Цветной металлургии

Утилизация пылей, шламов, окалины и отходов

Образующиеся шламы (и пыль) разнообразны по дисперсности материала, химическим и физико-механическим свойствам. Все пыли и шламы можно разбить на две группы: дисперсные отходы металлургического производства; шламы гидрошлакоудаления и сточных вод прокатного производства.

Железосодержащие металлургические шламы представляют собой основной вид сырья для черной металлургии. Эти шламы в процессе образования подвергаются высокотемпературному воздействию в условиях окислительной или восстановительной атмосферы и непосредственно после этого контактируют с водой. В результате их структура, состав и свойства значительно отличаются от исходной шихты.

В целом, если привести все дисперсные отходы металлургического производства к 1 т стали, удельный выход пыли составляет 100-200 кг, шлама 60-80 кг. В год выход железосодержащих шламов и пылей на основных предприятиях отрасли составляет около 15 млн. т, в том числе: колошниковой пыли – 3,5. шламов агломерации – 3,5, доменных шламов – 2,8, мартеновских шламов и пыли – 0,4, конвертерных шламов – 0,6, крупной и мелкой прокатной окалины соответственно 2,9 и 0,7 млн. т.

Как правило, сухие методы очистки газов от пыли связаны с относительно грубодисперсными отходами. Высокодисперсная пыль, в том числе и при использовании очистных аппаратов сухого типа, часто транспортируется с помощью воды, т.е. в виде шлама. Утилизация шлама всегда обходится дороже, чем использование пыли. Неиспользованные пыль и шламы выбрасывают в отвалы и шламохранилища, неизбежно загрязняющие окружающую среду (выветривание сухой пыли, растворение вредных веществ). Утилизация отвальной пыли в настоящее время практически не осуществляется. Общий коэффициент использования шламов и пылей в различных металлургических переделах составляет примерно 76,5%. На всех предприятиях отрасли практически полностью используются колошниковая пыль и крупная окалина первичных отстойников. Обезвоженные шламы и уловленные пыли всех металлургических производств используются, в основном, в качестве добавок в агломерационную шихту.

Чтобы использовать пыль и шламы не только текущего производства, но и отвалов и шламохранилищ, в агломерационном производстве необходимо увеличить долю использования отходов в шихте агломерата с 5-15 до 40-50%.

Установлено, что использование до 10-15% пылей и шламов в шихте агломерата при отсутствии в них вредных примесей не только не ухудшает прочности агломерата, но даже увеличивает её, при этом производительность машин не снижается. Влажность подготовленных шламов не должна превышать 8-9%, чтобы обеспечить их сыпучесть. При большей влажности ухудшается газопроницаемость шихты. Железосодержащие пыли и шламы могут быть непосредственно использованы в доменном и сталеплавильном производстве. В операции подготовки шламов в этом случае входят: обезвоживание, окускование и удаление вредных примесей.

Целесообразно совместное использование доменных и сталеплавильных шламов при производстве окатышей. В процессах окомкования сталеплавильный шлам, по своему гранулометрическому составу очень близкий к составу минеральных связующих, например бентониту, обеспечивает высокую слипаемость шихты

По химическому составу шламы и пыли можно разделить на три группы:

1) Пыли и шламы, содержащие железа более 20-30% (богатые 55-67%, относительно богатые 40-55%, бедные менее 40%);

2) Содержащие шламы очистных устройств агломерационных газов и оксидов серы;

3) Пыли и шламы коксохимического производства, пыль и шламы огнеупорного и ферросплавного производства и др.

Пыли и шламы различаются и по своему происхождению: механического, термического и возгонно-конденсатного происхождения. Первая и вторая группы пылей относятся к относительно грубодисперсным пылям, медианные размеры частиц которых превышают десятки микрон; третья группа – высокодисперсные пыли с размерами частиц менее 1 мкм.

Из всех шламов и пылей текущего производства пока совсем не используются лишь отходы сероочистных устройств; слабо утилизируется зола ТЭЦ. Однако и другие дисперсные отходы используются недостаточно.

Основные виды шламов и пыли:

1 Шламы и пыли агломерационных фабрик и машин производства окатышей.

2 Шламы и пыли доменного производства:

-газоочисток;

-подбункерных помещений;

-графитсодержащие пыли (и отходы скрапа).

3 Шламы и пыли ферросплавного производства.

4 Шламы и пыли газоочисток мартеновских печей.

5 Шламы и пыли конвертеров.

