СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ГРАНУЛ ДЛЯ РАЗЖИЖЕНИЯ СТАЛЕПЛАВИЛЬНЫХ ШЛАКОВ
PROCEDURE FOR FABRICATION OF GRANULES FOR DILUTION OF STEEL MELTING SLAG

Изобретение относится к области черной металлургии и может быть использовано для разжижения сталеплавильных шлаков и защиты футеровки ковшей и вакуумматоров при внепечной обработке сталей на установках «печь - ковш».
2
2
2
3
Известно, что футеровка ковшей и вакуумматоров подвергается механическому, химическому и тепловому воздействию, что приводит к снижению массы, объема и прочностных характеристик огнеупоров. Одним из наиболее агрессивных факторов разрушения огнеупорной футеровки является ее взаимодействие со сталеплавильным шлаком. В процессе эксплуатации футеровки наряду с химическим взаимодействием между футеровкой и шлаком происходит пропитка (инфильтрация) пор огнеупора шлаком. Основной составляющей шлакового инфильтрата является двухкальциевый силикат (2 CaO×Si O), появляющийся при основности шлака (СаО/SiO) более 1,4. Накопление в порах огнеупора двухкальциевого силиката и его последующий фазовый переход (изменение структуры кристаллической решетки) сопровождается изменением объема до 12% и приводит к глубоким трещинам и сколам футеровки. Для предотвращения этого процесса, снижения эффекта его негативного воздействия на футеровку необходимо стабилизировать шлак за счет повышения в нем содержания оксида алюминия путем введения в состав шлака глиноземистых материалов, способствующих образованию шпинели (MgО×А1O), которая выделяется из расплава и способствует созданию защитного гарниссажа, препятствующего интенсивной пропитке футеровки. В качестве разжижителя сталеплавильных шлаков в черной металлургии традиционно применяют плавиковый шпат, но плавиковый шпат не предохраняет футеровку, выделяет в атмосферу значительное количество фтора, по стоимости весьма дорог.
Ближайшим аналогом заявленного изобретения является способ получения высокоглиноземистых гранул, раскрытый в RU №2132398. Однако поставленные задачи в известном решении и заявляемом способе различны.
В изобретении по п. №2132398 поставлена задача пироселективного разделения оксида алюминия от хлоридов. В шихту вводится коксик, являющийся восстановителем, который не позволяет алюминию металлическому превратиться в оксид алюминия. Источником тепловой энергии также является коксик.
Для получения в дальнейшем материала, пригодного в огнеупорной промышленности, в шихту вводят глиноземистый цемент, известняк, каустический магнезит, нефтекокс.
Задачей предлагаемого изобретения является расширение арсенала средств, способных более эффективно использовать всю массу шлакообразующей смеси для разжижения шлаков, десульфурации расплавов сталей, создания защитного гарнисажа на футеровке ковшей и вакуумматоров.
Указанная задача решается тем, что способ получения гранул для разжижения сталеплавильного шлака включает окомкование мелкодисперсных, крупностью не более 150 мкм, отходов обогащения алюминиевых шлаков в гранулы, загрузку порции гранул в обжиговое оборудование шахтного типа слоем не менее одного метра, розжиг с помощью горелки нижних слоев гранул до температуры 840°С в течение не более 5 минут для запуска процесса самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, подачу воздуха в зону горения при коэффициенте расхода кислорода К=1,3Кс, где Кс - коэффициент по стехиометрии реакции окисления алюминия, отжиг и выпуск порции готовых гранул, имеющих следующий состав, мас.%:
Аl<sub>2</sub>Oз
50-60
Аl<sub>MC</sub>,
3- 5
SiO<sub>2</sub>
6-8
S
не более 0,2
Р
не более 0,2
N
до 1
оксиды и хлориды металлов
остальное
Коэффициент расхода кислорода воздуха 0,59 по отношению к массе алюминия. Коэффициент стехиометрии рассчитан по реакции
2
2
3
4Аl→3О→2АlO
При расчете полученный расход кислорода по стехиометрии увеличен на коэффициент 1,3, учитывая, что весь подаваемый кислород в зону реакции ксилород не может быть использован в силу существующих в садке гранул несплошностей, какая-то часть его будет выброшена в аспирационные дымы непрореагировавшей. 1.3 - это коэффициент запаса, коэффициент избытка кислорода.
