Пути утилизации доменного шлака Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

ПУТИ УТИЛИЗАЦИИ ДОМЕННОГО ШЛАКА

© Набоко Е.П.*

Карагандинский государственный технический университет, Республика Казахстан, г. Караганда

В статье рассмотрены пути утилизации доменного шлака, в том числе, применяемые в условиях АО «АрселорМиттал Темиртау». В рассматриваемом процессе сырьем для производства служит расплавленный доменный металлургический шлак, вывезенный непосредственно из домны с остаточной температурой 1350-1400 оС, в который по необходимости добавляются вещества, имеющие высокий модуль кислотности. Были определены основные характеристики процесса, капитальные вложения на строительство цеха по производству минерало-ватных теплоизоляционных изделий из доменного шлака, экономические показатели.

Ключевые слова доменный шлак, строительные материалы, металлургическое производство, минеральная вата, минеральные плиты, камера волокнообразования, синтетическое связующее, модуль кислотности, центрифуга, заменитель топочного мазута.

В Республике Казахстан и странах СНГ черная металлургия достигла значительных успехов в увеличении объема производства и повышении уровня техники и технологии в доменном и прокатном производствах, однако по переработке и использованию технологических отходов черной металлургии еще сильно отстает от стран дальнего зарубежья. Переработка шлаков служит средством упорядочения и совершенствования организации технологии металлургического производства.

Серьезным тормозом применения шлаков было недостаточное знание их свойств. С развитием металлургии и силикатной промышленности во второй половине 19 века, когда расширилось производство искусственного технического камня, возникла потребность изучения структуры и фазового состава шлаков для определения возможных путей их использования. Петрографическое изучение искусственного технического камня, являющегося «до известной степени аналогом природного камня», началось со шлаков. При интенсивной реконструкции действующих и строительстве новых предприятий потребовались строительные материалы в гораздо больших количествах и встал вопрос о применении шлаков. В поисках сырьевых ресурсов строители обратили внимание на металлургические шлаки, количество которых одновременно с ростом производства чугуна и стали быстро увеличивалось. Начались интенсивные исследования технического камня, в том числе металлургического шлака.

* Старший преподаватель кафедры «Металлургия, материаловедение и нанотехнологии», кандидат технических наук.

В мировой практике нет единого направления в применении шлаков, что объясняется специфическими условиями каждой страны. Организация переработки шлаков по странам неодинакова. В Англии и Германии шлаковую продукцию получают непосредственно на металлургических заводах, в других странах шлак в жидком состоянии или частично обработанный передают подрядным организациям - компаниям по производству строительных материалов и специальным фирмам. Так в США шлак перерабатывают 36 компаний, которым принадлежит 18 установок по производству пемзы, 17 - по получению гранулированного шлака, 39 - по изготовлению воздуш-ноохлажденного шлака.

Сложный путь использования шлаков можно разделить на три этапа:

1. первый этап, характеризовался слабым знанием продуктов плавки, использованием только металла, не считая отдельных попыток применения шлака; продуктом плавки шлак не признавался;

2. второй этап отличался широким применением металла и расширением области познания его, что обусловливалось, по-видимому, резко возросшим спросом на металл. Шлак, будучи сложнее по составу и структуре, чем металл, требовал больших усилий от исследователей. На втором этапе наука сравнительно полно раскрыла состав, структуру и свойства шлаков. К этому времени относится первый опыт использования шлаков в качестве щебня, а также вяжущего для производства кирпича и других строительных материалов;

3. наступил третий этап: установлено, что шлак, как и металл, следует квалифицированно убирать и подготавливать для производства из него ценных материалов. Из доменного шлака получают гранулированный шлак, пемзу, щебень, шлаковату, литье, шлакоситаллы, шлаковую муку и многое другое. Обширна номенклатура материалов из сталеплавильных и ферросплавных шлаков. В настоящее время даже при недостаточно полном знании природы шлаков из них изготовляют изделия, используемые наряду с металлом. По отдельным свойствам они значительно превосходят качественную сталь.

