Переработка сталеплавильных и ферросплавных шлаков

Сталеплавильные шлаки на 70-85% состоят из оксидов железа, CaO и SiO₂; содержание метала в них до 12%. Удельный выход сталеплавильных шлаков составляет 160-170 кг/т.

Сталеплавильные шлаки перерабатываются главным образом в твердом виде из-за повышенного содержания железа, его нельзя сливать в воду. Шлаки дробят, подвергают грубому извлечению металла, иногда вторично дробят и сепарируют. Широко внедренного в производство способа переработки сталеплавильных шлаков в жидком состоянии до сих пор нет; сама компоновка цеха не позволяет перерабатывать жидкий шлак. Только на отдельных заводах испытывают полупромышленные или промышленные грануляционные установки. Из сталеплавильных шлаков также изготавливают щебень, который идет на строительство дорог, изготовление бетона.

Переработка и утилизация всей массы образующихся в сталеплавильном производстве шлаков является обязательным элементом безотходной технологии. Во-первых, многочисленные шлаковые отвалы и связанные с этим отчуждения земельных угодий, образование пыли, отрицательное воздействие на воздушный и водный бассейны вредны и экологически недопустимы; во-вторых, утилизация отходов экономически выгодна. Достаточно отметить, что только чистого металла со шлаками извлекается более 1 млн. т в год.

Основными путями утилизации шлаков сталеплавильного производства являются:

1) извлечение металла;

2) получение железофлюса для вагранок и аглодоменного производства;

3) получение щебня для дорожного и промышленного строительства;

4) использование основных шлаков в качестве известковых удобрений (шлаковой муки) для сельского хозяйства:

5) использование фосфорсодержащих шлаков для получения удобрений для сельского хозяйства;

6) вторичное использование конечных сталеплавильных шлаков.

Сталеплавильные шлаки условно (имея в виду их дальнейшее использование) можно разбить на несколько подгрупп:

а) шлаки, образующиеся в начальный период плавки (этот период часто называют окислительным). Эти шлаки содержат большое количество оксидов железа (иногда до 40% от общего количества шлака). Железо в шлаке может быть в виде оксидов FeO и Fe₂O₃ и в виде запутавшихся в шлаке корольков железа. Основность этих шлаков невелика; обычно они скачиваются из агрегата после завершения начального периода плавки и могут храниться и перерабатываться отдельно;

б) шлаки, сформировавшиеся в конце плавки (конечные шлаки). Обычно эти шлаки содержат несколько меньшее количество железа и имеют более высокое значение основности (CaO/SiO₂ = 2,5-3,5). При выплавке низкоуглеродистой стали содержание оксидов железа и в этих шлаках может быть достаточно высоким (15-20%), однако корольков железа в них значительно меньше. В дуговых печах при проведении восстановительного периода под белым или карбидным шлаком содержание оксидов железа снижается до <1%, содержание СаО возрастает до 55-60%. Конечные шлаки можно оставлять в агрегате для использования в следующей плавке или после выпуска вновь загружать в печь:

в) шлаки, попадающие в сталеразливочный ковш с выпускаемой сталью. Эти шлаки в жидком состоянии содержат незначительное количество железа. На практике часто определенное количество металла, оставшегося на днище и стенках ковша после окончания разливки стали, попадает вместе со шлаком в шлаковые чаши (это так называемые скрапины). Получаемый в результате конгломерат конечного шлака и скрапин металла подвергают тщательной разделке с целью максимального извлечения железа.

В среднем можно принять, что в сталеплавильных шлаках содержится (в пересчете на чистый металл) 20-25% железа, в том числе 10-15% металлического железа. Находящееся в шлаке металлическое железо затрудняет дальнейшую переработку шлака; для его помола требуется мощное дробильное оборудование. При измельчении шлака до кусков размером 25-27 мм из него удается извлечь металл (почти 15% от массы шлака, что экономически оправдывает все затраты на помол и извлечение).

В отдельных случаях использование шлака сталеплавильного производства еще более эффективно.

1. В случаях, когда шлаки содержат достаточно высокие концентрации оксидов железа и марганца, они используются в качестве флюсов для ваграночного и аглодоменного производства.

