CC BY
290
УДК 669.181
Панишев Н.В., Бигеев В.А., Черняев A.A.
ПЕРЕРАБОТКА МЕЛКОЗЕРНИСТЫХ ОТХОДОВ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА С ПОЛУЧЕНИЕМ ГРАНУЛИРОВАННОГО ЧУГУНА И ИЗВЛЕЧЕНИЕМ ЦИНКА
Аннотация. Был разработан способ утилизации мелкозернистых цинксодержащих металлургических отходов путем прямого восстановления с использованием элементов технологии ITmk3. Способ позволяет получать гранулированный чугун за 9-12 мин с попутным извлечением цинка.
Ключевые слова: прямое восстановление, цинксодержащие отходы, шламы, пыль.
На предприятиях с полным металлургическим циклом выход цинксодержащих отходов после сухой и мокрой очистки технологических газов в доменном и сталеплавильном производствах достигает 50 и более кг/т выплавляемой стали. Вовлечение в металлургический передел таких отходов без специальной предварительной подготовки ограничено из-за присутствия в них цинка. Участие в доменной плавке цинка нежелательно, поскольку его соединения вместе со щелочами оседают в виде настылей на стенах доменной печи, искажая ее внутренний профиль, что, в свою очередь, нарушает ровный сход шихты, сопровождающийся потерей производительности печи [1]. Кроме того, растет удельный расход кокса на выплавку чугуна, поскольку на каждый килограмм цинка при восстановлении в доменной печи требуется не менее 10 кг кокса. По этой причине основная масса уловленной пыли и шлама депонируется соответственно в отвалах и шламохранилищах, загрязняя окружающую среду. Уместно отметить, что содержание цинка в металлургических отходах будет постоянно расти с увеличением доли в металлоломе автомобильного скрапа.
В России, являющейся экспортером железорудного сырья, не используются какие-либо технологии предварительной подготовки цинксодержащих отходов металлургического производства. В странах ЕС, Украине, Индии для этих целей используются вращающиеся трубчатые печи (процесс «Waelz»), отличающееся высокими энергетическими затратами. В Японии, Китае, США для этих целей используют ПВП-печи с вращающимся подом (процесс «Fastmet»). Оба процесса обеспечивают удаление цинка на 98% и производят DRI - ме-таллизованное сырье с низким содержанием железа, поскольку пустая порода остается в конечном продукте. По этой причине DRI используется в доменной плавке. Уловленная в рукавных фильтрах пыль, содержащая оксид цинка, реализуется предприятиям, производящим цинк.
В ОАО «ММК» образуется более 0,5 млн т/г цинксодержащих мелкозернистых отходов (табл. 1).
При этом колошниковая пыль полностью утилизируется в агломерационном производстве, аккумулируя содержание цинка в контуре аглодоменного передела.
Для снижения содержания цинка доменный шлам перерабатывается совместно с первородным железорудным сырьем на обогатительной фабрике. При этом выход концентрата составляет 56%, а содержание в нем железа и цинка составляет 64,5 и 0,57% соответственно. Следует отметить, что с хвостами безвозвратно теряется весь углерод, 30% железа и 70% цинка или 25,2 тыс.т/г углерода (до 30 тыс.т/г кокса в пересчете на углерод), 27 тыс.т/г железа, из которого можно было бы выплавить 28,7 тыс. т/г чугуна и 1,6 тыс. т/г цинка.
Пыль электросталеплавильного производства (ЭСПЦ) направляется на рекультивацию отработанных карьеров рудника. Безвозвратно теряется 7,34 тыс. т/г железа (можно было бы выплавить 7,8 тыс. т/г чугуна) и 0,292 тыс. т/г цинка.
Конвертерный шлам депонируется в гидрозоло-породоотвал. Соответственно теряется 33,11 тыс. т/г железа (35,2 тыс. т/г чугуна) и 0,814 тыс. т/г цинка.
Таким образом, из оборота выведено 67,45 тыс. т/г железа (эквивалентно 71,8 тыс.т/г чугуна), 2,7 тыс.т/г цинка и 68,37 тыс.т/г углерода.
