Оптимизация технологического процесса получения феррохрома из отходов кожевенного производства

/ТГГТГгГЕ IT ШШТГШГ I Q1

-1 (29). 2004/ VI

ИТЕИНОЕ1 ПРОИЗВОДСТВО

The article touches upon the solving of the actual problem — production in conditions of Belarus of ferrochrome of the leather production wastes, that allows to solve several technological problems and to reduse import of expensive ferroallows.

О. С. КОМАРОВ, И. Б. ПРОВОРОВА, В. И. ВОЛОСАТИКОВ, Д. О. КОМАРОВ, В. В. МЕЛЬНИЧЕНКО, БИТУ

ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ ФЕРРОХРОМА ИЗ ОТХОДОВ КОЖЕВЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА

Экологически вредные отходы кожевенного производства комплексно не перерабатываются, а захораниваются на полигонах, нанося ущерб окружающей среде. Сконцентрированные в отвалах, шламохранилищах и на свалках отходы являются источником загрязнения атмосферного воздуха, а также поверхностных и грунтовых вод.

Цель исследований — разработка способа утилизации хромосодержащих отходов кожевенного производства, образующихся на основе осадков сточных вод (кек хромовый), методом алюминотермии, а также выбор и оптимизация состава шихты и температурного режима плавки. Одновременно решаются две проблемы: извлечение хрома с получением импортозамещающего железо-хромистого сплава и сокращение накопления в отвалах токсичных отходов.

Восстановление хрома можно вести различными методами, но приемлемым для условий Беларуси следует признать алюминотермический способ.

К числу основных преимуществ внепечной алюминотермии, как одной из разновидностей металлотермического процесса, можно отнести:

• возможность получения высоких температур в зоне восстановления (до 2300—2800 К без подвода тепла извне);

• возможность получения более низкого содержания углерода в ферросплавах по сравнению с углетермией в электродуговых печах;

• относительно невысокие затраты, необходимые для аппаратурного оформления промышленного производства;

• возможность моделирования промышленной технологии путем проведения лабораторных плавок;

• отсутствие потерь восстановителя на испарение [1] в связи с высокой температурой кипения алюминия (2773 К).

К настоящему времени разработана и смонтирована на Бобруйском кожевенном комбинате установка сушки и пиролиза дисперсных метал-

лосодержащих отходов кожевенного производства, вырабатывающая полупродукт «кек», содержащий свыше 80% Сг203 [2].

В состав шихты для получения феррохрома алюминотермическим способом входят предварительно подготовленный «кек», оксид железа (III), а также алюминиевый порошок. Оксиды железа восстанавливаются значительно легче, чем Сг203, вследствие чего в системе создаются более благоприятные энергетические условия, так как уменьшается значение изобарно-изотермического потенциала:

2/ЗСг203 + 4/ЗА1 = 4/ЗСг + 2/ЗА1203,

AG0 = -359,63 - 0,0375Г, 2/3Fe203 + 4/ЗА1 = 4/3Fe+ 2/ЗА1203, AG0 = -577 - 0,0455Г. Растворяя восстановленный хром, железо понижает его активность, что в соответствии с константой равновесия реакции приводит к смещению равновесия в сторону процесса восстановления. Железо понижает температуру плавления образующегося сплава и позволяет вести плавку при более низкой температуре. В соответствии с реакцией (1) при восстановлении 1 кг Сг203 выделяется 3584 кДж тепла. Этого количества тепла недостаточно для обеспечения непрерывности процесса, поэтому применяют термитные добавки,, при взаимодействии которых с алюминием выделяется значительно большая удельная теплота. В качестве такой термитной добавки использовали натриевую селитру:

6NaN03 + 10AI = 5А1203 + 3Na20 + Nr (3) В результате реакции (3) выделяется удельная теплота, равная 13 380 кДж/кг [3].

Выход металла при выплавке феррохрома зависит от количества алюминия в шихте. По мере его увеличения рост извлечения хрома из оксида хрома (III) уменьшается и резко возрастает содержание алюминия в металле. Поэтому обычно в шихту задают 96% AI от теоретически необходи-

92

I 1 (29), 2004-

мого [1]. Кроме того, в шихту добавляют негашеную известь и плавиковый шпат с целью образования шлака и связывания А1203.

Наилучшие технико-экономические показатели получены в случае добавления в шихту до 10% негашеной извести от массы оксида хрома, которая идет на плавку. Дальнейшее повышение оксида кальция в шлаке снижает как извлечение ведущего элемента, так и содержание хрома в сплаве, что при неизменных тепловых условиях плавки можно объяснить образованием хроматов кальция и понижением активности Сг203 [1]. Кроме того, установлено, что добавки плавикового шпата существенно снижают количество соединений шестивалентного хрома в отходящих газах в процессе восстановления хрома [3].

