Перспективная технология переработки шламов конверторного производства стали и замасленной окалины

Вестник Челябинского государственного университета. 2010. № 8 (189). Экология. Природопользование. Вып. 4. С. 40-45.

проблемы геоэкологии

И. П. Добровольский, П. Н. Рымарев

перспективная технология переработки шламов конверторного производства стали и замасленной окалины

Предлагается эффективная технология комплексной утилизации суспензий шлама конверторных производств и замасленной окалины прокатного производства. В процессе термообработки образующимися газами (СО и Н2) идёт восстановление оксидов цинка и свинца до металлов. Свинец выделяется через специальное устройство из нижней части вращающейся печи, а пары цинка уносятся газовым потоком в конденсатор и по мере охлаждения выводятся в бункер, и далее горячий цинк разливается в чушки. Прокалённый шлам и окалина после охлаждения в охладительном барабане подаются в бункер, откуда они с добавкой бентонита подвергаются прессованию; получаемые брикеты отгружаются в доменный цех. Внедрение предлагаемого технологического процесса комплексной переработки шлама и замасленной окалины позволит предприятиям не только повысить экономические показатели производства, но и значительно улучшить экологическую обстановку на территории предприятия.

Ключевые слова: комплексная переработка отходов, конверторное производство, шлам.

Применение отходов производств, попутных и вторичных продуктов — огромный резерв экономии природного сырья. Переработка отходов в 2-3 раза дешевле, чем концентратов, получаемых из природного сырья и минералов [1; 10]. В связи с этим применение эффективных технологий по переработке образующихся на предприятиях металлургии промышленных отходов является одной из важнейших задач. В конверторном производстве стали в зависимости от состава сырья, конструкции печей и условий плавки на тонну стали образуется 12-25 кг тонкодисперсной пыли с размером частиц от 0,1 до 10 мкм. По данным НПО «Энергосталь», степень очистки отходящих газов от пыли превышает 80 %, а степень утилизации — 72 % [10].

Химический состав шламов кислородно-конверторного производства «Мечела» приведён в табл. 1 [1; 10].

Соединения железа в шламах находятся в виде оксидов, количество которых изменяется от 64,7 до 78,3 %. Содержание цинка и свинца в шламах различное и зависит не только от состава сырья, но и от дисперсности пыли. В шламах преобладают в основном минералы: гематит — красный железняк, магнетит— чёрные кубические кристаллы размером 1-20 мкм, вюстит — округ-

лые зёрна размером 4-8 мкм, оксид кальция, В-Са$Ю4 и др.

Чаще всего железосодержащие пыли и шла-мы газоочисток используются в качестве сырья для дальнейшей переработки в металлургических агрегатах в виде сгущённого, обезвоженного и высушенного полупродукта в шихте агломерата. Однако при содержании в пыли и шламе до 2 % свинца и до 4 % цинка использовать такие отходы даже после сушки и гранулирования в доменном процессе нельзя по причине значительного воздействия указанных примесей на кладку доменных печей.

В кислородно-конверторном цехе «Мечела» очистка газов после конверторов проводится в скрубберах «мокрым» способом. Степень очистки газов от пыли в скрубберах достигает 98 %. Удельное пылевыделение в конверторах зависит от интенсивности дутья и изменяется в пределах 1-3 %, средневзвешенное же значение удельного выхода пыли составляет 1,62 %. Объём образования конвертерного шлама на предприятии составляет около 1 млн т в год. Утилизация суспензии шламов проводится на специальных установках.

В настоящее время на установке обработки уловленного шлама (ОУШ) суспензия шлама

Таблица 1

химический состав конверторных шламов, масс. %

Fe ^2 СаО А12О3 ZnO МпО MgO &2О3 РЬ

58,0 3,4 12,1 0,25 3-4 0,96 2,2 0,39 1-2

подвергается сгущению в радиальных отстойниках и уплотнению в сгустителях, после чего подвергается фильтрованию на фильтр-прессах. Получаемая паста шлама подвергается термообработке при температуре 900 °С в барабанной вращающейся печи. Технологическая схема процесса обработки шлама на «Мечела» приведена на рис. 1.

На этой установке суспензия шлама подвергается сгущению в отстойнике и сгустителе, затем — фильтрованию на фильтр-прессе. Техническая вода, отделённая при отстаивании и сгущении суспензии шлама и отфильтрованная, возвращается в оборотный цикл газоочистки, а паста шлама с влажностью 3234 % подвергается термообработке при температуре 900 °С в барабанной вращающейся печи. Получаемый в печи после термообработки шлама продукт с низким содержанием соединений цинка и свинца после охлаждения в охладительном барабане ковшовым элеватором подаётся в бункер готовой продукции и далее отгружается автотранспортом на аглофабрику

для использования его в производстве агломерата.