6 Шламы и пыли электросталеплавильных печей.

7 Шламы и пыли котельных и ТЭЦ (золошлаковые отходы).

8 Прочие шламы и пыли.

Шламы агломерационного производства по своему составу близки к агломерационной шихте (Fe 45-60%) с размером частиц 0,005-3,0 мм. Удельный выход пыли и шламов в агломерационном производстве составляет 10-25 кг/т, в производстве окатышей – 7-9 кг/т. Основное направление использования - добавка к агломерационной шихте.

Шламы подбункерных помещений содержат элементы доменной шихты, т.е. подобны агломерационным шихтам. Выход этих шламов 1,2 млн. т, средний удельный выход 1,15%, коэффициент использования 0,64. Удельный выход пыли и шламов на участке подготовки шихты 8-10 кг/т.

Шламы газоочисток доменных печей по гранулометрическому составу мало отличаются от состава агломерационных шламов. Содержание в них железа – 30-35%. Удельный выход пыли, уловленной в циклонах – 35-45 кг/т, всего – до 64 кг/т. Шламы доменных печей загрязнены цинком. Со шламов удаляется до 90% цинка. Содержание цинка в шламах достигает 1-4% (на КМК – до 15%) при исходном количестве цинка в шихте 0,03*0,15%, т.е. в шламе цинка в 25-30 раз больше, чем в шихте. Используются шламы доменных газоочисток в основном в качестве добавки к агломерационной шихте, однако в большинстве случаев шламы целесообразно подвергать предварительной комплексной подготовке, включающей обесцинкование и удаление щелочных металлов.

Графитовая пыль (спель) выделяется из насыщенного углеродом чугуна на всех технологических операциях, связанных с его охлаждением в условиях конвективного или лучистого теплообмена открытых поверхностей расплавленного металла с окружающей средой. Углерод в чугуне находится в виде раствора в железоуглеродистом расплаве, в молекулах цементита (Fe₃C) и включений графита. Температура чугуна перед заливкой в сталеплавильные агрегаты 1250-1400 °С. Включения графита при высоких температурах имеют форму пластин толщиной в несколько атомных размеров и протяжённостью в несколько порядков больше. При охлаждении чугуна наблюдается рост графитовых включений за счет атомов углерода аустенита или в результате прямого распада цементита. Так как графитовая пыль не смачивается металлом, она подхватывается с его поверхности конвективным потоком воздуха и уносится. Содержание углерода в графитовых пылях 30-90%. Пыль содержит оксиды различных металлов. Содержание железа до 5% придаёт ей магнитные свойства. Ресурсы графитовых отходов в черной металлургии составляют около 4 млн. т. С увеличением объёма доменных печей удельный выход графитовой пыли увеличивается. Степень утилизации графитовой пыли 35%. Графитовая пыль имеет самое широкое применение, в том числе в производстве электродов, электротехнике, атомной энергетике и пр.

В ферросплавном производстве удельный выход пыли и шламов составляет 8-30 кг/т. Основная часть пыли имеет размеры менее 10 мкм. Пыль высокотоксичная; степень утилизации её 15%.

Содержание железа в мартеновских шламах 55-65%; концентрация цинка в них обычно не превышает 0,01%. Основная масса частиц имеет размеры 0,01-1 мкм. Высокая дисперсность шламов затрудняет их обезвоживание. Как и для других шламов, не решена в целом проблема окускования. Шлам является ценным сырьём для сталеплавильного производства; основное направление его использования – добавка к агломерационной шихте.

В конвертерных шламах содержание железа мало отличается от мартеновских. Однако содержание цинка в них высокое – до 1-1,5% (до 4% на НЛМК). Выход пыли и шлама при донной продувке на порядок меньше, чем при верхней продувке ванны. Шлам может быть утилизирован путём добавки к агломерационной шихте или возвращен в конвертер. В схеме подготовки шлама, помимо окускование должно быть предусмотрено обесцинкование и удаление щелочных металлов.

Шламы газоочисток электросталеплавильных печей отличаются небольшим содержанием железа 30-45% (максимально 55%). Содержание цинка достигает 2%, что связано с большой долей перерабатываемого лома. Низкое содержание железа и загрязненность цветными металлами затрудняет использование шламов электропечей.

