CC BY
106
АГГГ^ г: г^пштггг /7
-4 (77), 2014 / Ш
ПРОИЗВОДСТВО
УДК 621.745 Поступила 09.09.2014
С. Л. РОВИН, УП «ТЕХНОЛИТ»
ВЛИЯНИЕ ДИСПЕРСНОСТИ МАТЕРИАЛОВ НА СКОРОСТИ ПРОЦЕССОВ ТВЕРДОФАЗНОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ
При восстановлении металлоотходов масштабный фактор влияет на интенсивность осуществления окислительно-восстановительных реакций. Проведение рециклинга в динамических слоях дисперсных материалов существенно ускоряет процесс твердофазного восстановления по сравнению с восстановлением кусковых компонентов.
At recovery of metal discard the scale factor influences intensity of realization of oxidation-reduction reactions. Carrying out of recycling in dynamic layers of disperse materials accelerates significantly the process ofsolid-phase restoration in comparison with recovery of lump components.
Утилизация путем повторного применения в производстве техногенных отходов - задача, актуальность которой в современных условиях постоянно возрастает. Для Республики Беларусь из этой общей проблемы особой значимостью выделяется рециклинг металлоотходов . Объемы образующихся в стране ежегодно отходов, содержащих металлы, соизмеримы с объемами импорта металлопродукции . Накопленные в отвалах металлоот-ходы составляют сегодня миллионы тонн
Сдерживает развитие рециклинга металлов, прежде всего черных, недостаточно развитая научно-техническая база этого сложного многостадийного процесса, начиная с исходных сведений о материале
Металлоотходы - это продукты различных технологических процессов или длительной эксплуатации металлоизделий . Если последние, так называемый кусковой металлолом, уже давно превратились из отходов в ценное сырье и продукт импорта-экспорта, то технологические отходы продолжают накапливаться, несмотря на усилия, предпринимаемые во всем мире по их утилизации К их числу относятся прежде всего дисперсные материалы, стружка, мелкая обрезь и другие продукты обработки металлов, окалина, абразивная и аспирационная пыль, шламы, шлаки и т. п . За исключением продуктов обработки резанием, прочие материалы представляют собой оксиды и другие соединения и при рециклинге требуют восстановления и извлечения основного металла из соединений с последующим его рафинированием .
Так как переработка кускового плотного лома успешно реализуется в традиционных плавильных
агрегатах: вагранках, дуговых и индукционных печах, то и дисперсные материалы настойчиво пытаются преобразовать в кусковые с помощью брикетирования, окатывания, окомковывания
Надо отметить, что с проблемой восстановления дисперсных отходов со второй половины прошлого века столкнулись и металлурги, решая задачу прямого (внедоменного) восстановления железной руды . Это перспективное направление развивается высокими темпами и в настоящее время уже обеспечивает получение около 10% мирового производства железа
По технологии, сходной с производством агломерата, из руды путем ее дробления, обогащения, размалывания, смешивания с добавками и связующими, изготавливаются окатыши, которые затем в установках различного типа восстанавливают до губчатого железа. В некоторых случаях шихту доводят до стадии жидкофазного восстановления с получением железоуглеродистого сплава .
И при изготовлении брикетов, и при производстве металлизованных окатышей было замечено влияние масштабного фактора на эффективность производства: чем меньше размеры элементов или чем выше отношение абсолютных значений площади и объема (/7у), чем более развитая поверхность элемента, тем выше производительность установки Увеличение скорости процесса фиксировалось в изотермической зоне, что исключает влияние конвекции
Со времени начала производства железорудных окатышей размеры их значительно уменьшились: от ~30-60 до 10-13 мм, хотя и сейчас отдельные ГОК производят окатыши диаметром 20-
8/
¿ггггггг: кътжпъ
4 (77), 2014-
Прокатная окалина до и после восстановления: а - поперечное сечение частички окалины до восстановления . х300; б - частичка окалины после восстановления . х50
40 мм . Более мелкие окатыши обеспечивают увеличение производительности печей примерно в 1,31,5 раза .