При термообработке шлама в печи вместе с газами и железосодержащей пылью удаляются свинец и цинк, которые улавливаются в «мокром» скруббере. Суспензия, содержащая 2530 % соединений железа, около 1,0 % SiO2, 1016,0 % 2пО и до 10 % РЬО, отправляется в хранилище для временного хранения.

Приведённая технология отделения оксидов цинка и свинца от оксидов железа в шламе имеет существенные недостатки: при термообработке шлама в барабанной печи при указанной температуре из шлама совместно с железосодержащей пылью соединения цинка и свинца удаляются только частично, а уловленные смеси соединений железа, цинка и свинца в дальнейшем требуют значительных затрат для их разделения.

Сложность отделения оксидов свинца и цинка от оксидов железа в шламе объясняется значительным различием физико-химических свойств указанных соединений, что подтверждается данными табл. 2.

Рис. 1. Технологическая схема термообработки конвертерного шлама:

1 — остойник; 2 - сгуститель шлама; 3 — фильтр-пресс; 4 — бункер обводнённого шлама; 5 — прокалочная барабанная печь; 6 — охладительный барабан; 7 — бункар готовой продукции; Л — скруббер; 9 — отстойник уловлонных в скруббере продуртов

Таблица 2

Некоторые физико-химические свойства соединений железа, цинка и свинца [4]

Вещество Температура плавления, °С Температура кипения, °С Температура начала восстановления, °С

Оксид железа 1562 - 400

Металлический цинк 419,3 906 -

Оксид цинка >1070 1800 суб. 1070

Металлический свинец 327,4 1740 -

Оксид свинца 884 1472 >200

Для полного извлечения соединений цинка и свинца из шламов необходимо не только изменить температуру его термообработки и аппаратурное оформление процесса восстановления оксидов цинка и свинца до металлов, но и обеспечить их полное извлечение из шламов и разделение на отдельные продукты.

Аналогичные свинец- и цинксодержащие отходы на предприятиях цветной металлургии перерабатывают в ретортах различной конструкции. Один тип такого технологического процесса приведён на рис. 2 [4].

оксидом углерода, образующимся при горении кокса.

Процессы восстановления оксидов цинка и свинца приведены на рис. 3. Оксид цинка восстанавливается по приведённой ниже реакции:

2пО + СО = 2п + СО9

газ 2.

Дымовые газы совместно с парами цинка поступают в конденсатор, в котором цинковые пары конденсируются в интервале температур 850-870 °С в горячий металлический цинк,

Рис. 2. Технологическая схема переработки цинк- и свинецсодержащего сырья:

1 — бункер сырья; 2 — бункер кокса; 3 — транспортёр; 4 — пресс-валки; 5 —бункер брикетов;

6 — реторта; 7 — топка; 8 — летка для выгрузки расплавленного свинца; 9 — бункер расплавленного свинца; 10 — конденсатор паров оксида цинка; 11 — бункер расплавленного цинка

Реторта загружается брикетами, полученными обработкой на пресс-валках смеси сырья и кокса, подаваемых из бункеров (1 и 2), после чего реторта подогревается до температуры 500 °С природным газом, подаваемым в топку (7). Воздух подаётся в топку в количестве, не допускающем образования в реторте углекислого газа. В нижней части реторты при указанной температуре протекает восстановление только оксида свинца образующимся в реторте при горении кокса оксидом углерода. Свинец при такой температуре расплавляется [3] и по мере его накопления выпускается из реторты через летку в бункер (9) и далее разливается по чушкам весом 30-40 кг. После выпуска свинца в реторте поднимают температуру до 12701350 °С. При этих температурах оксид цинка восстанавливается до металлического цинка

309 № Ж. № ш /т ш а»

Температура, °С

Рис. 3. Условия восстановления оксидов цинка и свинца в присутствии углерода

который после охлаждения до 530-560 °С выводятся из конденсатора.

Учитывая приведённые результаты переработки цинк- и свинецсодержащего сырья на предприятиях цветной металлургии, можно, применив указанный процесс, более эффективно перерабатывать конверторный шлам с получением не только более качественного сырья для доменного процесса — брикетов с высоким содержание железа, но и технического цинка и свинца для предприятий цветной металлургии с небольшими примесями других компонентов.

