plik

Rozdział 3

Produkcja żelaza i stali

3 Produkcja stali - przegląd

3.1 Etapy procesu stalowniczego

Obecnie w produkcji stali stosowane są cztery procesy: klasyczny proces wielki
piec/zasadowy konwertor tlenowy, bezpośrednie topienie złomu (elektryczny piec łukowy),
redukcja przez wytapianie i bezpośrednia redukcja (rysunek 3.1)

Rysunek 3.1: Metody produkcji stali surowej - [Ullmann, 1994]

Obecnie produkcja stali w 15 Państwach Członkowskich UE (1998) opiera się na procesie
obejmującym wielki piec/zasadowy konwertor tlenowy (około 65%) i procesie elektrycznego
pieca łukowego (około 35%) (patrz rysunek 1.2). Procentowy udział topienia i bezpośredniej
redukcji w światowej produkcji stali surowej w 1996 roku wynosił około 4% [Hille, 1997]. W
Europie produkcja bezpośrednio zredukowanego żelaza (DRI) ogranicza się do około 500000
t/rok (Niemcy i Szwecja), co stanowi około 1,5% światowej produkcji. Podano, że w 1995
roku zużycie bezpośrednio zredukowanego żelaza w produkcji stali z wykorzystaniem
elektrycznych pieców łukowych w UE (15) wynosiło 400000 t, aczkolwiek zainteresowanie
tym materiałem wzrasta i pojawiają się nowe technologie produkcji. Obecnie w UE (15) nie
istnieją żadne zespoły redukcji wytapiania na skalę przemysłową. Dlatego też procesy te nie
zostały opisane w niniejszym rozdziale, ale zostaną wspomniane w rozdziale zatytułowanym
“Alternatywne technologie produkcji żelaza”.

3.2 Huty zintegrowane (huty o pełnym cyklu produkcyjnym)

Spośród czterech procesów wytwarzania stali opisanych w rozdziale 3.1 klasyczny proces
wielki piec/zasadowy konwertor tlenowy jest jak dotychczas najbardziej złożonym procesem
przebiegającym w dużych przemysłowych kompleksach określanych jako zintegrowane huty,

Rozdział 3

Produkcja żelaza i stali

które zajmują obszary o powierzchni do kilku kilometrów kwadratowych (rysunek 3.2).
Zintegrowane huty charakteryzują się siecią współzależnych przepływów materiałów i energii
pomiędzy różnymi jednostkami produkcyjnymi, z których większość została uwzględniona w
niniejszym dokumencie referencyjnym (spiekalnie, grudkownie, koksownie, wielkie piece i
stalownie konwertorowe z systemem odlewania stali). Przed podaniem szczegółowego opisu
poszczególnych rodzajów zakładów, przedstawiony zostanie przegląd powyższych
współzależności.

Rysunek 3.2: Widok z lotu ptaka na zintegrowaną hutę usytuowaną na wybrzeżu.

3.2.1 Przegląd procesu

Przebieg procesu zintegrowanej huty omawianej w niniejszym dokumencie referencyjnym
BREF pokazano na rysunku 3.3. Rysunek ten przedstawia schematyczny przegląd głównych
materiałów wejściowych i wyjściowych (strumienie masy) dla każdego etapu procesu.

Główną jednostką operacyjną w zintegrowanej hucie jest wielki piec, w którym następuje
redukcja tlenków rud, w wyniku której otrzymywane jest ciekłe żelazo, zwane surówką.
Nowoczesne wielkie piece o wysokiej wydajności wymagają fizycznego i metalurgicznego
przygotowania wsadu. Istnieją dwa rodzaje zakładów przygotowania rudy: spiekalnie i
grudkownie. Grudki są prawie zawsze wykonywane z jednej określonej rudy żelaza lub
koncentratu (patrz rysunek 2.1) w kopalni i stąd są transportowane. W Europie istnieje tylko
jedna zintegrowana huta, w której działa także grudkownia. Spiek jest zasadniczo
produkowany w hutach stali ze wstępnie przygotowanych mieszanek drobnoziarnistej rudy
żelaza, pozostałości i dodatków.

Głównymi czynnikami redukującymi w wielkich piecach są koks i sproszkowany węgiel
tworzący tlenek węgla i węglowodór, który redukuje tlenki żelaza. Koks i węgiel działają
również częściowo jako paliwo.

Rozdział 3

Produkcja żelaza i stali

Koks jest produkowany z węgla za pomocą suchej destylacji w piecu koksowniczym i ma
lepsze właściwości fizyczne i chemiczne niż węgiel. W wielu przypadkach stosowane są
dodatkowe czynniki redukujące/paliwa, które są dostarczane przez wtryskiwanie oleju,
wdmuchiwanie gazu ziemnego i (w niektórych przypadkach) tworzyw sztucznych. Gorący
dmuch dostarcza tlenu potrzebnego do powstania tlenku węgla, który jest podstawowym
czynnikiem redukującym dla tlenków żelaza.

Rozdział 3

Produkcja żelaza i stali

Rysunek 3.3: Schemat przebiegu procesu zintegrowanej huty - [Brytyjski Instytut Public
Relations (UK IPR) 2/1, 1994] –
(grudkownia nie została uwzględniona, ponieważ tylko jedna zintegrowana huta w Europie ją
posiada)

Wielki piec jest ładowany od góry wsadem składającym się z naprzemiennie układanych
warstw koksu, mieszanki spieku i/lub grudek, rudy kawałkowej i topników. Żelazo w piecu
poddawane jest stopniowej redukcji, a ciekłe  żelazo (surówka) i żużel zbierane są na dnie
wielkiego pieca, gdzie następuje spust.

Żużel z wielkiego pieca jest poddawany granulacji, grudkowaniu lub jest spuszczany do
dołów  żużlowych. Granulki żużlu lub grudki są zwykle sprzedawane do zakładów
produkujących cement. Żużel z dołów  żużlowych może być również wykorzystany do
budowy dróg.

Surówka z wielkiego pieca jest transportowana do zasadowego konwertora tlenowego, gdzie
zawartość węgla (około 4%) jest obniżana do poniżej 1%, w wyniku czego powstaje stal. W
celu wyprodukowania stali o wymaganej jakości przeważnie stosuje się odsiarczanie surówki
przed procesem konwertorowym oraz rafinację stali w kadzi (obróbka pozapiecowa). Ciekła
stal z zasadowego konwertora tlenowego jest odlewana do wlewnic lub za pomocą ciągłego
odlewania. W niektórych przypadkach stosowane jest odgazowanie próżniowe w celu
poprawienia jakości stali.

Wyroby odlewane, takie jak wlewki, kęsy lub kęsiska płaskie, są następnie przerabianie na
walcowniach i liniach wykańczających na wyroby gotowe do sprzedaży.

3.2.2 Współzależność różnych procesów/zespołów produkcyjnych pod względem

energii, produktów ubocznych/pozostałości, powietrza i wody.

Przegląd procesu na rysunku 3.3 przedstawia różne jednostki produkcyjne zintegrowanej huty.
Poszczególne jednostki są ze sobą powiązane pod względem przepływów produktów,
wewnętrznych przepływów pozostałości (zgorzeliny walcowniczej, pyłów z filtra, szlamów z
wypłukiwania gazu wielkopiecowego i konwertorowego itp.), wody (wspólne oczyszczanie
różnych strumieni ścieków, kaskadowe wykorzystanie wody chłodzącej itp.) i energii (gaz
koksowniczy, gaz wielkopiecowy, gaz konwertorowy, para z turbin rozprężnych napędzanych
gazem gardzielowym lub z zasadowych konwertorów tlenowych itp.). Współzależności te
zostały wprowadzone, aby zminimalizować emisję, zoptymalizować zdolność produkcyjną i
zredukować koszty.

3.2.2.1 Energia

Spośród wymienionych powyżej współzależności najbardziej skomplikowane są te, które
dotyczą energii. Rysunek 3.4 przedstawia przykład wejściowych i wyjściowych przepływów
każdego z rodzajów energii oraz wewnętrzny przepływ energii w zintegrowanej hucie.
Dominującymi źródłami energii są węgiel oraz zakupiony od zewnętrznego dostawcy koks.
Innymi źródłami są energia elektryczna, gaz ziemny, olej i (w pewnych przypadkach)
tworzywa sztuczne. W wielu przypadkach stosowany jest gaz koksowniczy, gaz
wielkopiecowy oraz gaz konwertorowy (podgrzewanie baterii koksowniczych, ogrzewanie
nagrzewnic gorącego dmuchu, zapłon wsadu spiekalniczego, ogrzewanie pieców do

Rozdział 3

Produkcja żelaza i stali

nagrzewania wsadu walcowniczego itp.). W różnych procesach stosowana jest także para z
turbin rozprężnych napędzanych gazem gardzielowym lub para z zasadowych konwertorów
tlenowych.

Gaz koksowniczy i gaz wielkopiecowy są odzyskiwane i wykorzystywane we wszystkich
zintegrowanych hutach. Nie dotyczy to gazu konwertorowego lub odzysku pary w przypadku,
gdy gaz gardzielowy napędza turbinę rozprężną. Odzysk pary jest zależny od ciśnienia gazu
gardzielowego, warunków roboczych zasadowego konwertora tlenowego i użyteczności gazu
konwertorowego.

Na rysunku 3.5 przedstawiono szczegółowo dystrybucję różnych rodzajów energii pod
względem ilości w zintegrowanej hucie. Wszystkie dane na tym rysunku odnoszą się do
całkowitego nakładu energii, łącznie z energią pochodzącą z zewnętrznych źródeł. Około 88%
importowanej energii otrzymuje się z węgla, z którego 83% jest przetwarzane na koks.
Wielkie piece pobierają około 60% energii zużywanej w całej hucie, w następnej kolejności są
walcownie (25%), spiekalnie (około 9%) i piece koksownicze (około 7%).

Rysunek 3.4: Przykład wejściowego, wyjściowego i wewnętrznego przepływu energii w
systemie nowoczesnej zintegrowanej huty - [Joksch, 1998].

Rozdział 3

Produkcja żelaza i stali

Rysunek 3.5: Typowy rozkład zapotrzebowania na energię przy produkcji jednej tony
surowej stali w zintegrowanej hucie - [Ullmann, 1989];
Przykład ten potwierdza liczby podane w punkcie 1.5.

3.2.2.2 Pozostałości stałe/produkty uboczne

Przy zagospodarowywaniu pozostałości w zintegrowanej hucie stosuje się zaawansowane
technologie uzyskiwania wartości z różnego rodzaju żużlu oraz recykling większości
pozostałości na spiekalnię, która może być uznana za „żołądek zintegrowanej huty”. Dlatego
też proces spiekania i spiekalnia stanową istotny element w recyklingu pozostałości, dla
którego nie istnieje żadna adekwatna alternatywa. Jedynie mała część wszystkich pozostałości
jest składowana na hałdach. Na pozostałości te składają się najczęściej drobnoziarnisty pył
pochodzący z oczyszczania gazu wielkopiecowego, gruz, drobnoziarnisty pył pochodzący z
płukania gazu z zasadowego konwertora tlenowego (gdy stosowane jest oczyszczanie na
mokro) oraz, w niektórych przypadkach, chlorki o wysokiej alkaliczności oraz chlorki metali

Rozdział 3

Produkcja żelaza i stali

ciężkich z ostatniego pola filtrów elektrostatycznych oczyszczających gaz odlotowy z taśm
spiekalniczych. Na rysunku 3.6 przedstawiono typowy przykład zagospodarowania produktów
ubocznych i pozostałości w zintegrowanej hucie.

Rysunek 3.6: Typowy przykład zagospodarowania pozostałości i produktów ubocznych
w zintegrowanej hucie - w oparciu o [Bothe, 1993]

3.2.2.3 Woda

Gospodarka wodna w zintegrowanej hucie zależy głównie od miejscowych warunków, a
przede wszystkim od dostępności świeżej wody i wymogów prawnych. Prawne ograniczenia
dotyczą zwykle minimalizowania odpływu wody chłodzącej i ścieków zanieczyszczonych
mechanicznie, ale w niektórych przypadkach władze wymagają również unikania pióropuszy
z wież chłodniczych, co pozwala uniknąć dalszego recyklingu wody chłodzącej.

Rysunek 3.7 przedstawia model gospodarki wodnej, w którym uwzględniono proces
oczyszczania wody w zintegrowanej hucie przy nadwyżce dostępnej wody dopływowej,
wyjaśniający obecność wielu układów chłodzenia jednoprzejściowego, prowadzącą do
jednostkowego zużycia wody w ilości ponad 100 m

/t stali. W miejscach o bardzo małej

dostępności świeżej wody konieczne jest oszczędzanie wody w jak największym zakresie. W

Rozdział 3

Produkcja żelaza i stali

takich przypadkach jednostkowe zużycie wody może zostać ograniczone do mniej niż 10 m

stali, a czasami nawet do mniej niż 5 m

/t stali. Wzajemne zależności są wtedy znacznie

silniejsze.

Rysunek 3.7: Przykład gospodarki wodnej w zintegrowanej hucie usytuowanej w
miejscu o dużej dostępności wody.