Но значительный объем подаваемого воздуха будет играть роль охладителя, тормозить развитие процесса обжига гранул.
В то же время известно, что шлаки, содержащие алюминий, очень не однородны по химическому составу, содержание составляющих его химических соединений зависит от многих факторов и не поддается расчету. Приходится брать усредненный химический состав из более чем десятка различных партий шлака. Металлический алюминий отбирает кислород у оксидов других металлов, восстанавливая их. Шлаки алюминиевых сплавов вторичной переработки алюминия (шлаки, содержащие алюминий), как правило, содержат значительное количество оксидов железа, которые легко восстанавливаются алюминием. Алюминий в шлаках находится также не в чистом виде, а в виде какого-либо алюминиевого сплава, содержание алюминия в котором колеблется в широких пределах. Поэтому эмпирическим путем определили коэффициент 0,59. Этот коэффициент следует понимать как 0.59 от рассчитанного по стехиометрии и с коэффициентом избытка воздуха
3.9×0.59=2.301
Заявленный технологический процесс осуществляется следующим образом. Пылевидные отходы (хвосты) процесса обогащения алюминиевых шлаков разделяются по классу 150 мкм на пневматическом каскадно-гравитационном классификаторе, фракция минус 150 мкм поступает на грануляцию (окомкование). Грануляция производится на тарельчатом грануляторе с добавлением воды, которая снимает поверхностную энергию пылевидных частиц и это побуждает частицы образовывать послойную сферу равномерного химического состава по всем направлениям сферы. Гранулы затем проходят две стадии сушки для придания им прочностных свойств, необходимых для помещения гранул в шахтный реактор, в котором проводилось определение параметров технологического регламента обжига гранул.
Шахтный реактор представляет из себя шахту высотой 2 м, квадратного сечения 1×1 м, выложенную из огнеупорного кирпича. Верх шахты закрыт зонтом для вентиляции, в зонт собираются отходящие дымы, получившиеся в результате происходящих в реакторе процессов. Зонт через систему газоходов соединен с вентилятором центробежного типа, производительностью до 10 тыс. куб.м/час. В конструкции зонта предусмотрено технологическое отверстие для подачи сухих (необожженных) гранул. Подача гранул осуществляется элеватором ковшевого типа, транспортирующего гранулы из зоны разгрузки сушильного барабана. Через отверстие в зонте вводится термопара для определения температурного режима процесса. По высоте шахты с шагом 0.5 м предусмотрены отверстия для периодического контроля температуры по высоте слоя. На уровне пода шахты выполнены четыре квадратных в сечении отверстия размером 0.1×0.1 м. Длина (глубина) отверстий на толщину стенки огнеупорной кладки реактора. По аналогии отверстия названы фурмами. В эти отверстия устанавливаются горелки, работающие на дизельном топливе, фирмы Unigas (Италия), модель G 18, оптимальной тепловой мощностью 150 кВт каждая. Горелки подвижны, имеют возможность совершать движение к фурме и от фурмы.
Таким образом, фурмы выполняют двоякую роль - в момент розжига они являются каналом доставки тепловой энергии от горелки к гранулам (положение горелок у фурмы), в дальнейшем они служат для подачи просасываемого воздуха, обеспечивающего доставку кислорода к зоне реакции. Экспериментально установлено, что нижний слой гранул воспламеняется через 3-5 минут (в зависимости от содержания алюминия металлического и размера гранул). 5 минут - это максимальный результат. Температура нижнего (горящего) слоя гранул находится в пределах 820-840 (в зависимости от содержания алюминия металлического и размера гранул). 840 градусов - это максимально полученное значение температуры. Объем просасываемого воздуха регулируется путем изменения производительности вентилятора.
После воспламенения (начала горения) горелки гасят, откатывают от фурм, процесс горения продолжается самопроизвольно от гранулы к грануле, скорость протекания процесса зависит от объема просасываемого воздуха. Обжиг гранул возможен не только в реакторе шахтного типа (например, в установке роторного типа с неподвижной горизонтальной осью вращения, но при этом требуется постоянный расход энергоносителя - газообразного либо жидкого топлива). В шахтном реакторе процесс горения (обжига) происходит самопроизвольно. Устойчиво процесс протекает при высоте слоя гранул 0.9-1.0 м. Более мощный слой требует более высокого напора вентилятора, меньший по высоте слой прекращает процесс обжига из-за обильного охлаждения гранул по причине уменьшения сопротивления слоя гранул и возрастания скорости движения воздуха в пространстве между гранул (не успевает отдать кислород, но охлаждает).
