Рециклинг отходов при выплавке стали в конвертерах

Процесс переработки шлака в цехах конвертерного типа по сей день считается технологически примитивным и экологически несовершенным. Небольшое количество шлака используется в качестве добавки к удобрениям. При ускоренном охлаждении  применение модифицированно-го шлака позволяет заменять им портландцемент. Исследуется возможность использования сухой грануляции шлака для того, чтобы получать продукты с высокой потребительской стоимостью. В данном случае количество вредных выбросов существенно сокращается. Разрабатывается и вариант приема шлака для грануляции не из шлаковоза, а из конвертера. Такой метод обладает рядом преимуществ.

Использование малошлаковой технологии, при которых в конвертере от массы стали остается около 2-4%, существенно повышает выход нужного материала примерно на 2% и стойкость футеровки. При этом допускается прямое легирование металла добавками марганцевой руды.

Предварительно осуществляется выборка от металлургического шлакаотвального типа крупного металлического скрапа, и последующее видоразделение на простую породу со шлаком фракцией от 0 до 30 мм, и на шлак, размеры которого достигают от 30 до 500 мм.

Вторая составляющая шлака, полученная после вибродробления, подвергается первичному дроблению. После этого шлак сортируется, из него выбирается скрап, проводится его дробления до фракций размером не более 60 мм и 30 мм, промежуточная сортировка, выборка скрапа.

После всех процедур шлак подвергается виброгрохочению и рассеиванию на 4 фракции:

– от 0 мм до 5 мм;

– от 5 мм до 10 мм;

– от 10 мм до 28 мм;

– более 28 мм.

Шлак, относящийся в последней фракции, подвергается повторному дроблению. Шлак первой и второй фракций подвергается сепарации гравитационного типа, при которой от шлака окончательно отделяется металл. Скрап и отделенный металл переплавляется в шихтовые болванки, масса которых колеблется в пределах 600-1350 кг. Оставшийся пустой неметаллический шлак прессуется в дорожные плиты.

Существующий зарубежный опыт показывает, что наиболее широкие возможности для массовой и эффективной утилизации мелкодисперсных промышленных отходов обеспечиваются в случае их окускования, в частности, брикетирования. Брикетирование позволяет из отходов различного химического состава и свойств получить кондиционные продукты с регулируемыми размерами и технологическими свойствами, увеличить плотность сыпучих материалов, предотвратить зависание и слеживаемость мелкодисперсных отходов в бункерах и дозирующем оборудовании, снизить пылевыделение в процессе транспортировки и использования. С точки зрения технологии и экономики производства брикетирование железосодержащих отходов имеет целый ряд преимуществ по сравнению с агломерацией:

1. брикеты имеют одинаковую форму и массу, характеризуются высоким содержанием железа, обладают высокой прочностью и лучшей транспортабельностью;

2. обладают более высокой плотностью.

3. весь кислород в брикете остается активным, в агломерате же он находится в связанном состоянии (в виде силикатов), что особенно важно для доменного производства;

4. экологическая безопасность брикетирования: безотходность, отсутствие высоких температур при изготовлении;

5. возможность применения в брикете в любом соотношении углеродсодержащего наполнителя для активизации процессов в металлургической печи: карбюризатор, восстановитель, энергоноситель;

6. возможность утилизации всех видов тонкодисперсных отходов металлургического производства.

Конвертерное производство имеет широкие возможности для утилизации мелкодисперсных отходов в брикетированном виде, обеспечивая экономию чугуна, флюсов, ферросплавов, кокса. В отличие от доменных печей в конвертерах могут перерабатываться отходы с повышенным содержанием цинка. Брикетирование отходов перспективно и с точки зрения получения металлизованного продукта, так как в состав брикетируемой шихты могут быть введены восстановители [4, 5].

Гранулометрический состав мелкодисперсных железосодержащих отходов для сравнения представлен в таблице 1.

 

 

Таблица 1 – Гранулометрический состав мелкодисперсных железосодержащих отходов

Наименование отхода	Содержание, %
Классы, мм	> 5	1-5	< 1	< 5
Окалина блюминга ЗСМК	24,5	30,3	45,2	75,5
Классы, мм	> 0,5	0,2-0,5	0,1-0,2	0,063-0,1	< 0,063
Колошниковая пыль ЗСМК, ДП-1	7,9	30,9	45,7	0,7	14,8
Колошниковая пыль ЗСМК, ДП-3	3,1	38,0	38,3	8,4	12,2
Колошниковая пыль КМК	3,6	32,6	36,8	10,2	16,8
Конвертерный шлам ЗСМК	20,4	14,4	5,0	4,8	55,4
Классы, мм	> 5	0,2-0,5	0,08-0,2	< 0,08
Доменный шлам ЗСМК, ДП-1	2,6	5,0	38,1	54,3
Доменный шлам ЗСМК, ДП-3	-	2,3	19,6	78,2
Доменный шлам КМК, отвал	3,8	33,2	58,9	4,0
Классы, мм	> 1	0,5-1	0,2-0,5	0,08-0,2	< 0,08
Шлам «песколовок» ККЦ-1 ЗСМК	7,7	9,3	17,7	62,6	2,7

 

 

Путем подбора эффективных восстановителей, вводимых в состав брикетов могут быть получены самовосстанавливающиеся легкоплавкие брикеты для металлургических процессов. Процессы восстановления тем эффективнее, чем больше развита реакционная поверхность. Поэтому ввод в брикеты жидких (каменноугольная смола) или разжижающихся при нагреве (нефтяное связующее, полимеры, спекающиеся угли) восстановителей, обволакивающих мелкодисперсные твердые железосодержащие частицы отходов органической оболочкой, способствует увеличению эффективности восстановления. Интенсивное газовыделение и высокая восстановительная способность газов высокотемпературного скоростного пиролиза органических компонентов в условиях металлургических агрегатов способствуют созданию благоприятных условий для восстановления содержащихся в брикетах оксидов железа в условиях металлургических агрегатов. При вводе таких брикетов в высокотемпературные металлургические агрегаты (доменная печь, конвертер, мартеновская печь и др.) процесс восстановления будет протекать внутри брикета независимо от внешних условий, то есть в металлургическом агрегате будет происходить самовосстановление брикета.

Механизм восстановления железа в брикетах, содержащих органические компоненты, представлен на рисунке 5.

 

 

Рисунок 5 – Схема восстановления железа в брикетах, содержащих

органические компоненты

1. Высокотемпературный скоростной пиролиз органических компонентов с образованием восстановительных газов (СО и Н2), омывающих мелкодисперсные, содержащие оксиды железа частицы. Как было показано выше, при вводе брикетов на нефтяном связующем в реакционную зону с температурой 1500оС или непосредственно в металлический расплав в условиях, например, конвертерного процесса, пиролизные газы содержат до 99% восстановительных компонентов СО и Н2.

2. Восстановление оксидов железа газообразными продуктами пиролиза органических компонентов. При использовании жидкого органического связующего, обладающего высоким восстановительным потенциалом, например каменноугольной смолы, следует ожидать высокой эффективности восстановления вследствие наилучших условий контакта с каждой железосодержащей частицей в брикете и оптимизации лимитирующей фазы внешней диффузии.

3. Газификация углерода твердых продуктов пиролиза органических компонентов продуктами восстановления (CO2, H2O) при каталитическом влиянии оксидов железа, в ходе которого происходит регенерация восстановительных газов (СО и Н2). Скорость этой стадии определяется величиной реакционной способности углерода твердых продуктов пиролиза.

4. Восстановление оксидов железа продуктами газификации органических компонентов.

Затем происходит вновь восстановление продуктами газификации и т.д.

Таким образом, при термической обработке брикетов, содержащих мелкодисперсные железосодержащие отходы и органические восстановители, в окислительной среде может протекать самовосстановление брикетов. При этом в качестве органических восстановителей могут быть использованы каменноугольная смола или ее смесь с углем с высоким выходом летучих веществ.

Испытания опытной партии брикетов из фторуглеродистых отходов шламонакопителя Красноярского алюминиевого завода проведены на 300-тонном конвертере в конвертерном цехе №2 ОАО «ЗСМК». На сравнительных плавках текущего производства применялись используемые на комбинате в качестве разжижителей конвертерного шлака флюорито-карбонатная руда (ФКР) фракции 20-60 мм Ярославского ГОКа и кусковая футеровка электролизеров КрАЗа фракции 20-100 мм (ОУФЭ). В качестве сравнительных использованы также результаты плавок, проведенных в тот же период без применения разжижителей.

В ходе опытных плавок не отмечено каких-либо отклонений от действующей технологии, процесс шлакообразования протекал спокойно. В момент присадки брикетов не требовалось вносить изменения в технологический процесс рафинирования металла. По окончании продувки на повалке конвертера шлаки получались жидкоподвижными, активными. Технологические показатели при различных вариантах присадок брикетов на опытных плавках были практически одинаковы. Проведенные опытные плавки показали принципиальную возможность использования брикетов на основе фторуглеродистых отходов алюминиевого производства мелкой фракции в качестве разжижающего и шлакообразующего материала в конвертерном производстве. Отмечено более быстрое и полное усвоение брикетов по сравнению с кусковыми разжижителями, которые в некоторых случаях наблюдались в скачиваемом шлаке, при снижении содержания серы в стали и увеличении выхода.

 

2.3 Удаление шламов

 

Процесс в кислородном конвертере протекает интенсивно. Обильное газовыделение является одним из главных его недостатков. Образующиеся после газоочистки железосодержащие шламы из-за отсутствия простых и экономически выгодных технологий их подготовки и утилизации очень часто остаются невостребованными и складируются в шламонакопителях. По содержанию железа конвертерные шламы относятся к группе относительно богатых железом (таблица 2) и вполне могут быть утилизированы после соответствующей подготовки в агломерационном производстве [6].

Таблица 2 – Химический  состав шламов конвертерного производства

 

Feобщ	P	SiO2	MgO	Al2O3	CaO	Sобщ	Собщ	Zn
40-65	0,04-0,15	1,4-2,8	0,3-1,5	0,1-0,3	1,4-3,5	0,16-0,25	0,9-3,2	0,2-1,5

 

 

Содержание цинка в конвертерных шламах зависит от вида перерабатываемого металлолома. Цинк в конвертерных шламах содержится в составе феррита цинка (70 % на ЗСМК), цинкита (оксид), силикатов и гидроксидов. В результате испытаний на содержание цинка в шламе, проведенных в 2001-2004 г.г., было установлено, что  конвертерный шлам по своему гранулометрическому составу близок к минеральным связующим, в нем содержится до 85 % частиц размером менее 30 мкм, что обеспечивает хорошую слипаемость аглошихты. Добавка его в аглошихту также способствует повышению пористости агломерата.

На комбинате образуется ежегодно не менее 100 тыс. т конвертерных шламов, в том числе не менее 25 тыс. т улавливается в песколовках системы газоочистки ККЦ-1, обрабатывается известью для снижения влажности и вывозится на шламохранилище. Данный материал не входит в согласованный перечень складируемых на шламохранилище отходов и, с учетом годового объема, вносит дополнительный фактор риска в процесс эксплуатации гидротехнического сооружения, подведомственного Госгортехнадзору как объект повышенной промышленной опасности.

В России полная утилизация конвертерных шламов достигнута на ОАО «Новолипецкий металлургический комбинат» и ОАО «Мечел».

Конвертерные шламы могут быть использованы в виде: пульпы, т.е. сгущенного шлама; обезвоженного (влажного), а иногда и подсушенного шлама; окускованных материалов (брикетов или окатышей).

Жидкофазные способы переработки шламов могут быть осуществлены в различных установках. На рисунке 6 представлена схема установки и переработки пыли или высушенного шлама без их предварительного окомкования.

 

 

1 - ванна расплавленного  металла, 2 - подвод кислорода для сжигания продуктов пиролиза природного газа, 3 - циклонная камера, 4 - подвод воздуха для дожигания газов и отдувания пыли от поверхности рекуператора, 5 - радиационный рекуператор, 6 - тангенциальный ввод пылегазового потока, 7 - пневмовинтовой насос, 8 - смеситель пыли с природным газом, 9 - холодильник