В металлургической технике за последнее столетие произошли революционные преобразования, в результате которых сменилось несколько способов производства металла, однако при этом осталось неизменным - получению металла сопутствует шлак. Шлаки - побочный продукт металлургического производства, который, так же как и металл, должен полностью и рационально использоваться. По мере роста производства черных металлов соответственно возрастает и выход металлургических шлаков. Доменные, сталеплавильные и ферросплавные шлаки являются ценным сырьем для производства широкого ассортимента материалов для промышленности, жилищного и дорожного строительства, а также для применения в качестве удобрений в сельском хозяйстве. Продукция, получаемая из шлаков, по сво-

им физико-механическим свойствам не только не уступает, но в ряде случаев и превосходит качество заменяемых ею природных материалов. За последние годы спрос на продукцию, изготовленную из металлургических шлаков, начал опережать ее производство.

Известно, что до 80-85 % энергоносителей в промышленно развитых странах расходуется при эксплуатации промышленных печей, термического и энергетического оборудования. Поэтому в настоящее время задача экономии энергоресурсов, особенно, в энергоемких отраслях промышленности: металлургии, машиностроении, химической промышленности, на предприятиях, производящих строительные материалы, в энергетике стоит необычайно остро и актуально. Одним из комплексных направлений решения задачи энергосбережения, позволяющего существенно снизить энергопотребление при эксплуатации парка печей и термического оборудования, является использование высокотемпературного «бросового» тепла отходов черной металлургии, в том числе металлургических шлаков и производство на их основе теплоизоляционных материалов.

Металлургические шлаки являются сложными системами, в которых кроме оксидов CaO, SiO, MgO, FeO присутствуют также оксиды Мп Ba, О; Р. Кроме FeO, шлаки содержат и высшие оксиды железа Fe3O4 и Fe2O3. Сера в шлаках находится в виде сульфидов или сульфатов Са, Мп и Fe. В отдельных случаях шлаки содержат оксиды Т1, В, V и ряд других соединений.

Выход доменного шлака, его состав и свойства зависят от химического и минералогического состава пустой породы железных руд, золы кокса, содержания серы в шихте, характера процесса восстановления и теплового состояния печи, а также от марки выплавляемого чугуна. При производстве чугунов определенного вида и постоянстве состава сырья для данного завода, а также при ровном ходе печи химический состав шлака остается сравнительно стабильным. Большинство доменных шлаков характеризуется основностью (СаС^Ю2) в пределах 1,0-1,2 % и содержанием MgO и А12О3 соответственно 3-20 % и 5-15 %; содержанием S 0,5-3 %; содержанием Fe 0,1-1 % и МпО 0,2-3 %. В жидких шлаках содержится некоторое количество растворенных газов. Температура шлака при выходе из доменной печи составляет 1450-1550 оС.

С использованием соколовско-сарбайских руд и исключением из шихты марганцевой руды, состав шлаков изменился в сторону уменьшения содержания А12О3 до 10-16,5 % и MgO до 0,2-1,0 %. На Череповецком металлургическом комбинате при выплавке низкосернистых чугунов содержание MgO составляет 10-12 %, отношение СаО^Ю2 и (CaO+MgO)/SiO2 соответ-свенно 1 % и 1,3 %. В шлаках АО «АрселорМиттал Темиртау» содержится до 4,6 % ВаО.

Отечественный и зарубежный опыт показывает, что проще всего перерабатывать жидкие доменные шлаки на литой щебень. Этот материал при-

меняется для изготовления минеральной ваты, но при отсутствии в нем металлических и посторонних включений. Качество щебня зависит от способа его производства, за счет управления скоростью охлаждения шлакового расплава из него можно получать литой щебень высокого качества. Наиболее эффективно производство литого щебня траншейным способом, который обеспечивает однородность и прочность материала.

Получение шлакового щебня из ковшевых остатков является технологическим завершением полного использования шлака. Количество щебня, получаемого при этом способе производства, зависит в основном от времени пребывания расплава в ковше и, как правило, составляет 25-30 % от общего количества шлака, поступающего на переработку. Этот щебень по качеству несколько уступает литому, но на большинстве заводов он также отвечает требованиям ГОСТ на щебень из доменного шлака для бетона [1].

Доменные жидкие шлаки являются ценным сырьем для изготовления легкого пористого заполнителя - шлаковой пемзы. Шлак перерабатывается на шлаковую пемзу четырьмя способами: траншейно-брызгальный, водоструйный, производство пемзы в опрокидном бассейне, гидроэкранный. Существующие ранее способы изготовления шлаковой пемзы: ямный, в стационарном бассейне, на центробежных машинах, на каскадных лотках - оказывались либо экономически неэффективными, либо технологически несовершенными.

Шлаковое литье является эффективным искусственным кристаллическим материалом, формируемым из расплава с последующей кристаллизацией и термообработкой. Изделия из шлакового литья обладают рядом ценных свойств: высокой абразивной и химической стойкостью, механической прочностью, жаропрочностью и малым водопоглощением. Для производства литья пригодны кислые и нейтральные доменные шлаки.

Литая брусчатка обладает высокой прочностью и успешно используется при строительстве автомобильных дорог и полов промышленных зданий. Срок службы дорог, покрытых брусчаткой, выше асфальтированных на щебеночном основании и цементно-бетонных. В эксплуатации они дешевле дорог с искусственным покрытием. Спрос на шлаковую брусчатку для дорожного строительства большой, но производство ее ограничено.

Шлаковое литье частично может заменять каменное, потребность в котором очень велика. Так как шлаковое литье обладает крупнокристаллической и неравномерной структурой, что ухудшает его физико-механические характеристики, из него рекомендуется отливать изделия небольших размеров и простые по конфигурации. Наиболее перспективным направлением получения литых фасонных изделий на базе доменных шлаков является производство шлакоситаллов. Исходным сырьем для их производства являются доменный шлак и кварцевый песок, в качестве катализаторов используются сульфиды марганца, железа и цинка. Шлакоситалл - конструкционный и от-

делочный керамический материал, обладающий редким сочетанием качеств; от стекла он отличается кристаллическим строением, а от керамических материалов - более тонкой микрокристаллической структурой. Шлако-ситалл легче алюминия, имеет значительную химическую и термическую стойкость, высокую прочность на изгиб, сжатие и истирание, является хорошим диэлектриком. В ряде агрегатов он может заменять чугун, сталь (в том числе нержавеющую), цветные металлы, стекло, керамику, фарфор, бетон, каменное литье, мрамор, гранит и другие ценные натуральные камни, а также дерево. Ударная вязкость шлакоситаллов в 3-4 раза выше, чем у стекла, химическая стойкость к серной кислоте 99,8 %. Они совершенно не поглощают воду, рабочая температура до 750 оС. Производство шлакоситаллов - новое, прогрессивное направление в использование доменных шлаков. Доменный гранулированный шлак в стационарной печи сплавляется с кварцевым песком, частично с глиной и катализаторами кристаллизации в стекломассу. Катализаторами кристаллизации служат сульфат натрия, кремнефтористый натрий, а также окислы и сульфиды ряда металлов - хрома, титана, марганца, железа, цинка и др. Расход катализаторов кристаллизации колеблется в пределах от долей процента до 20 % в зависимости от состава доменного шлака и назначения шлакоситаллов. Исходная стекломасса обычно содержит 45-65 % SiO2, 15-45 % СаО, 5-30 % А1203 и до 10 % MgO. Пластичному шлаковому стеклу придают нужную форму, затем подвергают его термической обработке, в процессе которой изделия получают микрокристаллическую структуру. Шлакоситалловые изделия можно получать методом литья, прокатки, прессования, что технологически проще, чем из каменного литья. Производство шлакоситаллов поддается механизации и автоматизации.

Цементная промышленность является наиболее крупным потребителем доменного гранулированного шлака, который используется как активная минеральная добавка при производстве шлакопортландцемента и в меньшей мере как сырьевой компонент при производстве цементного клинкера, при этом экономится топливо и минеральное сырье, добываемое в карьерах. Обладая высокой гидравлической активностью, гранулированный шлак служит ценной минеральной добавкой к портландцементу и многих другим видам цементов и является одним из основных компонентов шлакопорт-ландцемента. Из бетонов на основе шлакопортландцемента возводятся массивные наземные и подводные сооружения, взлетно-посадочные площадки аэродромов и автомобильные дороги. Шлакопортландцемент является самым дешевым и наиболее доступным вяжущим веществом для изготовления жаростойких бетонов, при его применении отпадает потребность в молотом шамоте, упрощается и удешевляется приготовление жаростойкого бетона, улучшаются его качества [2].

Доменные гранулированные шлаки используются для изготовления малоклинкерных вяжущих веществ, строительных растворов и бетонов бес-

клинкерного цемента, водостойкого гипсобетона, блоков неавтоклавного газошлакобетона, крупных стеновых панелей из автоклавного бесклинкерного газошлакобетона, сборных несущих железобетонных конструкций на известковом вяжущем веществе.

К вяжущим материалам, используемым в нашем регионе, полученным на основе доменных гранулированных шлаков, относятся известково-шла-ковый, гипсошлаковый и шлаковый бесклинкерный цементы, которые по себестоимости дешевле извести и гипса.

Цех по производству минеральной ваты и минеральных плит из доменного шлака в городе Темиртау расположен на территории шлакоперерабаты-вающего участка доменного цеха АО «АрселоМиталл Темиртау». Площадь предприятия 3,5 гектара, санитарно-защитная зона более 300 м. Цех состоит из следующих участков: емкость для приема топлива; трубопровод подачи топлива на форсунки; желоб для приема жидкого шлака в разливочный ковш; центрифуга для разбива шлака; камера волокнообразования; маятниковый укладчик; камера полимеризации; печь для подогрева воздуха; упаковочная машина. Производство плит минераловатных на синтетическом связующем осуществляется по конвейерной технологии на оборудовании, изготовленном в Российской Федерации и Китайской Народной Республике, а также некоторой части вспомогательного и грузоподъемного оборудования, изготовленного в Республике Казахстан по рабочей документации.

Сырьем для производства служит расплавленный доменный металлургический шлак, вывезенный непосредственно из домны с остаточной температурой 1350-1400 оС, в который по необходимости добавляются вещества, имеющие высокий модуль кислотности, для доведения общего модуля кислотности расплава до значения 1,3-1,5. Расплавленный доменный шлак доставляется непосредственно сразу после слива из домны доменного цеха АО «АрселорМиттал Темиртау». Цех переработки шлака находится за пределами комбината в районе доменного шлакоотвала на расстоянии 1500 метров от основного цеха. Шлак доставляется по железной дороге в специальных стандартных вагонетках для перевозки расплавленного шлака объемом до 16,5 м3.Способ волокнообразования - получение минераловатного ковра путем непрерывного раздува волокон, образующихся на многовалковой (че-тырехвалковой) центрифуге с дальнейшим распределением минераловатного слоя на непрерывно движущемся полотне камеры волокнообразования. Тепловая обработка минераловатного ковра осуществляется путем прососа теплоносителя, который поступает от термической печи, работающей на подогреве посредством сгорания топлива - заменителя топочного мазута.

Расплав, который необходим для получения качественных минеральных плит, должен иметь температуру выше 1300 оС и модуль кислотности более 1,3. Указанная температура обеспечивает необходимую вязкость и консистенцию расплава, которая позволяет подавать его струей необходимой тол-

щины и с требуемой скоростью, а также позволяет расплавляться специальным добавкам, которые повышают кислотность всего расплава. Модуль кислотности обеспечивает большее сохранение волокон и сопротивление их воздействию окружающей среды, причем увеличение модуля кислотности более показателя 1,7 влечет за собой ухудшение качества волокна, уменьшает гибкость, делает их ломкими. Для получения необходимого химического состава получаемого расплавленного шлака непосредственно перед его поступлением в специальный приемник шлака добавляется горная порода или вещество, имеющее высокий модуль кислотности в количестве, позволяющем получить расплав нужного химического состава. Струя расплавленного шлака с температурой выше 1350 оС, выливаясь в бункер, попадает на измельченный слой раскислителя, что позволяет ингредиентам хорошо перемешиваться, а раскислителю начать плавиться. В процессе заливания шлака раскислитель расплавляется, таким образом, получается расплав необходимого химического состава.

Для поддержания необходимой температуры выше 1300 оС могут быть использованы два варианта:

1. специально устроенная электропечь для приема шлака, представляет собой электропечь объемом 12-15 тонн, оснащенную системой термопар и датчиков, а также системой управления режимами работы. Принцип действия такой электропечи основан не на возникновении прямой электрической дуги между электродами, а на косвенном подъеме температур нагревательных элементов. Такой приемник шлака оснащен управляющей системой, позволяющей включать в цепь электронагревательные элементы и регулировать время их работы при падении температуры ниже 1300 оС. Это позволяет экономить электроэнергию, уменьшает расходы, связанные с этим;

2. специальный приемник шлака, оснащенный системой подогрева, основанной на сгорании мазута, печного топлива или отработанных нефтепродуктов. Система подогрева представляет собой емкость для печного топлива, запорно-регулирующую аппаратуру и арматуру, насосный узел подачи топлива, систему фильтров, клапанов, форсунок, мазутную горелку, систему трубопроводов, датчиков и электрический шкаф автоматического управления процессом подачи топлива и подогрева расплава.

Расплавленный состав превращается в волокно посредством раздува вытекающей из специального приемника шлака струи с изменением направления потока на 90 °, но уже потока вытянутых капель расплава, в которые превращается струя под воздействием давления воздуха. Для увеличения длины волокон и уменьшения их толщины применяется многовалковая центрифуга.

Одним из основных параметров качества минеральных плит является сопротивление усилию, сжимаемость. Плита должна быть легкой, упругой,

но в тоже время, несколько сжимаемой. Кроме того, плиты должны иметь удельный вес или плотность 200 кг/м3, равномерно распределенную по всему объему плиты.

Волокна минераловатного ковра меняют свое расположение в основном с горизонтального на вертикальное, но часть их остается в горизонтальном положении, а некоторая часть находится под углом к вертикальной и горизонтальной плоскостям, что приводит к выравниванию физико-механических свойств, более однородному составу массы и выравниванию свойств по всем направлениям. Кроме того, такой способ позволяет задавать и получать необходимую толщину минераловатного ковра.

Для получения плит повышенной жесткости необходимо, чтобы измененный после маятникового укладчика минераловатный ковер прошел тепловую обработку. Минераловатные плиты повышенной жесткости средней плотностью 180-230 кг/м3, имеющие прочность на сжатие 0,05-0,08 МПа при деформации и содержании связующего 5-6 % получаются после прохождения измененного минераловатного ковра через камеру полимеризации. Тепловая обработка минераловатного ковра с введенным в него связующим позволяет получить за короткий промежуток времени (4-18 минут) изделие, соответствующее по основным физико-механическим свойствам требованиям ГОСТ. Большое значение имеет выбор продолжительности нахождения минераловатного ковра в камере тепловой обработки и максимальной температуры, при которых не наступило бы деструкции уже отвердевшего связующего, а степень поликонденсации была бы не менее 90 %.

Горячий теплоноситель продувается через минераловатный ковер при максимальном усилии подпрессовки 4-6 кПа. В качестве теплоносителя используются продукты сгорания заменителя топочного мазута. Можно использовать отработанные газы, которые выводятся из камеры волокноосаж-дения. Эти газы смешивают с воздухом, имеющим температуру окружающей среды, в соотношении, обеспечивающем температуру тепловой обработки. Теплоноситель многократно просасывается через минераловатный ковер при скорости движения ковра 0,6-1,5 м/мин, при этом перепад давления в зонах камеры составляет 5-400 Па, а рекомендуемый перепад по сторонам минераловатного ковра составляет 150 Па. Рекомендуемая скорость движения теплоносителя 0,6-0,7 м/с.

