CC BY
152
РЕСУРСО- И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ В ЧЕРНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ
УДК 669.054.82:666.76
Избембетов Д.Д., Зупаров Н.С., Исмаилов Н.Е., Амангельдиев Н.М., Байдимиров М.А.
УТИЛИЗАЦИЯ ШЛАКОВ ВЫСОКОУГЛЕРОДИСТОГО ФЕРРОХРОМА
Аннотация. Предлагается использование шлаков высокоуглеродистого феррохрома в качестве огнеупорных материалов.
Ключевые слова: пыль газоочистки, шлак высокоуглеродистого феррохрома, огнеупор, жидкое стекло.
Проблеме утилизации техногенных отходов ферросплавного производства посвящен целый ряд исследований [1-4]. Ниже приводятся результаты лабораторных и промышленных исследований по оценке возможности использования шлаков и пыли в качестве огнеупорных материалов.
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. В лабораторных испытаниях использовалась сухая пыль газоочистки от печей, производящих углеродистый феррохром. Средний химический состав выглядит следующим образом, %: С^э - 17,33; С - 4,02; SiO2 - 13,54; MgO - 44,86.
В качестве связующего использовалось жидкое стекло с расходом 5% от массы пыли. Смешивание жидкого стекла и пыли производилось в течение 10 мин в смесительной машине С2Р-800-НУР. Далее изготавливались брикеты на прессе ИП-1000 с пресс-формой размерами 100х100х49 мм. Прессование осуществлялось с усилием 375 кН. Сырые брикеты имели прочность в пределах 49,43-54,52 кгс/см2
Полученные образцы подвергались термообработке в сушильном шкафу с постепенным нагревом и выдержкой в течение двух часов при температурах 300°С и 1000°С и последующим естественным охлаждением до комнатной температуры.
Образцы, испытанные при температуре 300°С, сохранили форму без дефектов и трещин. Образцы из второй группы также выдержали форму. Внешняя часть покрыта мелкими порами.
Образцы из первой группы имели среднюю прочность 190 кгс/см2, а прочность из второй группы составила 103 кгс/см2.
При высокотемпературной обработке выделялось жидкое стекло в виде расплавленной массы на рабочей поверхности плит печи для термообработки.
Следующая серия опытов проводилась без использования жидкого стекла. Методика опытов была
© Избембетов Д.Д., Зупаров Н.С., Исмаилов Н.Е., Амангельдиев Н.М., Байдимиров М.А., 2016
аналогичной первой серии. В качестве связующего применялась вода в количестве 5% от массы пыли. Образцы после термообработки не изменили форму, имели плотную структуру без пор с мелкими трещинами.
Прочность образцов при низкой температуре обработки составила в среднем 190 кгс/см2, высокотемпературная обработка позволила получить среднюю прочность образцов 141 кгс/см2.
Пробные лабораторные опыты показали принципиальную возможность упрочнения изделий из пыли без использования жидкого стекла.
После этих опытов приступили к изготовлению промышленных партий огнеупорных кирпичей на опытном участке. В качестве исходных материалов для изготовления кирпичей применялся тонкомолотый шлак от производства высокоуглеродистого феррохрома и пыль газоочистки от печей, производящих высокоуглеродистый феррохром.
Рабочая смесь подготавливалась в смесительной машине С2Р-800-НУР с последующей добавкой связующего материала (воды), прессование осуществлялось на прессе СМ1085А. Общая масса на один замес составляла 700 кг.
В ходе работы производилась отработка параметров по расходу воды, времени смешения, выбору высоты камер стола пресса и крупности молотого шлака.
Опытные образцы кирпичей сушились при температуре 200-300оС с длительностью выдержки в течение 15 ч.
После завершения процесса сушки и остывания были отобраны образцы кирпича для испытания их на прочность при сжатии. Для сравнения были отобраны кирпичи, изготовленные с использованием жидкого стекла. Испытания проводились с применением пресса ИП-1000. Результаты испытаний представлены в таблице.
Как видно из таблицы, результаты испытаний имеют неоднозначный характер. Широкий предел по прочности объясняется настройкой технологии и подбором влажности смеси.
