CC BY
173
РЕСУРСО- И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ В ЧЕРНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ
УДК 666.762.16
Избембетов Д.Д., Амангельдиев Н.М., Зупаров Н.С.
РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ОГНЕУПОРНЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ РУКАВНОЙ ПЫЛИ И ШЛАКОВ ВЫСОКОУГЛЕРОДИСТОГО ФЕРРОХРОМА
Аннотация. В статье рассмотрена утилизация отходов производства феррохрома в условиях Актюбинского завода ферросплавов. В качестве рекомендаций предлагается изготовление огнеупорных изделий из рукавной пыли и шлаков производства высокоуглеродистого феррохрома. Описана технология производства огнеупорных кирпичей в условиях ПЦ №1 АЗФ и достигнутые результаты.
Ключевые слова: пыль газоочистки, шлак, высокоуглеродистый феррохром, огнеупор, жидкое стекло.
Утилизация и переработка металлургических пылей и шламов является актуальной темой, которой посвящен ряд исследований [1-4]. В данной работе предлагается вариант утилизации отходов ферросплавного производства, в частности феррохрома.
На Актюбинском заводе ферросплавов в вакуум-но-термическом отделении ОПЦ №3 производят огнеупорный кирпич из шлака высокоуглеродистого феррохрома. Для производства данного кирпича используют размолотый шлак, который смешивают с жидким стеклом, используемым в качестве связующего, и прессуют на прессе СМ 1085А. Далее производят его сушку в печи при температуре 500°С в течение 16 ч. Эти огнеупорные кирпичи используются для собственных нужд завода в плавильном цехе №1 для футеровки ковшей и печных лотков. Производство огнеупорного кирпича из шлака высокоуглеродистого феррохрома позволяет сократить потребление покупного шамотного кирпича.
Для проверки возможности применения рукавной пыли с газоочистки ПЦ №1 при изготовлении огнеупорных материалов была проведена серия опытов по получению огнеупорных изделий в условиях лаборатории НИЦ АЗФ. Использовалась рукавная пыль, химический состав которой представлен в табл. 1.
Таблица 1
Химический состав рукавной пыли газоочистки ПЦ №1
В качестве связующего использовалось жидкое стекло, которое подавалось в смеситель в количестве 5% от массы пыли. Смешивание компонентов производилось непосредственно в смесительной машине С2Р-800-НУР. Смешение осуществлялось в течение
© Избембетов Д.Д., Амангельдиев Н.М., Зупаров Н.С., 2015
10 мин. Далее использовался лабораторный испытательный пресс ИП-1000 с пресс-формой размерами рабочего пространства 100x100 мм и высотой 49 мм. Перед прессованием пыль в пресс-форме предварительно уплотнялась вручную. Прессование осуществлялось до усилия 375 кН. Высота получаемых образцов находилась в пределах 27-30 мм. Были получены 6 образцов. Сразу после прессования было проведено испытание на прочность сырых образцов. Прочность замерялась на испытательном прессе КБ-1000. Испытания показали прочность в пределах 49,4354,52 кгс/см2.
Полученные образцы были разделены на две группы по три штуки в каждой. Первая группа была высушена в сушильном шкафу при температуре 300°С, с выдержкой в течение двух часов с последующим естественным охлаждением до комнатной температуры. Вторая группа изделий была подвергнута термообработке при температуре 1000°С, длительность нагрева 2 ч и выдержка в течение двух часов. Внешний вид образцов представлен на рис. 1.
Первый образец выдержал форму внешне без дефектов и трещин, цвет серый. Образец из второй группы выдержал форму, внешняя часть покрыта порами, цвет бледно-жёлтый.
После термической обработки образцы из обеих групп также были испытаны на прочность.
Все три образца из первой группы при максимальном воздействии усилия на них не разрушились. При превышении порога в 190 кгс/см2 пресс автоматически отключился, образцы не деформировались.
Образцы из второй группы разрушились при нагрузках, находящихся в пределах 99,62105,84 кгс/см2.
После термообработки образцов из второй группы на поверхности плиты термической печи наблюдалась расплавленная серая пористая масса, представляющая собой жидкое стекло, что подтвердилось последующим химическим анализом.
Химический состав, %
С^3 С S Р FeO ^3 SiO2 MgO CaO
17,33 4,02 0,18 0,018 5,16 6,15 13,54 44,86 0,18
б
Рис. 1. Образец из рукавной пыли газоочисток ПЦ №1, подверженный сушке при температуре 300°С (а) и при температуре 1000°С (б)
Следующий эксперимент проводился без использования жидкого стекла. В качестве связующего применялась вода в количестве 5% от массы пыли. Условия смешивания и прессования повторяют предыдущий эксперимент. В данном эксперименте сушка проводилась при температуре 180°С в течение двух часов с последующим обжигом при температуре 1000°С и выдержкой в печи 2 ч. Внешний вид образца представлен на рис. 2.
/
Рис. 2. Образец, полученный из рукавной пыли на водном связующем с термообработкой при температуре 1000°С
Образец выдержал форму, плотный, без пор, цвет светло-коричневый, покрыт трещинами. Появление трещин связано с неотработанностью режима нагрева и охлаждения.
Данная группа образцов также была подвержена испытанию на прочность. Были получены следующие результаты:
- высушенный кирпич при температуре 180°С не разрушился;
- обожженный кирпич при температуре 1000°С выдержал нагрузку до 136-146,6 кгс/см2.
После этой серии лабораторных опытов была установлена принципиальная возможность упрочнения изделий без использования жидкого стекла. Поэтому было выработано направление по изготовлению огнеупорных кирпичей взамен ФШБК на водной основе с использованием рукавной пыли.
Для выполнения промышленных испытаний огнеупоров на футеровке ковшей и лотке печи №39 ПЦ №1 была составлена программа и технологическое распоряжение по промышленному опробованию огнеупорных кирпичей из рукавной пыли газоочисток ПЦ №1 взамен этих же изделий из молотого шлака высокоуглеродистого феррохрома на жидкостеколь-ной связке (кирпич ФШБК)
Изготовление огнеупорных кирпичей осуществлялось на участке производства ФШБК вакуумно-термического отделения (ВТО) плавильного цеха №1. В качестве сырьевых материалов для изготовления кирпичей использовали шлак от производства высокоуглеродистого феррохрома и рукавную пыль газоочисток плавильного цеха №1.
Шлак предварительно подвергали помолу в шаровой мельнице до фракции 0-1 мм. Связующим компонентом служила техническая вода взамен жидкого стекла.
Химический состав использованных материалов представлен в табл. 2.
Таблица 2
Химический состав компонентов смеси для изготовления огнеупорного кирпича
Материал Химический состав, %
СГ2О3 СаО МдО А12О3 РеО БЮ2 С Б
Пыль 18,65 0,63 35,01 6,04 6,66 14,38 7,43 1,29
Шлак 7,90 0,53 43,37 17,94 1,83 25,76 0,83 0,23
Рабочая смесь подготавливалась в смесительной машине С2Р-800-НУР с последующей добавкой связующего материала (воды), прессование осуществлялось на прессе СМ1085А. Смесь состояла из 50% молотого шлака и 50% рукавной пыли, расход воды составил 5-7% от сухой массы смеси. На одну загрузку подавалось 350 кг молотого шлака и 350 кг рукавной пыли.
В ходе работы производилось изменение некоторых параметров, таких как количество подаваемой воды, времени смешения, высоты камеры стола прес-
са и крупности фракции молотого шлака.
Первоначально длительность сухого и влажного перемешивания составляла 30 мин каждая, высота камеры стола пресса составляла 112 мм. Полученные кирпичи имели массу в пределах 4,4-4,6 кг, на боковой поверхности наблюдались продольные трещины.
При замешивании следующей порции смеси время сухого и влажного смешивания сократили до 20 мин каждого. Высота камеры была уменьшена до 96 мм. Масса получаемых кирпичей составила 4,1-4,2 кг, количество изделий с трещинами уменьшилось.
При очередном смешивании время сухого смешивания составило 15 мин, влажного 10 мин, количество воды увеличено до 8%, высота камеры стола пресса уменьшена до 90 мм. Масса кирпичей колебалась от 3,8 до 4,0 кг. Количество кирпичей с трещинами было минимальным. По данной рецептуре была проработана ещё одна смена и изготовлено 650 кирпичей.
В процессе смешивания наблюдался нагрев смеси в сухом и во влажном состоянии с сильным выделением пара за счёт трения между частицами массы и шнеком смесителя, что приводило к высыханию массы. Произошло увеличение трения из-за мелкодис-персности частиц (<0,063 мм). Вследствие этого во время прессования не происходило схватывание массы, кирпичи расслаивались и трескались.
В последующую смену расход воды был увеличен в первом смешении до 9%, во втором до 13%. Кирпичи из первой партии смеси получились неудовлетворительными на отдельных образцах, происходило продольное расслаивание кирпича и образование трещин. Увеличение содержания влаги до 13% позволило компенсировать потери на испарение, что стабилизировало процесс и позволило получить кирпичи без трещин и расслоений. За смену было изготовлено 350 кирпичей.
В вечернюю смену с 18:00 ч поддоны с кирпичами были помещены в сушильную печь. Сушку осуществляли при температуре 200-300оС, время выдержки кирпичей в печи составило 15 ч.
По завершении процесса сушки и остывания были отобраны образцы кирпича для испытания их на прочность при сжатии. Также для сравнения были отобраны кирпичи марки ФШБК, изготовленные по принятой технологии (сушка при 500°С). и кирпич ФШБК, высушенный при температурах 200-300°С. Испытания проводились в условиях строительной лаборатории ДГОК (г. Хромтау) на прессе ИП-1000. Результаты испытаний представлены в табл. 3.
Как видно из табл. 3, результаты испытаний имеют неоднозначный характер. Широкий предел по прочности объясняется настройкой технологии и под-
Таблица 3
Результаты испытания на прочность опытной партии огнеупорных кирпичей из рукавной пыли и шлака высокоуглеродистого феррохрома (опытный образец) и обычного кирпича ФШБК (сравнительный образец)
Вариант технологии Масса кирпича, кг Размеры образцов, см Площадь сечения, см2 Результаты испытаний
Показание манометра, кгс Предел прочности при сжатии кгс/см2
Опытный 3,1-3,9 12х8х10-12х12,5х10 96-150 5100-84252 35-690
Обычный 4,2-4,6 12х10х10-12х12х10 111-144 45900-96900 347-769
бором влажности смеси. Необходимо отметить: во-первых, используемая смесительная машина не даёт возможности добиться оптимальной влажности смеси, влияющей на процесс прессования и схватывания частиц смеси между собой; во-вторых, испытаниями на прочность установлено, что при должной настройке технологии изготовления существует возможность получения высокопрочных кирпичей с значениями прочности до 690 кгс/см2.
В табл. 3 также представлены результаты испытаний стандартных кирпичей ФШБК с разными температурными режимами сушки, которые показывают некоторое снижение прочности образцов. высушенных при более низкой температуре (200-300°С). Что касается опытных кирпичей, здесь среднее значение прочности ниже, чем у ФШБК. Однако, как показывает практика, такой показатель прочности опытных кирпичей более чем достаточен для использования их при футеровке. Например, для шамота, традиционно используемого в металлургии, среднее значение прочности составляет менее 390 кгс/см2.
Несмотря на столь высокие показатели прочности ФШБК, технология его производства обладает рядом недостатков, а именно длительностью и высокой температурой процесса упрочняющей сушки. При этом главным недостатком является применение в качестве связующего жидкого стекла, затраты на которое в себестоимости готовой продукции составляют более 58%.
Испытания огнеупорных кирпичей были проведены на ковшах печи №39. Футеровка ковша (№ 3-3) выполнена следующим образом:
Первый слой (замена ФШБК) выполняли из опытных кирпичей. Кирпичи устанавливались вертикально с затиркой швов огнеупорной глиной. Второй слой (рабочий) выкладывался из шамотного кирпича марки ШБ-5 с аналогичной затиркой швов глиной. В общей сложности на футеровку ковша было израсходовано 240 шт. опытного и 230 шт. шамотного кирпича. По завершении футерования ковш подвергли огневой сушке в течение 1,5-2 ч.
Эксплуатацию ковша начали с плавки № 390350. После выпуска и разливки расплава при визуальном осмотре футеровка не подверглась разрушению под воздействием тепловой нагрузки и химической эрозии. Было принято решение продолжить эксплуатацию данного ковша до полного износа рабочего слоя футеровки. На выпуск плавки № 390352 шамотные кирпичи носка ковша были заменены опытными кирпичами. Носок ковша поверх кирпичей заправлялся песком. После разливки металла было проверено состояние кирпичей носка ковша, проверка показала, что разрушения и размывания кирпичей не произошло. В этом состоянии ковш использовался в общей сложности на 9 плавках, после которых требовалась замена рабочего слоя футеровки. После перефутеровки рабочего слоя ковш использовался ещё в течение трех плавок. На третьей плавке было замечено покраснение кожуха ковша под носком. Это связано с тем, что при выкладке шамотного слоя в этом районе было допущено нарушение целостности футеровки, зазор между кирпичами составлял 30 мм, вследствие этого произошло проникновение расплава во внутренний слой футеровки. Эксплуатация ковша 3 -3 с футеровкой из опытного кирпича была приостановлена.
Дальнейшее испытание опытного кирпича осуществлялось на футеровке ковша № 3-6 в аналогичных условиях, что и ковш № 3-3. Необходимо отметить, что рабочий (шамотный) слой футеровки в среднем по данным цеха изнашивается в течение 8 плавок и под выпуск расплава обычно ковши чередуют. В нашем же случае были моменты, когда под выпуск непрерывно использовался экспериментальный ковш (№3-3), футеровка ковша выдержала 9 выпусков, что соразмерно с текущими показателями.
В следующий опытный период рабочий слой футеровки ковша №3-6 выдержал 17 выпусков, слой из опытного кирпича не разрушился, общее количество расплава, разлитого с помощью экспериментального ковша, составило 67,2 т. Это говорит о том, что кирпичи, изготовленные из смеси шлака и пыли газоочистки ПЦ №1, в полной мере могут заменить кирпичи марки ФШБК, используемые в настоящее время.
Дополнительно для определения взаимодействия опытного огнеупорного кирпича с металлическим и шлаковым расплавом и возможности использования его при футеровке летки печи № 39 был проведён очередной эксперимент. После планового профилактического ремонта лоток печи № 39 зафутеровали в два слоя, нижний слой был выложен из шамотного кирпича, верхний - рабочий слой из опытного кирпича. Футеровка верхнего слоя оставалась в рабочем состоянии в течение трех смен, при этом было проведено 8 выпусков металла и шлака. При обычной схеме футерования летки печи футеровка выдерживает до 10 выпусков с учетом того, что оба слоя выкладываются шамотным кирпичом. В этом случае имеется принципиальная возможность по замене импортного дорогостоящего шамотного кирпича на экспериментальный кирпич из рукавной пыли и шлака ПЦ №1,
что, естественно, отразится на себестоимости выпускаемой продукции. С другой стороны, этот факт еще раз подтверждает возможность полной замены кирпича марки ФШБК на огнеупоры из пыли газоочистки при футеровке ковшей.
Технология производства огнеупорного кирпича после этих испытаний и приобретения смешивающих бегунов была принята в производство на постоянной основе. Состав смеси - 50% молотого шлака производства высокоуглеродистого феррохрома до фракции 0-1 мм, 50% рукавной пыли от системы газоочистки плавильного цеха №1. Сушка после прессования 150-300°С. Размеры кирпичей 230х115х65. Основными свойствами огнеупорных изделий являются:
- пористость открытая 21%;
- водопоглощение 6,5%;
- плотность 2,74 г/см3;
- предел прочности при сжатии 18 Н/мм2;
- огнеупорность >1770 °С.
Себестоимость производства ниже закупочной цены стандартного шамотного кирпича марки ШБ-5 в 5-8 раз. Чистая прибыль от реализации проекта - 150 долл. США на одной тонне. Рынки сбыта на территории РК и стран СНГ - литейные цеха, заводы черной и цветной металлургии, теплоагрегаты ТЭЦ, строительная индустрия (печь обжига цемента, керамзита), котельные печи.
Список литературы
1. Переработка мелкозернистых отходов металлургического производства с получением гранулированного чугуна и извлечением цинка / Панишев Н.В., Бигеев В.А., Черняев А.А., Пантелеев А.В. // Теория и технология металлургического производства. 2014. № 2(15). С. 101-105.
2. Панишев Н.В., Бигеев В.А., Черняев А.А. Переработка мелкозернистых отходов металлургического производства с получением гранулированного чугуна и извлечением цинка // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2013. №4. С. 26-29.
3. Бигеев В.А., Черняев А.А., Пантелеев А.В. Исследование двухстадийного способа переработки пылей и шламов с помощью математических моделей // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2014. №3. С. 48-52.
4. Металлизация доменных шламов с удалением цинка / Ники-фиров Б.А., Бигеев В.А., Сибагатуллин С.К., Панишев Н.В., Ушеров А.И., Пантелеев А.В. // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2005. №2. С. 23-25.
5. Лапкина Ю.В., Никулина Л.Б. Свойства и способы переработки шлаков углеродистого феррохрома // Сталь. 1976. №6. С. 522524.
6. Чебуков М.Ф., Пьячев В.А., Мейке В.Е .Изучение возможности использования феррохромового шлака в качестве сырья для производства портландцемента // Труды Уральского НИИ чер. мет. 1973. Т.17. С. 136-143.
7. Шевченко В.Ф. Состояние переработки, утилизации и классификации отходов ферросплавного производства // Металлургическая и горнорудная промышленность. 2002. №6.
8. Лапкина Ю.В., Грабеклис А.А., Сучильников С.И. Исследование новых способов переработки и использования шлаков ферросплавного производства // Комплексная переработка и полное использование шлаков черной металлургии и перевод металлургических предприятий на работу без шлаковых отвалов. 1971. С.49-55.
9. Невский Р.А., Бабенко В.Т., Лапкина Ю.В. О состоянии переработки шлаков ферросплавного производства и перспективах перевода предприятий на работу без шлаковых отвалов // Комплексная переработка и полное использование шлаков
черной металлургии и перевод металлургических предприятий на работу без шлаковых отвалов. 1971. С.40-44.
10. Разработка технологии комплексной переработки отвальных шлаков ферросплавного производства / Смирнов Л.А., Сорокин Ю.В., Демин Б.Л. и др. // Сталь. 2008. №6.
11. Применение феррохромового шлака для упрочнения формовочной песчаной смеси с применением силиката натрия в качестве связующего. Ferro-chrome slag as hardener for sodium silicate bonded sand. Sin-Tiababu S, K., Sinha S. K,, Rao G, N. «NML Techn. J.», 1977, 19, № 3-4, 58-60 (англ.).
Сведения об авторах
Избембетов Джубатхан Джумаханович - канд. техн. наук, проф. кафедры металлургии черных металлов, Актюбин-ский региональный государственный университет им. К.Жубанова, г.Актобе, Республика Казахстан. Тел.: 8(7132)54-06-19. Email: [email protected]
Амангельдиев Нурлан Маратович - магистрант каф. металлургии черных металлов института металлургии, машиностроения и материалообработки, ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова». E-mail: [email protected]
Зупаров Нурсултан Сандыбаевич - магистрант каф. металлургии черных металлов института металлургии, машиностроения и материалообработки, ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова». E-mail: [email protected]
INFORMATION ABOUT THE PAPER IN ENGLISH
DEVELOPMENT OF TECHNOLOGY FOR PRODUCTION OF REFRACTORY PRODUCTS FROM THE HOSE FUME AND HIGH-CARBON FERROCHROME SLAGS
Izbembetov Dzhubathan Dzhumahanovich - Ph.D., Professor, Zhubanov Aktobe Regional State University, Aktobe, Kazakhstan. Phone: 8(7132)54-06-19. E-mail: [email protected]
Amangeldiyev Nurlan Maratovich - Undergraduate Student, Nosov Magnitogorsk State Technical University. E-mail: [email protected]
Zuparov Nursultan Sandybaevich - Undergraduate Student, Nosov Magnitogorsk State Technical University. E-mail: [email protected]
Abstract. Disposal of waste ferrochrome production in the conditions of the Aktobe ferroalloys plant. The manufacturing of refractory products is recomended from bag hose fume and dross of the production of high-carbon ferrochrome. The technology for production of refractory bricks in the melt department №1 Aktobe ferroalloys factory and the results achieved.
Keywords: dust scrubbing, dross, high-carbon ferrochrome, refractory, liquid glass.
УДК 669.292.3 : 669.054.82 Махоткина Е.С., Шубина М.В.
ШЛАКИ ПРОЦЕССА ПРЯМОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ ЖЕЛЕЗА КАК ИСТОЧНИК ПОЛУЧЕНИЯ ВАНАДИЯ И ТИТАНА
Аннотация. В связи с образованием значительного количества отходов в виде шлака с существенным содержанием дорогостоящих и промышленно-востребованных металлов актуальной является задача использования вторичных ресурсов для получения ценных компонентов. В статье рассмотрена возможность извлечения ванадия и титана из шлаков прямого восстановления железа из титаномагнетитов.
Проанализировано влияние на степень извлечения температуры обжига, добавки окислителей, вида и количества щелочных добавок, температуры и длительности выщелачивания. Исследованы реагенты, позволяющие получать раствори-
© Махоткина Е.С., Шубина М.В., 2015
