CC BY
0к.т.н. Русанов И. Ф., к.т.н. Куберский С. В., к.т.н. Проценко М. Ю., Завгородний С. Р.
(ДонГТИ, г. Алчевск, ЛНР, rusanova-2011@inbox.ru)
ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОСТИ ПРОИЗВОДСТВА ЖЕЛЕЗОФЛЮСА НА ОСНОВЕ ТЕХНОГЕННЫХ ОТХОДОВ
Приведены результаты выполненных теоретических расчетов по определению возможности и эффективности использования на предприятиях черной металлургии собственных техногенных отходов при производстве железофлюса. Установлено влияние замены природного сырья техногенными отходами на ход процесса агломерации, показатели процесса и качество получаемого агломерата.
Ключевые слова: агломерация, техногенные отходы, сталеплавильный шлак, шлам, мелкодисперсная окалина, высокоосновный агломерат, железофлюс, спекание, прочность, выход годного агломерата.
УДК 669.162.262
Проблема и ее связь с научными и практическими задачами. В результате промышленных революций ХVII-XIX веков уже во второй половине ХХ столетии значительно ухудшилось состояния окружающей человека среды и природных ресурсов. Необходимость рационального их использования привело к созданию в 1983 году Генеральной Ассамблеей ООН Международной комиссии по окружающей среде и развитию («Комиссия Брунд-тланд»). В отчете комиссии «Наше общее будущее», подготовленном для ООН и опубликованном в 1987 году, введено понятие «устойчивое развитие» — развитие, которое удовлетворяет потребности нынешнего поколения, не угрожая возможности будущих поколений удовлетворять свои собственные нужды.
Концепция устойчивого развития имеет три составляющие: экономическую, социальную и экологическую. Поэтому такое развитие предполагает комплексное решение экономических, социальных и экологических проблем, достижение равновесия и сбалансированности между ними, а также обязанность нынешнего поколения перед будущими оставить достаточные ресурсы, необходимые для обеспечения
уровня благосостояния не ниже существующего.
Одной из важнейших проблем развития общества является рациональное использование природных ресурсов, которое невозможно без «рециркуляционной экономики».
Первой в мире страной, провозгласившей себя страной с рециркуляционной экономикой стала Япония, в которой в 2001 году вступил в силу Закон № 110 от 2 июня 2000 г. («Базовый закон о формировании общества с оборотным использованием ресурсов»). Под термином «оборотные (вторичные) ресурсы» понимается пригодная для использования часть отходов производства и потребления. В качестве приоритетных подходов в отношении вторичных ресурсов закон определяет: 1) ограничение образования, 2) утилизацию, 3) оборотное использование, 4) утилизацию тепла и 5) безопасное для окружающей среды и человека депонирование отходов. Первые три направления (соответственно — reduce, reuse, recycling) часто сокращенно обозначают «3R», иногда добавляя к ним и четвертое понятие — recovery — восстановление вторичных материалов.
К вторичным ресурсам относят сырье, материалы, отходы производства, образующиеся в процессе хозяйственной деятельности, которые можно использовать в дальнейшем при изготовлении нового продукта.
Особенно актуально использование вторичных ресурсов в старопромышленных регионах. К таким регионам относится и Донбасс, в котором горнометаллургические комплексы создавались в конце XIX — начале ХХ века, и поэтому к настоящему времени они существенно отстают как по структуре, так и по физическому состоянию от передовых зарубежных производств.
Это сказывается и на уровне вовлечения в производственный и хозяйственный ре-циклинг вторичных ресурсов, которые накопились в огромном количестве.
Основными техногенными отходами черной металлургии являются доменные и сталеплавильные шлаки, шламы и пыли газоочисток, мелкодисперсная окалина, мелкая чугунная стружка. В этих отходах содержатся такие полезные компоненты, как металлическое железо и его оксиды, оксиды кальция, магния, марганца и других металлов. Их химический состав зависит от шихтовых условий, в которых работает предприятие, а также от его регионального размещения. Все они рассматриваются как эффективные заменители природного сырья. Значительная часть этих отходов, которые образуют техногенные месторождения, расположенные вблизи металлургических предприятий, может быть переработана при агломерации железорудного сырья.
