СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ ПЫЛИ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА
METHOD TO PROCESS DUST OF METALLURGICAL PRODUCTION

Изобретение относится к способам переработки отходов (пыли) металлургического производства и может быть использовано в черной и цветной металлургии.
Известным техническим решением является способ переработки металлургических отходов (пыли) путем их окомкования (или брикетирования) с последующей металлизацией окускованного материала во вращающихся трубчатых печах (Комплексное использование сырья и отходов. Равич Б.М., Окладников В.П., Лыгач В.Н., Менковский М.А. М.: Химия, 1988 г., с.92). Сырые окатыши, по известному способу, предварительно подвергаются грохочению для отсева мелочи, сушке и упрочняющему нагреву во вращающихся печах до 1100°C. В качестве восстановителя в печах используется коксовая мелочь или антрацит, причем процессы восстановления оксидов железа и цинка протекают за счет углерода восстановителя, подаваемого в печь совместно с окатышами.
Недостатками известного способа являются:
- пониженное содержание оксида цинка в уловленной пыли (менее 40%) из-за загрязнения угольной и коксовой пылью;
- необходимость длительной выдержки при температуре восстановления из-за того, что газ проникает с поверхности окатыша к центру путем сравнительно медленной диффузии по порам.
Известен способ переработки металлургических отходов (пыли), при котором во вращающуюся печь с отходами сталеплавильного производства добавляют более 3% по весу MgO или использованных MgO-C изделий с целью замедления процесса разрушения футеровки печи, повышения температуры размягчения и плавления обжигаемого продукта во вращающейся печи и для достижения высокой скорости восстановительного испарения ZnO и PbO. Углеродсодержащий восстановитель (кокс) добавляется в печь отдельно и частично или полностью может быть заменен MgO-C изделиями (JP 05-132723, C22B 7/02).
Недостатками данного способа являются:
- сравнительно низкая степень возгона цинка и свинца из-за неразвитой поверхности взаимодействия обжигаемых отходов и восстановителя,
- низкая производительность процесса вследствие частичного оплавления гранул, образующихся в зонах сушки и подогрева вращающейся печи, т.к. магнезиальная добавка, увеличивающая температуру их плавления, не была специально распределена по объему окомковываемых отходов.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому является способ переработки металлургических отходов (пыли), в котором брикетирование отходов осуществляют совместно с твердым углеродсодержащим веществом в виде измельченного каменного или бурого угля крупностью 3-5 мм. Брикеты подают в прямоточную трубчатую печь, отапливаемую со стороны загрузки топлива кислородными горелками, при этом температуру брикетов на выходе из печи поддерживают в диапазоне 700-1000°C. Скорость фильтрации печных газов в прямоточной трубчатой печи, приведенную к нормальным условиям: температуре 20°C и давлению 760 мм рт.ст., устанавливают 0,3-1,0 м/с. Отходы перед брикетированием предварительно нагревают в подогревательной противоточной трубчатой печи до температуры 550-1000°C (RU 2240361, C22B 1/14).
Недостатками известного способа являются:
- отсутствие специальных условий, которые предотвращают образование настылей на футеровке канала печи, что ограничивает возможность подъема температуры до 1300°C, а последнее необходимо для полного удаления цинка из пыли металлургического производства, содержащей 5-17% Zn+ZnO;
- настыли формируются также вследствие восстановления ферритов и силикатов цинка, неизбежно содержащихся в пыли металлургического производства, а также вюстита в диапазоне 1200-1250°C, что одновременно препятствует выделению паров цинка и оксида углерода с соответствующим снижением степени возгонки цинка и металлизации;
- не формируется необходимый восстановительный потенциал для высокой степени металлизации железа и содержание металлического железа в выгружаемых брикетах не достаточно, чтобы использовать их для прямой загрузки в сталеплавильные агрегаты, что снижает потребительскую стоимость продукта.
Технический результат изобретения заключается в повышении степени извлечения цинка из отходов (пыли) металлургических производств и получении металлизированного продукта с содержанием металлического железа более 85%. Этот продукт можно загружать в сталеплавильные печи взамен части металлолома или в доменные печи как железосодержащую добавку.
