3.2. Макро- и микроэлементы в черной металлургии.
Важным методическим вопросом является принцип подразделения элементов на макро – и микроэлементы. В соответствии с предложенной ранее классификацией /8/, к макроэлементам относят элементы, которые «существенным образом влияют на ход процессов добычи, производства, потребления или эксплуатации предмета, определяя технико-экономические показатели упомянутых стадий техногенных преобразований природных ресурсов». В количественном выражении можно принять, что к макроэлементам относятся те, содержание которых в рассматриваемом продукте (или системе) превышает около 0,1% (масс.). Если содержание элемента составляет менее 0,1% его можно условно отнести к категории микроэлементов.
Микроэлементы, как правило, подразделяются на «микропримесные» – существенным образом влияющие на свойства и количественные характеристики продукта, и «следовые» – содержание которых настолько незначительно, что их присутствие никак не влияет ни на какие из известных в настоящее время потребительских или токсических характеристик продукта (рисунок 16).
Рис. 16. Подразделение химических элементов
Среди микропримесей выделяются легирующие, «бродячие» и композитные элементы. Проблема «бродячих» элементов имеет в современной чёрной металлургии особое значение. Термин «бродячие элементы» пришёл из американского сленга, в последние годы, в специальной литературе чаще употребляется термин «элементы-ваганты» (или «голиарды»). В отечественной металлургической литературе наиболее близким по смыслу является термин «циркулирующие элементы». «Бродячие» элементы не только оказывают отрицательное влияние на качество чугуна (как и большинство микропримесных элементов), но и не могут быть легко удалены из него в процессе последующих металлургических переделов. Поэтому «бродячие» элементы постепенно накапливаются в готовом стальном продукте в процессе круговорота «сталь – металлолом – сталь». Наиболее важными бродячими элементами в настоящее время считаются: медь, хром, никель (обозначаемые специальной аббревиатурой «CCN»), олово, молибден.
Применительно к процессам металлургии железа может быть принято следующее подразделение элементов. Элементы основы: железо, углерод, кислород, азот, водород, кальций, кремний, алюминий, магний. Они являются обязательными составляющими любой металлургической системы. К макропримесным элементам обычно относят марганец, серу, цинк, калий и натрий, иногда – титан и свинец (в случае их высокого содержания в металлургических материалах). К микропримесям относятся все остальные химические элементы периодической системы.
Марганец, фосфор и сера представляют собой элементы, которые определяют качественные характеристики готового продукта и, поэтому, контролируются на всем протяжении технологического цикла и включаются во все виды стандартов или сертификатов на изделия из железа. Калий и натрий играют важнейшую роль в процессах формирования металлургических шлаков, а также, совместно с цинком, существенным образом влияют на показатели процессов производства первичного металла (главным образом чугуна) и стойкость огнеупоров доменных печей. В связи с этим, химическому анализу на цинк, калий и натрий, как правило, подвергаются все шихтовые материалы, поступающие на металлургическое предприятие (прежде всего: коксующиеся угли, железорудные материалы, флюсы).
Отнесение того или иного элемента к одной из упомянутых выше групп зависит от конкретных анализируемых условий. Например, хром чаще всего классифицируется как микропримесный элемент, при этом в случае производства товарного литейного чугуна он обычно рассматривается как легирующий, а при производстве передельного (особенно в случае применения в шихте хромсодержащих металлодобавок) – как «бродячий». Хром, никель, ванадий, фосфор могут играть роль макропримесного элемента при производстве хромоникелевого, ванадиевого или фосфористого чугуна или элемента основы – при выплавке в доменной печи соответствующих ферросплавов.
Микроэлементы содержатся во всех материалах, используемых на предприятиях черной металлургии: в железных и марганцевых рудах, углях всех видов, флюсах, ферросплавах, огнеупорах, металлоломе, материалах, используемых для нанесения покрытий на изделия из железа и проч.
В металлургических материалах могут присутствовать в количестве от долей до десятков тысяч ppm (г/т материала) химические элементы всех групп и периодов периодической системы за исключением инертных газов и трансурановых элементов. Вовлекаясь в металлургический передел в составе шихтовых материалов и газов и макро- и микроэлементы могут:
Переходить в готовые продукты металлургического производства – как собственно в изделия из железа, так и в «попутные» продукты, например, в металлургические шлаки, или материалы, получаемые в процессе коксохимического производства и т.п.
Попадать в отходы производства (в основном в золы и шламы тепловых электростанций (ТЭС), а также сталеплавильные шлаки и шламы), которые в настоящее время складируются в золошламонакопителях, отвалах, полигонах и других объектах, предназначенных для депонирования техногенных материалов.
Накапливаться в металлургических агрегатах в составе гарнисажа, настылей и других специфических образований.
Переходить в шламы газоочисток, окалину и другие материалы с формированием контура циркуляции внутри металлургического цикла при утилизации этих материалов в агломерационном, доменном, конверторном и других процессах.
Выноситься в окружающую среду (атмосферу и гидросферу) в виде газов, возгонов, пылей, взвесей, растворов и т.п., не улавливаемых очистными устройствами.
Накапливаться в циркуляционных контурах, формирующихся во внутреннем пространстве металлургических агрегатов в результате возгонки элементов при высоких и последующей конденсации при низких температурах.