Эксперты Университета МИСИС определили четыре основные группы микроэлементов при доменной плавке. Изучение и анализ характерных особенностей их поведения поможет прогнозировать качество выплавляемого чугуна и оценивать влияние выбросов тяжелых металлов на окружающую среду. Несмотря на актуальность исследования поведения тяжелых металлов в доменной плавке, к настоящему времени не выработана общая методология. Проведенные работы единичны, каждая выполнена по оригинальной авторской методике.
Формирующаяся в доменной печи металлургическая система включает все виды сред и обладает сложными закономерностями массообменных процессов. Современная доменная плавка характеризуется высокой интенсивностью процессов в горне печи и уменьшением времени контакта чугуна и шлака. Введенный стандарт ГОСТ Р 56828.32–2017 предусматривает необходимость изучения поведения микроэлементов в металлургических процессах. Поэтому разработка методологии анализа поведения тяжелых металлов в доменном процессе – одна из наиболее актуальных и наукоёмких проблем современной металлургии чёрных металлов.
Традицию изучения микроэлементов ввел на кафедре руднотермических процессов (ныне кафедра энергоэффективных и ресурсосберегающих промышленных технологий) НИТУ МИСИС ученый-металлург Анатолий Похвиснев. В 1980-х гг. особое внимание уделялось исследованию поведения в доменной плавке цинка, щелочных металлов, свинца. Позже в Университете МИСИС начались регулярные исследования. Анализ металлургического сырья и продукции для условий центральной России показал содержание в них до 40 элементов из таблицы Менделеева в количестве 2–5 ppm и выше. Было введено понятие «элементопотока» – анализа движения элемента на протяжении всего производственного цикла, а затем – «глобального, жизненного цикла». Также проведены исследования на металлургических комбинатах «Северсталь», НЛМК, «Тулачермет» «НТМК», «Косогорский металлургический завод», «EKO-Stahl» (Германия), «Кардемир» (Турция), «Хадисолб» (Египет). В результате исследований установлено, что производимые в России чугуны содержат от 20 до 28 примесных элементов общим количеством от 0,55 до 1,6 кг/т чугуна.
Среди микропримесей выделяются циркулирующие, легирующие и композитные элементы. Проблема первых в современной чёрной металлургии занимает особое место. Элементы (медь, хром, никель, олово, молибден) постепенно накапливаются в готовом стальном продукте в процессе круговорота «сталь → металлолом → сталь». Попадающие в доменную печь микроэлементы распределяются между чугуном, шлаком, доменным газом, колошниковой пылью и шламом, переходят в состав образований, формирующихся в печи в процессе эксплуатации. Микроэлементы могут формировать контуры циркуляции во внутреннем пространстве печи, а попадающие в шламы накапливаются в цикле «доменная печь → шлам → агломерация → доменная печь».
В результате исследований выделены четыре группы микроэлементов. Элементы первой группы ведут себя аналогично шлакообразующим (алюминию, кальцию, магнию) и практически полностью переходят в оксидный расплав. Для стронция отмечается накопление в шламе, для лантаноидов и бериллия – невязка баланса. Элементы второй группы распределяются между металлическим и шлаковым расплавом (аналогично марганцу или кремнию), а ванадий, мышьяк и фосфор переходят в газовую фазу процесса. Элементы третьей группы практически полностью обращаются в чугун. При этом для никеля и галлия отмечается переход в газовую фазу. Для элементов четвертой группы характерен приход в доменную печь только в составе «минеральной» части шихты, они распределяются между чугуном и газовой фазой процесса.
Учёт особенностей поведения микроэлементов даёт возможность прогнозировать качество выплавляемого чугуна, оценивать накопление примесей в цикле «доменная печь → шлам → агломерация → доменная печь» и влияние вредных микроэлементов, прежде всего тяжелых металлов, на окружающую среду.