Наиболее экономично, по нашему мнению, применить для получения указанных продуктов технологию комплексной переработки конверторного шлама и замасленной окалины прокатного производства. Окалина, особенно замасленная, является многотоннажным отходом на предприятиях чёрной металлургии, которая используется только частично. Качество окалины в основном зависит от химического состава обрабатываемого металла и условий термообработки [2; 6]. При высокотемпературном окислении нелегированной стали на её поверхности образуется три слоя оксидов железа: наружный — Fe2O3 (гематит), средний — Fe3O4 (магнетит) и нижний — FeO (вюстит). Так, при температуре термообработки 1070 °С такой стали соотношение слоёв составляет соответственно 37, 16 и 47 % [6]. При термообработке легированной стали в окалине образуются оксиды легированных компонентов и основного металла в виде шпинелей различного состава ^е0.Сг203; М0.Сг203; М0Те203; Сг203.№0Те203), а также оксиды легирующих металлов (Сг203 ; ТЮ2; М0) и другие оксиды в зависимости от их наличия в стали. Для улучшения отделения окалины от металла применяют масла различного состава: автол, АК-10, -15, индустриальное и другие масла. В связи с этим в отстойниках вместе с окалиной накапливается масло, часть которого (до 20-25 %) находится на поверхности окалины. Количество выделяемой окалины в отстойнике не превышает 75-80 %, основная часть которой осаждается за 30-40 мин. Образующийся шлам крупностью +0,2 мм и плотностью 2 т/м3 содержит до 30 % влаги, 22-30 % масла и 65-72 % железа.

Основное направление работ по использованию замасленной окалины заключается в применении её в металлургическом процессе, в агломерационной шихте. Однако использование окалины в такой шихте сдерживается высоким содержанием в ней масла, снизить содержание которого в окали-

не можно только прокаливанием. Известны различные методы переработки замасленной окалины: обжиг и брикетирование окалины, иногда в смеси с различными добавками (коксом, известняком и т. д.). Так, на комбинате «Криворожсталь» применён метод термообработки предварительно измельчённой и прокалённой при 800 °С замасленной окалины в мельнице, оборудованной роторным вентилятором с последующим её брикетированием с добавкой вяжущего (бентонита и извести). Содержание масла в прокалённой окалине при таких условиях составляло 1,52-1,72 % [6].

Применение термообработки замасленной окалины в смеси с конверторным шламом позволит создать в барабанной печи восстановительную атмосферу, что обеспечит восстановление оксидов цинка и свинца до металлов. Если для восстановления оксида свинца достаточна температура 550-600 °С, то для полного восстановления оксида цинка в печи необходимо повысить температуру до 1200 °С, а для отделения металлического цинка и свинца необходимо вместо скруббера, применяемого в кислородно-конверторном цехе комбината «Мечел» для улавливания и отделения уносимых газом из печи паров цинка и свинца, применять специальное оборудование — конденсаторы. Наиболее экономично восстановление оксидов свинца и цинка проводить в двух последовательно расположенных вращающихся печах. В первой печи для полного восстановления оксида свинца до металла достаточно поддерживать температуру 500-600 °С и отделять расплавленный свинец через специальную летку, расположенную в нижней части печи. Для полного восстановления оксида цинка температуру во второй печи необходимо повышать до 1100-1200 °С, а отделение расплавленного цинка проводить после охлаждения паров цинка в конденсаторе до температуры 530-560 °С. Технологическая схема такого процесса приведена на рис. 4.

По предлагаемому технологическому процессу обезвоженный шлам в отстойнике, сгустителе (1 и 2) и на фильтр-прессе и замасленная окалина из бункера (4) шнековым смесителем подаётся в барабанную вращающуюся печь (6), обогреваемую доменным газом до температуры 600 °С. В печи за счёт сгорания масла создаётся восстановительная атмосфера, в результате чего происходит восстановление оксида свинца до металла. По мере накопления расплавленного свинца вращающаяся печь останавливается на 15-20 мин и свинец с температурой около 400

Рис. 4. Технологическая схема обработки конвертерных шламов и окалины:

1 — отстойник; 2 — сгуститель; 3 — фильтр-пресс; 4 — бункер окалины; 5 — шнековый смеситель; 6 и 10 — прокалочная барабанная печь; 7 — выпускная летка свинца; 8 — бункер расплавленного свинца; 9 — дымосос; 11 — барабанный охладитель прокалённого продута; 12 — бункер готовой продукции;