Указанный технический результат достигается тем, что реализуется способ переработки пыли металлургического производства, заключающийся в окусковании пыли совместно с углеродистым восстановителем, сушке полученных окускованных материалов, их нагреве и обжиге, восстановлении и возгоне цинка в газовую фазу, охлаждении отходящих газов, окислении и конденсировании оксида цинка в виде тонкодисперсной пыли и улавливании пыли, содержащей оксид цинка,
согласно заявленному изобретению при окусковании пыли в шихту добавляется материал основного состава с содержанием MgO не менее 70%,
дополнительно, совместно с окускованным материалом, в печь загружают углеродистый восстановитель,
при этом восстановительный обжиг проводят при температуре 1200-1400°C,
выгруженный из печи обесцинкованный материал подвергают магнитной сепарации.
При окусковании пыли материал основного состава с содержанием MgO не менее 70% используют в количестве 20-50 кг на 1 тонну пыли металлургического производства, а углеродистый восстановитель в количестве 100-150 кг на 1 тонну пыли металлургического производства.
Окускование пыли металлургического производства совместно с материалом основного состава и углеродистым восстановителем производят методом окомкования, гранулирования или брикетирования.
Углеродистый восстановитель, загружаемый дополнительно в печь совместно с окускованным материалом, используют в количестве 200-400 кг на 1 тонну окускованного материала.
Для переработки заявленным способом может быть использована пыль металлургического производства, в частности пыль электросталеплавильного, конвертерного, доменного и мартеновского производств, содержащая оксиды железа (45-50%) и цинк (5-17%). Усредненный химический состав различной пыли металлургического производства приведен в таблице 2.
В качестве материала основного состава с содержанием MgO не менее 70% может использоваться:
каустический магнезитовый порошок, получаемый в результате улавливания пыли, образующейся при производстве периклазового порошка,
периклазовый порошок, магнезитовый порошок, полученные путем обжига (плавления) природного магнезиального сырья (магнезита, брусита),
периклазовый (магнезитовый) порошок, кальцинированный периклазовый порошок, полученные высокотемпературным обжигом природного магнезита и/или смеси природного магнезита с каустическим.
В качестве углеродистого восстановителя могут использоваться кокс, уголь, полукокс, коксовая пыль, антрацит.
Окускованный материал из смеси металлургической пыли, углеродистого восстановителя и материала основного состава с содержанием MgO не менее 70% обладает рядом свойств, способствующих наиболее полному удалению цинка и металлизации железа. Кроме того, наличие материала основного состава с содержанием MgO не менее 70% препятствует формированию настылей (наростов) в канале печи из обжигаемых продуктов при температуре, обеспечивающей возгонку цинка.
Наличие материала основного состава с содержанием MgO не менее 70%, обладающего огнеупорными свойствами и повышающего температуру начала плавления окомкованного материала, позволяет поднимать температуру обжига до 1400°C без оплавления и потери формы гранул. Процессы восстановления оксидов цинка и железа идут интенсивно внутри окускованного материала за счет развитой поверхности реакции, вследствие наличия прямого контакта частичек пыли и продуктов газификации углеродистого восстановителя с сохранением пористой структуры окускованных материалов.
Содержание материала основного состава с содержанием MgO не менее 70% в смеси для окускования ниже 20 кг на 1 тонну пыли металлургического производства не обеспечивает повсеместного контакта частиц пыли и оксида магния, появляются зоны локального плавления, снижающие газопроницаемость окускованного материала с увеличением количества цинка в металлизированном продукте, что снижает эффективность процесса возгонки цинка. Увеличение расхода материала основного состава с содержанием MgO не менее 70% более 50 кг на 1 тонну пыли металлургического производства замедляет процесс возгонки, требует повышенной температуры для сохранения целостности металлизированного брикета и снижает производительность печи.
Расход измельченного углеродистого материала в смеси для окускования менее 100 кг на 1 тонну пыли металлургического производства не достаточно эффективно интенсифицирует процессы восстановления оксидов цинка и железа из-за того, что не все поры окускованного материала заполнены продуктами газификации углерода. Увеличение содержания углеродистого восстановителя сверх 150 кг приводит к тому, что не весь он расходуется на восстановительные процессы при среднем содержании железа в отходах 45-50% и цинка 5-17%. Лишний углерод не вступает в реакцию, что снижает экономические показатели процесса, играет роль разрыхлителя, препятствуя уплотнению окускованного материала, и прочность обожженного окускованного материала снижается до уровня, который не допускает его эффективную дальнейшую транспортировку и использование в металлургических агрегатах.
Применение углеродистого восстановителя только в виде, закатанном в окускованный материал, брикеты или гранулы, не позволяет создать атмосферу в печи с высоким восстановительным потенциалом. В поры окатышей, брикетов или гранул после начальной стадии восстановления оксидов цинка и железа, протекающей при высоком парциальном давлении газов внутри окускованного материала, начнут проникать окислительные газы, являющиеся продуктами сжигания природного газа, подаваемого в горелки. Цинк, испарившийся на начальной стадии активного восстановления, удаляется, а металлическое железо окисляется углекислым газом и водяными парами, что снижает степень металлизации окомкованного продукта. Для достижения высоких степеней возгона цинка и металлизации железа совместно с окускованным материалом загружается углеродистый восстановитель, например, в виде кокса или угля. Углерод твердого восстановителя газифицируется углекислотой по реакции Будуара и водяными парами по реакции водяного газа. Образующаяся моноокись углерода и водород обладают высоким восстановительным потенциалом и обеспечивают практически полный возгон цинка в богатой по этому элементу металлургической пыли и металлизацию железа. Кроме того, наличие кускового кокса или угля в печном пространстве обеспечит опережающее окисление (сжигание) кислорода воздуха, проникающего через неплотности стыковочного узла неподвижных головок и вращающегося барабана трубчатой печи. Отсутствие кислорода как в глубине пересыпающегося слоя, так и на его поверхности является гарантией сохранения металлического железа в обожженном материале, выгружаемом из печи.
Загрузка кускового углеродистого восстановителя в количестве, меньшем 200 кг на 1 тонну окускованного материала, не достаточна для сжигания всего кислорода, образующегося в печном пространстве вращающейся печи, и приведет к снижению степени металлизации железа. Ввод кускового углеродистого восстановителя более 400 кг на 1 тонну окускованного материала не требуется для поддержания высокого восстановительного потенциала газовой фазы и не целесообразен из-за дополнительных затрат.
Углетермическое восстановление при температурах, достигающих 1400°C, позволяет перевести в газообразное состояние и затем уловить цинк не только цинкита, но и трудно восстановимых силикатов и ферритов цинка, присутствующих в обогащенной цинком пыли металлургического производства, поднимая качество как возгонов, так и металлизированного продукта.
Заявленный способ позволяет наиболее эффективно с точки зрения удельного расхода восстановителя использовать последний для извлечения из металлургической пыли целевого продукта.
Пример реализации заявленного способа. Пыль металлургического производства (усредненный химический состав пыли представлен в таблице 2), кокс в количестве 130 кг на одну тонну пыли и магнезитовый порошок (или другой материал, указанный в таблице 3) в количестве 30 кг на одну тонну пыли, смешиваются, при необходимости увлажняются, затем смесь подается на участок окускования. В качестве трубчатой печи используют вращающуюся печь производства цемента. Полученный окускованный материал, а также кокс в количестве 300 кг на одну тонну окускованного материала, подают во вращающуюся печь. Восстановительный обжиг во вращающейся печи проводят при температуре в зоне восстановления оксида цинка и возгона цинка 1200-1400°C. В печи цинк восстанавливается углеродом и монооксидом углерода, металлический цинк возгоняется в газовую фазу и затем при охлаждении газов в газоходах, охладителях и пылеулавливающих устройствах цинк окисляется кислородом воздуха. Получившийся оксид цинка конденсируется в виде тонкодисперсной пыли и улавливается фильтрами, образуя полупродукт с повышенной концентрацией оксида цинка, который является сырьем - концентратом для дальнейшей переработки.
Выгружаемый из печи обесцинкованный материал охлаждают, после чего подвергают сухой магнитной сепарации с выделением углеродистого восстановителя, золы и шлаковых составляющих в немагнитную фракцию, а металлизированного продукта - в магнитную часть. Немагнитную фракцию классифицируют с отделением в отвал мелочи и несгоревшего восстановителя, магнитную часть дробят и вторично сепарируют в магнитных полях с выделением в магнитную фракцию очищенного металлопродукта. Выделенный при сухой магнитной сепарации углеродистый восстановитель загружают обратно в печь совместно с окускованной пылью.
общ.
Заявленный способ позволяет получить концентрат с содержанием ZnO 50-70%, годный для производства цинка, а также готовый металлопродукт - металлизированные окатыши с содержанием Fe более 85% со степенью металлизации более 95%, соответствующий требованиям, предъявляемым к железосодержащему сырью для сталеплавильного производства.
Сопоставление показателей процесса в заявляемом способе и прототипе приведено в таблице 1.
Из представленной таблицы очевидно, что заявляемый способ позволяет перерабатывать пыль металлургического производства при существенно более высокой эффективности применения восстановителя на тонну извлекаемого оксида цинка и при более эффективно организованном процессе восстановления железа, характеризуемом степенью металлизации. При этом как в прототипе, так и в заявляемом способе цинк в металлизированных продуктах обжига практически отсутствует.
Таблица 1
Сравнительные показатели прототипа и заявляемого способа
Прототип(RU 2240361)
Заявленный способ
Fe (общ) - шихта, %
50
50
Fe (мет) - готовый продукт, %
75
80
ZnO (шихта), %
0,6
5-17
ZnO (металлизованный продукт)
0,01
0,01
Удельный расход природного газа, м<sup>3</sup>/т шихты
50
50
Удельный расход твердого восстановителя, кг/т шихты
100 (каменный уголь)
350
Содержание в пыли, уловленной из газов, выходящих из печи, оксида цинка, %
50
55-70
Потери материала с возвратом при переработке отходов, %
5
5
Таблица 2
Усредненный химический состав пыли металлургических производств
№ п/п
Вид пыли металлургического производства различных предприятий
Fe<sub>общ</sub>
FeO
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
CaO
SiO<sub>2</sub>
MgO
ZnO
PbO
S<sup>общ</sup>
С<sub>тв</sub>
ПМП
MnO
Σ<sub>окс</sub>
1
Доменный шлам
44,5
8,9
53,7
6,6
5,7
1,2
5,2
0,02
0,40
10,9
-
0,4
91,2
2
Доменный шлам
29,7
13,3
49,6
15,7
11,5
1,8
5,7.
-
-
-
16,1
-
90,7
5
Мартеновская пыль
53,2
0,5
75,4
од
0,6
0,8
7,0
0,5
2,2
0,1
-
1,3
88,5
4
Электросталеплавильная пыль ДСП-80 и печь ковш
43,7
3,5
58,5
8,2
10,0
2,5
6,7
-
0,6
1,0
3,3
-
94,3
5
Электросталеплавильная пыль
23,4
1,1
52,2
8,4
10,0
1,2
25,7
0,05
0,8
1,4
13,3
-
91,3
6
Электросталеплавильная пыль
27,5
5,1
50,5
11,1
12,0
1,7
20,3
-
0,9
2,6
9,11
-
81,1
Таблица 3
Химический состав основных материалов с содержанием MgO не менее 70%
Материалы основного состава
Химический состав, масс. доля, %
MgO
СаО
SiO<sub>2</sub>
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
Δm<sub>прк</sub>
каустический магнезитовый порошок
82,1
4,20
1,93
2,60
7,7
периклазовый порошок
86,3
2,06
1,39
1,87
6,9
периклазовый (магнезитовый) порошок
88,9
3,5
1,8
2,2
3,3
кальцинированный периклазовый порошок
92,3
2,2
2,0
1,62
0,6