CC BY
30ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОЛУЧЕНИЯ ЛИТЫХ ФЕРРОСПЛАВОВ ПРИ ПЕРЕРАБОТКЕ ТЕХНОГЕННЫХ ОТХОДОВ МЕТОДАМИ СВС-МЕТАЛЛУРГИИ
Икорников Д.М. молодой ученый, Санин В.Н., Андреев Д.E., Юхвид В.И.
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения
им. А.Г. Мержанова Российской академии наук (ИСМАН), Черноголовка,
йеп18-1когткоу@уапйех. ги
001:10.24411/9999-004А-2019-10076
Ежегодно в мире образуется около 3,5 млрд тонн отходов, из которых примерно две трети создают промышленные предприятия. В России перерабатывается всего около 20% техногенных отходов, тогда как в мире этот показатель достигает 85-90%.
Для металлургии эта проблема особенно характерна. «Производство тонны черного металла сопровождается получением от 5 до 17 тонн отходов, а цветных и благородных - до 100 тонн и более». По оценке Уральского института металлов и ЦНИИ Цветмет, на металлургических предприятиях России, в отвалах и шламохранилищах скопилось более миллиарда тонн отходов, из которых свыше 506 млн тонн накопившиеся отходы предприятий черной металлургии, более 800 млн тонн — цветной. По запасам накопившиеся отвалы становятся соизмеримы с небольшими месторождениями.
В условиях, когда эксплуатируемые запасы минерального сырья истощаются, а новые месторождения, как правило, более бедны и не имеют транспортной и энергетической инфраструктуры, вопрос повторного использования отходов все более актуален. Техногенные образования располагаются на относительно небольших территориях, находящихся в промышленно развитых районах с наличием рабочей силы и уже апробированные новые технологические приемы переработки техногенных отходов металлургических предприятий (ТОМП) показывают, что во многих случаях технологии затраты на организацию разработки здесь значительно ниже, чем при разработке природных месторождений.
При производстве металлопроката при повышенных температурах неизбежно образуется окалина. Окалина представляет собой продукт окисления железа [1,2]. Согласно исследованиям, в окалине содержится от 55 до 80% FeO и от 20 до 50% Fe2Oз, что соответствует содержанию 66-69% чистого железа в окалине. На многих предприятиях окалина складируется в виде отвалов, что
закономерно вызывает внимание со стороны экологов. Окалина является техногенными отходами и в настоящее время на крупных промышленных предприятиях РФ шламонакопители крупнейших заводов содержат сотни тысяч тон окалины. Примером могут служить Златоустовский металлургический и Челябинский трубопрокатный заводы, на которых образуется около 5 тыс. т в год таких отходов, а на Челябинском металлургическом комбинате - свыше 50 тыс. т. Окалина прокатного производства, запасы которой только на металлургических предприятиях Урала оцениваются в 30 млн т, может стать источником сырья. Содержание железа в окалине - около 70%, что гораздо выше, чем в руде или железорудном концентрате.
Использование техногенных отходов могут быть сырьем для получения многих практически ценных металлических и металлокерамических материалов. Одним из таких продуктов является ферросплавы. Раскисление стали при помощи ферросплавов необходимо для связывания и вывода в шлак кислорода из общей массы.
Таким образом разработка новых энерго- и ресурсрсберегающих технологических решений, направленных на получение массово-востребованных ферросплавов путем переработки накопившихся и постоянно пополняемых техногенных отходов металлургического производства (окалины) является актуальным как с точки зрения утилизации промышленных отходов так и с практической стороны, для снижения энергозатрат и себестоимости металлических материалов в целом.
В рамках выполнения научно-исследовательских работ, будут представлены некоторые результаты исследований направленных на разработку химико-технологических основ переработки отходов металлургического производства (окалины) для получения коммерчески-востребованной продукции (комплексно- легированных ферросплавов) методами СВС-металлургии [3,4], одним из самых ресурсосберегающих методов получения литых материалов.
