щільні руди належать до важковідновлюваних. Пуста

порода не вносить технологічних ускладнень у переробку. Такі елементи, як

фосфор, сірка, арсен ускладнюють переробку і забруднюють метал.

У металургійному виробництві застосовують тверде, рідке й газоподібне

паливо — кам'яне й деревне вугілля, кокс і торф, нафту, мазут тощо.

Газоподібне паливо — це різні горючі гази: природний, генераторний,

коксувальний, оксид вуглецю, гази, що утворюються внаслідок підземної

газифікації вугілля, тощо. Для домнових печей паливом є кокс — продукт

сухої перегонки кам'яного вугілля, домновий, коксувальний і природний газ,

а також деревне вугілля.

Флюсами називають матеріали, які вступають у взаємодію з пустою породою

і золою, утворюючи з ними легкоплавкі ком-

223

плексні сполуки (шлаки). Флюси в залежності від хімічного складу

поділяють на основні й кислі. До основних флюсів належать вапняк, доломіт,

основні мартенівські шлаки. Кислими є кварц,

224

пісковик, бідні залізні руди з піщано-глинистою породою та інші речовини,

що містять кремнезем.

Для стабілізації домнового процесу перед плавкою руди флюс і кокс

попередньо обробляють: сортують за хімічним складом (усереднюють,

змішуючи руди різного хімічного складу), роздрібнюють, сортують за

розміром, збагачують, випалюють, брикетують або агломерують, обкочують.

Найефективнішими вихідними матеріалами для домнового процесу є

агломерат і обкатиші. Агломерація — процес спікання дрібних фракцій руди,

рудного пилу, дрібнороздрібненого коксу та вапняку. Продукт спікання

називають офлюсованим агломератом. Виробництво чавуну з застосуванням

агломерату підвищує продуктивність печей на 12% та скорочує витрату

коксу на (3.. .5)%. Обкатиші відрізняються від агломерату кулеподібною

формою, підвищеною механічною міцністю та більшою концентрацією

заліза.

Домнова піч (див. рис. 5.1) — це вертикальна піч шахтного типу, що

складається з двох зрізаних конусів, які стикаються своїми основами.

Домнова піч складається з колошника З із засипним апаратом 1 і

газовідвідними трубами 2, шахти 4, розпару 5, заплечиків 6, горна 7 і

фундаменту 11. Дно горна 10 називається подом, або ле-щаддю. На самому

дні горна є отвір, який називають чавунною льоткою 12. Вище від чавунної

льотки, але з протилежного боку, є шлакова льотка 9. Льотки призначені для

випускання через них з печі чавуну та шлаку. Льотки за допомогою

спеціального пристрою забивають вогнетривкою глиною, а коли треба

випускати чавун або шлак з печі, в них знову пробивають отвори діаметром

(50...60) мм. На верхній частині горна є отвори 8, які називають фурменими.

Вони необхідні для розміщення в них мідних або чавунних фурм, які

сполучені з кільцеподібною трубою та кауперами (повітропідігрівниками).

Верхню частину печі, призначену для завантаження, називають колошником.

Частину печі, що розширюється, від колошника до найширшої частини

конуса називають шахтою, а найширшу частину —розпаром. Конусну

частину печі між розпаром і горном називають заплечиками, а горном —

нижню циліндричну частину доменної печі. Зовнішні стіни кладки печі

закриті листовою сталлю — кожухом 15. Внутрішні стінки мають кладку з

вогнетривкої шамотної цегли 14 і охолоджуються водою за допомогою

спеціальних холодильників 13. Таку вогнетривку кладку назива-

225

ють футеровкою. Вона повинна бути особливо якісною на ділянках горна й

заплечиків, де досягається найвища температура.

Повітропідігрівник 10 (див. рис. 5.2) будують з вогнетривкої цегли і зовні

покривають сталевим кожухом. Це звичайна башта діаметром (6...10) м і

заввишки до 60 м з вертикальною камерою горіння та насадкою 11. Насадка

нагрівається, коли крізь неї проходять розжарені гази, що утворюються від

спалювання колошникового газу в камері згоряння. Гази, які подаються з

колошника, проходять газоочищення 9, нагрівають насадку каупера і

виходять через димову трубу 12. При нагріванні насадки до потрібної тем-

ператури подавання колошникового газу припиняють і через розжарену

насадку в зворотному напрямі нагнітають повітря, яке нагрівається і під

тиском надходить у доменну піч. Піч обслуговують три-чотири

повітропідігрівники, які працюють по черзі.

Для виплавлення чавуну залізну руду, паливо та флюси завантажують у

домнову піч у певному співвідношенні. Таку суміш називають шихтою.

Шихту завантажують порціями. Всі операції завантажування механізовано й

автоматизовано, і шихта надходить через приймальну воронку 5 малого

конуса б, воронку 7 великого конуса 8 порціями по (4...8) т у міру плавлення

руди та випускання чавуну. Шихту спочатку подають у вагон-терези 1, потім

через воронку 2 — у скіпові вагонетки 3, які рейками нахиленого підіймача

піднімаються до верхньої точки 4 засипного апарата.

226

Рис 5.3. Схема технологічного процесу виплавки чавуну

227

Домнові печі мають підіймальні та завантажувальні механізми, повітродувні

машини, мостові крани, приймальні бункери, ковші, нагромаджувані