Как известно, для придания металлургическим шлакам (как доменным, так и сталеплавильным) необходимых физических и химических свойств в агрегаты вводятся флюсы, главным образом флюсовые известняки. Основные месторождения известняков в нашем регионе (с добычей в сумме 18,2 млн т известняка в год) расположены на территории Донецкой области.
Из них Каракубское (Комсомольское рудоуправление) и Еленовское (Докучаев-ский флюсо-доломитный комбинат) находятся на территории Донецкой народной республики, а Новотроицкое (Новотроицкое рудоуправление) — на подконтрольной Украине территории. За почти вековую эксплуатацию часть рудников практически полностью выработана, а часть значительно истощена. В целом все месторождения при возрождении промышленности к 2050 году будут выработаны.
В сложившихся условиях возникает необходимость поиска эффективных заменителей природного флюсового известняка как природными материалами, так и материалами техногенного происхождения.
С целью замены природных флюсов в металлургии ведутся работы по созданию искусственных шлакообразующих, таких как железофлюс (называемый также оже-лезненной известью), содержащий оксиды железа и известь и имеющий основность, определяемую отношением СаО к SiO2, в пределах от 3,5-4 до 7,5-8.
Опыт производства железофлюсов и их последующего использования при агломерации руд, в доменном и сталеплавильном производствах показал, что они являются эффективным заменителем природного известняка.
Для производства железофлюсов, как правило, использовались железорудные концентраты, богатые малокремнистые руды, окалина, известняк и известь.
Вместе с тем привлекательным с точки зрения экономических, технических и экологических показателей является производство на существующих агломашинах железофлюса из шихты, включающей техногенные железосодержащие отходы, офлюсованные минимальным количеством известняка. Так, например, в работе В. П. Хайдукова [1] рассматривается получение комплексных шлакообразующих (железофлюсов) для конвертерного производства из шихты, в которой в качестве железосодержащего материала использо-
вался шлам кислородно-конвертерных цехов НЛМК.
Помимо шламов для производства же-лезофлюсов могут использоваться и другие техногенные отходы металлургического производства. При этом необходимо провести оценку влияния техногенных отходов, как в отдельности, так и в смеси, на состав железофлюса и его качество.
Постановка задачи. На основании изложенного выше в данной работе поставлена задача провести сравнительный анализ состава железофлюса, полученного при использовании различных комбинаций техногенных отходов в шихте, и в лабораторных условиях оценить параметры спекания такого железорудного сырья.
Изложение материала и его результаты. Черная металлургия использует значительное количество как собственных мелких твердых техногенных отходов, так и отходов других производств, которые в качестве заменителей железосодержащих материалов и флюсов вводятся в агломерационную шихту. Такие отходы, как металлургические шлаки, шламы газоочисток, замасленная окалина, располагаются в непосредственной близости от предприятий, образуя по запасам техногенные месторождения. Однако степень их рецик-линга незначительна, что является следствием целого ряда причин.
Прежде всего, отсутствует единая методика определения ценности техногенных отходов, позволяющая определять их адекватность природному минеральному сырью.
В черной металлургии сравниваются содержание железа, оксидов кальция, кремния, алюминия, магния, вредных примесей цинка, свинца, мышьяка в отходе с их содержанием в концентрате или в железной руде по принципу «больше — меньше». Такая оценка является дифференциальной и производится как для полезных, так и для вредных составляющих отхода. Достоинством такой оценки является ее простота. В то же время наличие нескольких показателей, значимость кото-
рых различна, затрудняет однозначную и объективную оценку качества техногенного отхода. Поэтому чаще всего сравнение производится по содержанию железа (наиболее важной характеристике), примеси цинка и свинца, а также по основности, определяемой отношением СаО к SiO2. В целом дифференцированный метод не всегда гарантирует объективную оценку качества отхода, что необходимо учитывать при его использовании. Учитывая сказанное выше, можно сделать вывод, что для оценки качества отходов необходим комплексный показатель.
Для объективной оценки качества техногенных отходов могли бы использоваться методы квалиметрии недр (горной ква-лиметрии) [2].
