СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СИНТЕТИЧЕСКОГО ФЛЮСА ДЛЯ СТАЛЕПЛАВИЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА
METHOD FOR PRODUCING SYNTHETIC FLUX FOR STEEL-MAKING PRODUCTION

Изобретение относится к металлургической промышленности и может быть использовано для получения флюса, используемого для рафинирования различных марок стали, наведения и разжижения шлаков в агрегатах «ковш-печь» (АКП) и вакууматорах при внепечной обработке сталей.
Известен способ получения комплексного флюса для сталеплавильного производства (патент РФ №2202627, МПК С21С 5/36, С22В 1/00, оп. 20.04.2003), включающий смешивание путем совместного мокрого помола шихты, состоящей из доломита и железосодержащего материала, сушку, обжиг и высокотемпературное окомкование шихты в окислительной атмосфере во вращающейся трубчатой печи, последующее охлаждение полученного флюса. Перед помолом в шихту вводят связующую добавку в количестве 1,5-3,5% от массы шихты и проводят предварительное окомкование шихты в низкотемпературной части печи.
Недостатком известного способа являются высокие энергетические затраты на получение флюса, поскольку измельчение шихты флюса осуществляют в мокрой среде, что приводит к необходимости последующей сушки материала.
Известен сталеплавильный флюс и способ его получения (патент РФ №2296800, С21С 5/36, С21С 5/54, С22В 1/216, оп.10.04.2007). Флюс содержит, масс. %, на прокаленное вещество: оксид магния основа; оксид кальция 3,0-12,0; оксиды железа 5,0-15,0; оксид алюминия 0,2-2,5; диоксид кремния 2,0-5,0. Компоненты шихты, состоящей из природного магнезита, каустического магнезита и сидеритовой руды, смешивают непосредственно во вращающейся печи при следующем содержании компонентов шихты, масс. %: природный магнезит 40-65; каустический магнезит 20-55; сидеритовая руда 5-15 и обжигают при температуре 1550-1700°С, обеспечивающей получение продукта скатанной формы. Обожженный материал охлаждают и классифицируют с получением готового продукта в виде фракции более 4 мм и фракции менее 4 мм. Отсев обожженного материала фракции менее 4 мм используют в качестве основного исходного материала для изготовления способом брикетирования крупнокускового флюса.
Данный способ получения сталеплавильного флюса не содержит операций в мокрой среде, но обжиг флюса осуществляется при достаточно высокой температуре во вращающейся печи, что тоже приводит к значительным энергозатратам при его производстве.
Известен сталеплавильный флюс и способ его получения (патент РФ №2374327, МПК С21С 5/36, оп. 27.11.2009), включающий смешение обожженных во вращающейся печи магнезиальносодержащих и связующих материалов, брикетирование полученной массы с дополнительным введением в состав шихты алюмосодержащих отходов от производства алюминия, а также углеродсодержащих материалов, или природных магнезита, и/или брусита.
В известном способе энергозатраты на производство флюса снижены, поскольку обжигается не весь объем шихты для приготовления флюса, а только магнезиальносодержащая часть, остальные компоненты шихты вводятся перед брикетированием. Однако энергозатраты на обжиг магнезиальной части все равно достаточно велики.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к заявляемому изобретению является способ получения синтетического флюса для металлургических процессов выплавки чугуна и стали (патент РФ №2465342, МПК С21С 7/00, 7/076, оп. 27.10.2012), включающий смешение фторуглеродсодержащих отходов электролитического производства алюминия с крупностью частиц не более 1 мм, кальцийсодержащего компонента и воды, окусковывание шихты с получением материала крупностью 10-100 мм и сушку. В качестве кальцийсодержащего компонента используют материал, содержащий активный оксид кальция или образующий его при выплавке чугуна или стали. Весовое соотношение Ca:F в смеси поддерживают равным 0,8-1,3. При этом используют мелкодисперсные фторуглеродсодержащие отходы в виде пыли электрофильтров, или шлама газоочистки, или хвостов флотации угольной пены, или измельченной отработанной угольной футеровки, или в виде смеси отходов с содержанием фтора не менее 9 вес. %. В качестве кальцийсодержащего компонента на смешивание подают твердые отходы, образующиеся при производстве ацетилена из карбида кальция, или материал, содержащий карбонат кальция или содержащий гидроксид кальция с крупностью частиц не более 1 мм.
Недостатком данного способа является наличие операций введения воды перед смешением и сушки окускованного материала, что усложняет технологию приготовления флюса и приводит к дополнительным энергозатратам. Кроме того, данный флюс содержит значительное количество фтористых соединений, которые разъедают футеровку и отрицательно влияют на окружающую среду.
Общим недостатком всех рассмотренных флюсов является отсутствие в их составе стабилизаторов, которые позволяют при использовании таких флюсов для разжижения высококальциевых рафинировочных шлаков придать шлакам стабильность от рассыпания вследствие полиморфных превращений двухкальциевого силиката, входящего в состав таких шлаков.