2. В случаях, когда шлаки содержат достаточно много фосфора, они с успехом заменяют суперфосфат и широко используются в сельском хозяйстве. Шлаки, содержащие много фосфора, настолько ценны, что сама технология передела высокофосфористых чугунов построена таким образом, чтобы одновременно получить и чистую по фосфору сталь, и возможно более богатый фосфором шлак.

3. Высокоосновные шлаки используются в сельском хозяйстве для известкования почвы.

4. При переделе руд, содержащих ванадий, одним из элементов технологии является кратковременная продувка чугуна в конвертере. Ванадий – элемент, обладающий высоким сродством к кислороду; он окисляется вместе с кремнием, титаном, марганцем в самом начале продувки. Такие чугуны перерабатываются, например, в конвертерных цехах Чусовского металлургического завода и Нижнетагильского металлургического комбината. Чтобы повысить количество ванадия в образующемся шлаке, известь в начале операции не загружают. Таким образом, удается в начальный период продувки получить шлак, содержащий 16-18% V₂O₅. Этот шлак скачивают и направляют на ферросплавные заводы для производства феррованадия или используют в чистом виде для прямого легирования стали (поскольку известь в конвертеры не загружается, ванадиевый шлак содержит очень мало фосфора и серы).

5. При переделе чугуна с повышенным содержанием марганца образуются высокомарганцевые шлаки; они могут быть использованы как добавки, повышающие содержание марганца в стали.

6. Высокоосновные конечные шлаки используются повторно. Так, например, конечные шлаки конвертерного производства содержат, %: СаО 50-60, SiO₂ 13-15, FeO 10-26, MgO 4-10. Эти шлаки содержат также определенное количество извести, не успевшей за время плавки ошлаковаться. При вторичном использовании такого шлака расход извести снижается, улучшается шлакообразование, повышается степень дефосфорации металла; высокоосновные маложелезистые конечные шлаки электроплавки используются для внепечной обработки стали (во время ее выпуска) с целью десульфурации.

7. В больших масштабах сталеплавильные шлаки используются в дорожном строительстве. Неприятным моментом при этом бывают случаи реагирования с влагой воздуха оставшейся неошлакованной извести в шлаке. Свойства и плотность материала при этом меняются, и на дорожном покрытии образуются трещины. Кроме того, распад основных шлаков обусловлен переходом во время охлаждения при 675 °С силиката 2CaO·SiO₂ из β в γ модификацию. В результате объём шлака повышается на 10-12%.

Существуют стандарты для предварительной опенки устойчивости структуры шлакового щебня против распада. Известны также способы предотвратить это явление, например продувкой жидкого шлака кислородсодержащим газом. При подаче кислорода двухвалентное железо Fe⁺² шлака окисляется до трехвалентного Fe⁺³ и, взаимодействуя с СаО, образует феррит кальция, который не разлагается на воздухе. Используется также прием обработки шлака паром в закрытых емкостях в течение 2-3 ч. Обработанный таким образом шлак может быть использован в строительстве. Можно также на выпуске подавать колошниковую пыль, глину, песок, это увеличивает содержание SiO₂ и предотвращает силикатный распад шлака.

В большинстве случаев использованию шлака в качестве строительного материала предшествует его выдержка в отвалах. Затем шлак измельчают и направляют на магнитную сепарацию для извлечения металла. Щебень из сталеплавильных шлаков является полноценным заменителем гранитного щебня в бетонах и железобетонах.

На ряде металлургических предприятий (Новолипецком металлургическом комбинате, череповецком «Северсталь» (рис. 2), Таганрогском металлургическом заводе и др.) создано и действует оборудование для практически 100%-ной переработки шлаков. При этом получают значительное количество щебня, шлаковой муки, фосфат-шлака, извлекают значительное количество металла. Однако пока еще в целом по стране проблема утилизации шлаков решена не полностью: многие конструктивные разработки находятся в стадии решения. Разрабатываются технологии получения из шлаков абразивных материалов; отрабатываются методы сухой и мокрой грануляции жидких сталеплавильных шлаков, особенно перспективна организация сухой грануляции, при которой одновременно можно решить две задачи: усиливая охрану водного бассейна, получать нагретый воздух. Следует отметить расширение использования конвертерных шлаков при выплавке чугуна и в производстве агломерата, применение шлака сопровождается заменой им в шихте части агломерата, сырого известняка и марганцевой руды, при этом удешевляется агломерационная шихта, увеличивается производительность агломашин и повышается прочность агломерата.

