CC BY
204
АГЯТ^С гл^ггггтгггг /Д7
-1(50), 2009 / 41
Д. М. КУКУй, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой «Машины и технология литейного производства БНТУ, И. В. ЕМЕЛЬЯНОВИЧ, техн. директор РУП «МТЗ» - зам. ген. директора ПО «МТЗ» по развитию,
B. П. ПЕТРОВСКИЙ, пом. гл. металлурга РУП «МТЗ», Л. Е. РОВИН, канд. техн. наук, ГГТУ,
C. Л. РОВИН, директор УП «ТЕХНОЛИТ», канд. техн. наук
ОПЫТ УТИЛИЗАЦИИ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ СТРУЖКИ
На предприятиях Республики Беларусь ежегодно образуется примерно 250-300 тыс . т стружки и окалины черных металлов . Из этого количества 150-160 тыс . т стальной стружки, в том числе около 10 тыс . т - легированной и около 40 тыс . т -чугунной
Наиболее отработанные способы утилизации металлоотходов - переплавка в домнах после агломерации или использования в производстве метал-лизованных окатышей на горно-обогатительных комбинатах . Однако эти способы имеют определенные недостатки, связанные со сбором, транспортировкой, нестабильностью химического состава, что характерно для металлоотходов, собранных со многих заводов, и предполагают крупномасштабное производство . Поэтому во всем мире возрастает актуальность и соответственно заинтересованность в прямой переработке (рециклинге) железосодержащих отходов, прежде всего стружки, минуя доменный переплав
Металлургами разработаны процессы Reds-melt, Hismelt, Primus, Midrex, Ромелт и др . , которые находятся пока в стадии опытно-промышленной проверки Большинство этих процессов практически предусматривает весь цикл работы доменной печи, но его разбивают на отдельные процессы, выполняемые последовательно в специальных агрегатах: сушка сырья, брикетирование, нагрев и удаление загрязнений, предварительное восстановление в твердой фазе, плавление и рафинирование . Соответственно сохраняют и присущие доменному процессу недостатки, в том числе длительность и высокие энергозатраты, крупные масштабы и капиталовложения Переработка по таким схемам относительно небольших объемов материала (порядка десятков тысяч тонн в год), как это имеет место в условиях Беларуси, нерентабельна
Актуальность и привлекательность малотоннажного рециклинга, рассчитанного на переработку отходов непосредственно или вблизи предприятий, где они образуются, с каждым годом возрастают, особенно в странах (к ним относится и Беларусь), которые не имеют доменного передела или горнообогатительных комбинатов и вынуждены импортировать дорогостоящее сырье .
Проблема утилизации (рециклинга) железосодержащих металлоотходов непосредственно в Беларуси может быть подразделена на несколько достаточно различных составляющих (задач)
1 . Переплавка (утилизация): легированной стальной стружки; углеродистой стальной стружки; чугунной стружки .
2 . Восстановление и переплавка: окисленной (ржавой) стружки; окалины, ржавчины, шлама, аспирационной пыли
По конечному продукту (цели переплавки) эти процессы также могут подразделяться на получение передельного шихтового материала взамен передельного или литейного чугуна и получение марочного сплава - чугуна или стали .
Последнее направление является, как показал отечественный и зарубежный опыт, наиболее затратным . Снижение себестоимости за счет уменьшения стоимости шихтового материала (стружка вместо чушкового доменного чугуна) нивелируется за счет увеличения энергозатрат на плавку, расходов модификаторов и флюсов, снижения производительности печей и качества жидкого металла
Практически этот путь возможен только для рециклинга легированной стружки в электропечах: средне- и высокочастотных индукционных, дуговых, установках электрошлакового переплава (ЭШП) . Стружка должна быть собрана непосредственно в местах образования и храниться в усло-
48
шиИ г: гл^ггтллтгггггт
1 (50), 2009-
виях, исключающих ее окисление . Перед загрузкой в электропечь целесообразно нагреть стружку до 800-900 °С в условиях безокислительного нагрева. Это требует соответствующих затрат: 8085 м3 природного газа и недорогого оборудования (стенды с использованием бадей-термосов, барабанных или ротационных печей) .