На описанном реакторе шахтного типа опробованы несколько видов российских шлаков, получаемых во вторичной металлургии алюминия и его сплавов.
Продукция, полученная в результате этих работ (обожженные гранулы), прошла апробацию в условиях Нижне-Тагильского металлургического комбината.
Экспериментами на шахтном реакторе доказана возможность переработки различных видов шлаков. Размер реактора, размер гранул (15-25 мм), высота слоя гранул, время розжига, тип и мощность горелки, аэродинамические характеристики вентилятора справедливы для указанных параметров процесса, который происходит следующим образом.
Представим себе две гранулы, изготовленные по описанной выше технологии, в объеме сферической гранулы находятся рассредоточенные мелкодисперсные частицы алюминиевого сплава. При возгорании одной частицы локально развивается высокая температура до 1900 градусов Цельсия, за счет этого осуществляется прогрев окружающих слоев гранулы, что позволяет возгореться очередной частице алюминиевого сплава. При изготовлении гранул влажность материала составляет 16-20%. Операция сушки удаляет влагу, делая гранулу пористой для свободного проникновения воздуха и содержащегося в нем кислорода.
Таким образом, частицы алюминиевого сплава, содержащиеся в грануле, постепенно возгораются, и по этому же принципу происходит возгорание верхней гранулы. В практике каждая нижняя гранула соприкасается с двумя-четырьмя верхними, поэтому процесс распространяется вверх и в стороны.
Приводим результаты химического анализа материала, влажных, сухих и обожженных гранул. На анализ отдавалась не одна и та же гранула, следовательно, имеются погрешности усреднения исходного материала, равно как и погрешности методики анализа.
Таблица 1
Массовые доли.
Компонент
Исходный материал
Гранула влажная
Гранула сухая
Гранула обожженная
Примечание
Оксид кремния
9.36
8.08
8.86
8.53
Оксид алюминия
29.3
27.6
30.4
52.6
Алюминий (металлический)
19.3
17.7
18.1
5.0
Анализ результатов, приведенных в таблице 1, говорит о том, что закономерность поведения тех или иных элементов и соединений подтверждается, а именно:
1. Содержание алюминия металлического снижается.
2. Содержание оксида алюминия повышается.
При проведении внепечной обработки металла согласно инструкции ТИ-102-СТ.К-318-2004 «Внепечная обработка стали на установке «печь - ковш» и вакууммирование в циркуляционном вакууммматоре» по ходу обработки оценивалось визуально состояние и жидкотекучесть шлака.
Исходный материал имел следующий состав (мас.%):
Оксид алюминия - до 30
Алюминий металлический - до 20
Оксид кремния 8-10
Сера - не более 0,2
Фосфор - не боле 0.2
Азот - 4-5
Остальное - оксиды других металлов, хлориды натрия и калия.
Полученный по предлагаемой технологии материал имеет более высокую разжижающую способность.
Анализ результатов проведения внепечной обработки сталей с использованием предлагаемого продукта на более чем 500 плавках показал, что применение высокоглиноземистых гранул (окатышей) и сравнение их с плавками по обычной технологии показывает, что степень десульфурации выше 42.9% против 35%, среднее содержание оксида алюминия в шлаке возросло с 8,5-8,6 до 14,9 (исходное 8,8), т.е. при обычных плавках содержание оксида алюминия практически не возрастает, а с применением гранул растет почти в два раза. Средняя стойкость футеровки вакуумматоров с применением окатышей составила 97,3 плавки, без применения - 89,8 плавки. Удельный износ огнеупоров впускного патрубка вакуумматоров снизился с 2.58 мм/плавку до 1.6 мм/плавку, на 37.9%.
Таблица 2
Технология плавки
Степень десульфурации, %
Содержание оксида алюминия в шлаке, %
Стойкость футеровки, количество плавок, шт.
Износ патрубка мм за одну плавку
Обычная технология
35,0
8.5-8.6
89.8
2.58
С применением гранул
42.9
14,9
97.3
1.6