3. Енергетичне господарство підприємства

Сучасні підприємства хімічної та машинобудівної галузей мають великі енергетичні господарства, до складу яких входять:

1) теплосилове господарство із котельними, компресорними, паровими та повітряними системами, нафтогосподарством;

2) газове господарство з системами трубопроводів, кисне­вими станціями, холодильними установками, промисловою вентиляцією;

3) електросилове господарство - підстанції, електричні мережі, акумуляторні дільниці, трансформаторні підстанції;

4) пічне господарство.

Головні завдання енергетичного господарства - забезпе­чення безперервного постачання підприємства у цілому і його підрозділів усіма видами палива та енергії; ефективне вико­ристання і економне витрачання палива та енергії і т. ін.

При розрахунках фактичного споживання енергії визна­чають коефіцієнти енергоозброєності (скільки енергії припадає на одного працівника промислово-виробничого персоналу) та енергоємності (скільки енергії припадає на одиницю виробленої продукції).

Планування діяльності енергогосподарства підприємства базується на балансовому методі - визначенні потреби в різних видах енергії.

Енергетичний баланс складається з витратної та прибутко­вої частини. Загальну потребу в енергії розраховують у на­туральному чи вартісному вираженні за формулою, наприклад:

У результаті розрахунку загальної потреби встановлю-ють ліміти за видами палива та енергії для підприємства в цілому. Енергетичні баланси класифікують за такими ознаками:

• за календарними строками - поточні і перспективні;

• за енергоносіями - окремі (види енергії та палива), зведені (сума всіх видів енергії в однорідних одиницях);

• за електричними процесами - силові, температурні, освітлювальні;

• за цільовим призначенням - технологічні, господарчо-побутові;

• за об'єктами споживання - енергетичні баланси під­приємств, цехів, видів технологічного обладнання.

Витрати всіх видів енергії враховуються при складанні калькуляції собівартості продукції. Раціональне, економне їх використання є одним з головних резервів підвищення ефек­тивності виробництва

Jliтepaтypa

1. Гинберг A.M., Хохлов Б.А., Дрякина И.П. Технология важнейших отраслей промышленности: Учебник для вузов / Под ред. A.M. Гинберга, Б.А. Хохлова. - М.: Высшая школа, 1985. - 496 с.

Лекція № 5. Тема СИРОВИННА БАЗА ЧОРНОЇ І КОЛЬОРОВОЇ МЕТАЛУРГІЇ В УКРАЇНІ. РОЗВИТОК ПРОМИСЛОВОСТІ КОЛЬОРОВИХ І РІДКІСНИХ МЕТАЛІВ

Питання до вивчення

1. Техніко-економічні показники сировинної бази чорної металургії.

2. Сировинна база кольорових і рідкісних металів в Україні.

3. Застосування кольорових і рідкісних металів.

1. Техніко-економічні показники сировинної бази чорної металургії

Чорна металургія - це процес заводського отримання заліза та його сплавів з руд (мінералів і гірських порід). Залізо належить до найпоширеніших елементів. Головними міне­ралами заліза є його кисневі сполуки (оксиди), зосереджені у верхніх шарах Землі:

• магнітний залізняк, магнетит - Fе3О4;

• червоний залізняк, гематит - Fе2О3;

• бурий залізняк - Fе2О3-nН2О;

• залізний колчедан, пірит - FеS2 тощо.

Залізні метеорити містять 90% Ре, 0,5% Со, 8,5% №.

Родовища залізних руд в Україні зосереджені в Кривому Розі та на Керченському півострові. В колишньому СРСР відомі родовища заліза на Уралі, Кольському півострові, в Західному та Східному Сибіру і на Далекому Сході. За запасами заліза Україна та Росія посідають перше місце у світі. Світовий видобуток усіх руд (у країнах Західної Європи, США, Китаї, Індії та ін.) становить « 730 млн т/рік. Вартість видобутку 1 т залізної руди, що містить 68% заліза, - близько 14$ (дані 90-х рр.).

У промисловості залізо виплавляють з оксидних руд шляхом їх відновлення при прокалюванні з коксом. При цьому отримується чавун, який містить 93-95% заліза, 2-3% вуглецю, домішки кремнію, марганцю, сірки та фосфору. Температура плавлення такого сплаву (від 1135 до 1050°С) набагато нижча, ніж чистого заліза (1539°С). Для видалення пустої породи та шкідливих домішок проводять збагачення (промивання, магнітну сепарацію тощо) і переробку в окатиші (вони містять 62-67% Ре; 3-9% SіО2; 0,2-1,7% АL2О3). За кордоном сталепла­вильні заводи використовують руду, яка містить 52-53% Ре, та концентрати з 60% Ре і більше. Виплавлення чавуну здій­снюється в спеціальних печах - домнах, діаметр яких - 6-8 м, висота - 25-31 м і більше, їх зовнішня оболонка виготовляється із сталі, а внутрішня обкладка - з вогнетривкої цегли. Доменна піч працює безперервно протягом декількох років. Вона виробляє 1,5-3 тис. т чавуну за добу. Окремі надпотужні домни дають 1 млн т чавуну на рік. Коефіцієнт використання корисного об'єму домен становить 0,65 м3/т і більше. В шкільних підручниках показано розріз і схематичну будову доменної печі. її завантажують зверху спочатку коксом та флюсом (СаСО3 чи 5іО2). Флюси використовують для видалення пустої породи. Знизу в горн вдувається гаряче повітря чи кисень. Шлаки і чавун випускаються періодично. Оксид вуглецю відновлює оксиди заліза та інших елементів, які містяться в руді. Утворюється залізо, карбід заліза і шлаки. Флюси дають легкоплавкі шлаки (легші за чавун) з СаSіО3 та МgSiO3. У шлаки також потрап­ляють силікати інших металів FеSіО,, МnSіО3, K 2SiO3,. Доменні

шлаки використовуються у виробництві цементу, бетону та скла.

На кожну 1000 т чавуну, що виплавляється, при повітря­ному піддуванні витрачається 1750 т залізної руди, 875 т коксу, 345 т вапняку та 3800 т повітря. При цьому отримують 400 т шлаку та 5400 т доменного газу (близько 30% СО).

Інтенсифікація доменного процесу досягається за рахунок глибокого збагачення залізної руди (до 67% Ре), використання природного газу та кисневого дуття з підвищенням його температури (з 600-700 до 1200°С і вище), а також підвищення тиску газів у печі (до 2-2,5 атм і вище). Зокрема спільне застосування природного газу та кисню в дутті (до 24-25% О2) привело до збільшення продуктивності доменного процесу (доменної печі) на 9-10% і зменшення витрат коксу на 19-20%.

Плавка на збагаченій руді (67% Ре) дає збільшення продуктивності печі на 21% і зменшення витрат коксу на 15%. Використання комплексу заходів для форсування процесу виплавлення чавуну може збільшити продуктивність домен у 1,5-2 рази і знизити витрати коксу до 400 кг на 1 т чавуну. При цьому збільшується калорійність газів, і вони можуть бути використані для каталітичних синтезів. Властивості та види чавунів ми розглянемо окремо.

Виробництво сталі з чавуну пов'язане з видаленням шкідливих домішок (сірки і фосфору) та зниженням вмісту вуглецю до менше ніж 2%. У виробництві сталі застосовують різні методи:

• конверторний (бессемерівський);

• мартенівський;

• тигельний;

• електроплавильний.

Випалювання домішок марганцю, кремнію, вуглецю відбувається за рахунок кисню повітря чи додавання оксидів заліза (брухту та руди) в розплав металу. Фосфор видаляється способом Томаса шляхом використання флюсів (СаО, МgО) та основним футеруванням конверторів і мартенівських печей. При цьому отримується хороше фосфорне добриво (томас-шлак); сірка видаляється за допомогою флюсу СаF2 разом з газоподібними сполуками SF4 та SFб. Особливою чистотою і високою якістю відрізняються тигельні сталі та електросталі. Високою продуктивністю характеризується конверторний метод, але при повітряному дутті утворюються тонкі голочки нітриду заліза, що погіршує якість сталі. З введенням кисневого

дуття (53 м3 О2 на 1 т конверторної сталі) цей недолік лік­відується.

Техніко-економічні розрахунки показують, що вартість будівництва конверторних цехів на 35-40% менша за вартість будівництва мартенівських печей такої ж потужності, а продуктивність їх приблизно у 12 разів вища, ніж у марте­нівських печей.

Нині розвивається та вдосконалюється метод прямого отримання заліза із залізних руд. Цей метод спрямований на:

1) відновлення заліза з оксидів без значного їх навугле-цьовування та забруднення домішками;

2) відокремлення заліза від пустої породи.

Як відновники застосовуються С, Н2, СН4 тощо. Цей процес здійснюється при температурах від 1100°С до температури плавлення заліза. Отримане губчасте залізо називається крицевим залізом (чисте залізо) і широко застосовується. Колишній СРСР давав 1/5 всієї світової продукції чавуну та сталі, посідаючи друге місце у світі (після США). У світі виплавляється сталі близько 500 млн т на рік.

2. СИРОВИННА БАЗА КОЛЬОРОВИХ І РІДКІСНИХ МЕТАЛІВ В УКРАЇНІ

Розвиток виробництва кольорових металів в Україні не поступається розвитку чорної металургії. НДІ та лабораторії вищих навчальних закладів України забезпечують кольорову металургію перспективними технологічними розробками.

Нині для відродження промислових підприємств в Україні вкрай необхідно продовжувати випуск твердих сплавів, тугоплавких матеріалів, кольорових сплавів і рідкісних металів. Наукові установи Львова, Дніпропетровська, Донецька сприяють розвитку цієї галузі в Україні.

Відомо, що Україна за запасами рідкісних і кольорових металів посідає одне з перших місць у світі: в надрах нашої землі зосереджені найбільші запаси цирконію, титану, ртуті, марганцю таін.

З 50-х років і до цього часу на території Українського кристалічного щита (УКЩ) і прилеглих до нього западин відкрито багато нових руд кольорових та рідкісних металів. Заслуга в цьому належить Інституту геохімії та фізики мінералів (ІГФМ) НАН України. Найбільші за площею, з величезними багатокілометровими потужностями осадо-вулкано-генні запаси зосереджені на території Великого Кривого Рогу. Таким чином, у цьому районі є не тільки залізні руди, а й кольорові та рідкісні метали. Україна - сировинна база для титано-цирконієвої промисловості. Головними «титановими» района­ми є Волинська, Житомирська області та Середньодніпровський регіон (цирконій і титан) у Дніпропетровській, Київській і Черкаській областях. Заслуга в розробці покладів цих кольо­рових металів також належить українським вченим ІГФМ НАН України, який очолює академік Н.П. Семененко.

Титанові руди Волинського району складаються з ільменіту та містять 52-55% діоксиду титану і е хорошою сировиною для виробництва титанових білил. На базі родовищ Середньодніп-ровського регіону працюють гірничо-збагачувальні, хімічні комбінати і заводи кольорової металургії. Титано-магнієвий комбінат постачав своєю продукцією всю промисловість рідкісних металів СРСР.

Елементом, який завжди присутній з цирконієм у мінералах розсипних родовищ, є гафній (розсіяний елемент, оскільки у нього немає «свого» родовища). Водночас запаси його в природі у 25 разів більші, ніж срібла і в 1000 разів більші, ніж золота. Раніше для розділення гафнію та цирконію хіміки-технологи виконували 500 операцій розчинення і кристалізації, щоб отримати чисті метали або їх солі окремо. Однак, незважаючи на незвичайну схожість хімічних властивостей цих елементів, відносно дії нейтронів вони дуже відрізняються (нейтрони -ініціатори ядерних реакцій у реакторі). Якщо цирконій практично прозорий для нейтронів, то гафній, навпаки, «жадібно» їх поглинає. Матеріалом для ядерних реакторів, в який «одягають» уран, є чистий цирконій. Наявність лише 2%

гафнію в цирконії погіршує пропуск нейтронів у 20 разів. Гафній же використовується в ядерних реакторах як регулюючий стержень для керування ходом ядерної реакції: гафній поглинає надлишкові нейтрони. Якщо до початку 50-х років у США вироблялося = 50 кг гафнію, то в 70-80-х роках щорічне виробництво досягло 60 т. При виробництві гафнію нині використовується метод очищення від цирконію з іонообмін­ними смолами. Якщо через колонку, яка містить ці смоли, пропустити розчин цирконію і гафнію, то на виході в розчині не виявиться чистого гафнію.