Результаты испытания на прочность опытной партии огнеупорных кирпичей
Вариант технологии Масса кирпича, кг Размеры образцов, см Площадь сечения, см2 Предел прочности при сжатии кгс/см2
Опытный 3,1-3,9 12х8х10 -12х12,5х10 96 - 150 35 - 690
Обычный 4,2-4,6 12х10х10 - 12х12х10 111 - 144 347 - 769
В таблице также представлены результаты испытаний обычных кирпичей с разными температурными режимами сушки (200-300оС). Опытные кирпичи имели прочность ниже, чем у обычных. Однако, как показывает практика, представленный 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 сравнительных кирпичей на жидком стекле, технология их производства обладает рядом недостатков, такими как высокая длительность и повышенная температура 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 опытных огнеупорных кирпичей были проведены на реальных ковшах действующего производства. Первый слой (внешний от расплава) 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.
Эксплуатация ковшей показала, что не наблюдается активное разрушение под воздействием тепловой нагрузки и химической эрозии. Носок ковша поверх кирпичей заправлялся песком. После разливки металла было проверено состояние кирпичей носка ковша. Проверка показала, что разрушение и размывание 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 с футеровкой из опытного кирпича была приостановлена.
Дальнейшее испытание опытного кирпича осуществлялось на другой футеровке ковша в аналогичных условиях. 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, футеровка ковша выдержала 9 выпусков, что соразмерно с текущими показателями.
В следующий опытный период рабочий слой футеровки ковша 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, в полной мере могут быть приняты к эксплуатации в производственных условиях.
Дополнительно для определения взаимодействия опытного огнеупорного кирпича с металлическим и шлаковым расплавом и возможности использования его при футеровке летки печи был проведён очередной эксперимент. После планового профилактического ремонта лоток печи 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 футеровки летки печи стойкость их составляет 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, что, естественно, отразится на себестоимости выпускаемой продукции. С другой стороны, этот факт еще раз подтверждает возможность полной замены обычных кирпичей 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. Размеры кирпичей 230х115х65. Основными свойствами огнеупорных изделий являются следующие:
- 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),
РЕСУРСО- И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ В ЧЕРНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ
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 / Никифиров 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 // Тез. докл. Всесоюз. совещ. «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 // Тез. докл. Всесоюз. совещ. «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-chromeslagashardenerforsodiumsilicatebondedsand. 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, Актюбинский региональный государственный университет им. К.Жубанова, г. Актобе, Республика Казахстан. Тел.: 8(7132)54-06-19. E-mail: info@arsu.kz.
Зупаров Нурсултан Сандыбаевич - магистрант кафедры металлургии черных металлов института металлургии, машиностроения и материалообработки, ФГБОУ ВО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова», Магнитогорск, Россия. E-mail: nursik.007@mail.ru.
Исмаилов Нурдаулет Еркинбекулы - магистрант кафедры металлургии и литейного производства, ФГБОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет», Челябинск, Россия. E-mail: nurdik@bk.ru.
Амангельдиев Нурлан Маратович - магистрант кафедры металлургии черных металлов института металлургии, машиностроения и материалообработки, ФГБОУ ВО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова», Магнитогорск, Россия. E-mail: nurik-9393@mail.ru.
Байдимиров Мурат Акбулатович - магистрант кафедры металлургии и литейного производства, ФГБОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет», Челябинск, Россия. E-mail: mur_murych@mail.ru.
INFORMATION ABOUT THE PAPER IN ENGLISH
SLAG RECYCLING HIGH-CARBON FERROCHROME
Izbembetov Dzhubathan Dzhumahanovich - Ph.D., Professor of ferrous metallurgy department, Zhubanov Aktobe Regional State University, Aktobe, Kazakhstan. Phone: 8(7132)54-06-19. E-mail: info@arsu.kz.
Zuparov Nursultan Sandybaevich - undergraduate student of ferrous metallurgy department of the Institute of metallurgy, machine building and material processing , Nosov Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk, Russia. E-mail: nursik.007@mail.ru.
Ismailov Nurdaulet Erkinbekuly - undergraduate student of ferrous metallurgy and foundry department, South Ural State University, Chelyabinsk, Russia. E-mail: nurdik@bk.ru.
Amangeldiyev Nurlan Maratovich - undergraduate student of ferrous metallurgy department of the Institute of metallurgy, machine building and material processing , Nosov Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk, Russia. E-mail: nurik-9393@mail.ru.
Baydimirov Murat Akbulatovich - undergraduate student of ferrous metallurgy and foundry department, South Ural State University, Chelyabinsk, Russia. E-mail: mur_murych@mail.ru.
