Возможности использования плазменных технологий для переработки конвертерных шлаков Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 542.86; 691.5

П.С. Романов, И.П. Романова

ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПЛАЗМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ КОНВЕРТЕРНЫХ ШЛАКОВ

Московский государственный машиностроительный университет, Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет

Аннотация: Статья посвящена проблеме использования конвертерных шлаков в качестве вторичного сырья в металлургической и строительной промышленности. Описан химический состав конвертерных шлаков и возможные пути их применения. Рассматриваются возможности применения низкотемпературной плазмы для повышения эффективности магнитной сепарации.

Ключевые слова: металлургическая промышленность, конвертерные шлаки, низкотемпературная плазма, магнитная сепарация.

P.S. Romanov, I.P. Romanovа

THE POSSIBILITY OF USING PLASMA TECHNOLOGY FOR RECYCLING OF CONVERTER SLAG

Moscow State University of Mechanical Engineering, Moscow state university of civil engineering (National Research University)

Abstract. The article deals with the problem of using converter slag as secondary raw materials in the steel and construction industries. The chemical composition of the converter slag and possible ways of their application are described. Low temperature plasma application possibilities are being considered to improve the efficiency of magnetic separation.

Keywords: waste iron and steel industry, converter slag, low-temperature plasma, magnetic separation.

Рациональное использование минерального сырья на всех стадиях его добычи и переработки является одной из важнейших экономических и экологических задач. Разработка высокоэффективных ресурсосберегающих технологий предусматривает не только экономически оправданную полноту извлечения основных и сопутствующих эле-

ментов, но также переработку и использование техногенного сырья - шлаков металлургического производства.

Наибольший интерес для строительной индустрии представляют отходы металлургического производства, поскольку именно эта отрасль дает наибольшую долю вторичного сырья, используемого для

получения вяжущих материалов, заполнителей, бетонов [1-3].

На отечественных металлургических предприятиях для производства 1 тонны стали в технологический процесс вовлекается до 10 т природных ресурсов, поэтому образование твердых отходов на единицу производимой продукции в 2,5 раза выше, чем на аналогичных предприятиях в развитых странах, а в отвалах и хранилищах на территории России накоплено около 80 млрд. тонн твердых отходов. Вследствие чего население городов с развитой металлургией (в 8 городах России это более 3,7 млн. человек) проживает в зонах, в которых концентрация вредных веществ высокого класса опасности превышает ПДК в несколько раз

[4].

Из всего многообразия техногенных образований, получаемых в металлургическом производстве, основной объем - 80% от общего количества твердых промышленных отходов составляют шлаки. Средний уровень использования промышленных отходов по стране равен всего лишь 53%, а доля использования отходов производства в качестве вторичного сырья не превышает 11%. Наиболее широкое применение нашли доменные гранулированные шлаки, ко-

торые достаточно полно вовлечены в производство строительных материалов и изделий (производство портландцемента, местных и шлакощелочных вяжущих заполнителей бетонов, шлакощелочной пемзы, минеральной шлаковой ваты, шлакоситаллов, щебня и песка). В то же время, конвертерные шлаки, металлургические шламы, пыли и другие твердые побочные технологические продукты практически не используются.

Основу конвертерных шлаков составляют оксиды кремния SiО2 (7 - 18%), кальция СаО (40 - 55%), алюминия А12О3 (2 - 6%), железа FeО + Fe2Оз(12 - 28%), марганца MnO (13 - 14%) и магния MgO (6 - 10%), составляющие в сумме 90-98%. Кроме того, в конвертерном шлаке содержится металлическое железо (порядка 5 %), а также многочисленные микропримеси (титан, ванадий, хром, никель, медь, стронций, иттрий и др.) в количестве от тысячных до десятых долей процента. На сегодняшний день конвертерные шлаки используются в качестве добавки в шихту при производстве порт-ландцементного клинкера. Химический состав конвертерных шлаков качественно практически идентичен составу порт-ландцементного клинкера, однако в нем содержится слишком большое количество железа (табл. 1)[5-6].