В отличие от ОАО «ММК» на ведущих предприятиях России (ОАО «Северсталь» и ОАО «НЛМК», обеспеченных на 100% собственным железорудным сырьем - ЖРС) утилизируется только колошниковая пыль. Остальные цинксодержащие отходы складируются либо реализуются на сторону, например, цементным заводам. Это объясняет высокое содержание
Таблица 1
Образование отходов металлургического производства
Вид отхода Выход Отходы содержат
тыс.т/г % Fe Zn C
тыс.т/г % тыс.т/г % тыс.т/г %
Колошниковая пыль 220,245 43,9 98,23 43,0 0,385 10,26 43,17 63,14
Доменный шлам 183,947 36,7 89,77 39,3 2,263 60,28 25,20 36,86
ПыльЭСПЦ 17,680 3,5 7,34 3,2 0,292 8 7, - -
Конвертерный шлам 79,776 15,9 33,11 14,5 0,814 21,68 - -
Всего 501,648 100 228,45 100 3,754 100 68,37 100
Переработка мелкозернистых отходов металлургического производства.
Панишев Н.В., Бигеев В.А., Черняев А.А.
цинка в доменной шихте ОАО «ММК» (до 520 г/т чугуна) в отличие от ОАО «НЛМК» (100 г/т чугуна) и ОАО «Северсталь» (180 г/т чугуна).
Низкая обеспеченность ОАО «ММК» собственным ЖРС вынуждает использовать доменные шламы в металлургическом переделе после неэффективной их подготовки.
В последнее время в мире продвигается передовая технология ITmk3, позволяющая получать напрямую металл из железосодержащего сырья за 9-12 мин [2-4]. Аналогично процессу «Fastmet» технология реализуется в ПВП, но при температурах выше 1350°С. Металл и шлак крупностью 0-20 мм легко отделяются друг от друга на магнитном сепараторе. Сведений об использовании элементов технологии ITmk3 при переработке цинксодержащих отходов в промышленных масштабах в мире нет.
Целью исследований, проведенных в ОАО «ММК» и МГТУ [3,4], являлось изучение:
- возможности получения металла прямым восстановлением из мелкозернистых металлургических отходов с попутным улавливанием цинка;
- влияния температуры и продолжительности термообработки отходов металлургического производства ОАО «ММК» на показатели восстановительного процесса.
Для проведения исследования были отобраны пробы отходов, химический состав которых приведен в табл. 2.
Анализ проекций ликвидус четверной системы CaO-MgO-Al2O3-SiO2 показывает [4], что колошниковая пыль и доменный шлам с золой концентрата ГОФ «Коксовая» обеспечивают состав пустой породы в области пироксена с температурой плавления 1300Х (рис. 1). Поэтому шихтовку на основе этих материалов вели без каких-либо флюсов.
ео.щ
Рис.1. Проекция поверхности ликвидус четверной системы CaO-MgO-Al2O3-SiO2 при 5% AI2O3 [5]
Таблица 2
Характеристика отходов металлургического производства
Вид отхода Содержание,%
Zn Fe C FeO Fe2O3 SiO2 Al2O3 CaO MgO S ППП
Колошниковая пыль 0,17 44,6 19,6 10,1 52,6 8,26 1,97 3,22 1,29 0,300 21,6
Доменный шлам 1,23 48,8 13,7 10,6 58,0 6,70 1,88 3,21 1,31 0,410 15,8
ПыльЭСПЦ 1,65 41,5 - 16,4 38,9 8,76 1,65 18,5 2,70 0,210 4,51
Конвертерный шлам 1,02 52,8 - 44,4 14,1 3,00 0,67 14,8 7,10 0,094 5,2
Расход углерода в опытах соответствовал стехио-метрической потребности в нем на прямое восстановление железа и цинка из соответствующих оксидов (FeO, Fe2O3 и ZnO). Источником углерода в шихте при его дефиците являлся концентрат ГОФ «Коксовая», характеристика которого представлена в табл. 3.
Таблица 3
Технический состав твердого топлива
Топливо Содержание,%
A V S C
Концентрат ГОФ «Коксовая» 9,7 19,5 0,4 83,7
Расчетным путем [6] было установлено, что температура плавления пустой породы пыли ЭСПЦ и конвертерного шлама превышает соответственно 2000 и 2300°С Для снижения температуры плавления первичного шлака из этих отходов в шихту вводили кварцит.
Для выравнивания условий теплопередачи пробы отходов, смешанных с твердым топливом и кварцитом (при необходимости) истиранием, загружали с уплотнением в стеклоуглеродистые стаканы слоем высотой 10 мм. Формирование проб вели с учетом выходов соответствующих отходов (см. табл. 1). Параллельно вели опыты с окатышами. Для изготовления окатышей в качестве связующего использовали пшеничную муку. Перед обжигом окатыши высушивали в сушильном шкафу.
Термообработку проводили в камерной нагревательной печи «Nabertherm», позволяющей контролировать заданный темп нагрева и требуемую выдержку до 1800°С Печь вместе с подложкой разогревали до заданной температуры, затем подложку вынимали из печи, располагали на ней исследовательские пробы в стаканах и вновь загружали в печь. Термообработку вели при температурах 1400-1500°0 Продолжительность термообработки составляла 8-10 мин. Изложен-
ная методика позволяла эмитировать работу печи с подвижным подом.
После термообработки из материала выделяли и провешивали металл и шлак, из которых выделяли пробы для проведения химического анализа.
Полученные результаты свидетельствуют о том, что цинксодержащие металлургические отходы пригодны для получения металла прямым восстановлением при незначительной корректировке состава шихты. Повышенное содержание углерода в колошниковой пыли позволяло вести процесс термообработки шихты без добавок твердого топлива не только в случае с этим отходом, но и в смеси с конвертерным шламом или с пылью ЭСПЦ в соответствии с их выходами. Характеристики продуктов термической обработки металлургических отходов приведены в табл. 4 и 5.
Характер изменения содержания СО и С02 в процессе термообработки (рис. 2) позволяет судить о том, что восстановление оксидов гп и Бе происходило в смешанном режиме с незначительной долей восстановительных процессов в присутствии жидкой фазы.
При этом существенное развитие получало прямое восстановление.
Восстановленный цинк при температурах выше 900°С практически полностью переходил в газовую фазу, где вновь окислялся до цинкита.
гпо + с = гп + со
Оксиды железа восстанавливались углеродом при температурахвыше 1100°С. С + СО2 = 2СО БеО + СО = Бе + СО2 БеО + С = Бе + СО
Формирование чугуна, плавление чугуна и шлака из пустой породы и шлака протекало при температурах выше 1300°С. 3Бе + С = БезС 3Бе + 2СО = БезС + СО
Содержание гп в металле не превышало 0,001%. Металл в виде гальки и шлак в форме лепешек легко отделялись друг от друга на магнитном сепараторе.
Анализ полученных результатов позволил определить расходы всех цинксодержащих отходов (при сложившемся соотношении их выходов в ОАО
«ММК») на 1 т металла, т:
- колошниковая пыль 0,899
- доменный шлам 0,752
- пыль ЭСПЦ 0,072
- конвертерный шлам 0,326
- уголь (любойнекоксующийся) 0,184
Таким образом, в результате переработки всего объема образующихся отходов можно получить 245 тыс. т/г металла, 61,7 тыс. т/г шлака крупностью до 20 мм и более 4 тыс. т/г уловленной в процессе термообработки пыли, содержащей оксид цинка.
Металл может заменить часть лома (до 30%) в сталеплавильном переделе. Шлак, являясь по характеристикам схожим с доменным шлаком, может использоваться в строительной индустрии (при производстве цемента и бетона), а также в дорожном строительстве. Уловленная в процессе термообработки пыль является сырьем для получения цинка.
В мировой практике (в странах с дефицитом ЖРС и жестким экологическим законодательством) удаление цинка из металлургических отходов производят во вращающихся трубчатых печах (процесс «Шае1г») и в печах с вращающимся подом - ПВП (процесс «Ра81те1»). При температурах до 1350°С в присутствии углерода восстановленный цинк возгоняется в газовую фазу, где вновь окисляется до цинкита (2пО), который затем улавливается в рукавных фильтрах. Конечными продуктами являются БЫ (ме-таллизованный продукт), включающий в себя всю исходную пустую породу, и улавливаемая пыль, содержащая оксид цинка. Вследствие низкого содержания железа, БЯ1 используется в доменной плавке с повторным нагревом пустой породы с переводом с помощью флюсов в шлак.
Наиболее привлекательной является технология 1Ттк3, схожая по используемому агрегату (ПВП) с технологией Ра8йпе1 В отличие от последней температура в печи на 50-100°С выше и, кроме того, используются флюсы (при необходимости). Такие элементы технологии позволяют за то же самое время получать гранулированный чугун, легко
Таблица 4
Характеристика металла
Массовая доля, %
С Б Мп Я Ре
1,73 - 3,21 0,21 - 0,55 0,036 - 0,350 0,037 - 1,470 95,6 - 97,3
Таблица 5
Характеристика шлака
Массовая доля, %
гпо Б СаО М2О3 БЮ2
0,010 - 0,012 0,10 - 0,43 18,2 - 40,8 3,11 - 11,2 34,1 - 48,5
Температура печи
со
Лр Температура * окатышей
Ш/ а
0 3 6 9 12
В|;емя. мин
Рис. 2. Характерные кривые изменения содержания СО и СО2 в отходящих газах, а также температуры в печи и рудно-топливных окатышей [4]
Переработка мелкозернистых отходов металлургического производства...
Панишев Н.В., Бигеев В.А., Черняев A.A.
отделяемый на магнитном сепараторе от шлака с попутным извлечением цинка с уловленной в рукавных фильтрах пылью. Таким образом, получается три готовых товарных продукта: металл, как заменитель металлолома в сталеплавильном производстве, шлак крупностью 0-20 мм, как сырье в дорожном строительстве (в т.ч. для подсыпки дорог в зимнее время), производстве цемента и бетона, а также цинксодержащая пыль, как сырье для заводов, производящих цинк. Можно отметить и другие преимущества по сравнению с технологиями, производящими БШ из отходов:
- пустая порода нагревается один раз;
- устраняются затраты на обслуживание огненно-жидкого шлака, полученного из пустой породы.
Доказана принципиальная возможность получения металла напрямую из мелкозернистых Zn-coдepжaщиx отходов металлургического производства по технологии 1Ттк3 с попутным извлечением цинка.
Расчетным путем найден оптимальный состав шихт, обеспечивающий температуру плавления первичного шлака в пределах 1300-1400°С, а также оптимальное содержание углерода на прямое восстановление железа и цинка.
Но самое главное - новая технология (без участия доменного, коксохимического и агломерационного производств аналогичной мощности) значительно снижает нагрузку на окружающую среду. Так, выбросы
углекислого газа, двуокиси серы, оксидов азота и других вредных веществ снижаются на 30% по сравнению с традиционными металлургическими технологиями.
Полученные в ходе исследования результаты являют собой исходные технологические параметры для проектирования агрегата по переработке мелкозернистых цинксодержащих отходов металлургического производства.
Список литературы
1. Металлизация доменных шламов / Никифоров Б.А., Бигеев В.А., Сибагатулин С.К. и др. // Вестник Магнитогорского государственного техническогоуниверситета им. Г.И. Носова. 2005. №3. С. 23-25.
2. Kobayashi I., Tanigaki Y. and Uragami A. A new process to produce iron directly from fine ore and coal. Iron and Steelmaker. 2001, no. 9, pp. 19-22.
3. Panishev N.V., Dubrovsky B.A., Starikov A.I., Redin E.V. and Knyazev E.V. Direct reduction of Ti-V magnetite via ITmk3 technology. Proceedings of the 4th International Symposium on High-Temperature Metallurgical Processing. San Antonio, Texas, USA, March 3-7, 2013, pp. 45-48.
4. Металлизация шпатовых железняков Бакапьского месторождения с получением гранулированного чугуна / Дубровский Б.А., Шиляев П.В., РединЕ.В., ПанишевН.В., КнязевЭ.В., ПильщиковИ.В., Церковниц-кий Н.С. // Сборник трудов VI Международной научно-практической конференции «Энергосберегающие технологии в промышленности. Печные агрегаты. Экология», посвященной 80-летию ММК, Москва, 15-20 октября. М., 2012. C. 178-182.
5. Свойства жидких доменных шлаков / Воскобойников В.Г., Дунаев Н.Е., Михалевич А.Г. и др. М.: Металлургия, 1975. 184 с.
6. Бигеев В.А., Пантелеев А.В., Черняев А.А. Математическое моделирование твердофазного восстановления пылей и шламов // Математическое и программное обеспечение систем в промышленной и социальной сферах: междунар. сб. науч. трудов. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2011. Ч. II. С. 151-155.
Сведения об авторах
Панишев Николай Васильевич - канд. техн. наук, доц. кафедры «Металлургия черных металлов» ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова», Россия. Тел.: (3519)29-84-49.
Бигеев Вахит Абдрашитович - д-р техн. наук, проф., директор института металлургии, машиностроения и материало-обработки ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова», Россия. E-mail: v.bigeev11@yandex.ru.
Черняев Александр Александрович - аспирант кафедры «Металлургия черных металлов» ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова», Россия. E-mail: alexch_study@mail.ru.
INFORMATION ABOUT THE PAPER IN ENGLISH
FINE-GRAINED METALLURGICAL WASTES RECYCLING FOR IRON PELLETS PRODUCTION AND ZINC EXTRACTION
Panishev NicolaH Vasilevich - Ph.D. (Eng.), Associate Professor, Nosov Magnitogorsk State Technical University, Russia. Phone: (3519)29-84-49.
Bigeev Vahit Abdrashitovich - D.Sc. (Eng.), Professor, Director of Metallurgy, Mechanic Engineering and Materials Processing Institute, Nosov Magnitogorsk State Technical University, Russia. Phone: 8(3519)29-85-59. E-mail: v.bigeev11@yandex.ru.
Chernyaev Alexander Alexandrovich - Postgraduate Student, Nosov Magnitogorsk State Technical University, Russia. E-mail: alexch_study@mail.ru.
Abstract. A new ITmk3-based fine-grained zinc-bearing metallurgical wastes recycling method of direct reduction was developed. The method allows producing iron pellets and zinc extracting within 9-12 minutes. Keywords: direct reduction, zinc-bearing wastes, sludge, dust.
References
1. Nikiforov B.A., Bigeev V.A., Sibagatulin S.K. et al. Metallization of blast furnace sludge. Vestnk Magnitogorskogo gosudarstvennogo tehnich-eskogo universiteta im. G.I. Nosova. [Vestnik of Nosov Magnitogorsk State Technical University]. 2005, no. 3, pp. 23-25.
2. Kobayashi I., Tanigaki Y. and Uragami A. A new process to produce iron directly from fine ore and coal. Iron and Steelmaker. 2001, no. 9, pp. 19-22.
3. Panishev N.V., Dubrovsky B.A., Starikov A.I., Redin E.V. and Knyazev E.V. Direct reduction of Ti-V magnetite via ITmk3 technology. Proceedings of the
4th International Symposium on High-Temperature Metallurgical Processing. San Antonio, Texas, USA, March 3-7, 2013, pp. 45-48.
4. Dubrovsky B.A., Shiliaev P.V., Redin E.V. et al. Metallization of siderites from Bakal ore deposits and production of iron pellets. Collected papers of VI International theoretical and practical conference «Energy-efficient technologies in industry. Furnaces. Ecology» dedicated to the 80th anniversary of MMK. Moscow, 2012, pp. 178-182.
5. Voskoboynikov V.G., Dunaev N.E., Mihalevich A.G. et al. Characteristics of liquid blust furnace slags. Moscow: Metallurgiya, 1975, 184 p.
6. Bigeev V.A., Panteleev A.V., Chernyaev A.A. Mathematical modelling of solid-phase disoxidation of dust and sludge. Matematicheskoe i pro-grammnoe obespechenie sistem v promyshlennoy i sotsyalnoy sferah: mezhdunar. sb. nauch. trudov [Mathematical models and software for industry and social sphere systems]. Magnitogorsk: Nosov Magnitogorsk State Technical University. 2011, vol. II, pp. 151-155.