Необхідно також зазначити, що з родовищами титану, цирконію, гафнію пов'язані родовища рідкісноземельних металів (їх сума називається «мішметал»). В Україні вони містяться в мінералі монациті. Одним з найбільших у Європі родовищем марганцю є Нікопольський басейн (35%) та його продовження - Большетокмак (30%).

Потреба народного господарства в марганцевому концен­траті - 8,0-8,5млн т/рік.

За виробництвом ртуті Україна посідає провідне місце у світі та є основним постачальником цього металу (Нікітовський ртутний комбінат у Донецькій області). У Закарпатті також є родовища ртуті та підприємства для її переробки.

Надра України надзвичайно перспективні щодо інших рідкісноземельних металів (Nb, Та, Sс, Y та ін.). Донбас і Карпати - це скарбниця України. Нині розвиваються Сущано-Пер-жанське, Володарськ-Волинське, Кіровоград-Черкаські родо­вища. При одержанні 1 млн т глинозему можна виділити до 1 тис. т п'ятиоксиду ніобію за цінами, вдвічі нижчими за ринкові. Ніобій відрізняється виключними технологічними якостями: тугоплавкістю (2415 °С - температура плавлення) та міцністю. Сталі, що містять від 1 до 5% ніобію, відрізняються жаро­стійкістю і застосовуються для виготовлення котлів високого тиску та реактивних двигунів. Додавання ніобію до спеціальних сортів сталі значно підвищує стійкість зварних швів із цих сталей.

Наступним типовим розсіяним елементом, цікавим сто­совно промислової розробки, є скандій. В основному, мінералом-концентратором скандію є циркон, який містить його до 0,1% (Коростенський і Корсунь-Новомиргородський масиви родо­вищ). Скандій легкий, як алюміній, але тугоплавкий, як вогнетрив (температура плавлення 1200-1400°С). Ціниться він вище за золото.

Україна має потужну базу для промислового виробництва цезію, германію, літію та інших рідкісних металів. Джерелами їх є Донбас, Крим, Волино-Подільський і Причорноморський басейни зі своїми осадовими породами та вугіллям (кам'яним і бурим).

Нині германій виробляється з надсмоляних вод коксохі­мічних підприємств. З вугілля він може видобуватись шляхом уловлювання при спалюванні в топках електростанцій.

За останні 20 років в Україні значно зросла сировинна база кольорових металів - нікелю, кобальту, алюмінію, цинку, свинцю, міді тощо. Відкриті та розвідані родовища силікатних нікелевих руд на Побужжі та в Придніпров'ї. На базі родовищ Побузької групи розвиваються гірничодобувні підприємства. Є також сульфідні нікелеві руди у Верхневцевському, Сурському районах Дніпропетровської області. Джерелом отримання ванадію є керченські залізні руди та ільменітові концентрати Іршинського і Самотканського родовищ. Відомо, що промислові запаси свинцю і цинку зосереджені в Західній Україні (Беган-ське та Береговське родовища поліметалічних руд). Пер­спективним є отримання стронцію з вапняків і сірчаних руд Прикарпаття.

Основною сировиною для видобування алюмінію є боксити, запаси яких обмежені. У зв'язку з цим у сферу глиноземного виробництва залучається вітчизняна сировина: нефеліни, каоліни, алуніти. В Україні в районі Приазов'я є великі запаси нефелінових порід. Незважаючи на зниження вмісту в них АІ2О3, вони містять оксиди рідкісноземельних елементів (р.з.е.).

Мідь в Україні у вигляді сульфідних вкраплень у різних породах видобувається в Кінсько-Білозірській зоні, у Верхне­вцевському районі. Там же добувається кобальт (до 1 % і більше). Такий вміст вважається високим, вищим, ніж у відомих родовищах у Фінляндії (Оутокумпу). Нині ведуться роботи щодо видобутку та переробки золота, кобальту, вольфраму, молібдену та інших металів у західних областях України та в Причорномор'ї.