Таблица 1

Химический состав конвертерных шлаков ипортландцементных клинкеров (масс. %)

СаО бЮ2 А12О3 MgO Mn2О3 РС2О3 8О3

портландцементный клинкер 58 - 67 16 - 26 4 - 8 1 - 5 0 - 3 2 - 5 0,1 - 2,5

MnO Бе + БеО + Бе2О3

Конвертерный шлак 40 - 55 7 - 18 2 - 6 6 - 10 13 - 14 12 - 28 -

Таким образом, для эффективного использования конвертерного шлака в производстве строительных материалов необходимо выделить из него избыток железа и железосодержащих фракций, однако, полностью исключать их нет необходимости. Оксиды железа, содержащиеся в конвертерных шлаках, оказывают благоприятное влияние на

процесс минералообразования и на свойства цемента. Содержание оксида железа (III) способствует снижению температуры спекания клинкера. При его высоком содержании цементы медленно схватываются, но впоследствии они достигают высокой прочности, а также отличаются высокой стойкостью к действию сульфатных вод. Однако, повышенное содер-

жание включений металла затрудняет переработку и использование конвертерных шлаков, поэтому наиболее важной сопряженной проблемой остается отделение металлических включений от шлаковой составляющей. Так же необходимо преодолеть ряд специфических особенностей таких как относительно низкая активность, нестабильность химических, механических и физических свойств, неустойчивость структуры [4].

На сегодняшний день при извлечении железа из техногенных отходов металлургического комплекса, имеющих различное происхождение, используется метод магнитной сепарации, основанный на различной магнитной восприимчивости веществ. Наиболее эффективными являются магнитные сепараторы на электромагнитах, способные создавать магнитные поля высокой напряженности в больших рабочих объемах. Конвертерные шлаки характеризуются сложным вещественным составом, и железо содержится в них как в виде сильномагнитных форм (ферромагнетик металлическое железо, фер-римагнетики магнетит Fe3О4 и магге-мит Y-Fe2О3), так и в виде слабомагнитных (парамагнетик сидерит FeСО3) и немагнитных (антиферромагнетики гематитa-Fe2О3, гетит FeO(OH), вюстит FeO). Таким образом, чтобы обеспечить полноту извлечения железа во всех его формах из шлака требуется перевести слабомагнитные и немагнитные формы в сильномагнитные. Традиционно для этой цели используют магнетизирующий обжиг в окислительной (для перевода сидерита в магнетит) или восстановительной (для перевода гематита или гетита в магнетит) среде. Так же применяется обжиг в две стадии - сначала в восстановительной среде с целью получения магнетита, а затем в окислительной для перевода магнетита в маггемит. Температура обжига составляет 500 - 1000 °С.В результате от-

отжига около 90% слабомагнитных форм переходит в сильномагнитные.

Степень извлечения железосодержащих фракций из шлака зависит как от химического состава, так и от степени измельчения шлака. Максимальное извлечение металла (около 94%) достигается при очень тонком измельчении (размер частиц до 100 мм) в две стадии на щековых и конусных дробилках. Такая технология измельчения требует больших затрат энергии и расходных материалов (истирающихся частей дробилок), а также применения дорогостоящего оборудования, например, японского производства.

Таким образом, метод магнитной сепарации может быть эффективным и экономически целесообразным только при условии высокой степени извлечения металла и низких затрат на измельчение шлаков и перевод слабомагнитных форм в сильномагнитные. Традиционные технологии переработки не могут удовлетворить современные экономическим требованиям, чем и объясняется низкий уровень вовлечения конвертерных шлаков в производство в качества вторичного сырья.

Альтернативой энергозатратному магнетизирующему обжигу может служить обработка строго дозированными мощными импульсными электрическими и магнитными полями. Например, в низкотемпературной плазме разогрев и «магне-тизация» железосодержащих фракций происходит за сотые доли секунды. Экономия энергии при этом огромна, потому что все электрические процессы происходят короткими импульса-ми(микросекунды) с большой скважностью, а теплопотери почти отсутствуют. В качестве источника неравновесной плазмы можно использовать барьерный или емкостной разряд [7].