Исследования механизма восстановления оксидов и других соединений железа (нитридов, сульфидов, сложных минералов), которые выполнялись в лабораторных условиях на высоко- и ультрадисперсной пыли (< 1 • 10-6 м), выявили ряд закономерностей в протекании массообменных процессов . Это, прежде всего, непропорциональное увеличение скорости восстановления оксидов вплоть до взрыва Экспоненциальный рост скорости реакции наблюдается в диапазоне температур 900-1200 °С при стехиометрическом или избыточном (по восстановителю) составе смеси оксидов (вюстит и магнетит) и графита . Аналогичные данные были получены в работе [1] на конвертерных шламах
При переходе к образцам массой 50-100 г, когда естественным замедляющим фактором является массообмен в плотном слое, скорость восстановления составляла уже 10-20 мин, что, тем не менее, примерно на порядок меньше, чем при восстановлении окатышей или агломерата в слое
Интересно отметить, что в работе [2] приведены близкие по значению к указанным скорости восстановления окатышей (~10 мм) в монослое в печи с вращающимся подом на установке ITmk3 на опытном заводе компании «Kobe Steel» (Япония) . Однако авторы не дают каких-либо объяснений такому значительному росту скорости процесса
Эксперименты, проведенные в аналогичных условиях на прокатной окалине с различными восстановителями (графит, кокс, лигнин), подтвердили высокую скорость металлизации Состав газов на выходе из слоя также отличался от равновесно-
го в сторону увеличения СО2 . Это связано не только с дисперсностью частиц окалины, но и с высокой неоднородностью их поверхности (что было выявлено в процессе исследований), наличием рыхлот, пор (в том числе сквозных), различных соединений оксидов железа, кремния, кальция и др . (см рисунок)
Такое состояние материала приводит к многократному увеличению удельной площади поверхности частицы и соответственно контакта с газовыми реагентами
Для выявления различий в свойствах материалов в зависимости от масштабного фактора были отобраны образцы аспирационной пыли от различных сталеплавильных агрегатов . Образцы пыли разделяли на фракции вплоть до 0,01 мкм (1-10-8 м), определяли химический состав, физические свойства и реакционную способность
Было установлено, что, начиная с размеров й < 1-10-6 м, наблюдается изменение ряда характеристик компонентов фракций Так, магнитная проницаемость наиболее мелких фракций изменяется на порядок, снижается в 2-3 раза удельное электросопротивление, возрастают адгезионные силы и др . Резко увеличилась реакционная способность . Можно в связи с этим отметить и такой известный факт, как самовозгорание сталеплавильной аспи-рационной пыли, уловленной в фильтрах при хранении на воздухе, причем возгорание может иметь место даже при отрицательных температурах окружающей среды
Изменение физико-химических свойств материала при ультрадисперсном дроблении, очевидно, связано с изменением строения частиц, в частности, с образованием кластеров, имеющих упорядоченную кристаллическую структуру с четко выраженной анизотропией . При этом процессы
б
а
переноса и соответственно осуществления окислительно-восстановительных реакций будут также существенно изменяться . В частности, этим можно объяснить отмеченное рядом исследователей [1] отклонение от расчетных по реакции Будуара значений в составе газов при восстановлении металлургических шламов .
В металлургической практике неоднократно делались попытки использовать данный эффект при прямом получении железа из руды и реци-клинге металлоотходов . Это известные установки HYL, FЮR и др . Однако сложные системы подготовки стехиометрических высокодисперсных смесей и жесткие требования по безопасности при работе с такими смесями и ее компонентами, например, угольной пылью, до настоящего времени препятствуют выходу таких методов и установок за пределы опытно-промышленных
В то же время, учитывая специфику малотоннажного и рассредоточенного образования мета-лооотходов в нашей стране с ее развитым машиностроением, можно использовать этот эффект при создании интенсивных способов и устройств для рециклинга дисперсных металлосодержащих отходов
В соответствии с СТБ 2026-2010, который действует в настоящее время в Республике Беларусь, все отходы черных металлов, в том числе стружка, делятся на два класса: стальной и чугунный металлолом, и на отходы вне класса, к которым относятся окалина, сварочный шлак (шлак, образующийся в нагревательных печах), проржавленная чугунная и стальная стружка, а также нерассорти-рованный металлолом . При этом металлургические шлаки, металлосодержащая аспирационная пыль и шламы вообще не рассматриваются указанным стандартом и соответственно не учитываются и не включаются в металлооборот Все виды стального и чугунного металлолома, согласно приведенным в стандарте рекомендациям, подле-
/:г:ттгпг: кгтштгггг /о
-а (77), 201а I
жат переработке в традиционных плавильных агрегатах: вагранках, дуговых и индукционных печах, а отходы «вне класса» - в доменных печах . В то же время с точки зрения переработки целесообразно все металлоотходы разделить на три группы, в качестве главного критерия, приняв масштабный фактор: крупный плотный кусковой лом; дисперсные отходы с размерами от 0,1-0,5 до 1020 мм (окалина, стружка, мелкий скрап, высечка, дробь, гранулы, омагничиваемый отсев переработки шлака и т п ); высоко- и ультрадисперсные отходы (пыли и шламы) Попытки использовать для переработки дисперсных отходов традиционные плавильные агрегаты не учитывают технологических особенностей таких материалов и приводят к снижению параметров плавки и ухудшению качества металла, большим потерям на угар и в шлак
Переработка таких отходов без предварительной подготовки возможна при использовании нового типа плавильных агрегатов - ротационных наклоняющихся печей (РНП) . Опытно-промышленная проверка такой технологии на специально разработанных для этой цели установках показала высокую эффективность и перспективность РНП Так, процесс восстановления прокатной окалины с использованием в качестве восстановителей углеродсодержащих отходов при проведении экспериментальных плавок на Белорусском металлургическом заводе потребовал менее 3 ч против 20-35 ч в традиционных установках прямого восстановления (в твердой фазе) Нагрев стружки до температуры 700-800 °С в печи емкостью 2 т на ОАО «ГЛЗ «ЦЕНТРОЛИТ» занимает 12-15 мин при термическом к . п . д . 49-51%, а процесс переплава стружки составляет 35-45 мин
Разработанная технология и оборудование могут служить основой для создания развитой сети малотоннажного рециклинга железосодержащих отходов на машиностроительных и металлургических предприятиях
Литература
1.Т л е у г а б у л о в С . М. , Т л е г е н о в а А . М . , Г р и г о р о в а О .А . Физико-химическое исследование твердофазного восстановления и процесса извлечения металлов из дисперсного сырья // Тр . междунар. науч. -практ. конф . «Научно-технический прогресс в металлургии» . Темиртау, 2003 . С . 229-239.
2 . K i k u c h i S . , I t o S . , K o b a y a s h i I . ITmk3 Process // Kobelco Technology Review. Vol . 12 . 2010 . N 29 . P. 77-84.
3 . Р о в и н С .Л. , Р о в и н Л . Е . Процессы жидкофазного восстановления окалины в ротационных печах // Литье и металлургия . 2012 . № 3 .С . 11-20 .