3. ЗАСТОСУВАННЯ КОЛЬОРОВИХ І РІДКІСНИХ МЕТАЛІВ

Промислові підприємства випускають більше 200 марок прецизійних сплавів, тобто сплавів з раніше заданими особ­ливими фізичними властивостями. Всі вони відрізняються за фізичними властивостями та вмістом кольорових металів. Відрізняються вони також за способом виплавлення і методом оптимізації заданих фізичних властивостей, рівнем службових характеристик (наприклад, магнітних). Ці матеріали широко застосовуються в різних галузях промисловості, від яких залежить економічний розвиток країни в цілому: в електро- та радіотехніці, аерокосмічній і ядерній, електронній та приладо­будівній, галузях промисловості, у галузях, які створюють засоби зв'язку та автоматизовані системи, а також ЕОМ і мікропроцесори (це елементи III, IV, V, VI груп та р.з.е.: АІ, Sі, В, Ni, Со, V, Сг, W, Мо, Рt, Lа, Се та ін.).

Застосування кольорових металів і сплавів у хімічній та електротехнічній промисловості добре можна простежити з точки зору їх корозійної стійкості.

Із алюмінію і його сплавів виготовляють деталі тепло­обмінної апаратури. Як конструкційний матеріал АІ вико­ристовується рідко. Сплави АІС (Мg >490) мають строк служби в морській воді до 10 років. Також сплави АІ, які містять Мп та Сг, використовуються для виготовлення габаритного облад­нання і поєднують хороші механічні характеристики та корозійну стійкість. Із конструкційних матеріалів, які застосовуються для виготовлення трубок конденсаторів та охо­лоджувачів, найбільше використовують сплави міді-латуні.

У хімічній промисловості широко застосовуються мідно-нікелеві сплави, які містять 10, 3О, 63-70% Ni. Високу корозійну стійкість має сплав Ni (56), Cr (16), Мо (16), W (4). Титан широко застосовується для виготовлення деталей і вузлів обладнання (особливо тих, які працюють у морській воді). У ракетобудуванні також використовують сплави на основі титану завдяки високій корозійній стійкості та хорошим механічним характеристикам. Основна маса титану в хімічній промис­ловості застосовується для виготовлення теплообмінної апаратури.

Література

1. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение. - М.: Машиностроение, 1980. - 493 с.

2. Электрорадиоматериалы / Под ред. Б.М. Тареева. - М.: Высшая школа, 1978. - 336 с.

3. Венецкий С.И. О редких металлах. - М.: Металлургия, 1980.-169 с.

4. Брагин В.Ф., Иванова Л.П., Полозюк Н.Е., Ткаченко П.Г. Опыт использования производственных фондов на метал­лургических предприятиях. - Днепропетровск: Проминь, 1970.

5. Брагин В.Ф., Иванова П.П., Полозюк Н.Е., Щукин А.Г. Эффективность использования оборотных средств в цветной металлургии Украинской ССР. - К: Укр НИИНТИ, 1970.

6. Бескоровайный Н.М. и др. Композиционные материалы для ядерных реакторов. - М.: Атомиздат, 1972. - 252 с.

7. Борисенко С.Г., Галецкий Л.С., Мицкевич Б.Ф. Итоги и задачи геохимических исследований на Украине // Гео­логический журнал АН УССР. - 1971. - № 1.

8. Самсонов Г.В., Щукин А.Д., Бакута С.А. Развитие промышленности цветных и редких металлов на Украине. - К.: Наукова думка, 1971.

Лекція №6. ТЕХНОЛОГІЧНІ ОСНОВИ ПРОЦЕСІВ

ОДЕРЖАННЯ ВИСОКОЛЕГОВАНИХ СТАЛЕЙ СПЛАВІВ (чорна металургія)

Питання до вивчення

1. Завдання чорної металургії та ЇЇ зв'язок із розвитком машинобудування в Україні. Сировина для одержання сталі.

2. Короткі відомості про виробництво чавуну. Маркування.

3. Основи виробництва сталі. Класифікація сталей за способом виплавлення та призначенням. Техніко-економічні показники виробництва сталей.

4. Роль жароміцних і жаростійких сталей та сплавів у сучасній техніці.

5. Інструментальні матеріали.