CC BY
52
FOUNDRY PRODUCTION AND METALLURGY
vU I 1 (90), 2018-
ЕТАЛЛУРГИЯ X
УДК 669.054.8
Поступила 8.11.2017
ПЕРЕРАБОТКА И УТИЛИЗАЦИЯ ЖЕЛЕЗОГРАФИТОВЫХ ОТХОДОВ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА
В. А. МАСЛОВ, Л. А. ТРОФИМОВА, Л. А. ДАН, Государственное высшее учебное заведение «Приазовский государственный технический университет», г. Мариуполь, Донецкая обл., Украина, ул. Университетская, 7. E-mail: trofimova.pstu@gmail.com
Проведен комплексный анализ дисперсных железографитовых отходов металлургического производства. Показана возможность с помощью их высокотемпературной обработки получить материал с уникальным комплексом электрических и магнитных свойств. Обобщение результатов лабораторных исследований позволило разработать общую схему комплексной переработки дисперсных железографитовых отходов и создать на ее основании опытно-промышленную установку.
Ключевые слова. Железографитовые отходы металлургического производства, графит, вюстит, магнетит, утилизация.
RECYCLING AND UTILIZATION OF FE-C METALLURGICAL WASTES
V. А. MASLOV, L. А. TROFIMOVA, L. А. DAN, State Higher Educational Institution «Pryazovskyi State Technical University», Mariupol, Donetsk reg., Ukraine, 7, Universitetskaya str. E-mail: trofimova.pstu@gmail. com
The work offers a comprehensive analysis of the dispersed metallurgical Fe-C containing wastes. The possibility with the help of high-temperature processing of the wastes to obtain a material with unique electrical and magnetic properties was shown. The results of laboratory studies allowed to develop the general scheme of complex processing of disperse metallurgical Fe-C containing wastes and to create on this basis the experimental-industrial installation.
Keywords. Metallurgical Fe-C containing wastes, graphite, wustite, magnetite, utilization.
Одним из актуальных вопросов современности является рациональное использование вторичных материальных ресурсов. К числу ценных техногенных отходов относятся железографитовые отходы (ЖГО) металлургического производства, которые образуются на всех стадиях цикла производства и переработки жидкого чугуна, а также при разливке его на разливочных машинах.
Независимо от места образования движущей силой выделения углерода (одной из основных составляющих ЖГО) из жидкого чугуна является уменьшение его растворимости в железе с понижением температуры [1]:
где Св - количество выделившегося углерода при понижении температуры расплава на А/, %.
В отечественной практике ЖГО находят промышленное применение в качестве исходного сырья при производстве аккумуляторного графита, графитовых смазок и коллоидных графитовых препаратов. Успешно опробовано использование ЖГО в сырых окатышах и брикетах [2, 3]. В литейном производстве на основе ЖГО изготавливают противопригарные краски. Вместе с тем, существующие в настоящее время способы переработки ЖГО не охватывают все возможные области применения продуктов, сырьем для которых могут быть эти отходы. В рассматриваемой системе есть все необходимые компоненты (С, Fe, FeO, Fe2Oз) для получения материалов с уникальным комплексом электрофизических свойств [4]. Однако низкие магнитные свойства исходных дисперсных ЖГО не позволяют рассматривать их применение в таком состоянии для получения подобных материалов.
Авторами проведен комплексный анализ дисперсных ЖГО миксерного отделения и отделения де-сульфурации ЧАО «МК «Азовсталь». Изучены их гранулометрический и химический составы, морфология и микроструктура, электрофизические свойства.
Св = 2,5710-3 Dt,
(1)
А г:гг^ К Г^ГШТГТКГ\ /07
-1 (90), 2018 I чМш
Рис. 1. Средний химический состав ЖГО, отобранных из бункеров отделения десульфурации ЧАО «МК «Азов-сталь», мас.%: в числителе - минимальное - максимальное значение; в знаменателе - среднее значение
Рис. 2. Поверхность графитной пластины ЖГО. х1000
На рис. 1 приведены усредненные данные по химическому составу полидисперсных ЖГО отделения десульфурации ЧАО МК «Азовсталь».
Физические характеристики дисперсных материалов являются определяющими при оценке возможности их применения в композиционных материалах или в качестве самостоятельных порошковых материалов. К числу таких характеристик относятся удельная намагниченность насыщения с^ и удельное объемное электрическое сопротивление ру [5]. Проведенные исследования ЖГО отделения десульфурации показали наличие у них, как и у ЖГО миксерного отделения [5], магнитных свойств. Для исходного материала измеренная величина с^ составляет 14,2-22,1 А' м2/кг.
Дисперсные ЖГО обладают, как правило, весьма малым удельным электрическим сопротивлением. По данным [5], ру исходных ЖГО миксерного отделения составляет (4,18-0,46)' 10-4 Омм. Для ЖГО отделения десульфурации эта величина оказалась равной (2,8-0,60)'10-4 Ом'м, что объясняется большим содержанием углерода в материале.
Исследования с помощью оптического микроскопа МИМ-8М и растровых электронных микроскопов «Комибакс» с рентгеновским анализатором и ДЖЕМ-7А позволили определить морфологию и тонкую структуру частиц дисперсных ЖГО, которые представляют собой пластинки графита, поверхность которых в большей или меньшей степени покрыта оксидными включениями, имеющими сложное строение, а также частицами металла. Иногда частицы графита содержат эти включения внутри себя. Некоторые частицы представляют собой плотно спаянные конгломераты, состоящие из металла и оксида, которые практически невозможно разделить.
На рис. 2 показана поверхность графитной пластины ЖГО, полученная при съемке на растровом электронном микроскопе. На поверхности частицы видно множество точечных образований. Хорошо видно также, что поверхность усеяна включениями оксидов железа сферической формы. Их диаметр колеблется от 1-5 до 25-35 мкм. Графит выступает в этом случае как фон с весьма сложной рельефной поверхностью.
При проведении магнитного анализа была обнаружена связь дисперсности ЖГО с уровнем их магнитных свойств. Сопоставление результатов магнитного, структурного анализов с данными химического анализа ЖГО показало следующее. По мере уменьшения размера частиц, начиная от 160 мкм, происходит снижение содержания углерода с 67 до 7,3% для частиц размером менее 50 мкм. Одновременно с уменьшением содержания углерода происходит увеличение количества металлических и оксидных частиц. За счет увеличения количества магнитной составляющей ЖГО (металлического железа и магнетита) соответственно увеличивается величина Рис 3 Состав и магнитные свойства дисперсных удельной намагниченности насыщения от 20 до 43 А. м2/кг ЖГО (дифференциальные кривые): • - С; о - Feмет; (рис. 3). А - FeO; * - Fe2O3; □ - с3; ▲ - Fe 304 (расчетная)
FOUNDRY PRODUCTION AND METALLURGY
vU I 1 (90), 2018-
Рис. 4. Общая технологическая схема переработки дисперсных ЖГО
На основании полученных данных предложены новые виды переработки дисперсных ЖГО путем их магнетизирующего обжига и карботерми-ческого самовосстановления.
Были проведены исследования по повышению уровня магнитных свойств ЖГО путем их магнетизирующего обжига. Данная обработка при температурах 600-700 °С в плотном неподвижном или плотном движущемся слое позволяла получать магнетизированный материал с максимально возможной удельной намагниченностью насыщения (84-86 А-м2/кг) после 60 и 10 мин обработки соответственно (сс = 92 А'м2/кг).
Для получения материала с более высоким уровнем магнитных свойств было предложено восстановление оксидов до металлического железа путем карботермического самовосстановления (КТСВ) дисперсных ЖГО при температуре выше 960 °С. Объемная металлизация ЖГО за счет КТСВ в плотном слое при температурах 10001090 °С за 60 мин приводила к увеличению с8 до 170-180 А-м2/кг (с8ре = 210 А'м2/кг).
Обобщение результатов, полученных в ходе лабораторных исследований, позволило разработать общую схему комплексной переработки дисперсных ЖГО (рис. 4).
Учитывая неоднородность ЖГО различных источников как по химическому, так и гранулометрическому составу в соответствии с предложенной схемой, отходы должны подвергаться рассеву, размолу и усреднению. Исходя из того, что основная часть оксидов железа содержится во фракции менее 160 мкм, а основная доля графита - во фракции более 160 мкм (см. рис. 2) предложено производить рассев на две фракции: +160 и -160 мкм. Материал с дисперсностью менее 160 мкм был назван «Графит магнитный».
Рис. 5. Технологическая схема экспериментально-производственного участка: 1 - бункер-приемник; 2 - секторный питатель; 3 - сито «Бурат»; 4, 10, 11 - шнек; 5 - печь; 6 -шнек-холодильник; 7 - магнитный сепаратор; 8, 9 - бункер;
12 - дозатор; 13 - смеситель
Ёг:ГГ^ к Г^ЁЁ/ГТКfT /QQ
-1 (90), 2010 / VV
При этом фракция ЖГО + 160 мкм может быть использована непосредственно без дальнейшей обработки в качестве противопригарного припыла для литейных форм, а также в качестве сырья для извлечения графита [4]. Фракция -160 мкм обладает более высокими магнитными свойствами и может быть использована как исходный материал для дальнейшей высокотемпературной обработки с целью улучшения уровня этих свойств. Стабилизация свойств как исходного материала, так и конечного продукта обеспечивается путем усреднения.
Для получения фракции ЖГО менее 50 мкм в технологической схеме предусмотрена операция размола, после которой полученный материал (-50 мкм) также направляется в усреднитель.
Повышение уровня магнитных свойств железографитовых отходов связано с выполнением высокотемпературной обработки. Она является наиболее действенным методом повышения магнитных свойств исходного материала и может осуществляться двумя путями. Первый путь - магнетизирующий обжиг, результатом которого является максимально возможное количество магнетита (Fe3O^ в ЖГО. Полученный материал был назван «Графит магнитный магнетизированный». Второй путь - восстановительная обработка до металлического железа путем карботермического самовосстановления. Полученный материал был назван «Графит магнитный металлизированный». По технологической схеме высокотемпературной обработке могут подвергаться как исходные ЖГО, так и продукт после рассева и размола.
В соответствии с изложенным выше, на ОАО «Маркограф» (г. Мариуполь) была смонтирована опытно-промышленная линия комплексной переработки дисперсных ЖГО ЧАО «МК «Азовсталь» (рис. 5).
ЛИТЕРАТУРА
1. Шумихин В. С. Синтетический чугун. Киев: Наукова думка, 1971. 240 с.
2. Маслов В. А. Нетрадиционные методы переработки и использования дисперсных железографитовых отходов металлургии / В. А. Маслов, Б. А. Южаков // Вюник Приазов. держ. техн. ун-ту: Зб. наук. пр. Марiуполь, 2000. Вип. № 10. С. 285-288.
3. Получение высокозакисного мартеновского агломерата из отходов / В. В. Ожогин, А. А. Томаш, С. Г. Чернова и др. // Тез. докл. 10-й региональной науч.-техн. конф. Мариуполь: Приазов. гос. техн. ун-т, 2003. Т. 1. С. 12-13.
4. Маслов В. О. Композщшш матерiали на основi залiзографiтових вдаодгв металургшного виробництва // Хiмiчна про-мисловють Украши. 1994. № 4. С. 54-60.
REFERENCES
1. Shumihin V. S. Sinteticheskij chugun [Synthetic cast iron]. Kiev, Naukova dumka Publ.,1971. 240 p.
2. Maslov V. A., Uzhakov B. A. Netradicionnye metody pererabotki i ispolzovaniya dispersnyh zhelezografitovyx othodov metal-lurgii [Non-traditional methods of processing and use of dispersed iron-graphite wastes of metallurgy]. VisnikPriazovs'kogo derzhavno-go tekhnichnogo universitetu = Reporter of the Priazovskyi State Technical University. Collection of scientific works published. Tech. Science, Mariupol': DVNZ «PDTU», 2000, vol. 10, pp. 285-288.
3. Ozhogin V. V., Tomash A. A., Chernova S. G. i dr. Poluchenie vysokozakisnogo martenovskogo aglomerata iz otxodov [Production of lower oxide open-hearth sinter from wastes]. Tezisy dokladov 10 regionalnoj nauchno-tekhnicheskoj konferencii = Theses of lectures 10 to the regional scientific and technical conference. Mariupol DVNZ «PDTU», 2003, vol. 1, pp. 12-13.
4. Maslov V. O. Kompozicijni materiali na osnovi zalizografitovih vidhodiv metalurgijnogo virobnictva [Composition materials on the basis of Fe-C containing wastes of metallurgy]. Chimichna promyslovast' Ukraini = Chemical industry of Ukraine, 1994, no. 4, pp. 54-60.
