CC BY
307
ес/агтг^ггг/;
U и / 1С74), 2014-
.«шл-тгг'п
УДК 621 .745 Поступила 17.01.2014
С. л. Ровнн, УП «Технолит»
использование ротационных печей
для рециклинга железосодержащих отходов
Статья посвящена проблеме рециклинга дисперсных железосодержащих отходов и возможности применения для решения этой задачи ротационных наклоняющихся печей (РнП*). Проведено моделирование процессов тепломассообмена в ротационных печах, разработаны оригинальные конструкции печей большой емкости.
The article is devoted to the problem of recycling of disperse iron-containing waste and possibility of application of rotary rocking furnaces (RRF*) for solution of this problem. Modeling ofprocesses of heat-mass exchange in rotary furnaces is carried out, original constructions of high-capacity furnaces are developed.
Вторичные металлы или лом и отходы черных металлов - ценное сырье, масштабы использования которого сегодня становятся соизмеримыми с объемами производства первичного металла . Однако рециклинг и утилизация дисперсных железосодержащих отходов - стружки, окалины, аспира-ционных пылей, шламов и т. д . являются до настоящего времени трудноразрешимой проблемой
Большие объемы железосодержащих материалов продолжают накапливаться в отвалах, которые составляют в настоящее время миллионы тонн Причем это не только потери ценного сырья, но и ущерб окружающей среде
Именно поэтому утилизации, а в идеале реци-клингу металлоотходов, т е возврату их в метал-лооборот и повторному использованию, уделяется все большее внимание специалистов-металлургов и литейщиков
В металлургии достаточно успешно развивается направление внедоменного одностадийного получения стали непосредственно из руды . Разработано около 20 вариантов установок, обеспечивающих прямое восстановление железа. Наиболее экономически успешными являются установки получения губчатого железа в виде окатышей или брикетов - Midrex, HYL, Согех и некоторые другие [1] . Однако использовать такие установки, которые предназначены для переработки сотен тысяч, миллионов тонн сырья, в литейном производстве не представляется возможным, а сосредоточить на одном предприятии переработку отходов, образующихся на сотнях источников (предприятиях металлообработки), весьма проблематично .
Более рациональным является рециклинг ме-таллоотходов в местах их образования в агрегатах, специально приспособленных для такой переработки, включая нагрев, сушку, плавку и если нужно восстановление дисперсных материалов
К таким агрегатам можно отнести сравнительно новый тип плавильных печей - ротационные наклоняющиеся печи (рис . 1) . Эти печи находят все более широкое применение во вторичной металлургии цветных металлов . Уже сегодня в Республике Беларусь практически все свинецсодер-жащие и большая часть алюминиевых отходов перерабатываются в ротационных наклоняющихся печах (РНП) .
В январе 2013 г. в Белоозерске начал переработку аккумуляторного лома и других свинецсо-держащих отходов первый в Беларуси «Завод по производству свинца и сплавов», принадлежащий СООО «Белинвестторг-Сплав» . Технологические и планировочные решения для предприятия были разработаны УП «Технолит» Уже к концу года завод вышел на проектную мощность - свыше 800 т свинца в месяц Основным технологическим агрегатом в производственном цикле является 10-тонная ротационная наклоняющаяся печь, обеспечивающая получение чернового свинца из оксидно-сульфатной аккумуляторной пасты .
Активно внедряются подобные печи и в РФ . На рис . 2 показана 3-тонная печь для выплавки свинца, принадлежащая компании «Авангард-Юнион» (г Владимир), которая была разработана специа-
* Ротационные наклоняющиеся печи - принятое название в англоязычных источниках rotary tilting furnaces (RTF) .
Рис . 1 . Общий вид ротационной наклоняющейся печи: 1 -корпус печи; 2 - привод; 3 - крышка поворотная; 4 - зонт; 5 - дымоход; 6 - горелка; 7 - рама опорная; 8 - рама поворотная; 9 - привод наклона печи
листами УП «Технолит» (г. Минск) совместно с кафедрой МиТЛП ГГТУ им . П . О . Сухого (г. Гомель) .
Тепловая обработка дисперсных материалов во вращающихся печах происходит в динамическом продуваемом слое, что увеличивает интенсивность передачи тепла на 2-3 порядка: объемный коэффициент теплопередачи ау в РНП составляет примерно 3000 Вт/(м3К) .
При нагреве чугунной стружки к . п . д . РНП превышает 50%, что вдвое больше, чем у барабанных проходных печей . Это объясняется, прежде всего, сложным петлеобразным движением газов, что приводит к увеличению коэффициента конвективного теплообмена и времени пребывания газов в печи Кроме того, эти печи благодаря наклону к горизонту в рабочем положении 15-20° имеют почти в 1,5 раза большую полезную емкость (до 35% от полной емкости печи), чем традиционные
л ггттгп гг г/^гтштгто /к7
-1 (74), 2014 / U Я
gmjt foi ji| I
Рис . 2 . 3-тонная РНП для выплавки свинца («Авангард-Юнион», г. Владимир)
короткобарабанные печи с неподвижной горизонтальной осью вращения
Исследования технологических возможностей РНП показали, что эти печи вполне пригодны и для рециклинга железосодержащих отходов, прежде всего стружки В РНП можно осуществлять сушку и удаление масел, высокотемпературный нагрев и расплавление стружки
Нагрев стружки как чугунной, так и стальной дробленой в РНП может достигать температуры 750-850 С (рис . 3) . Последующая завалка такой стружки в индукционные печи обеспечивает почти 2-кратное сокращение длительности ее расплавления, исключает выбросы дыма в рабочую зону цеха, улучшает экологические параметры плавки и качество металла При высокотемпературном нагреве стружки не только удаляется влага и выгорают масла, но происходит также частичное удаление пылевых фракций . Более того, замасленная
\
Рис . 3 . РНП для высокотемпературного нагрева стружки (температура 810 °С)
58/ша)
пмггмяш'лтггт
(74), 2014-
стружка требует для высокотемпературного нагрева вместо 11-12 м3/т природного газа не более 8-9 м3/т, так как масла сгорая, выделяют тепло, обеспечивая экономию топлива Процесс нагрева стружки идет с большой скоростью и для печи объемом 2-4 т занимает примерно 20-25 мин . Процесс расплавления чугунной стружки в РНП требует около 50 мин . Для предотвращения угара стружки в рабочем пространстве печи создается восстановительная атмосфера: (СО+Н2) > (С02 +Н20) при отсутствии О2 . Это достигается путем уменьшения коэффициента избытка воздуха, подаваемого на горелку, или добавками в шихту углеродсо-держащих материалов: отсев кокса или угля, лигнин, торф и др
Хорошие перспективы имеют ротационные печи и в решении более сложной задачи - возвращении в оборот оксидных железосодержащих отходов . С учетом накопленного опыта прямого восстановления оксидов железа (железорудного сырья) в металлургии были проведены достаточно широкие исследования как в лабораторных, так и натурных условиях по изысканию возможности осуществления всей технологической цепочки по восстановлению железосодержащих отходов в одном агрегате - РНП
Благодаря технологической гибкости эти печи позволяют вести методический нагрев и управлять составом атмосферы Для повышения температуры нагрева материала при выплавке чугуна или стали необходимо использовать подачу кислорода (обогащение дутья) Для сокращения удельных затрат топлива печи оснащаются рекуператором
Однако наряду с теплотехническими преимуществами РНП представляют определенные трудности при конструировании агрегатов большой мощности и соответственно больших размеров
(с полезной емкостью 5м3 и более) . Вращающийся корпус должен размещаться вместе с приводом на качающейся платформе с углом подъема на 30-35° и опускания до 15-20° . Ось качания (наклона) располагается в передней части печи для удобства выгрузки
Корпус печей малой мощности устанавливается внутри опорного кольца, которое опирается на два катка Для вращения печи в заднем торце устанавливается хвостовик, который выполняет роль третьей опоры и одновременно приводного вала (см . рис . 1) . Такая конструкция не допускает продольных прогибов и оправдывает себя при полезной емкости печей до 3-4 м3
При большей емкости печи нагрузки в точках опоры и осевые усилия при наклонах корпуса значительно возрастают. Это вызывает необходимость использования высокопрочных материалов и применения новых конструктивных решений
Печи полезной емкостью 5 м3 и более оснащаются двумя опорными кольцами, опирающимися соответственно на четыре катка особой формы для гарантированного сцепления Боковые усилия воспринимают четыре блока роликов, позиционированных по обеим сторонам ободов Вращение корпуса осуществляется с помощью цепной или це-вьевой передачи непосредственно от привода, что позволяет уменьшить передаточное число редуктора (рис 4)
Интерес представляет также конструкция, в которой привод вращения заменен на привод качания, состоящий из двух электро- или гидроприводов, соединенных навстречу Корпус печи при этом осуществляет качание на 180-210 °С до максимального подъема загруженного дисперсного материала и соответственно момента сопротивления поворота печи . Затем переключение двигателей
Рис . 4 . Ротационная наклоняющаяся печь полезной емкостью 5 м3
nrrrr^rr [г.гтг.г.г/хт /rq
-1 (74), 2014/ U«
Рис . 5 . Печь качающаяся емкостью 5 м3
и направления движения приводит к смещению слоя в противоположном направлении, а также интенсивному перемешиванию материала. При качании активно используются силы инерции . Скорость качания 1-2 качания в минуту (рис . 5) .
Для обеспечения возможности работы печи в любом положении по отношению к горизонту крышка печи устанавливается не на отдельной стойке, как у печей меньшей емкости, а на качающейся платформе печи . При этом открывающаяся часть крышки позволяет производить дополнительную завалку шихты или взятие проб через рабочее окно, не останавливая плавку
Эффективность РНП определяется параметрами движения неизотермического потока газов в рабочем пространстве При разработке конструктивных решений и определении оптимальных режимных параметров для печей большой мощности и размеров были проведены исследования течения газов и их взаимодействия с динамическими слоями нагреваемого материала
Исследования выполняли путем компьютерного моделирования с использованием ППП ANSIS . На рис . 6, 7 приведены некоторые из полученных результатов, дающие представление о влиянии на процессы тепломассопереноса взаиморасположения, мощности и количества горелок, а также показано влияние скорости и направления вращения (качания) печи, угла наклона оси печи, наклона осей горелок и т п
На основе анализа полученных результатов были разработаны рекомендации по выбору и расчету геометрических параметров РНП
Натурные исследования процессов восстановления оксидных железосодержащих материалов проводили на Белорусском металлургическом заводе на специально созданном опытном образце РНП полезной емкостью 0,3 м3 (рис . 8) . Опытно-экспериментальные плавки не только доказали возможность прямого получения железа из оксидов без какой-либо предварительной подготовки сырья, но и позволили определить основные параметры и особенности протекания процессов восстановления в ротационных печах Были получены результаты, подтверждающие возможность существенного ускорения процессов твердофазного восстановления в условиях интенсивного взаимодействия частиц с газами-восстановителями . Процессы переноса (в данном случае - диффузии) определяются структурой и размерами (толщиной) слоев как исходных оксидов, так и промежуточных соединений . Если поверхностные слои (0,01-0,02 мм) восстанавливаются в течение нескольких минут, то
Рис . 6 . 3-d моделирование газовых потоков в ротационной печи
Рис . 7. Траектория движения газов в ротационной наклоняющейся печи: а - при установке горелки справа; б - при установке
горелки слева; в - при установке двух горелок
nrrrr^rr[г.гтг.г.г/хт /в 1
-1С74),2014 / UI
Рис . 8 . Опытно-экспериментальная РНП для переработки окалины
последующие (до 0,1-0,5 мм) требуют десятки минут, а далее с увеличением размеров гранул длительность процесса увеличивается до нескольких часов [2].
Очевидно, при восстановлении оксидных дисперсных материалов брикетирование объективно приводит к увеличению продолжительности технологического цикла Ограничение же по минимальному размеру частиц связано только с необходимостью предотвратить их унос из печи с отходящими газами . РНП в этом отношении имеют ощутимое преимущество по сравнению с проходными барабанными печами, так как сложное петлеобразное движение газов в рабочем пространстве обеспечивает высокие относительные скорости при более низких поступательных В связи с этим в РНП можно успешно восстанавливать, например, прокатную окалину без предварительного окомковывания или гранулирования
Проведенные исследования и опытно-экспериментальные плавки позволили получить следующие результаты при рециклинге оксидных железосодержащих материалов:
• восстановление железа ^е) из оксидов (окалины) до 90% от теоретически возможного (около 60-65% от массы исходной окалины);
• расход восстановителя в пределах 40% от количества оксидов;
• расход тепла на 1 т окалины 1100-1200 кВтч или 130-140 м3 природного газа;
• расход кислорода 25-30 м3 на 1 т.
Технология рециклинга включает в себя несколько стадий, которые реализуются сменяя друг друга в одном технологическом агрегате - РНП:
• твердофазное восстановление оксидов в присутствии восстановителя;
• расплавление и довосстановление металла (жидкофазное восстановление);
• науглероживание и доводка жидкого металла до требуемого химического состава
При плавке стружки первая стадия не требуется и соответственно сокращаются расходы тепла и материалов
При получении полупродукта - шихтового материала для последующей переплавки в традиционных печах не требуется третья стадия Наиболее рациональным вариантом переработки дисперсных металлоотходов в литейных цехах, где необходимо получение марочных сплавов и используются традиционные электрические плавильные печи, является организация дуплекс-процесса «РНП-ИЧТ» или «РНП-ДСП» . При этом переплавка и восстановление дисперсных и оксидных ме-таллоотходов (стружки, окалины, металлической пыли, продуктов магнитной сепарации и т д ) осуществляются в РНП, а доводка полученного расплава по химическому составу - в традиционной электропечи
РНП хорошо адаптируются к условиям действующего производства, позволяют перерабатывать практически любые дисперсные металлоотхо-ды в количестве, необходимом для данного производства При этом не требуется значительных капиталовложений, дополнительных производственных площадей и транспортных расходов Окупаемость участков рециклинга, оснащенных РНП, в зависимости от объемов производства составляет, как правило, не более года
Литература
1. Ю с ф и н Ю .С . , П а ш к о в Н . Ф . Металлургия железа . М . : ИКЦ «Академкнига», 2007.
2 . H u g h e s G . D . , M e t i u s G . E . , M o n t g u e S . C . Breakthrough direct reduction technologies for the new millennium // Iron and Steelmaker. 2001. Vol . 28 . N 8 . P. 67-71.