В общем виде химическую схему синтеза литых ферросплавов методом СВС-металлургии с использованием металлургических отходов (окалины) можно представить, как:
VI БехОу (окалина) + У2Л1 + VзЛД ^ У4ре-(ЛД)+ чАЬОз
где ЛД- легирующие добавки (Б1, ЗЮ2, В, В2О3.и др.)
Синтез комплексно-легированных ферросплавов (с контролируемым уровнем легирования и составом компонентов) проводился с участием различных активных компонентов (ЛД), вводимых непосредственно в исходные экзотермические составы.
Для осуществления запланированных исследований были получены техногенные отходы с двух различных металлургических предприятий, т.к. в зависимости от технологических операций при обработке металлопродукции соотношения оксидов в окалине (БеО-РезО4) может изменятся.
Окалина в исходном состоянии имела размер частиц от 2 до 15 мм. Для использования окалины в качестве исходного реагента ее предварительно подвергали термообработке в течении часа при температуре 400 C. После предварительной термообработки для удаления органических примесей окалина дробилась до размера частиц <200 мкм.
Эксперименты по синтезу сплавов были проведены на центробежных СВС-установках под воздействием перегрузки от 10 до 500g, которая в свою очередь является мощным инструментом управления процессами горения и формирования продуктов синтеза. Воздействие перегрузки на стадии горения позволило подавить разброс продуктов синтеза в процессе горения (для высокоэкзотермических составов), реализовать интенсивное перемешивание всех компонентов вблизи фронта горения, увеличить конверсию (глубины реагирования) исходной смеси во фронте горения и существенно расширить пределы горения (для низко экзотермических составов). На стадии гравитационной сепарации и охлаждения перегрузка позволила реализовать высокий выход металлической фазы в слиток, удалить газообразные продукты, получить слитки литых ферросплавов с равномерным распределением компонентов по объёму слитка.
Синтез комплексно-легированных ферросплавов был проведен в режиме фронтального горения исходных составов c участием различных активных компонентов, вводимых непосредственно в исходные экзотермические составы. Основные данные по определению оптимальных химических и технологических условий для синтеза литых ферросплавов в системах Fe-Si-Al, Fe-Si-Al (Cr, Mn), Fe-Si-Al-B будут представлены в докладе. На рис. 1 представлена микроструктура и состав ферросиликоалюминия полученного методом СВС путем переработки металлургической окалины.
Al Si Mn Fe Total
Sp.1 4.3 23.2 0.6 71.9 100
Al Si Cr Mn Fe Total
Sp.1 4.0 20.0 3.4 4.8 67.8 100.0
Рис.1. Микроструктура (скол) и микроанализ химического состава (EDS) синтезированных литых ферросплавов: (a) - Fe-Si-Al, (b) - Fe-Si-Al (Cr, Mn)
Список литературы:
1. Северденко В.П., Макушок Е.М., Раввин А.И. Окалина при горячей обработке металлов давлением. М.: Металлургия, 1977. 208с
2. V. I. Shatokha, O. O. Gogenko, S. M. Kripak, "Utilising of the oiled rolling mills scale in iron ore sintering process", Res. Cons. and Recyc., Vol. 55, 2011, pp. 435-440.
3. Sanin, V.N., Ikornikov, D.M., Andreev, D.E., and Yukhvid, V.I., Centrifugal SHS metallurgy of nickel aluminide based eutectic alloys, Russ. J. Non-Ferr. Metall., 2014, vol. 55, no. 6, pp. 613-619. doi 10.3103/S1067821214060212
4. V. Sanin, D. Andreev, D. Ikornikov and V. Yukhvid, "Cast Intermetallic Alloys and Composites Based on Them by Combined Centrifugal Casting—SHS Process," Open Journal of Metal, Vol. 3 No. 2B, 2013, pp. 12-24. doi: 10.4236/ojmetal.2013.32A2003.
Исследование выполнено при финансовой поддержке Программы фундаментальных исследований РАН по приоритетным направлениям (КП15).