Лабораторная установка для плазменной обработки сыпучих материалов показана на рис. 1.

Рисунок 1 - Лабораторная установка плазменной обработки сыпучих материалов

Воздействие низкотемпературной плазмой на конвертерные шлаки приводит к изменению химического состава: появляются новые фазы (магнетит и самородное железо (рис. 2)) и изменя-

ется характер локализации компонентов (образуются шарообразные включения размером до нескольких десятков микрометров).

Рисунок 2 - Новообразования самородного железа (белое) после обработки шлака

низкотемпературной плазмой

Изменяется также гранулометрический состав шлаков - происходит образование тонких фракций с размером частиц меньше 100 мкм. Дробление частиц происходит из-за неравномерного линейного расширения внутренних и наружных слоев частиц, вызванного градиентом температур на поверхности и внутри частицы. Уменьшение размера частиц позволяет увеличить степень извлечения магнитных фракций при последующей магнитной сепарации. Кроме того, за счет увеличения поверхностной энергии решается проблема низкой активности конвер-

терного шлака, что приводит к улучшению вяжущих свойств [7-9].

Таким образом, применение низкотемпературной плазмы с последующей магнитной сепарацией при обработке конвертерных шлаков открывает возможности для создания энергоэффективных схем использования конвертерных шлаков. Разработка рациональной и экономически выгодной технологической схемы переработки конвертерного шлака, позволит решить проблему переработки накопленных отходов и обеспечить вторичным сырьем металлургическую и строительную промышленность.

Библиографический список

1. Баутин В.М., Мычка С.Ю. Направления развития системы переработки отходов промышленно-производственных подсистем АПК // Территория науки. 2015. № 6. С. 9195.

2. Галкина О.А. Повышение эффективности бетонов для монолитных полов поли-мернымидобавкамиа // Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук / Московский государственный строительный университет. Москва, 2004.

3. Романова И.П., Бегунов О.Б. Использование отходов металлургической промышленности в строительной индустрии как способ сбережения природных ресурсов и снижения экологической напряженности // Территория науки. 2016. № 2. С. 53-57.

4. Ларсен О.А., Серпухов И.В. Некоторые аспекты применения нанотехнологий в строительстве // Строительство-формирование среды жизнедеятельности. Сборник трудов 14 международной межвузовской научно-практической конференции студентов, магистрантов, аспирантов и молодых ученых. 2011. С. 549-511

5. Гончарова М.А. Структурообразование и технология композитов общестроительного и специального назначения на основе малоиспользуемых отходов металлургии // диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук / ГОУВПО "Воро-

нежский государственный архитектурно-строительный университет". Воронеж, 2012. 341 с.

6. Романов П.С., Пантелова Х.М. Возможности применения диффузионной аэрозольной спектрометрии для определения среднего размера частиц нанодисперсных порошков // Территория науки. 2016. № 2. С. 47-52.

7. Сапежинский В. С., Певгов В. Г., Ряховский В. М., Ряховская С. К. О перспективах использования плазменных технологий при переработке техногенного сырья // Обогащение руд. 2015. № 6. С. 41-45.

8. Липина А.В. Исследование инновационных технологических методов утилизции серосодержащих отходов и технической серы // Успехи современной науки и образования. 2016. № 2. 73-76.

9. Гончарова М.А., Копейкин А.В., Крохотин В.В. Оптимизация методики определения минералогического состава конвертерных шлаков // Строительные материалы, 2015. № 1. С. 64-67.

Информация об авторах:

Information about author:

Романов Петр Сергеевич

Доктор технических наук, профессор, Коломенский институт (филиал) ФГБОУ ВО «Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ)», г. Коломна, Россия

Romanov Petr Sergeevich

Doctor of Engineering Science, professor Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI), Kolomna branch, Kolomna, Russia

Романова Ирина Петровна

Кандидат технических наук, доцент, «Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет» (НИУ МГСУ), Москва, Россия

Romanovа Irina Petrovna

Candidate of Engineering Sciences, Associate Professor «Moscow state university of civil engineering" (National Research University), Moscow, Russia