Техническим результатом настоящего изобретения является создание способа получения комплексного сталеплавильного флюса с низкими энергозатратами, высокими прочностными свойствами брикетов при одновременном обеспечении стабилизации рафинировочных шлаков, полученных с использованием флюса по предлагаемому способу.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе получения синтетического флюса для сталеплавильного производства, включающем смешивание компонентов исходной шихты на основе отходов производства вторичного алюминия и связующего, последующее формование смеси, согласно изобретению на смешивание в качестве связующего подают алюминат натрия и дополнительно вводят армирующий компонент в виде боросиликатного стекловолокна в количестве 0,3-3,6 масс. %, полученную смесь брикетируют, готовые брикеты помещают в герметичную емкость с газоотводящим трактом, а расход связующего (N, %) зависит от удельной поверхности ОПВА и определяется по уравнению:
уд
уд
2
N=-2,28+0,049⋅S, где S - удельная поверхность ОПВА, м/г, N - расход связующего, %.
При этом брикетирование смеси осуществляют при давлении 20-100 МПа.
При осуществлении заявленного способа отходы производства вторичного алюминия (ОПВА) перед брикетированием смешивают с алюминатом натрия и боросиликатным стекловолокном. После брикетирования компоненты сырьевой смеси сближаются и начинают реагировать между собой. Входящий в состав ОПВА металлический алюминий вступает в реакцию с алюминатом натрия по реакции
2
3
2
3
В результате протекания реакции 1, за счет увеличения концентрации AlО, каустический модуль алюмината натрия по данной реакции изменяется с 0,6 до 0,3. Поскольку реакция 1 является экзотермической, прессованные брикеты разогреваются до температуры около 60°С, испаряя при этом лишнюю воду, вызывая коагуляцию AlО и отверждение смеси. Таким образом, при незначительных энергозатратах, брикеты приобретают значительную прочность и имеют низкую влажность.
При протекании реакции (1) выделяется значительное количество водорода. При значительных объемах производства в цехе может сформироваться взрывоопасная смесь, поэтому брикеты сразу после прессования помещают в герметичную емкость с газоотводящим трактом для предотвращения выхода водорода в цеховое пространство.
Входящее в состав брикетов боросиликатное стекловолокно является армирующим компонентом и увеличивает прочность получаемых брикетов.
2
2
2
2
2
Высококальциевые рафинировочные сталеплавильные шлаки подвержены силикатному распаду ввиду наличия в их составе значительного количества низкотемпературной модификации белита (2CaO⋅SiO) γ-CS - шеннонита, образующегося вследствие сложных полиморфных превращений высокотемпературных модификаций белита (α-CS, α'-CS и β-CS) при охлаждении шлака до 830°С, сопровождающееся увеличением объема и последующим распадом шлака на пылевидные фракции.
2
2
2
Стабилизация таких шлаков возможна при обработке их предлагаемым флюсом, в состав которого введены алюминат натрия в качестве связующего и боросиликатное стекловолокно в качестве армирующего компонента. Стабилизирующее действие боратов, входящих в состав боросиликатного стекловолокна, основано на частичном замещении в структуре белита CS ионов  ионами бора , препятствующих трансформации β-CS в γ-CS при полиморфном превращении.
2+
2
2
2
2
3
2
3
2
2
5
2
3
2
2
2
Стабилизирующее действие алюмината натрия основано на изоморфном замещении ионов Са и  в высокотемпературных модификациях белита α-CS, α'-CS и β-CS на родственные ионы, входящие в состав оксидов MgO, AlO, FeO, BaO, KO, РО, CrO, NaO, MnO. Такое замещение приводит к изменению радиуса ионов и трансформации молекулы двухкальциевого силиката, препятствуя полиморфным превращениям белита. Ионы натрия и алюминия, входящие в состав алюмината натрия, стабилизируют высокотемпературную модификацию белита β-CS.
2
2
3
2
2
3
2
3
2
2
3
Экспериментально установлено, что для обеспечения стабильности шлака с содержанием 30 масс. % CS необходимо вводить ВО в количестве от 0,02 масс. % до 0,05 масс. %. При содержании CS в шлаке 80 масс. %, необходимо добавлять 0,25 масс. % ВO. Поскольку при изготовлении боросиликатного стекловолокна используют сырьевую смесь, содержащую, масс. %, кварц (SiO) - 27,55, микрокальцит (СаСО) - 33,9, каолин - 29,57%, борная кислота - 8,87-8,89%, то полученное стекловолокно имеет химический состав, масс. % SiO - 38,3%, СаО - 26,4%, каолин безводный 35,3%, ВО - 7,0%. Соответственно для обеспечения стабильности шлака при минимальном содержании в нем белита, 30 масс. % необходимо вводить 0,3% боросиликатного стекловолокна, а при содержании в шлаке 80% белита необходимый расход составит 3,6%.
2
На основании лабораторных исследований установлена зависимость между удельной поверхностью сырьевых составляющих ОПВА при давлении прессования 20-100 МПа и расходом связующего - алюмината натрия, необходимого для приготовления качественного брикета. Удельная поверхность исходных ОПВА колеблется от 50 до 200 м/кг, что влияет на расход связующего. Результаты определения удельной поверхности ОПВА и расходы связующего представлены на рисунке и в таблице 1.
На рисунке приведена графическая зависимость расхода связующего от удельной поверхности ОПВА.
Полученное эмпирическое уравнение пригодно для вычисления расхода связующего в зависимости от удельной поверхности ОПВА. В условных единицах обозначений уравнение регрессии выглядит следующим образом:
уд
2
где N - расход связующего, %; S - удельная поверхность ОПВА, м/г.
Для повышения прочности получаемого флюса подготовленную смесь брикетируют при давлении 20-100 МПа, что обеспечивает хороший контакт между компонентами и позволяет снизить потери при транспортировке и хранении материала. При давлении прессования менее 20 МПа часть флюса (около 7%) рассыпается, а усилие более 100 МПа нецелесообразно, так как возрастают энергозатраты.
Пример осуществления изобретения
На первом этапе изучались прочностные характеристики брикетов, приготовленных по способу, заявленному в настоящем изобретении.
Исходная смесь для получения предлагаемого флюса готовилась на основе отходов производства вторичного алюминия (ОПВА) - пыли (крупность менее 100 мкм, влажность не более 1,5%) и шлака (крупность не более 3-5 мм) производства вторичного алюминия. Химический состав ОПВА приведен в таблице 2.
2
Удельная поверхность ОПВА, определенная на приборе ПСХ-4 методом воздухопроницаемости, составила 67 м/кг. Расчет по уравнению (2) свидетельствует, что для обеспечения нормальной прочности брикета в ОПВА необходимо вводить около 1,0 масс. % связующего.
Компоненты сырьевой смеси смешивали в течение 1-2 минут во вращающемся барабане - окомкователе. Сразу после смешения сырьевая смесь прессовалась при давлении 20 и 100 МПа. Готовые брикеты, имеющие форму сфероида диаметром 60 мм и толщиной 40 мм, помещали в герметичную камеру с газоотводящим трактом для отвода водорода.
Через 24 часа у брикетов определялся предел прочности при сжатии. Результаты испытаний представлены в таблице 3.
По результатам испытаний видно, что при давлении прессования 50 МПа, минимальной нормативной манипуляторной прочности (1,2 МПа) брикеты достигают при содержании в смеси 1,0 масс. % алюмината натрия. Введение перед прессованием в сырьевую смесь боросиликатного стекловолокна армирующего диаметром 9,2-10,2 мкм и длиной 9,0 мм показало, что при введении в исходную смесь армирующего стекловолокна одновременно с алюминатом натрия во всем заявленном диапазоне увеличивает прочность брикета в среднем на 25%.
На втором этапе исследований определялось стабилизирующее действие флюса, приготовленного в соответствии с заявленным способом, на рафинировочный шлак типового состава.
Химический состав рафинировочного шлака приведен в таблице 4.
Исходная смесь для получения предлагаемого флюса готовилась на основе отходов производства вторичного алюминия (ОПВА) - пыли и шлака производства вторичного алюминия. Связующий и армирующий компоненты смешивались с ОПВА и прессовались при давлении 50 МПа. Полученные по предлагаемому способу брикеты вводились в модельный шлак в количестве 10 масс. %, помещались в муфельную печь и нагревались до температуры 1350°С. После полного расплавления смеси шлак выдерживали при данной температуре 15 мин и охлаждали вместе с печью.
После охлаждения определяли степень стабильности шлака, равную отношению количества массы пробы, не прошедшей через сито 063, отнесенной к массе исходной пробы, умноженное на 100%.
План проведения эксперимента и результаты стабилизации шлака при совместном введении связующего и армирующего компонентов приведен в таблице 5.
Результаты испытаний приведены в таблице 6.
По результатам испытаний видно, что стабилизация шлака при совместном введении связующего и армирующего компонентов происходит при содержании алюмината натрия более 1,0%, а боратного стекла более 0,28%. Таким образом, нижний предел содержания боратного стекла принимается равным 0,28 масс. %, а расход связующего определяется расчетным путем в зависимости от удельной поверхности ОПВА. Верхний предел содержания связующего и боратного стекла принимается из экономических соображений, чтобы незначительное введение данных компонентов не привело к существенному удорожанию флюса, изготовленного предлагаемым способом.
Использование техногенных отходов в предлагаемом способе получения синтетического флюса для сталеплавильного производства обеспечивает повышение технико-экономических показателей металлургического процесса и получение флюсового материала, который оказывает комплексное воздействие на фазовый состав высококальциевых рафинировочных шлаков.