Комплексный показатель качества полезного ископаемого определяется по формуле
п т
Чк = 1 чГ • а -I двред • а], (1) ¿=1 ] =1
где пи т — количество учитываемых эксплуатационно-потребительских полезных и вредных единичных качеств соответственно; , чв?ед — количественные значения соответственно каждого ¿-го полезного и у-го вредного качества; а и ау — коэффициенты значимости соответственно полезного и вредного качества. Количественный результат по этой формуле выражается в стоимостной форме, но может быть выражен и в безразмерном виде.
Коэффициенты значимости соответственно а и а у имеют технолого-экономический
смысл, характеризуя степень изменения затрат с учетом ценности полезного ископаемого на переработку минерального сырья и до получения продукции регламентируемого качества.
К сожалению, применение описанной методики для оценки качества техногенных отходов невозможно. Причиной этого является то, что химический состав отхо-
Металлургия и материаловедение
дов нестабилен и колеблется в широком диапазоне, а его анализ делается в лучшем случае один раз в сутки. Кроме того, учет затрат на подготовку отходов производится с недостаточной точностью, а цена носит в большинстве случаев договорной характер.
В работе [3] для определения металлургической ценности шламов рассчитывается содержание в них эффективного (приведенного) железа по формуле
Feэф =
Feo6m -100
100 - CaO - MgO - Mn - ппп
, %, (2)
где Feобщ — общее содержание железа в
окисленном и металлическом виде, %; Ып, CaO, ЫgO — полезные компоненты, %; ппп — потери при прокаливании, в результате удаления которых при высоких температурах содержание железа повышается, %.
Недостатком этой формулы является то, что при расчете эффективного железа не учитывается увеличение массы спека в результате окисления FeO при агломерации сырья, а также влияние на содержание железа добавок флюса для получения агломерата заданной основности.
С учетом высказанных замечаний содержание эффективного железа в материале (фактического после его офлюсования и спекания) следует определять по формуле
Реф =
Реобщ -100
100 - ппп + Aü2 +ACaü
(3)
где Д02 — количество присоединенного кислорода в результате окисления FeO до Fe2Oз, %; ДСаО — количество добавляемого СаО для получения материала заданной основности, %.
Для материалов, не содержащих металлическое железо, ДО2 определяется по формуле
ДО2 = 9^еОмат -FeOaгл). (4)
Для материалов, в составе которых присутствует металлическое железо, величина
ДО2 увеличится на 0,34 • Feмет . Коэффициент 0,34 учитывает, что при агломерации около 80 % металлического железа окисляется до Fe2O3 [4].
Количество СаО, добавляемого для получения материала заданной основности, определяется по формуле
ACaü = B ■ Siü2 - Caü
(5)
где В — заданная основность, определяемая отношением СаО к SiO2; SiO2 и СаО — содержание SiO2 и СаО в материале, %.
Для проведения всех расчетов использованы средние за продолжительный период данные химического анализа природных материалов и железосодержащих отходов (табл. 1), являющихся сырьем для производства агломерата на Алчевском металлургическом комбинате (АМК).
Помимо традиционных отходов (шлак и окалина) в таблице приведен химический состав МОС-1 — обогащенного мартеновского отвального шлака. Подробная информация о получении этого материала и его свойствах приведена в работе [5].
В таблице также приведены рассчитанные численные значения показателей Feэф и Feф. Их расчет выполнен для условий спекания агломерата основностью 1,5 с содержанием в нем FeO = 11 %.
Как видно из результатов расчета, показатель Feф более точно отражает изменение содержания железа после спекания материала.
При спекании двухкомпонентной шихты (без учета топлива) при изменении ее основности, естественно, изменяется количество добавляемого СаО (независимо от вида флюса) в соответствии с уравнением (5). При этом содержание и остальных компонентов как в шихте, так и в конечном продукте изменяется.
На рисунке 1 показан расход СаО при изменении основности шихты для материалов, химический состав которых приведен в таблице 1.
Металлургия и материаловедение
Таблица 1
Химический анализ железосодержащего сырья АМК
Материал Рвобщ FeO SiO2 CaO MgO AI2O3 ппп Рэф Рвф
Аглоруда 52,6 0,50 14,6 0,80 1,50 1,30 0,5 54,1 44,0
Концентрат 64,5 22,5 8,1 0,10 0,34 0,60 1,7 65,9 57,8
Шлам 34,4 12,3 15,6 12,5 1,8 3,5 15,5 49,0 36,0
Окалина 71,0 63,5 0,64 0,16 0,62 0,14 0,5 71,9 66,9
МОС-1 58,1* 11,9 9,0 9,6 5,9 5,4 0,7 69,3 49,7
В МОС-1 в Feобщ включено металлическое железо в количестве 40,1 %.
Рисунок 1 Добавка СаО в шихту (кг/кг) в зависимости от ее основности
Ввод в шихту дополнительного количества СаО приводит к снижению в шихте остальных компонентов ее химического состава. Больше других снижается содержание общего железа и его оксидов, также кремнезема.
Изменение содержания фактического железа и кремнезема в спеченном железоф-люсе при увеличении его основности приведено на рисунках 2 и 3 соответственно.
Снижение содержания железа в готовом продукте тем меньше, чем больше его содержание в исходном материале.
Так, при спекании шихты, состоящей из окалины с добавкой СаО, при увеличении основности железофлюса уменьшение содержания железа на единицу индекса ос-
новности ЛЕеф / ЛВ составляет 0,4 %. Для
остальных материалов, на офлюсование которых требуется в несколько раз больше СаО, снижение содержания железа составляет 2,3-2,6 % на единицу основности. Содержания SiO2 и Feф в материалах
тесно коррелированы между собой — связь характеризуется коэффициентом детерминации, близким к единице. Поэтому и характер изменения их содержания при возрастании основности железофлюса идентичен.
70
60
= •е-
£ 50
<и
I 40
I &
<и
5 зо и
20
10
0
♦-1 *........... ►.....♦...... .....4 .....i
■i 1 U-.
• -J 1 1 1 1 w ^ > ,
л i., < г < 1 о
1 Г--, 1 i
0
8
10
2 4 6 Основность
• аглоруда ■ концентрат ¿шлам ♦окалина ОМОС-1
Рисунок 2 Содержание ¥еф в железофлюсе разной основности после его спекания
Металлургия и материаловедение
Рисунок 3 Содержание SiO2 в железофлюсе разной основности после его спекания
Изменение содержания остальных оксидов при увеличении основности особого интереса не представляет ввиду их небольшого количества в отходах, что не оказывает решающего влияния на образование минералов в агломерате.
Не вдаваясь в процесс изменения минералогического состава шихты в процессе ее спекания, отметим, что, как установлено многими исследователями, в итоге кристаллизации жидкой фазы в агломерате повышенной основности, и в том числе в железофлюсе, в связке содержатся силикаты и ферриты кальция.
Согласно правилу кристаллизации железистых расплавов переменной основности, сформулированному В. Ф. Вегманом [5], в состав ферритов кальция может входить СаО, оставшийся в избытке после полного обеспечения известью кристаллизующихся из расплава силикатов кальция.
На рисунке 4 приведены две зависимости, характеризующие изменение содержания Fe2O3 и СаО, которые могут участвовать в образовании ферритов кальция в же-лезофлюсе при увеличении его основности.
Анализ данных, представленных на рисунке, показывает, что только при спекании железофлюса на базе окалины возможно получение продукта с основностью,
близкой к 10 единицам (линии Fe2O3 и СаО в рассмотренном диапазоне изменения основности не пересекаются). Однако количество расплава при этом будет недостаточным для пропитки шихты и получения прочного агломерата.
При спекании железофлюсов из шихты, железорудная часть которой представлена природными материалами (концентратом и агломерационной рудой), максимальная основность железофлюса может быть около 6 и 3 единиц соответственно (см. точки пересечения линий на графике). При более высокой основности (справа от точек пересечения линий) излишек СаО в железофлю-се в виде обожженной извести приведет к распаду железофлюса с образованием пыли.
По той же причине получение железо-флюсов при использовании шлама или МОС-1 возможно только с основностью менее 2 и около 4 единиц соответственно.
Таким образом, как показывает проведенный выше анализ, получение железо-флюсов высокой основности с использованием шихты, в составе которой железорудная часть представлена одним из рассмотренных техногенных отходов, невозможно.
70
о?
О 60
Со
а 50
гл
40
рц
£ 30
и
я
11 20
0}
Ч
6 10
0
*
+ <
■ч Р * Ж/ У-'Х С t-'i S ■..........
iL i^Ts — U ■
ь -1 о
- 1 ►.......♦.......- ►.......♦......• ►........♦........
0 2 4 6 8 10 Основность
• аглоруда ■ концентрат Дшлам ♦окалина ОМОС-1
Рисунок 4 Содержание Fe2O3 (убывает) и СаО, входящее в состав ферритов кальция (возрастает) в железофлюсе в зависимости от его основности
Как установлено расчетом, получение железофлюса повышенной основности без свободного СаО возможно при спекании шихты, состоящей из шлама или МОС-1 с добавкой окалины.
Так, для получения железофлюса основностью 5 единиц можно использовать шихту, железорудная часть которой состоит из шлама и окалины, при ее доле 0,4, а основностью 10 единиц — 0,65.
При спекании железофлюса из шихты на основе МОС-1 такой же основности доля окалины в железосодержащей смеси должна составлять 0,1 и 0,55 соответственно.
Для проверки возможности спекания железофлюса из шихты, включающей шлам или МОС-1 с добавкой окалины, в лабораторных условиях были проведены опытные спекания.
Шлам имел исходную влажность 20 %, при которой он был несыпучим, что затрудняло его ввод в шихту и последующую ее подготовку. Поэтому шлам предварительно подсушивался до влажности 9 %. Для офлюсования шихты в нее вводился известняк в количестве, обеспечи-
вающем необходимую основность желе-зофлюса. Расход топлива (коксовой мелочи) коррелировался с учетом тепла, необходимого для разложения известняка. Общая масса шихты составляла 10 кг с учетом прихода топлива. Состав шихты и результаты опытных спеканий приведены в таблице 2.
Лабораторные эксперименты по производству железофлюсов из техногенных отходов показали, что изменений технологии спекания обычных высокоосновных агломератов при их получении не требуется.
В то же время результаты спеканий, приведенные в таблице 2, свидетельствуют о том, что для производства железофлюса целесообразно использовать МОС-1 в смеси с окалиной. В этом случае при лучших показателях процесса железофлюс имеет лучшее качество.
Скорость спекания железофлюсов несколько выше, чем при спекании обычных агломератов. При этом с увеличением основности скорость спекания шихты со шламом увеличивается, а для МОС-1 — уменьшается.
Таблица 2
Состав опытных шихт и результаты их спеканий
Параметр Шлам + окалина МОС-1 + окалина
Основность железофлюса 5 10 5 10
Доля окалины в железорудной части шихты, % 0,39 0,65 0,10 0,55
Расход материалов, кг:
шлам 3,3 3,65 - -
окалина 2,1 2,0 0,5 2,4
МОС-1 - - 5,3 2,75
известняк 3,9 3,5 3,6 4,35
топливо 0,7 0,85 0,6 0,5
Высота слоя, мм 300 300 300 300
Выход спека, кг/% 7,2/72,0 7,19/71,9 7,63/76,3 7,49/74,9
Усадка, % 14,5 13,7 10,1 11,3
Вертикальная скорость спекания, мм/мин 17,6 19,1 22,4 21,7
Выход фракции > 5 мм, % 76,8 72,4 73,6 75,4
Выход фракции > 10 мм, % 58,3 56,4 60,7 61,2
Средняя крупность железофлюса, мм 14,5 19,6 27,3 26,4
Барабанные испытания:
более 5 мм 64,4 69,7 75,3 72,3
менее 0,5 мм 4,5 4,2 4,4 5,2
ISSN 2077-1738. Сборник научных трудов ДонГТИ 2021. № 22 (65) Металлургия и материаловедение
Причиной этого является различие в процессах формировании гранул окомко-ванной шихты.
Шихта «шлам-окалина» мелкая, и в ней недостаточно центров окомкования. В результате образующиеся гранулы имеют пониженную прочность и разрушаются в зоне переувлажнения.
При разрушении гранул усадка слоя повышается, слой уплотняется и его газопроницаемость уменьшается, что в итоге приводит к снижению скорости спекания и, как следствие, к падению производительности. Увеличение содержания окалины в шихте, по-видимому, улучшает качество гранул окомкованной шихты. Об этом свидетельствует уменьшение усадки шихты и рост скорости спекания.