Abstract. The usage of high-carbon ferrochromium slag as refractory materials.
Keywords: Dust and gas purification, high-carbon ferrochrome slag, refractory, liquid glass.
♦ ♦ ♦
УДК 669.054.83:621.928.8
Шатохин И.М., Бигеев В.А., Кузьмин В.Л., Черняев А.А., Амангельдиев Н.М., Зупаров Н.С.
ТЕХНОЛОГИЯ РАЗДЕЛЕНИЯ ПРОДУКТОВ КОМПЛЕКСНОЙ ПЕРЕРАБОТКИ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ШЛАКОВ И ШЛАМОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МАГНИТНОЙ СЕПАРАЦИИ
Аннотация. Металлургические отходы в виде шлаков и железоцинксодержащих шламов и пылей можно отнести к техногенному железорудному сырью, Их утилизация позволит снизить потребление природных ресурсов. Кроме того, дополнительную прибыль от переработки этих отходов можно получить благодаря наличию в них цинка. Для этого предлагается использовать технологию переработки, при которой помимо восстановления железа происходит эффективное улавливание паров цинка.
Ключевые слова: цинксодержащие материалы, шлак, шлам, пыль, магнитная сепарация, корольки, оксидный магнитный продукт, немагнитный продукт.
Актуальность утилизации отходов черной и цветной металлургии безусловна. При этом существующие и предлагаемые способы не обеспечивают в полной мере решение существующих проблем. Особые трудности имеются при переработке шламов и пылей, уловленных в доменном и сталеплавильном производствах. Во-первых, в них имеется значительное содержание цинка (от 0,8 до 10% и более), что серьезно затрудняет утилизацию этих материалов в доменных печах. Во-вторых, шламы и пыли плохо окусковываются и при дальнейшей переработке активно разрушаются, особенно в восстановительных условиях [1-3].
Процессы восстановления цинксодержащих материалов можно описать следующими реакциями: Fe2Oз + С = 2FeO + СО Fe2Oз + СО = 2FeO + СО2 FeO + С = Fe + СО FeO + СО = Fe + СО2 ZnO + СО = Zn + СО2 ZnO + С = Zn + СО В Магнитогорске на протяжении ряда лет проводят совместные исследования коллективы НТПФ «Эталон» и кафедры металлургии черных металлов ФГБОУ ВО «Магнитогорский государственный университет им. Г.И.Носова». В данном направлении предлагается совместная комплексная утилизация шлаков и шламов доменного и сталеплавильного производств. Здесь можно выделить два принципиальных момента [4, 5]:
- во-первых, используется физическое тепло доменных или конвертерных шлаков. Это позволяет в
© Шатохин И.М., Бигеев В.А., Кузьмин В.Л., Черняев А.А., Амангельдиев Н.М., Зупаров Н.С., 2016
полтора-два раза уменьшить общий расход условного топлива;
- во-вторых, основные химические реакции и тепловые процессы осуществляются в оригинальных погружных реакторах с внутренним разряжением. Таким образом обеспечивается слой вспененного шлака, эффективно ассимилирующий пылевидные частицы шламовой моношихты. Кроме того, создаются благоприятные условия для испарения восстановленного цинка, сдвигается равновесие соответствующей реакции.
Возможны два варианта реализации технологий, в первом случае используется жидкая фаза в шлаковом ковше (чаше), во втором - создается специальный подовый агрегат. Первый вариант привлекает своей простотой, но потребует обязательной полномасштабной переработки шлака с разделением продуктов процесса. Второй обеспечит разделение продуктов по ходу процессов, но потребует гораздо больших капитальных затрат [6-12].
Более подробно остановимся на первом варианте. Проведенные расчеты для условий ОАО «ММК» показали перспективу предлагаемой технологии в сравнении, например с процессом «Ромелт» (см. таблицу).
Предварительный анализ показывает, что, в нашем случае степень восстановления железа может колебаться примерно от 50 до 90%. Восстановление и испарение цинка превысит 95%. Образующийся металл будет иметь химический состав, соответствующий чугуну. Выявлены явные преимущества удельной энергоёмкости металлопродукции в предлагаемом процессе. Так, расход условного топлива вдвое ниже, чем в процессе «Ромелт», а также в качестве дутья применяется не обогащенный кислородом воздух.