13 — бункер вяжущего (жидкое стекло или бентонит); 14 — пресс-валки; 15 — бункер прессованного продукта; 16 — конденсатор паров цинка; 17 — бункер плавленого цинка

°С выпускается через специальное устройство (7) в бункер расплавленного свинца, из которого он разливается в чушки весом по 30-40 кг. Из первой печи дымовые продукты дымососом, а горячий продукт шнеком передаются во вторую барабанную печь (10), в которой температура подымается до 1200 °С сжиганием доменного газа, поддерживая в печи восстановительную атмосферу. Оксид цинка восстанавливается при такой температуре до металла и испаряется, пары которого вместе с дымовыми продуктами уносятся в конденсатор, где конденсируются. Металл по мере накопления при температуре 530-560 °С выпускается в бункер (17) и далее разливается в чушки весом по 30-40 кг. Обожжённый шлам и окалина после охлаждения в барабане подаются в бункер прокалённой смеси (12) ковшовым элеватором и далее вместе с добавкой из бункера (13) вяжущего и смешивания смеси в шнековом смесителе (5) подвергается прессованию на пресс-валках. Брикеты из бункера готовой продукции отгружаются автотранспортом в доменный цех на переработку.

Выводы. 1. Термической обработкой шла-мов кислородно-конверторных цехов при температуре 900 °С не обеспечивается в полном объёме извлечение из них соединений цинка и свинца.

2. При термической обработке металла образуется в значительных объёмах замасленная окалина, которая без специальной обработки не используются для получения металла.

3. С учётом опыта работы предприятий цветной металлургии по переработке цинк- и свинец-содержащих отходов рекомендуются комплексная технология термической обработки шлама совместно с замасленной окалиной при температуре 600-1200 °С.

4. Внедрение рекомендованного процесса комплексной переработки шламов конверторов и замасленной окалины позволит не только экономично перерабатывать указанные отходы, получая более качественное сырьё для доменного процесса, технические металлы цинка и свинца, но и значительно улучшит экологическую обстановку на предприятии.

Список литературы

1. Добровольский, И. П. Переработка и утилизация промышленных отходов Челябинской области / И. П. Добровольский, И. Я. Чернявский, А. Н. Абызов, Ю. Е. Козлов. Челябинск : Изд-во ЧелГУ, 2000. 256 с.

2. Кирилов, Ю. А. Влияние структуры и свойств окалины на качество поверхности при горячей

обработке металла давлением / Ю. А. Кирилов, Л. Х. Дмитриев, Э. Ю. Колпишон, В. В. Лебедев // Металловедение и терм. обработка металла. 2000. № 7. С. 36-38.

3. Реми, Г. Курс неорганической химии : в 2 т. : пер. с нем. / под ред. А. В. Новосёловой. Т. 1. М. : Мир, 1972. 824 с.

4. Реми, Г. Курс неорганической химии : в 2 т. : пер. с нем. / под ред. А. В. Новосёловой. Т. 2. М. : Мир, 1966. 836 с.

5. Лыкасов, А. А. Металлургия цветных металлов. Ч. 2. Металлургия цинка : учеб. пособие / А. А. Лыкасов, Г. М. Рысс. Челябинск : ЧГТУ, 1994. 68 с.

6. Мовчан, В. П. Промышленные испытания технологии производства железорудных окатышей с добавлением замасленной окалины прокатных

цехов / В. П. Мовчан, Н. Д. Ванюкова, Д. А. Ковалёв // Горн. журн. 2001. № 9. С. 68-70.

7. Воскобойников, В. Г. Общая металлургия : учеб. для вузов / В. Г. Воскобойников, В. А. Кудрин, А. М. Якушин. 5-е изд., перераб. и доп. М. : Металлургия, 2000. 768 с.

8. Ощепков, Б. В. Производство цветных металлов : учеб. пособие / Б. В. Ощепков, К. А. Осминин, О. И. Качурина. Челябинск : Изд-во ЮУрГУ, 2000. 95 с.

9. Уткин, Н. И. Производство цветных металлов / Н. И. Уткин. М. : Интермент Инженеринг, 2000. 442 с.

10. Толочко, А. И. Утилизация пыли и шламов в чёрной металлургии / А. И. Толочко, В. И. Славин, Ю. М. Супрун, Р. М. Хайрутдинов. М. : Металлургия, 1990. 206 с.