Окомкование шихты «МОС-1» — окалина происходит по другой схеме. Шлак имеет такую же крупность, как и возврат. Поэтому окомкование происходит при наличии центров окомкования. В результате гранулы имеют большую прочность и меньше разрушаются в зоне переувлажнения: усадка слоя меньше и скорость спекания увеличивается.
Увеличение доли окалины в шихте вызывает уменьшение центров окомкования, что приводит к ухудшению показателей спекания и качества получаемого железофлюса.
Библиографический список
Повышение прочности железофлюса может быть результатом того, что шихта с МОС-1 спекалась при более высокой температуре за счет окисления металлического железа.
К сожалению, отсутствие химического анализа полученных железофлюсов не дает возможности провести более детальный анализ.
Очевидно, что окалина в шихте может быть заменена мелкой железной стружкой.
Выводы и направление дальнейших исследований. Проведенный анализ показывает, что производство железофлюсов возможно и целесообразно из шихты, состоящей из техногенных отходов. При этом максимум основности при использовании одного отхода ограничен из-за нехватки гематита для образования ферритов кальция.
Для увеличения максимума основности возможно к отходам добавлять окалину или мелкую железную стружку. Однако такая замена нуждается в дополнительном анализе в ходе дальнейших исследований.
Кроме того, в работе не рассмотрены отходы конвертерного производства стали, такие как пыль и шлак. В дальнейшем необходимо сделать оценку этих отходов с целью включения их в рециклинг.
1. Хайдуков, В. П. Теоретические и технологические основы получения комплексных шлакообразующих и их использование в кислородно-конвертерном производстве [Текст] : дис. д-ра техн. наук : 05.16.02 / Хайдуков Владислав Павлович ; Липец. гос. техн. ун-т. — Липецк, 1996. — 484 с.
2. Ломоносов, Г. Г. Горная квалиметрия [Текст] : учеб. пособ. /Г. Г. Ломоносов. — [2-е изд., стер.]. — М. : Горная книга, 2007. — 201 с.
3. Металлургическая оценка шламов АМК [Текст] / С. Н. Петрушов, И. И. Ровенский, С. Д. Кузьминова, Ю. В. Изюмов // Сборник науч. трудов ДонГТУ. — Алчевск : ДонГТУ, 2002. — № 15. — С. 214-221.
4. Перспективы разработки техногенных месторождений на примере переработки шлаков сталеплавильного производства Алчевского меткомбината [Текст] / С. Н. Петрушов, И. Ф. Русанов, Р. И. Русанов и др. //Металлургическая и горнорудная промышленность. — 2002. — № 4. — С. 123-125.
5. Вегман, Е. Ф. Теория и технология агломерации [Текст] / Е. Ф. Вегман. — М. : Металлургия, 1974. — 286 с.
© Русанов И. Ф., Куберский С. В., Проценко М. Ю., Завгородний С. Р.
Металлургия и материаловедение
Рекомендована к печати к.т.н., доц. каф. МЧМДонГТИДолжиковым В. В., зам. нач. ЦЛК Филиала № 12 ЗАО «Внешторгсервис» АМК Тарасовым В. Н.
Статья поступила в редакцию 12.03.2021.
PhD in Engineering Rusanov I. F., PhD in Engineering Kuberskiy S. V., PhD in Engineering Protsenko M. Yu., Zavgorodniy S. R. (DonSTI, Alchevsk, LPR, rusanova-2011@inbox.ru) ASSESSMENT OF POSSIBILITY FOR PRODUCING THE STAFLUX BASED ON TECHNOGENIC WASTES
The results of the theoretical calculations performed to determine the possibility and efficiency of using own technogenic wastes at ferrous metallurgy enterprises in staflux production are presented. The effect of replacing natural raw materials with technogenic wastes on agglomerating process, process indicators and quality of the obtained agglomerate has been determined.
Key words: agglomerating, technogenic wastes, steelmaking slag, sludge, ^finely-divided oxide scale, high-base agglomerate, staflux, sintering, strength, yield of suitable agglomerate.