8. Существенную экономию ресурсов получают при использовании жидких шлаков:

а) в электросталеплавильном производстве – это практика работы на «болоте» (в результате возрастает производительность, ускоряется шлакообразование, достигается экономия флюса, снижается расход электроэнергии);

б) в конвертерном производстве – при оставлении конечного шлака в печи улучшается тепловой баланс, ускоряется шлакообразование, экономится флюс, снижаются потери железа со шлаком;

в) в конвертерном производстве – благодаря «раздувке» шлака на поверхности футеровки после выпуска плавки возрастает стойкость футеровки, снижается расход огнеупоров.

Рисунок 2 – Схема утилизации сталеплавильных шлаков на комбинате

«Северсталь»

9. Особо эффективна разработка шлаковых отвалов заводов, производящих сталь легированных и высоколегированных марок. Во многих случаях для этого не требуется использование особо сложного оборудования.

Приведем в качестве примера организацию разработки шлаковых отвалов на заводе «Днепроспецсталь». Завод производил около 800 марок сталей разных композиций по химическому составу. При этом содержание марганца в стали отдельных марок достигало 30%, хрома –28, никеля – 80, ванадия – 3, молибдена – 18, вольфрама – 19, кобальта – 10, меди – 3%.

Все металлоотходы по степени легированности и химическому составу можно разделить на внутризаводские группы. На «Днепроспецстали» их более чем 450, включая 70 групп легированного лома. Для использования скрапа на прямую выплавку серийных сталей и даже на выплавку так называемой шихтовой болванки требуется обязательная тщательная рассортировка скрапа по химическому составу.

Практически извлечение скрапа ведется с помощью карьерных экскаваторов, бульдозеров и автосамосвалов.

Извлеченный скрап перевозят в копровый цех; его разделяют на магнитный и немагнитный. Кроме того, по габаритам (массе) скрап разделяют на негабаритный (более 10-15 т), габаритный (0,5—10,0 т) и мелкий (0,25-0,5 т). Отдельно складируется скрап, в котором видны сплавленные скрапины разных плавок, а также скрапины с большой долей (более 20 %) неотделяемого шлака. От каждой габаритной и негабаритной скрапины отрезается проба на химико-спектральный контроль в стационарной лаборатории. По результатам контроля скрапине присваивается группа отходов по заводской технологической инструкции, ее взвешивают. С полученными данными о химическом составе, присвоенной группе отходов и массе скрапина направляется на платформах в сталеплавильный цех для использования при выплавке стали соответствующей марки.

Негабаритный скрап в копровом цехе разрезают с помощью газокислородных горелок или другого оборудования.

Отгрузку немагнитного скрапа ведут в лотках для удобства загрузки в бадьи или непосредственно в оборотные печные бадьи, перевозимые на лафетах в цех.

Встречается также «слоеный» скрап и скрап с высоким содержанием шлака. Его переплавляют в дуговых печах на шихтовую болванку, которая служит в дальнейшем в качестве первоклассной шихты, имеющей гарантированный химический состав, точную массу и высокую плотность. Мелкий магнитный скрап, для которого затруднительно выполнить 100%-ный контроль химического состава, также используют для выплавки шихтовой болванки.

В результате в 1999 г. из шлаковых отвалов было извлечено и направлено в копровый цех 19570 т скрапа, из которых в дуговых печах за это же время переплавлено 18370 т. При этом около 12 тыс. т составил скрап легированных сталей; большая его часть использована на прямую выплавку.

Накопленный опыт позволяет существенно рационализировать способы как добычи, так и утилизации скрапа, различающегося по габаритам.