В связи с тем что состав «кека» существенно отличается от состава хромового концентрата, необходимо было провести эксперименты по оптимизации состава шихты. С этой целью использовали матрицу планирования, состоящую из 16 опытов. В качестве управляемых факторов использовали процентное содержание алюминия, нитрата натрия, оксида железа (III), оксида хрома (III), фторида кальция, оксида кальция, а также температуру подогрева шихты. Диапазоны варьирования управляемых факторов приведены в табл. 1.

Отходы кожевенного производства («кек») подвергали предварительной подготовке, заключающейся в сушке и пиролизе, остальные составляющие шихты просушивали. Температура сушки компонентов приведена в табл. 2.

Таблица 1. Диапазоны варьирования управляемых факторов

Название фактора AI, % NaN03, % Fe20, % Cr20, % CaF2, % СаО, % T, °C

Верхний уровень (+1) 30,6 8,0 21,6 47,5 1,85 5,5 350,0

Нижний уровень (-1) 22,6 4,0 18,0 37,5 0,85 2,5 20,0

Нулевой уровень (0) 26,6 5,7 19,8 42,5 1,35 4,05 250,0

Таблица 2. Температура сушки компонентов шихты

Составляющие шихты Температура предварительной сушки, °C

NaN03 80

AI 200

Fe203 500

CaF2 200

CaO 200

Подготовленные шихтовые материалы смешивали вручную до однородной консистенции и засыпали в футерованные стальные тигли. В качестве футеровки использовали кварцевый песок с жидким стеклом. Для инициирования процесса применяли запальную смесь, состоящую из Ка>Ю3, Ре203, КМп04 и порошкообразного алюминия.

После проведения эксперимента полученные слитки феррохрома и шлак взвешивали с целью определения металлургического выхода. Для опре-

деления процентного содержания основных элементов в слитке и шлаке производили химический анализ.

После проведения математической обработки матрицы планирования получили коэффициенты регрессии влияния семи управляемых факторов, характеризующих влияние процентного состава шихты (А1, №N0,, Ре203, Сг203, СаР2, СаО) и температуры на массу слитка, содержание алюминия в феррохроме и содержание хрома в слитке (рис. 1-5).

Рис. 1. Влияние содержания Сг203 на массу слитка при различных температурах прогрева шихты

Рис. 2. Влияние содержания №>Ю3 на массу слитка при различных температурах прогрева шихты

330

210 ---

190 -I-1-1-1--1-1-.-

0,9 1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 % СаК в шихте

Рис. 3. Влияние содержания Са¥2 на массу слитка при различных температурах прогрева шихты

Рис. 4. Влияние содержания А1203 на количество А1 в слитке при различных температурах прогрева шихты

% Сг:0, в шихте

Рис. 5. Влияние содержания Сг203 на количество Сг в слитке при различных температурах прогрева шихты

Наиболее отрицательное влияние на массу слитка оказывает увеличение Сг203 в шихте, а наиболее положительное - предварительный прогрев шихты, увеличение содержания Ка1Ч03 и СаР2 (см. рис. 1—3). Остальные факторы влияют в меньшей степени.

/чггттгге (г ктпгтрп^ / оо

-1 (29). 2004 / ЭУ

Содержание алюминия в слитке (см. рис. 4) снижается по мере повышения температуры и резко увеличивается по мере его роста в шихте. Влияние остальных факторов незначительно.

Повышенное содержание Сг203 отрицательно влияет на содержание хрома в слитке, а температура - положительно (рис. 5).

По результатам проведенной серии экспериментов и химического анализа слитков установлено, что оптимальное соотношение компонентов и температуры предварительного подогрева шихты (А1 - 22,6%; №N03 - 4,0; Ре203 - 21,6; Сг203 -47,5; СаБ2 - 1,65; СаО - 5,5; Т - 350 °С) позволяет получить слиток с содержанием основных элементов: Сг - 34,2%; А1 - 2,3; С - 0,6%.

Проведенные лабораторные исследования позволили определить технологические параметры получения феррохрома из отходов кожевенного производства.

Разработана технология алюминотермического метода переработки отходов, позволяющая 80% хрома, содержащегося в отходах, перевести в металл, а оставшиеся 20% - в безвредный стекловидный шлак, который после переработки в гранулы или шлаковату может быть использован как строительный материал или для отсыпки полотен дорог.

Таким образом, одновременно решается проблема утилизации экологоопасных отходов кожевенного производства и получение импортозамещающего железохромистого сплава.

Литература

1. Плинер Ю.Л., Сучильников С.И., Рубинштейн Е.А. Алюминотермическое производство ферросплавов и лигатур. М.: Металлургиздат, 1963.

2. Подготовка хромсодержащих отходов кожевенного и машиностроительного производства для получения литейной лигатуры / Н.А. Свидунович, А.Ф. Дулевич, В.И.Волосатиков // Металлургия. 2001. Вып. 25. С. 75—78.

3. Алюминотермия / Н.П. Лякишев, Ю.Л. Плинер, Г.Ф. Игнатенко, С.И. Лаппо. М.: Металлургия, 1978.