Обычный (окислительный) нагрев можно использовать лишь до температуры < 600 °С, так как при более высоких температурах начинается интенсивное окисление железа (угар увеличивается от 1-2 до 10-12% при нагреве от 600 до 800 °С) .
Таким образом, рециклинг легированной стружки включает в себя следующие стадии: сбор и хранение в безокислительных условиях, формирование и подготовку партий (объемов) шихтовых материалов на основе идентичного химического состава, очистку, дробление, холодное брикетирование (без наполнителей), нагрев, плавку в средне-или высокочастотной печи, дуговой печи, установках ЭШП (рис . 1) . При использовании индукционных или дуговых печей постоянного тока брикетирование не обязательно При использовании ЭШП готовить шихту целесообразно в виде специальных расходуемых электродов
Во всех случаях стружку следует предварительно очищать от примесей, масел и СОЖ . Альтернативой может служить высокотемпературный нагрев, при котором загрязнители выжигаются Предварительный нагрев стружки и брикетов улучшает практически все параметры плавки и ре-циклинга в целом
Высокая стоимость легированной стали делает подобную схему рециклинга рентабельной даже при сравнительно высоких ценах на электроэнергию
Стальная стружка при условии ее малой загрязненности (в соответствии с ГОСТ) легко окисляется в процессе образования и практически вся является окисленной . Кроме того, в процессе хранения, особенно в условиях повышенной влажности, ее окисленность возрастает, а часть гидратируется, превращаясь в ржавчину Такая стружка составляет основную массу железосодержащих отходов
Рис . 1 . Структурная схема рециклинга легированной стружки: 1 - сбор; 2 - хранение, химанализ, подготовка к плавке; 3 - дробление; 4 - очистка: промывка и сушка или нагрев и выжигание загрязнителей; 5 - брикетирование (холодное); 6 -нагрев (безокислительный); 7 - плавка; 8 - разливка в слитки; 9 - доводка по ТУ на сплав; 10 - разливка в слитки; --------возможные варианты процессов
Холодное брикетирование такой стружки осуществляется совместно с углеродсодержащими и связующими материалами с последующей переплавкой в действующих традиционных плавильных печах Однако это приводит к большим потерям металла (угар и потери со шлаком составляют до 40-50%), снижению практически всех характеристик плавки и качества жидкого металла
С целью сокращения угара железа и восстановления оксидов необходимо обеспечить в печах или предусмотреть дополнительные устройства, в которых проходил бы восстановительный режим, аналогичный режиму восстановительной зоны домны: температура - 1000-1200 °С, наличие твердых и газообразных восстановителей, условия для диффузии восстановителей внутрь материала (внут-рипоровая диффузия), необходимая продолжительность процесса
Отсюда вытекают требования к качеству брикетов, в том числе по его геометрическим параметрам . Элемент диаметром более 50 мм даже при избыточном наличии восстановителей в данных условиях потребует на восстановление 20-30 мин . Окатыши диаметром 10-20 мм будут восстанавливаться быстрее, но слой окатышей будет плотным, тепломассообмен затруднен и во внутренних слоях процесс замедлится
Преимущества горячего брикетирования: удаление (выжигание) органических примесей, что при последующей плавке приводит к уменьшению неметаллических включений и газонасыщенности металла, т е повышению качества, а также улучшению экологических характеристик плавки После нагрева брикеты целесообразно подвергнуть повторному прессованию, что увеличивает их плотность до 6500-6800 кг/м3, теплопроводность, магнитные свойства и др , как это имеет место в технологии комплексного брикетирования на РУП «МТЗ» . Это делает подобные «горячие» брикеты более эффективными в качестве шихтового материала
Переплавка плотных «чистых» брикетов в действующих печах в литейном или металлургическом производстве технически не представляет сложности и позволяет заменить 50% и более шихтовых материалов против 10% при использовании «холодных» брикетов Кроме того, повышается качество жидкого металла Переработка стальной стружки, как правило, окисленной и заржавленной (в разной степени в зависимости от условий хранения), содержащей органические и неорганические загрязнения (по ГОСТ до 3%, на практике до 10%), представляет значительные трудности . Однако такая стружка вместе с окалиной составляет
Рис. 2 . Структурная схема переплавки стальной стружки без брикетирования (россыпью): 1 - сбор и хранение; 2 - хранение и подготовка шихты, включая введение восстановителей; 3 - дробление; 4 - очистка (промывка) и сушка; 5 - подогрев; 6 - плавка; 7 - разливка в слитки; 8 - доводка (рафинирование); 9 - получение отливок;------- - альтернативные варианты процессов
наибольшую долю отходов: примерно 150 000 т -стальная стружка и 60 000 т - окалина. В окалине содержится 75% железа (больше, чем в железной руде), в стружке - до 100% . Восстановление оксидов железа ^е203^Ре304^Ре0^Ре) и нагрев до 1700 оС требует затрат тепла, равных 6 МДж/кг (1700 кВт-ч/т без учета термического КПД или 175 м3 природного газа на 1 т железа)
Эти данные соответствуют рециклингу окалины При использовании малоокисленной стружки расходы соответственно снижаются При переплавке «чистой» стружки при отлаженном процессе на электропечах расход может быть уменьшен до ~550 кВт-ч/т. В доменных печах для сравнения расходуется до 0,5 т кокса и 100 м3 газа на 1 т (с учетом термического КПД «40%) . Конечным продуктом является чушковый чугун
При рециклинге (рис . 2) расходуются твердые восстановители, но в отличие от доменного процесса, где используется кокс, это «дешевые» материалы: углеродсодержащие отходы, местные продукты (например, лигнин, торф и т. п . ) и др .
Стружка может переплавляться и в электрических индукционных среднечастотных печах . Но в этом случае содержание оксидов в ней должно быть минимальным . Без предварительной очистки и подогрева стружка может переплавляться в ротационных печах Это сравнительно новый тип вращающихся печей, снабженный устройством для наклона или качания вокруг оси крепления в передней части корпуса. Такие печи, сохранив достоинства барабанных печей (высокая эффективность и скорость нагрева дисперсных частиц), имеют ряд дополнительных преимуществ: увеличенное вдвое время контакта, более полное использование рабочего пространства, высокую скорость плавления за счет перемешивания, сокращение цикла, возможность рафинирования, управления составом атмосферы в рабочей зоне, скоростями вращения и качания, использование жидкого или газообразного топлива Подобные печи активно используют фирма «Sogemi» (Италия), на печах которой произведено в разных странах около
п гггг^ г: гсгшотггта / до
-1(50), 2009/ "tW
1 млн . т чугуна из отходов и стружки, фирма TTC (Англия), начали разработки некоторые фирмы РФ и Украины (НПП «Литейный двор», ДонНИ-ПИЦМ) . В настоящее время на РУП «БМЗ» проводятся производственные испытания первой такой отечественной установки, разработанной специалистами БНТУ и ГГТУ, которая используется в первую очередь для восстановления и переплава окалины с целью получения из нее кондиционного передельного чугуна
Для переработки стальной, в том числе окисленной, стружки в таких печах необходимо применять топливо - кислородные горелки (подобные использует БМЗ на электродуговых печах), обеспечивающие температуру факела до 2000-2200 оС . В начальный восстановительный период в печах поддерживается режим безокислительного нагрева (до 900 оС) в течение времени, необходимого для выжигания загрязнений, затем повышается температура до 1200 оС для проведения восстановления оксидов (длительность определяется окис-ленностью стружки), после этого за счет подачи кислорода в печи повышается температура для плавления и перегрева металла, рафинирования и т п
Применение водяного охлаждения крышки (наиболее теплонагруженного элемента печи) позволяет повысить стойкость футеровки до 600-900 плавок (по данным Sogemi), применение рекуператора - сократить расход топлива (газ/жидкое) до уровня 100-120 м3/т (90-100 л/т) .
Преимуществом таких печей является отсутствие в выбросах сажи, паров масел и продуктов деструкции органических веществ, которые активно дожигаются в рабочей зоне . Это уменьшает затраты на очистку выбросов (по сравнению с индукционными печами) При рециклинге стружки дополнительные преимущества по экономии тепло-и энергоносителей могут быть обеспечены, если полученный жидкий металл (с известным химическим составом) используется непосредственно в завалке основных производственных плавильных печей, выплавляющих марочные чугуны и стали . При этом экономия составляет до 120 кВтч электроэнергии на 1 т металла, т. е . до 15-20% в ДСП или ИЧТ Этот вариант может быть использован как при плавке стружки в ротационных печах, так и специальных вагранках
Брикетированная стружка с высоким содержанием оксидов и загрязнений может достаточно успешно переплавляться в специальных, приспособленных для этой цели, вагранках (рис . 3) . Последние должны иметь расширенную по диаметру и высоте зону восстановления (над зоной плавле-
50
птМ г: гл^ггтллтгггггт
1 (50), 2009-
11
12
Рис . 3 . Структурная схема переплавки стальной стружки с брикетированием: 1 - сбор и хранение; 2 -подготовка шихты, включая введение восстановителей; 3 - дробление; 4 -очистка и сушка; 5 - холодное брикетирование; 6 -подогрев; 7 - горячее прессование; 8, 9 - плавка; 10 - разливка в слитки; 11 - доводка; 12 - получение отливок;------- - альтернативные варианты процессов
Рис . 4 . Структурная схема переплавки чугунной стружки в ротационной печи: 1 - сбор стружки; 2 - дробление; 3 -подготовка шихты, включая ввод флюсов и восстановителей, и доводка (в случае необходимости); 4 - плавка в ротационной печи; 5 - разливка в слитки; 6 -получение отливок
ния), горячее дутье (500-600 оС) и соответствующую систему очистки выбросов . Подобные вагранки могут также иметь сменную нижнюю часть (от зоны плавления до горна включительно), что позволит эксплуатировать их без остановки до 1 мес . и более .
Если при этом геометрические параметры и характеристики брикетов будут соответствовать заданным условиям восстановления (физико-химическим) и тепломассообмена в зоне восстановления, можно обеспечить не только безокислительную переплавку брикетов, но и восстановить оксидную часть материала . Расход кокса при этом составит 18-20% от массы металла . Качество чугуна с помощью введения ферросплавов может быть откорректировано до уровня передельного доменного чугуна
Стружка россыпью (без очистки) также может использоваться при переплавке в таких вагранках . В этом случае ее ижектируют непосредственно в зону холостой колоши над фурмами . Однако при этом расход кокса должен быть увеличен, а дутье обогащаться кислородом (до 25-26%) с целью повышения температуры в рабочей зоне . Технически такое решение более сложно в эксплуатации
Переплавка чугунной стружки может осуществляться по схеме стальной загрязненной, мало-окисленной, т е в брикетах - в вагранках или россыпью после очистки - в индукционных среднеча-стотных печах
Наиболее рациональным (рис . 4) является вариант с переплавкой стружки в ротационных печах, что позволит не только использовать наиболее дешевый энергоноситель, но и не проводить предварительную очистку стружки При любых способах переплавки стружки целесообразно использовать полученный продукт (чугун) в качестве шихтового материала - заменителя доменного чугуна (передельного и литейного) При последующей переплавке это обеспечит наиболее высокое качество отливок и проката
Все приведенные выше варианты утилизации металлической стружки нашли или постепенно находят свое место в литейных цехах различных компаний как у нас в стране, так и за рубежом (Caterpiller, США, Renault, Франция, Scania, Швеция и др . ) . Несомненно, что и в Беларуси с каждым годом будут возрастать объемы использования металлических отходов . При этом для выбора того или иного варианта технологии их утилизации необходимо пользоваться только одним критерием -экономической целесообразностью и полезностью сделанного выбора