Согласно ГОСТ плиты должны быть разрезаны на размеры 1000 х 1000 х х 50 мм; 1000 х 1000 х 60 мм; 1000 х 1000х 100 мм. Для этого предусмотрен узел продольных и поперечных ножей. Продольные ножи представляют собой дисковые отрезные пилы от 425 до 830 мм в диаметре, установленные так, что расстояние между внутренними боковыми поверхностями двух дисковых пил составляет 1000 мм. Эти дисковые пилы имеют поперечный ход относительно движения подаваемой плиты (основного движения линии) на всю ширину выходящей плиты. Рабочая ширина используемого минера-

ловатного плитового ковра 2000 мм, что дает возможность регулировать ширину отрезаемой плиты, отрезать по четыре или по две плиты, в зависимости от параметров заказа или других условий. После разрезания плиты попадают на приемный конвейер.

Основные критерия контроля качества:

1. Состав расплава перед раздувом:

- модуль кислотности не ниже 1,1;

- температура сливаемой части расплава не ниже 1300 оС;

2. Контроль раздува расплава:

- угол падения струи расплава на распределительный валок центрифуги 30-40° между струей расплава и горизонтальной плоскостью, проходящей через ось валка;

- высота слива от конца летки слива до контактной поверхности распределительного валка;

- скорость вращения валков центрифуги;

- концентрация связующего;

- расход сжатого воздуха;

- давление сжатого воздуха;

3. Плотность, толщина, равномерность слоя минераловатного ковра после раздува в камере волокноосаждения:

- толщина предварительного слоя минераловатного ковра;

- плотность предварительного минераловатного ковра;

- влажность предварительного минераловатного ковра;

- модуль кислотности получаемого минераловатного ковра;

4. Контроль получения измененного минераловатного ковра посредством маятникового укладчика:

- толщина измененного слоя минераловатного ковра;

- плотность измененного слоя минераловатного ковра;

- равномерность физико-механических свойств и плотности во всем объеме измененного минераловатного ковра;

- влажность минераловатного ковра;

5. Контроль параметров обработки ковра в камере полимеризации:

- показатели режима теплоносителя;

- плотность минеральной плиты;

- прочность на сжатие;

- теплопроводность не более 0,053 Вт/(м-К);

- массовая доля органических веществ не боле 7 %;

- водопоглощение по массе не боле 30 %;

- влажность по массе не более 1 %;

6. Контроль размеров минеральной плиты после узла резки:

- толщина;

- длина;

- ширина;

- диагональ плиты.

Для доменного шлака АО «АрселорМиттал Темиртау» следующего состава: SiO2 - 36,34 %; СаОэ - 9,3 %; MgO - 9,76 %; S - 0,91 %; Т1О2 - 1,1 %; FeO - 0,43 %; МпО - 0,62 %; А1203 - 14,88 %; ВаО - 0,32 %; CaO/SiO2 - 1,08 были определены основные характеристики процесса:

- температура доменного шлака 1300оС,

- объем шлака 7,4 м3,

- энтальпия шлака 1553,38 кДж/кг;

- используется заменитель топливного мазута (ЗТМ) калорийностью, 8400 ккал/кг;

- плотность ЗТМ 1,14 кг/м3,

- температура ЗТМ 85оС,

- распылитель - компрессорный воздух давлением 3 атм,

- температура воздуха (средняя) 20оС,

- удельный расход распылителя 1 кг/кг ЗТМ,

- расход топлива 242,482 кг/ч.

Капитальные вложения на строительство цеха по производству минера-ловатных теплоизоляционных изделий из доменного шлака составили 577959 тыс. тенге, экономический эффект равен 285570 тыс.тенге. Коэффициент экономической эффективности капитальных вложений составляет 0,49, срок окупаемости - 2,02 года.

Список литературы:

1. Панфилов М.И. Металлургический завод без шлаковых отвалов. - М.: Металлургия, 1988.

2. Панфилов М.И., Школьник Я. Ш., Сорокин Г.Н. Переработка шлаков и безотходная технология в металлургии. - М.: Металлургия, 1987.