В настоящее время потребность в щебне в Вологодской области около 2 млн. т. Перерабатываются не только текущие шлаки, но и отвальные. В результате отмагничивания на ЧерМК ежегодно из шлака извлекают 300 тыс. т. металла.

Аналогичная схема переработки сталеплавильных шлаков имеется и на ММК

Использование сталеплавильных шлаков в шихте вагранок

Сталеплавильные шлаки можно использовать в шихте вагранок вместо известняка, улучшая этим тепловой баланс плавки. Температура чугуна увеличивается на 20-25°С. Потери чугуна со шлаком уменьшаются на 50%. Из шлака восстанавливаются железо и марганец. Не образуется настылей. Большое содержание MnO в шлаке способствует лучшему удалению серы. Расход сталеплавильных шлаков составляет 4% от общей массы завалки. Потребность в сталеплавильных шлаках для вагранок в СНГ составляет 1 млн. т. в год. При этом будет сэкономлено 10000 т. марганца и 100000 т железа.

Конвертерные шлаки можно использовать в электропечах в количестве до 18,5 кг/т стали. Экономится до 50 кг извести на 1 т стали. В конвертерном шлаке содержание железа в виде оксидов выше, чем в электросталеплавильном шлаке, выше также содержание MnO.

Конвертерные шлаки можно использовать в самом кислородном конвертере для более быстрого наведения шлака. При использовании шлака в количестве 25 кг/т стали экономится извести 50 кг/т, улучшается процесс дефосфорации.

Электросталеплавильные и ферросплавные шлаки являются хорошими удобрениями, так как в них много микроэлементов.

В США конвертерный шлак включают в состав домной шихты в количестве до 110 кг/т, а в Японии – 160 кг/т.

Максимальное количество конвертерного шлака допустимое в доменной шихте определяется по выражению:

где – максимальный удельный расход конвертерного шлака, т/т чугуна;

– удельный расход известняка без конвертерного шлака, т/т чугуна;

RO_р – содержание соответствующих оксидов в руде;

RO_а – содержание соответствующих оксидов в агломерате;

RO_ш – содержание соответствующих оксидов в конвертерном шлаке;

СаО_и – содержание СаО в известняке;

В – требуемая основность шлака.

Использование ванадийсодержащих шлаков

Этот шлак используют в ДСП для прямого легирования стали. Степень усвоения до 80%.

Использование марганецсодержащих шлаков

Это кислые шлаки, содержание MnO 16-18%. Дают в кислородный конвертер, содержание марганца в стали повышается на 0,03-0,08%, расход ферромарганца уменьшается на 0,45-0,70 кг/т стали.

Шлаки от производства ферросилиция используют в ДСП.

Японцы создают из сталеплавильных шлаков «коралловые рифы». Шлак заливают в формы, снизу продувают паром воды СО₂, получается СаСО₃, который цементирует все частицы шлака. Получатся камень по свойствам близкий к природным коралловым рифам.

Рекомендуемая литература

1. Сталь на рубеже столетий / Под ред. Ю.С. Карабасова. – М.: «МИСИС», - 2001 – 664 с.

2. Энергосбережение на металлургических предприятиях. Б.И.Никифоров, Г.В. Заславец: Монография. – Магнитогорск: МГТУ. 2000 г.

3. Лисин В.С, Юсфин Ю.С. Ресурсоэкологические проблемы XXI века и металлургия. М.: Высшая школа. 1998.

4. Черепанов К.А, Черныш Г.И, Динельт В.М. Утилизации вторичных материальных ресурсов в металлургии. М.: Металлургия. 1994.

5. Шульц Л.А. Элементы безотходной технологии в металлургии. М.: Металлургия. 1991.

6. Поляков В.В.Ресурсосбережение черной металлургии. М.: Машиностроение. 1993.

7. Розенгарт Ю.И. и др. Вторичные энергетические ресурсы черной металлургии и их использование. Киев. Высшая школа. 1988.

8. Памфилов М.И. и др. Переработка шлака и безотходные технологии в металлургии. М.: Металлургиздат. 1987.

9. Попов Г.Ф. Ресурсы вторичных черных металлов. М.: «Металлургия. 1981.

Поиск по сайту: