Использование железосодержащих отходов РУП «БМЗ» в качестве вторичных материальных ресурсов Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

314/

лгттгг? г: гг,ЪШ,?Г-П:Р.

3 (52). 2009-

Металлургичекое производство

Theoretical calculations on possibility of realization of the iron-carbon alloys recovery and production are given.

Д. М КУКУЙ, БИТУ, Л. Е. РОВИН, ГГТУ им. П. О. Сухого,

B. А. МАТОЧКИН, Т. Я ЛИПАТКИНА, РУП «БМЗ»,

C. Л. РОВИН; УП «ТЕХНОЛИТ»

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ

ЖЕЛЕЗОСОДЕРЖАЩИХ ОТХОДОВ РУП «БМЗ» В КАЧЕСТВЕ ВТОРИЧНЫХ МАТЕРИАЛЬНЫХ РЕСУРСОВ

УДК 669.

Использование отходов в качестве вторичных материальных ресурсов решает ряд важных хозяйственных задач, таких, как экономия основного сырья, предотвращение загрязнения водоемов, почвы и воздушного бассейна, увеличение объемов производства деталей и изделий, производство новых для предприятия товаров [1].

Последовательность образования и возможные пути утилизации отходов в промышленности показаны на рис. 1.

Несмотря на это, вследствие различных, как правило, организационных и экономических причин, в промышленности происходит накопление значительного количества отходов, прежде всего твердых. Одними из таких потенциально весьма

перспективных материалов являются скапливающиеся на металлургических и машиностроительных предприятиях железосодержащие отходы. Учитывая, что за последние годы в республике отмечался устойчивый рост производства металлопроката из черных и цветных металлов, наращивание темпов производства металлопродукции приводит к постоянному росту количества таких отходов [2].

Например, на РУП «БМЗ» в сталеплавильных и прокатных цехах ежегодно в результате окисления поверхности непрерывнолитой заготовки и поверхности заготовки металла во время нагрева с последующим охлаждением образовывается около 100 тыс. т окалины, химический состав которой приведен в табл. 1.

ПРОИЗВОДСТВО

Г

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПОТЕРИ

^ЕРЙ J

ОТХОДЫ ПРОИЗВОДСТВА

4

отходы

ПРОИЗВОДСТВЕННОГО

1

г

ОТХОДЫ НЕИСПОЛЬЗУЕМЫЕ

ОТХОДЫ ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ <ОТХОДЫ ВТОРИЧНЫЕ)

ЗАХОРОНЕНИЕ

дШМИОШИШШИЩ

СДАЧА ЗАГОТОВИТЕЛЬНЫМ ОРГАНИЗАЦИЯМ

ПЕРЕРАБОТКА НА ПРВДПРИЯТИИ-ПРОИЗВОДИТЕШ!

ПЕРЕРАБОТКА НА

СВОЕЙ ОТРАСЛИ

ПЕРЕРАБОТКА НА ПРЕДПРИЯТИЯХ ДРУГИХ ОТРАСЛЕЙ

Рис. 1. Последовательность образования и возможные пути утилизации отходов в промышленности

£П7ТIT ПС^ГПАГ/гТГГгТ / Q1К

-3 (52), 2009/ V IV

Таблица 1. Химический состав окалины электросталеплавильного и прокатного производств

Материал Fe мет. Fe203 FeO с s Si р Мп Сг . Ni Си

%

Окалина 0,5-1,0 27-43 54-69 0.08-0,13 0.01-0,04 0.09-0,26 0,010-0,014 0,36-0,54 0,02-0,06 0,02-0,08 0,04-0,16

Теоретический термодинамический анализ восстановления оксидов железа твердым углеродом показывает возможность переработки окалины и получения железоуглеродистого сплава. В соответствии с выявленными акад. А. А. Байковым закономерностями восстановление оксидов железа протекает ступенчато от высших к низшим [3,4]:

Fe203 -> Fe304 -» FeO Fe.

Восстановителями оксидов железа служат углерод, оксид СО и водород. Реакции прямого восстановления углеродом протекают с образованием СО и требуют значительных затрат тепла:

3Fe203 + С = 2Fe304 + СО - 121,9 кДж, Fe304 + С = 3FeO + СО - 212,2 кДж, FeO + С = Fe + СО - 154,3 кДж.

Приведенные реакции прямого восстановления не отражают механизма их протекания. Непосредственное взаимодействие углерода с твердыми оксидами ограничено, так как поверхность контакта между неровными кусками мала. Поэтому фактически прямое восстановление протекает через газовую фазу и состоит из двух этапов:

FeO + СО = Fe + С02, (1)

С02 + С = 2 СО, (2)

что после суммирования дает итоговую реакцию прямого восстановления:

FeO + С = Fe + СО.

В присутствии твердого углерода при анализе восстановления оксидов железа следует учитывать равновесие в системе С-С0-С02:

С02 + С = 2 СО - 172,5 кДж -реакция газификации (реакция Белла-Будуара), 2С0 = С02 + С+ 172,5 кДж.

Реакция газификации углерода (или обратная ей реакция распада оксида углерода) определяет термодинамическую возможность восстановления оксидов железа и в значительной степени влияет на результирующий состав газовой фазы. На рис. 2 показаны кривые равновесия реакций восстановления оксидов железа оксидом углерода и газификации углерода. Если исходить из термодинамических соотношений, то восстановление

закиси железа до оксида углерода возможно только при температуре выше 700 °С, при которой пересекаются кривые равновесия реакций (1), (2). Выше 700 °С реакция газификации углерода обеспечивает состав газа (более 60% СО и менее 40% С02), который является восстановительным по отношению к закиси железа. Ниже этой температуры оксид углерода распадается с образованием С02 и С и при достижении равновесия дает газ, окислительный по отношению к железу.

По справочным данным о термодинамических свойствах индивидуальных веществ, определены основные термодинамические характеристики реакций для стандартных условий (табл. 2). Установлено приближенное значение температуры, при которой константа равновесия образования продукта реакции равна единице [5—7].

Таблица 2. Основные термодинамические характеристики реакций для стандартных условий

Химические реакции ДЯ°2981Дж М°298. Дж/К T=AH°^AS°T, К

3Fe203 + С = 2Fe304 + СО 121900 222,0 >549

Fe304 + С = 3FeO + СО 212200 228,0 >930

FeO + С = Fe + СО 154300 158,3 >974

Константа равновесия реакции позволяет судить о практической возможности рассматриваемой реакции, глубине ее протекания. При Кр > 1 процесс протекает со значительным выходом реакции, при Кр < 1 выход продуктов реакции мал,

4QO 600 600 WOO 1200 t, ГО

Рис. 2. Диаграмма равновесия реакций восстановления оксидов железа оксидом углерода (/), газификации углерода (2) и цементации

01С /штт^ г: кягшжгг.к

и I и / 3 (52). 2009-

реакция нерентабельна для технологического применения.

В табл. 3, 4 приведены термодинамические характеристики реакций в зависимости от температуры процесса.

Таблица 3. Термодинамические характеристики реакции РеО + С = Ре + СО

Таблица 4. Термодинамические характеристики реакции Ре304 + С = ЗРеО + СО

Химическое количество Ре203: п = т!М= 500/ 160 • 10~3 = 3125 моль, соответственно масса углерода для восстановления гауглерода = Мп = 12 • 10~3 х 3125-3 = 112,5 кг.

Вариант 2. Химический состав окалины показывает среднее содержание Ре203« 40%, БеО « 55%, исходя из этого проведен ориентировочный расчет количества восстановителя на 500 кг окалины, температура процесса 1000 °С.

Величина ре2Оэ РеО

т, КГ 500-40/100 = 200 500*55/100 = 275

п = т/Л/, моль 200'103/160 = 1250 275'103/72 = 3819

^углерода? МОЛЬ 1250/3 = 416 3819/1 =3819

А/ = К4 п кг ^углерода "с 416'12'10~3 = 4,9 З819'12'10~3 = 45,8

Учитываем, что при температуре 1000 °С газ содержит около 70% СО и 30% С02, т. е. СО / С02 = 2,3 (рис. 2). Следовательно, по реакции РеО + С = Бе + СО на один атом железа необходимо 2,3 атома углерода.

Масса необходимого углерода для восстановления РеО составляет « 105,4 кг, Ре2Оэ « 5 кг.

Использование железосодержащих отходов в качестве вторичных материальных ресурсов позволяет решить проблему накопления низкосортных отходов и получить металл, который может заменить импортные шихтовые материалы.

Приведенные теоретические расчеты свидетельствуют о возможности осуществления восстановления окалины и получения железоуглеродистых сплавов. Для промышленных процессов восстановления окалины твердым углеродом с термодинамической точки зрения процесс целесообразно осуществлять при максимально высоких температурах, которые возможно получить в практических условиях. Только в этом случае можно обеспечить необходимые условия для создания оптимальных кинетических параметров процесса.

г, к АСр, Дж/(мольК) АН°, Дж Д5°, Дж Ав°, Дж 1п(/у кр

600 -24,227 211163 221,165 78464 -15,7293 0,148Е-6

700 -32,548 208312 216,788 56560 -9,7185 0,602Е-4

800 -39,835 204687 211,958 35121 -5,2804 0,509Е-2

900 -46,520 200365 206,876 14177 -1,8947 0,150Е+0

1000 -52,833 195395 201,645 -6250 0,7517 2,121Е+0

1100 -58,902 189807 196,323 -26148 2,8591 1,745Е+1

1200 -64,804 183620 190,944 -45513 4,5619 9,577Е+1

1300 -70,590 176850 185,528 -64336 5,9525 3,847Е+2

1400 -76,291 169505 180,087 -82617 7,0979 1,209Е+3

1500 -81,929 161594 174,631 -100353 8,0469 3,124Е+3

1600 -87,519 153121 169,165 -117543 8,8362 6,879Е+3

Вариант 1. Ориентировочный расчет количества восстановителя на 500 кг окалины (Ре203):

Ре203 + ЗС = 2 Ре + ЗСО.

Т, к АСр, Дж/(мольК) АН°, Дж Дж ДС°, Дж 1п (Кр) кр

600 -10,707 151191 151,318 60400 -12,1081 0,551Е-5

700 -7,177 150287 149,918 45344 -7,7913 0,41 ЗЕ-З

800 -2,785 149784 149,239 30393 -4,5696 0,Ю4Е-1

900 2,109 149747 149,190 15476 -2,0683 0,126Е+0

1000 7,314 150216 149,680 536 -0,0645 0,938Е+0

1100 12,722 151216 150,629 -14476 1,5829 4,869Е+0

1200 18,269 152765 151,973 -29603 2,9672 1,944Е+1

1300 23,914 154873 153,658 -44882 4,1526 6,360Е+1

1400 29,629 157550 155,639 -60345 5,1845 1/785Е+2

1500 35,397 160801 157,879 -76018 6,0956 4,439Е+2

1600 41,204 164631 160,349 -91927 6,9106 1,003Е+3

Литература

1. Бобович Б. Б., Девяткин В. В. Переработка отходов производства и потребления. М.: «Интермет Инжиниринг», 2000.

2. Андрианов Н. В. Белорусскому металлургическому заводу - 25 // Литье и металлургия 2009. № 2(51). С. 5-14.

3. Воскобойников В. Г., К у д р и н В. А., Якушев А. М. Общая металлургия. М.: ИКЦ «Академкнига», 2002.

4. Ю с ф и н Ю. С., Г и м м е л ь ф а р б Л. А., Пашков Н. Ф. Новые процессы получения металла. М.: Металлургия, 1994.

5. Морачевский А. Г., Сладков И. Б. Термодинамические расчеты в металлургии. Справ. М.: Металлургия, 1985.

6. Барон Н. М., К в я т Э. И. и др. Краткий справочник физико-химических величин. Л.: Химия, 1967.

7. Г л и н к а Н. Л. Задачи и упражнения по общей химии. Л.: Химия, 1986.