Золошлаковые отходы в связи с малым выходом утилизируются неудовлетворительно. Лишь на 10 металлургических заводах выход золы котельных и ТЭЦ превышает 0,1 млн. т. Частицы золы (уноса) в основной своей массе имеют размеры 5-20 мкм. В каменноугольной солее содержится 40-70% SiO₂, 10-25% Al₂O₃, 10-15 % оксидов железа, 0,5-3% оксидов серы, соединения хлора и мышьяка др. В золе мазутного топлива содержится до 60-80% углерода, 3-7% оксидов железа, 1-5% соединений серы. V₂O₅ – до 250 г/т.

Объём золошлаковых отходов в черной металлургии в целом составляет около 4,0 млн. т, из них улавливается 3,0 млн. т, утилизируется не более 100 тыс. т (1-3%). В ряде стран степень утилизация золошлаковых отходов составляет 70-90%. Основные направления применения золошлаковых отходов – дорожное и аэродромное строительство, производство цемента, ячеистого и легкого бетона. Золошлаковые отходы, как правило, обладают некоторой радиоактивностью, что затрудняет их использование в коммунальном строительстве.

Отходы коксохимической промышленности. В коксохимической промышленности образуется более 12 млн. т твердых и жидких отходов ежегодно. Из них улавливается около 5%, остальная часть вывозится в отвалы или используется для тушения кокса. На долю отходов углеобогащения приходится свыше 95% всех отходов коксохимического производства. Планируется их применение при производстве строительных материалов (глиняного и пустотелого кирпича, аглопорита, пористого заполнителя), дорожном и гидротехническом строительстве. В отходах углеобогащения содержится от 7 до 33% органической массы угля. При термической обработке породы с целью получения гравия, кирпича и других материалов органическая часть массы выгорает, что при правильной организации производства может быть использовано для снижения затрат на топливо. Есть опыт применения отходов флотации и в сельском хозяйстве. Отходы физико-химической переработки каменноугольного сырья (фусы 72 тыс. т в год, кислые солки сульфатного отделения 48 тыс. т в год) используются в качестве присадки в шихту, в качестве топлива и при производстве дорожных покрытий. Кислые смолки цеха ректификации сырого бензола (20 тыс. т) пока что находят частичное применение в качестве добавки в шихте.

Железный купорос. При травлении стального проката в серной кислоте образуются отходы отработанных растворов, содержащие до 20% железного купороса (FeSO₄·7·Н₂О). Мощность установок по выделению из раствора купороса составляет около 1,3 млн. т в год. Коэффициент извлечения железного купороса 25-30%, степень использования 35%. Оксид железа является основным продуктом, получаемым из железного купороса. Он используется для производства ферритовых порошков, пигментов, коагулянтов и т.д.

ВМР в цветной металлургии. Вторичные материальные ресурсы в цветной металлургии являются основой производства около 30% цветных металлов. В США и Германии доля вторичного сырья соответственно составляет, %: при производстве меди 47,8 и 54,7%, цинка 37 и 30,6%.

Значительное количество лома цветных металлов и отходов образуется в черной металлургии: до 28% цинкового лома и отходов, 6-7% медьсодержащих отходов и лома. В свою очередь цветная металлургия является потенциальным источником сырья для черной металлургии. Например, отходы производства алюминия из бокситов в виде «красного шлама», содержащего, %: 22-39% Al₂O₃, 20-38% Fe₂O₃, 5-25% TiO₂, 7-15% SiO₂ и др.; могли бы стать сырьём для производства железа, алюминия и титана. Однако до настоящего времени «красный шлам» практически не нашел промышленного применения и поступает в отвалы, где его накопилось огромное количество. Делаются попытки замены дефицитных бентонитовых глин красным шламом в шихте для производства окатышей.

Обесцинкование железосодержащих отходов. Содержание цинка в шламах и пылях на КМК – 15,3%. НЛМК – 3,8%, НТМК – 1,94%.

Разработано 2 метода извлечения цинка из отходов:

1 Пирометаллургический метод (ЧерМК) (восстановительный обжиг)

ZnO + C = Zn_пар + CO, Т~950 °С или

2·ZnO + C = 2·Zn_пар + CO₂, Т~1070 °С

Наиболее интенсивно возгон идет при температуре выше 1000 °С.

При температуре более 1100 °С в пар переходят и редкоземельные металлы (Te, In).

2 Гидрометаллургический метод. Пыли и шламы выщелачивают либо серной, либо соляной, либо уксусной кислотой с рН~2,5-5.

ZnO + H₂SO₄ = ZnSO₄ + H₂O.

Затем проводится электролиз раствора ZnSO₄.

Поиск по сайту: