CC BY
129
УДК 669
Е.С. Махоткина
канд. техн. наук, доцент, кафедра физической химии и химической технологии, ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова»
О.С. Пономарева
канд. пед. наук, доцент, кафедра менеджмента, ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова»
УТИЛИЗАЦИЯ ОТХОДОВ ПРОИЗВОДСТВА ВТОРИЧНОГО АЛЮМИНИЯ В ДОМЕННОЙ ПЕЧИ ПРИ ВЫПЛАВКЕ ГЛИНОЗЕМИСТЫХ ШЛАКОВ (ИЗ БОКСИТОВ)
Аннотация. В статье рассмотрена возможность частичной замены боксита в шихте производства высокоглиноземистых шлаков доменным способом на отходы производства вторичного алюминия.
Ключевые слова: доменная печь, отходы вторичного алюминия, бокситы, глиноземистые шлаки.
E.S. Makhotkina, Nosov Magnitogorsk state technical university
O.S. Ponomareva, Nosov Magnitogorsk state technical university
SECONDARY ALUMINIUM PRODUCTION RECYCLING IN BLAST FURNACE SMELTING SLAG
GLINOZEMISTYH (BAUXITE)
Abstract. The paper considers the possibility of partial substitution of bauxite in the charge of vysokoglinozemistyh slag blast way to waste the production of secondary aluminium.
Keywords: blast furnace, waste is recycled aluminum, bauxite, glinozemistye slag.
Ежегодно в России при плавке вторичного алюминия образуется 300-400 тыс. т шлаков. Эти шлаки перерабатываются с целью извлечения металлического алюминия. При этом остаются тонкодисперсные отходы, которые складируются в отвалы из-за отсутствия рациональной технологии утилизации. Таких отходов только на Урале, по официальной статистике, скопилось почти 2,5 млн т. Это наносит экологический вред окружающей среде и экономический ущерб России за счет отчуждения больших площадей и потерь ценного минерального сырья.
Отходы производства вторичного алюминия содержат 50-60% оксида алюминия, поэтому наиболее рациональным способом использования этих отходов представляется введение их в состав материалов плавки при производстве глиноземистых шлаков доменным способом. Глиноземистые шлаки являются основным сырьем для получения цемента с особыми свойствами.
Важнейшим глиноземсодержащим сырьевым компонентом в производстве глиноземистого шлака (цемента) являются бокситы - алюминиевые руды, состоящие из коллоидных минеральных частиц. Общие запасы бокситов оцениваются в 70 млрд т. Годовая добыча бокситов в России в конце ХХ в. составляла 4 млн т и только 5% их объема используют для производства электрокорунда, высокоглиноземистых огнеупоров, глиноземистого цемента, синтетических шлаков и продуктов химической промышленности.
Высокоглиноземистые шлаки должны соответствовать следующим требованиям: иметь состав, обеспечивающий ровный ход доменной печи; содержать Al2O3 не менее 37%, а кремнезема - не более 10%. Качество шлака как исходного сырья для приготовления цемента определяется его химическим составом и кристаллической структурой. Основные компоненты глиноземистого шлака, полученного способом доменной плавки боксита, приведены в таблице 1. Там же (для сравнения) - состав шлака традиционной доменной плавки, нацеленной на получение чугуна как основного продукта [1-5]. Различия в химическом составе рассматриваемых шлаков и объясняют наличие уникальных свойств у глиноземистого цемента, для которого глиноземистый шлак является сырьем (многие авторы считают глиноземистый шлак не сырьем, а
практически готовым продуктом [1]).
Таблица 1 - Химические составы глиноземистого (бокситного) и доменного шлаков
Название АЬОз СаО бЮ2 МдО FeO тю2 Б
Глиноземистый шлак 44-50 40-43 7-12 1-3 0,2-0,5 0,3-0,8 0,7-1,0
Доменный шлак 6-22 38-48 38-42 2-12 1,0-1,5 - 0,5-1,5
Основные компоненты глиноземистого шлака - А1203, СаО, SiO2. Их сумма составляет 96-98%. Кроме того, в состав доменных глиноземистых шлаков, выплавляемых из североуральских бокситов, входят МдО, FeO, ТЮ2 и сера.
Авторами рассмотрена возможность частичной замены боксита в шихте производства высокоглиноземистых шлаков доменным способом на отходы производства вторичного алюминия (ОПВА). Значительная часть ОПВА представляет собой пыль газоочистки размером менее 0,1 мм (плотность 0,9-1,1 т/м3). Известно, что частицы таких размеров (0,3-0,08 мм) могут быть вынесены из доменной печи в больших количествах еще при загрузке [6, 7].
Для уменьшения потерь сырья, снижения пыления и улучшения технико-экономических показателей процесса в целом предусматривается потенциальная возможность вдувания ОПВА с пылеугольным топливом с одновременным увеличением температуры дутья до 13000С, для чего требуется современный воздухонагреватель.
Такое применение отходов производства вторичного алюминия не только может обеспечить утилизацию ОПВА в значительных масштабах, но и приведет к снижению потребления кокса на процесс, что будет способствовать снижению себестоимости глиноземистого цемента. Данные моделирования показывают, что с увеличением количества ОПВА снижается удельный расход кокса на процесс (рис. 1).
Масса ОПВА, кг
Рисунок 1 - Зависимость расхода кокса от количества ОПВА на 100 кг металлодобавки
Максимальное количество массы кокса соответствует процессу плавки без применения ОПВА. Наиболее выгодно применять ОПВА в количествах 40 и 50 кг на 100 кг металлического лома. Сдерживающим фактором применения такого количества ОПВА, однако, является повышенное пыление при загрузке ОПВА (в условиях эксперимента). К тому же, высокая степень замены боксита на ОПВА вызывает дальнейшее повышению температуры продуктов плавки, что нежелательно.
Высокоглиноземистый шлак тем больше насыщен газами, чем выше его температура.
При этом высокое содержание газов в цементном клинкере ведет к понижению механической прочности цементного камня [8]. Незначительное уменьшение выхода чугуна при применении ОПВА, по сравнению с традиционным процессом плавки бокситов, объясняется меньшим содержанием железа в отходах производства вторичного алюминия, по сравнению с бокситом (4,4% и ~12% соответственно).
С увеличением количества ОПВА в составе материалов плавки увеличивается и содержание глинозема в конечном шлаке, т.е. применение ОПВА позволяет получать качественный глиноземистый шлак с одновременной экономией дорогостоящего боксита.
Проведенные в свое время на Пашийском ЦМЗ опытные плавки показали, что применение ОПВА в качестве компонента шихты приводит к увеличению содержания в глиноземистом шлаке оксида алюминия с 44,6 до 47,3%. Установлено, что применение ОПВА в количестве 817,6% от неметаллической части шихты снижает расход кокса на процесс от 6 до 10%.
Экологическая обстановка при применении ОПВА не ухудшается. Анализ вод газоочистки печи показал, что около 80% хлоридов щелочных металлов, попадающих в доменную печь с ОПВА, переходит в воду. При использовании ОПВА в качестве постоянного компонента материалов плавки предлагается вдувание ОПВА в доменную печь через фурмы. Результаты математического моделирования показали, что применение ОПВА позволяет экономить боксит, кокс; получать качественные глиноземистые шлаки, не снижая выхода шлака.
Таким образом, использование ОПВА при производстве глиноземистых шлаков доменной плавкой бокситов является ресурсосберегающей технологией, позволяющей вовлечь в переработку техногенные месторождения, что ведет к снижению экологической нагрузки промышленных регионов.
Список литературы:
1. Кузнецова Т.В. Глиноземистый цемент / Т.В. Кузнецова, Й. Талабер. - М.: Стройиз-дат, 1988. - 272 с.: ил.
2. Рояк С.М. Специальные цементы: учеб. пособ. для вузов. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Стройиздат, 1983. - 279 с.
3. Белянкин Д.С. Петрография технического камня / Д.С. Белянкин, Б.В. Иванов, В.В. Лапин. - М.: Изд-во Аккад. наук СССР, 1952. - 583 с.
4. Основы теории и технологии доменной плавки / Дмитриев А.Н., Шумаков Н.С., Леонтьев Л.И., Онорин О.П. - Екатеринбург: УрО РАН, 2005. - 545 с.
5. Металлургия чугуна: учебник для вузов / под ред. Ю.С. Юсфина. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: ИКЦ «Академкнига», 2004. - 774 с.: ил.
6. Стефанович М.А. Анализ хода доменного процесса. - Свердловск: Металлургиздат, 1960. - 286 с.
7. Бабарыкин Н.Н. Теория и технология доменного процесса. - Магнитогорск: МГТУ, 2009. - 257 с.
8. Сокольский А.Д. Доменная плавка бокситов. - М.: Металлургия, 1969. - 72 с.
