Библиографический список. Утилизация шлаков сталеплавильного производства - этапы переработки и утилизации всей массы образующихся в сталеплавильном производстве шлаков (Далее

Содержание

Утилизация шлаков сталеплавильного производства - этапы переработки и утилизации всей массы образующихся в сталеплавильном производстве шлаков (Далее " шлак" - " Ш.";) являются обязательным элементом безотходной технологии. Во-первых, многочисленные шлаковые отвалы и связанные с этим отчуждения земельных угодий, образование пыли, отрицательное воздействие на воздушный и водный бассейны вредны и экологически недопустимы; во-вторых, утилизация отходов экономически выгодна. Достаточно отметить, что только чистого металла со Ш. извлекается более 1 млн. т в год. Основными путями утилизации шлаков сталеплавильного производства являются: 1) извлечение металла; 2) получение железофлюса для вагранок и аглодоменного производства; 3) получение щебня для дорожного и промышленного строительства; 4) использование основных Ш. в качестве известковых удобрений (шлаковой муки) для сельского хозяйства; 5) использование фосфорсодержащих шлаков для получения удобрений для сельского хозяйства; 6) вторичное использование конечных сталеплавильных шлаков. Сталеплавильные шлаки условно (имея в виду их дальнейшее использование) можно разбить на несколько подгрупп: а) шлаки, образующиеся в начальный период плавки (этот период часто называют окислительным). Эти Ш. содержат большое количество оксидов железа (иногда до 40 % от общего количества Ш.). Железо в Ш. может быть в виде оксидов FeO и Fe2O3 и в виде запутавшихся корольков железа. Основность этих Ш. невелика; обычно они скачиваются из агрегата после завершения начального периода плавки и могут храниться и перерабатываться отдельно; б) шлаки, сформировавшиеся в конце плавки (конечные шлаки). Обычно эти Ш. содержат несколько меньшее количество железа и имеют более высокое значение основности (CaO/SiO2 = 2, 5 — 3, 5). При выплавке низкоуглеродистой стали содержание оксидов железа и в этих Ш. может быть достаточно высоким (15-20%), однако корольков железа в них значительно меньше. В дуговых печах при проведении восстановительного периода под белым или карбидным Ш. содержание оксидов железа снижается до < 1 %, содержание СаО возрастает до 55—60 %. Конечные Ш. можно оставлять в агрегате для использования в следующей плавке или после выпуска вновь загружать в печь; в) шлаки, попадающие в сталеразливочный ковш с выпускаемой сталью. Эти Ш. в жидком состоянии содержат незначительное количество железа. На практике часто определенное количество металла, оставшегося на днище и стенках ковша после окончания разливки стали, попадает вместе со Ш. в чаши (это так называемые скрапины). Получаемый в результате конгломерат конечного шлака и скрапин металла подвергают тщательной разделке с целью максимального извлечения железа. В среднем можно принять, что в сталеплавильных Ш. содержится (в пересчете на чистое) 20—25 % железа, в том числе 10—15 % металлического железа. Находящееся в Ш. металлическое железо затрудняет дальнейшую переработку шлака; для его помола требуется мощное дробильное оборудование. При измельчении Ш. до кусков размером 25-27 мм из него удается извлечь металл (почти 15 % от массы Ш., что экономически оправдывает все затраты на помол и извлечение). В отдельных случаях переработка шлака сталеплавильного производства еще более эффективно. 1) В тех случаях, когда шлаки содержат достаточно высокие концентрации оксидов железа и марганца, они используются в качестве флюсов для ваграночного и аглодоменного производства. 2) В тех случаях, когда шлаки содержат достаточно много фосфора, они с успехом заменяют суперфосфат и широко используются в сельском хозяйстве. Ш., содержащие много фосфора, настолько ценны, что сама технология передела высокофосфористых чугунов построена таким образом, чтобы одновременно получить и чистую по фосфору сталь, и возможно более богатый фосфором Ш.. 3) Выскоосновные шлаки используются в сельском хозяйстве для известкования почвы. 4) При переделе руд, содержащих ванадий, одним из элементов технологии является кратковременная продувка чугуна в конвертере. Ванадий — элемент, обладающий высоким сродством к кислороду; он окисляется вместе с кремнием, титаном, марганцем в самом начале продувки. Такие чугуны перерабатываются, например, в конвертерных цехах Чусовского металлургического завода и Нижнетагильского металлургического комбината. Чтобы повысить количество ванадия в образующемся Ш., известь в начале операции не загружают. Таким образом удается в начальный период продувки получить Ш., содержащий 16-18 % V2O5. Его скачивают и направляют на ферросплавные заводы для производства феррованадия или используют в чистом виде для прямого легирования стали (поскольку известь в конвертеры не загружается, ванадиевый Ш. содержит очень мало фосфора и серы). 5) При переделе чугуна с повышенным содержанием марганца образуются высокомарганцевые шлаки; они могут быть использованы как добавки, повышающие содержание марганца в стали. 6) Высокоосновные конечные шлаки используются повторно. Так, например, конечные Ш. конвертерного производства содержат, %: СаО 50-60, SiO2 13-15, FeO 10-26, MgO 4-10. Они содержат также определенное количество извести, не успевшей за время плавки ошлаковаться. При вторичном использовании (переработке) такого Ш. расход извести снижается, улучшается шлакообразование, повышается степень дефосфорации металла; высокоосновные маложелезистые конечные Ш. электроплавки используются для внепечной обработки стали (во время ее выпуска) с целью десульфурации. 7) В больших масштабах сталеплавильные Ш. используются в дорожном строительстве. Неприятным моментом при этом бывают случаи реагирования с влагой воздуха оставшейся неошлакованной извести в Ш.. Свойства и плотность материала при этом меняются, и на дорожном покрытии образуются трещины. Кроме того, распад основных Ш. обусловлен переходом во время охлаждения при 675 °С силиката (CaO)2-SiO2 из 3 - в y-модификацию с увеличением объема. Распад протекает во времени (Чистый ортосиликат кальция (СаО)2 • SiCb теоретически состоит из 65 % СаО и 35 % SiO2. Однако состав реальных шлаков отличается от состава двухкальциевого силиката и действительная температура их распада значительно ниже 675 °С.). Существуют стандарты для предварительной оценки устойчивости структуры щебня против распада. Известны также способы предотвратить это явление, например продувкой жидкого Ш. кислородсодержащим газом. При подаче кислорода двухвалентное железо Fe+2 Ш. окисляется до трехвалентного Fe+3 и, взаимодействуя с СаО, образует феррит кальция, который не разлагается на воздухе. Используется также прием утилизации шлака паром в закрытых емкостях в течение 2—3 ч. Обработанный таким образом Ш. может быть использован в строительстве. В большинстве случаев использованию Ш. в качестве строительного материала предшествует его выдержка в отвалах. Затем его измельчают и направляют на магнитную сепарацию для извлечения металла. Щебень из сталеплавильных Ш. является полноценным заменителем гранитного щебня в бетонах и железобетонах. На ряде металлургических предприятий (Новолипецком металлургическом комбинате, череповецком «Северсталь», Таганрогском металлургическом заводе и др.) создано и действует оборудование для практически 100%-ной переработки шлаков. При этом получают значительное количество щебня, шлаковой муки, фосфат-шлака, извлекают значительное количество металла. Однако пока еще в целом по стране проблема утилизации шлаков решена не полностью: многие конструктивные разработки находятся в стадии решения.

Разрабатываются технологии получения из Ш. абразивных материалов; отрабатываются методы сухой и мокрой грануляции жидких сталеплавильных Ш.. Особенно перспективна организация сухой грануляции, при которой одновременно можно решить две задачи: усиливая охрану водного бассейна, получать нагретый воздух. Следует отметить расширение использования конвертерных Ш. при выплавке чугуна и в производстве агломерата. Применение Ш. сопровождается заменой им в шихте части агломерата, сырого известняка и марганцевой руды; при этом удешевляется агломерационная шихта, увеличивается производительность агломашин и повышается прочность агломерата. 8) Существенную экономию ресурсов получают при использовании жидких шлаков: а) в электросталеплавильном производстве — это практика работы на «болоте» (в результате возрастает производительность, ускоряется шлакообразование, достигается экономия флюса, снижается расход электроэнергии); б) в конвертерном производстве — при оставлении конечного Ш. в печи улучшается тепловой баланс, ускоряется шлакообразование, экономится флюс, снижаются потери железа со Ш.; в) в конвертерном производстве — благодаря «раздувке» Ш. на поверхности футеровки после выпуска плавки возрастает стойкость футеровки, снижается расход огнеупоров. 9) Особо эффективна разработка шлаковых отвалов заводов, производящих сталь легированных и высоколегированных марок. Во многих случаях для этого не требуется использование особо сложного оборудования. Приведем в качестве примера организацию разработки отвалов на заводе «Днепроспецсталь» в Запорожье. Завод производил около 800 марок сталей разных композиций по химическому составу. При этом содержание марганца в стали отдельных марок достигало 30 %, хрома — 28, никеля — 80, ванадия — 3, молибдена — 18, вольфрама— 19, кобальта — 10, меди — 3 %. Все металлоотходы по степени легированности и химическому составу можно разделить на внутризаводские группы. На «Днепроспецстали» их более чем 450, включая 70 групп легированного лома. Для использования скрапа на прямую выплавку серийных сталей и даже на выплавку так называемой шихтовой болванки требуется обязательная тщательная рассортировка скрапа по химическому составу. Практически извлечение скрапа ведется с помощью карьерных экскаваторов, бульдозеров и автосамосвалов. Извлеченный скрап перевозят в копровый цех; его разделяют на магнитный и немагнитный. Кроме того, по габаритам (массе) скрап разделяют на негабаритный (более 10—15т), габаритный (0, 5-10, 0 т) и мелкий (0, 25-0, 5т). Отдельно складируется скрап, в котором видны сплавленные скрапины разных плавок, а также скрапины с большой долей (более 20 %) неотделяемого шлака. От каждой габаритной и негабаритной скрапины отрезается проба на химико-спектральный контроль в стационарной лаборатории. По результатам контроля скрапине присваивается группа отходов по заводской технологической инструкции, ее взвешивают. С полученными данными о химическом составе, присвоенной группе отходов и массе скрапина направляется на платформах в сталеплавильный цех для использования при выплавке стали соответствующей марки. Негабаритный скрап в копровом цехе разрезают с помощью газокислородных горелок или другого оборудования. Отгрузку немагнитного скрапа ведут в лотках для удобства загрузки в бадьи или непосредственно в оборотные печные бадьи, перевозимые на лафетах в цех. Встречается также «слоеный» скрап и скрап с высоким содержанием шлака. Его переплавляют в дуговых печах на шихтовую болванку, которая служит в дальнейшем в качестве первоклассной шихты, имеющей гарантированный химический состав, точную массу и высокую плотность. Мелкий магнитный скрап, для которого затруднительно выполнить 100%-ный контроль химического состава, также используют для выплавки шихтовой болванки. В результате в 1999 г. из шлаковых отвалов было извлечено и направлено в копровый цех 19 570 т скрапа, из которых в дуговых печах за это же время переплавлено 18 370 т. При этом около 12 тыс. т составил скрап легированных сталей; большая его часть использована на прямую выплавку. - Накопленный опыт позволяет существенно рационализировать способы как добычи, так и утилизации скрапа, различающегося по габаритным размерам и химическому составу.

В Украине внедряют новые технологии переработки металлургического шлака

Одной из важнейших проблем на металлургических предприятиях во всем мире является утилизация отходов производства, среди которых основная доля приходится на металлургический шлак, образующийся при выплавке металла. Сейчас в шлаковых отвалах, занимающих огромные площади земельных угодий, накоплены миллиарды тонн шлаков черной и цветной металлургии, что ухудшает экологическую обстановку. Удельный выход только сталеплавильного шлака составляет в среднем от 150 до 200 кг/т стали, что соответствует ежегодному увеличению шлаковых отвалов в масштабах всей планеты на 200-300 млн тонн.
Содержание в сталеплавильных шлаках 8-12% остаточного металлического железа и от 15 до 40% его оксидов делает шлак ценным сырьем для комплексной переработки с максимальным извлечением ценных компонентов и восстановлением железа из оксидов.
Производство продукции (щебень, клинкер, цемент) из сталеплавильных шлаков - сложная, многостадийная и дорогостоящая операция, так как требуется длительное (до 1 года) вылеживание шлака в отвалах для завершения процессов гидратации, затем дробление, рассев по фракциям, магнитная сепарация и прочее. При этом большое количество корольков металла и оксиды железа безвозвратно утрачиваются. А объем переработки шлака ничтожно мал из-за малой рентабельности и проблем со сбытом из-за низкого качества получаемой продукции.
Очевидно, что уже накопленные отвалы необходимо продолжать перерабатывать даже по существующим затратным технологиям. Однако, по нашему убеждению, логичнее остановить их накопление, а затем и окончательно исключить из технологической цепочки сталеварения вывоз шлаков в отвалы. В свое время специалисты Уральского института металлов создали технологию переработки жидких сталеплавильных шлаков и получили патент. Однако в РФ технология не прижилась и в 1996 году лицензию продали комбинату " Баостил" (КНР). Несмотря на имеющиеся недостатки, китайцам удалось реализовать конструкцию агрегата в ряд стран Юго-Восточной Азии, Индию, Бразилию и пр.
300 миллионов тонн металлургического шлака во всем мире ежегодно отправляется в отвалы.

Промышленное внедрение технологии обеспечит снижение себестоимости стали на 65-88 руб./т. при использовании этого вида шлаков в режиме рециклинга в собственном производстве. При этом расчетный срок окупаемости проекта составит менее 1 года.
Разработанный процесс и агрегат для переработки жидких шлаков выгодно отличаются по конструктивным особенностям оборудования и качеству получаемой готовой продукции (фракционный состав, прочность, влажность) от всех реализуемых в настоящее время. Полученный на установке щебень из окислительных печных шлаков не требует вылеживания в отвалах и, в отличие от китайского, дает наиболее ценную товарную фракцию в 5-40 мм с низкой влажностью - до 3%. При этом остатки металла в ковше не требуется " отсекать", а можно успешно перерабатывать в том же агрегате во фракцию до 100 мм, удобную для транспортировки и использования в режиме рециклинга в собственном производстве.
Однако, по нашему мнению, даже такая перспективная технология не исчерпывает всех возможностей по извлечению выгоды от переработки сталеплавильных шлаков. Как было отмечено выше, содержание оксидов железа в шлаке сопоставимо с уровнем их содержания в бедных природных рудах. При этом шлак, в отличие от железной руды, уже находится в расплавленном состоянии, и " добыча" из него железа путем восстановления оксидов на порядок энергетически эффективнее, чем из твердых материалов.

Пере­работка шлаков

Значительный объем промышленных отходов в России и странах СНГ приходится на металлургические шлаки. Отвалы и свалки занимают огромные полезные площади, не говоря уже о нагрузке на окружающую среду. Основной путь сокращения объема складирования отходов - их вторичное использование.
Переработанные отходы являются ценнейшим материалом и в ряде областей уже успешно используются в производстве нерудных строительных материалов, дорожном строительстве, металлургии, сельском хозяйстве.
Переработка металлургических шлаков, в отличие от добычи руды из горных пород, не требует затрат на буровзрывные работы и транспортировку, а получаемый в результате щебень заменяет природный щебень и иногда более выгоден для строительства дорог. Например, в Пермской области львиную долю природного щебня уже заменили щебнем из шлака Череповецкого комбината. В Свердловской области дорожникам рекомендовано применение щебня из металлургического шлака. Проведенные Омским СоюздорНИИ исследования также подтверждают, что применение щебня шлакового происхождения фракций до 70 мм в основании дорог позволяет получать монолитное долговечное полотно.
Ряд крупных металлургических комбинатов уже имеют определенный опыт переработки шлаков. Стимулом служит как ужесточение законодательной базы в части хранения отходов, так и экономический фактор. Большинство комбинатов сегодня вынуждено работать на руде с содержанием металла порядка 18%, в то время, когда в скопившихся на их территории шлаковых отвалах содержание металла доходит до 15%. По оценкам самих металлургов, вовлечение в производство вторичного металла, хранящегося на шлаковых отвалах, позволяет им только на собственном сырье проработать до года.
Первая линия производства " ДРОБМАШ" по переработке металлургических шлаков была поставлена в Ижевск в 1998 году. В Свердловской области работают 7 комплексов по переработке металлургических шлаков. На Северском, Нижнетагильском металлургических комбинатах работают комплекты на основе ПДСУ (" ДРОБМАШ").

Основными технологическими процессами при переработке металлургических шлаков являются разборка с предварительной сортировкой и выделением скрапа; дробление шлака, в т. ч. металлосодержащего; отделение выделившегося в процессе переработки металла; сортировка промежуточная и окончательная; транспортировка. Для дробления в подавляющем большинстве случаев сегодня применяются щековые дробилки со сложным движением щеки. На сортировке продуктов дробления - трехъярусные грохоты. После каждого этапа переработки, обнажающего металл, устанавливаются металловыделяющие устройства (сепараторы электромагнитные, саморазгружающиеся железоотделители). Загрузка линий ведется вибропитателем. На участках разборки и предварительной сортировки в последнем десятилетии стали применяться колосниковые грохоты, позволяющие увеличить эффективность использования дробилок, и галтовочные барабаны, механизирующие ручной труд по обнажению и выделению скрапа из шлаков, идущих на переработку. Типовое решение по переработке отходов, позволяет организовать почти безотходное производство в металлургии. Данная схема может быть модифицирована с учетом индивидуальных потребностей, что позволяет получать максимальную выгоду. Оборудование поставляется в виде агрегатов, что значительно упрощает и удешевляет подготовку площадки под монтаж (не требуется сооружение тяжелых фундаментов), агрегаты конструктивно и технологически увязаны, имеют электрооборудование (в т. ч. электроаппаратные шкафы, пульты управления, кабельную продукцию), площадки обслуживания. Высокая готовность к монтажу сокращает сроки ввода оборудования в эксплуатацию.

Технологическая схема установки для переработки металургических шлаков в щебень с отделением металла

Оборудование ТДСУ:
1. Вибропитатель ДРО-708-10на опорной раме;
2. Агрегат сортировки ДРО-654;
3. Галтовочный барабан ДРО-655;
4. Агрегат крупного дробления ДРО-510-30;
5. Агрегат среднего дробления СМД-511;
6. Агрегат сортировки ДРО-669;
7. Конвейера на базе ДРО-904 (2 шт.);
8. Конвейер ДРО-924;
9. Конвейеры: ДРО-923; на базе ДРО-923;
10. Конвейеры на базе ДРО-914;
11. Конвейеры ДРО-914;
12. Конвейеры ДРО-912 (3 шт.);
13. Железоотделитель на опоре (4 шт.);
14. Агрегат управления У7810.4А

Охлаждение и кристаллизация шлакового расплава в межшаровом пространстве

Удаление и утилизации шлака сталеплавильных агре­гатов – сложная и дорогостоящая операция на метал­лургических предприятиях. Усложнение сортамента выплавляемой стали и технологии выплавки приводит к увеличению выхода шлака, изменению его темпера­туры и содержания оксидов магния и железа, ферри­тов кальция и магния, повышению неоднородности, плотности и прочности. В результате такие шлаки долго охлаждаются и, имея высокую прочность, труд­но перерабатываются [1].

Ранее проведенными работами [1-3] доказана принципиальная возможность существенного повы­шения технико-экономических показателей металлур­гического производства за счет реализации новых тех­нологий и создания оборудования для переработки жидких сталеплавильных шлаков.

Одно из перспективных решений – переработка шлака в расплавленном состоянии в агрегатах с ша­ровой насадкой с целью производства кондиционно­го инертного наполнителя для дорожного строитель­ства. В 1998 г. на комбинате “Баостил” (КНР) был успешно пущен в работу прототип такой установки [4] (технология и техническая документация приобрете­ны по лицензионному соглашению в России, неиск- лючительное право) и тем самым впервые в мире по­казаны эффективность переработки жидких шлаков в установках с колосниковым барабаном с шаровой насадкой и промышленная перспективность предло­женного решения. Развивая это направление корпо­рация “Баостил” успешно внедрила подобное обору­дование в Индии и Южной Корее.

ФГУП “ЦНИИчермет им. И. П. Бардина” в рамках государственного заказа провело работы по анализу различных вариантов технологии и оборудования для переработки жидких сталеплавильных шлаков. Пока­зано, что наиболее эффективными конструктивными и технологическими параметрами обладают установки с использованием металлической шаровой насадки в качестве рабочего элемента. В такой установке шлако­вый расплав, выходящий из металлургической печи, попадает в приемную емкость, заполненную шарами, и проникает на определенную глубину в межшаровое пространство, принимая форму свободного простран­ства между соседними шарами, кристаллизуется и ох­лаждается до температуры затвердевания.

Внедрение в сталеплавильном производстве такой технологии и оборудования переработки шлаковых расплавов обеспечит получение новых высокоэффек­тивных видов продукции для строительной индустрии, существенное сокращение потерь металла с отходами в сталеплавильном производстве, снижение его энер­гоемкости, улучшит экологическую обстановку за счет исключения образования шлаковых отходов.

Для определения параметров охлаждения и кристал­лизации, а также глубины проникновения шлакового расплава в межшаровое пространство провели опыты с максимальным приближением к реальным условиях выпуска шлакового расплава из металлургического аг­регата. При экспериментах соблюдались следующие параметры: температуры выпуска шлака 1630 – 1670 °С; диаметр шаров 80 - 120 мм; коэффициент заполнения емкости шарами 50 – 75 %. Химический состав полу­ченного шлакового щебня ЭСПЦ, %: 34, 6 СаО; 15, 8 SiО₂; 5, 2 MgO; 3, 9 А1₂О₃; 37, 6 Fe₂О₃; 2, 9 MnO; 15, 8 FeO (сверх 100 %). При испытаниях следили за изменени­ем температуры охлаждения шлакового расплава и на­гревом металлических шаров во времени.

Рис.1. Моделирование условий ускоренного охлаждения и кристаллизации шлакового расплава в межшаровом пространстве: а- расположение шаров в изложнице и термопар в межшаровом пространстве и в шаре; б – слив расплава в изложницу с шарами

Рис. 2. Динамика охлаждения шлакового расплава и нагрева шаров: 1, 2 – кривые охлаждения шлака на шарах 120 и 100 мм соответ­ственно; 3 – кривая нагрева шаров; Q_кр1 и Q _кр2 – скрытая теплота кристаллизации при фа юном переходе

На рис. I показано моделирование условий уско­ренного охлаждения и кристаллизации шлакового расплава в межшаровом пространтве. При расплавле­нии твердого шлака в дуговой печи для получения шлакового расплава происходит частичное восстанов­ление оксидов железа (FeO, Fе₂О₃, содержание кото­рых в шлаках электросталеплавильного производства может достигать 40 %) за счет взаимодействия с гра­фитовыми электродами, а также частичное вымыва­ние и разъедание футеровки печи расплавленным шлаком с дальнейшим переходом оксидов (в основ­ном магния) из футеровки в шлак. Это приводит к изменению исходного химического состава шлаково­го расплава и, соответственно, к изменению других характеристик.

Проведена серия опытных плавок, моделирующих условия охлаждения и кристаллизации шлакового рас­плава в межшаровом пространстве, с изменением пло­щади межшарового пространства и отношения массы загружаемых металлических шаров к заливаемому шлаковому расплаву.

В условиях экспериментов избыток тепла, вноси­мого 30 кг шлакового расплава при охлаждении от 1600 до 1100 °С, с учетом теплоты кристаллизации шлака составлял:

где с_шл – теплоемкость шлака, 1, 17 кДж/(кг*К); m_шл – масса шлакового расплава, 30 кг; Δ t_шл, – изменение температуры шлака, 500 °С; Q^крист_шл - скрытая теплота кристаллизации шлака, 209 кДж.

Масса металла (шаров), необходимая для охлажде­ния шлака и нагрева шаров не более чем на 280 °С, составила; ¹

Где с_мет = 0, 5 кдж/(кг*К)

М_шл /М_мет = 1/4, 2 кг.

Следовательно, экспериментально подтверждено, что на охлаждение 1 кг шарового расплава с темпера­туры 1650 до 1150 °С необходимо 4, 2 кг металличес­ких шаров.

В результате опытных плавок установили, что шла­ковый расплав свободно заполняет объем межшарового пространства. При плавках использовали как шары только одного диаметра 120, 100, 90 и 80 мм, так и смесь разных шаров, например диам. 80 – 90 мм, 100 – 120 мм, при этом масса металлических шаров, не­обходимая для охлаждения 1 кг шлакового расплава, изменялась от 3 до 5 кг. Кристаллизация шлакового расплава в стационарном межшаровом пространстве происходит достаточно интенсивно. За первую мину­ту шлаковый расплав охлаждается от 1630 - 1670 до 1150 – 1100 °С, переходя из жидкого состояния в вяз­ко-пластичное и твердое, а металлические шары на­греваются от 20 до 170 – 200 °С. В течение следующей минуты нагрев шаров замедляется и их температура достигает почти постоянного значения 220 “С, при этом шлаковый расплав продолжает охлаждаться до 800 – 750 °С, что обеспечивает полное затвердевание шлака. По истечении 10 мин от начала заливки шла­кового расплава температура шлака достигает 300 – 350 °С, а шары нагреваются до 250 °С. Эксперимен­тальные зависимости температур шлакового расплава и нагрева металлических шаров разных диаметров от продолжительности охлаждения приведены на рис. 2.

После охлаждения и кристаллизации шлакового расплава полученный полупродукт вместе с шарами выбивали из изложницы и охлаждали на воздухе. Исследование полученных экспериментальных образ­цов шлака и отделившегося металлического скрапа и корольков показало, что шлаковый расплав частично намораживается на поверхность металлических ша­ров, находящихся в верхнем слое, толщина образую­щейся корки составляет от 1 до 5 мм. Основная часть расплава проникала и кристаллизовалась в межшаро­вом пространстве. В зависимости от размера шаров формировался различный фракционный состав закри­сталлизованного шлака (рис. 3 и 4).

Химический состав экспериментальных образцов полученного щебня приведен в табл. 1.

Рис. 3. Закристаллизованный сталеплавильный шлак: а- намораживание шлака на поверхность металлических шаров; б- экспериментальные образцы щебня

Рис. 4. Зависимость фракционного состава шлака (%) от диаметра шаров

Рис. 5. Рентгенограммы образцов 1 и 2

Рис. 6. Фотографии образцов исходного (а) и переплавленного

шлака (б)

Для определения минерального (фазового) состава образцов шлака использовали рентгенофазовый анализ и оптическую микроскопию с применением соответ­ственно дифрактометра ДРОН-6УМ и металлографи­ческого микроскопа Amplival (Германия). На рис. 5 приведены рентгенограммы образцов 1 и 2 (исходный шлак до и после переплавки соответственно). Из дан­ных рентгенограмм следует, что основной силикатной фазой в образце 1 является ((β -Са₂SiO₄ + α -Са₂SiO₄) – 2, 53 Å, 2, 66 Å, 2, 78 Å, 2, 83 Å, а также оксиды железа различной окисленности и металлическое железо – 2, 73 Å. В образце 2 преобладают ларнит и мервинит – (2СаО; SiO₂)_{5, 6} – 2, 675 Å, (ЗСаO * Mg0 • 2SiO₂)_{4, 4} и ферриты магния – 2, 11 Å. Это подтверждается данны­ми петрографического анализа (рис. 6). Количествен­ное соотношение минеральных фаз изученных образ­цов приведены в табл. 2.

Образцы 2 и 3 имели сходный минеральный и при­мерно одинаковый характер микроструктуры. При­близительно 80 % плошади аншлифа занимала сили­катная фаза, представляющая собой твердый раствор двухкальциевого силиката и мервинита с размерами кристаллов от 5 до 35 мкм. В отдельных участках име­лись включения округлых и сильно корродированных скоплений и монокристаллов периклаза, шпинели и пленок феррита кальция. Металлическая фаза пред­ставлена сферическими микровключениями размером до 2 – 3 мм. Периклаз, очевидно, является продуктом разрушения футеровки печи и содержит ~ 0, 24 % FеО, т. е. имеет магнезиовюститовый состав (Мg_{0, 76}Fе_{0, 24})O, что снижает его гидравлическую активность.

Таблица 1. Химический состав экспериментальных образцов щебня, %

Таблица 2. Минеральный (фазовый) состав экспериментальных образцов

Исходный шлак (образец 1) и полученный щебень (образцы 2 и 3) заметно различались не только мине­ральным составом, но и микроструктурой. В исходном образце преобладали ортосиликаты кальция (~ 70 об. %) в виде мелкозернистого сростка кристаллов размером 15 – 40 мкм. 13 промежутках между округлыми крис­таллами Са₂SiO₄ находились тонкопленочные выделе­ния RO-фазы, магнетиты и вкрапления металла (раз­мер от 10 до 1500 мкм). Кроме того, имелись крупные макровключения металла размером до 5 мм.

Из анализа полученных данных следует, что мине­ральный состав всех образцов состоит из ортосилика­тов: кальция (образец I) и кальция и магния (образцы 2, 3). Свободная известь и γ -Са₂SiO₄ отсутствуют, что свидетельствует об их устойчивости против распада как известкового, так и кристаллохимического.

Заключение

В результате проведенной серии опытных плавок ус­тановлено, что охлаждение шлакового расплава в меж­шаровом пространстве происходит достаточно интен­сивно, о чем свидетельствуют полученные экспери­ментальные зависимости интенсивности охлаждения шлакового расплава от продолжительности охлажде­ния. В качестве шаровой насадки для агрегатов по переработке расплавленных сталеплавильных шлаков рекомендуется применять шары диам. 100 – 120 мм для интенсивного охлаждения шлакового расплава и большего содержания в закристаллизованном шлаке на выходе средней фракции 10 – 20 и 20 – 40 мм, чем при использовании шаров меньшего диаметра. Иссле­дованные технологические приемы переработки ста­леплавильного шлака в состоянии расплава обеспечи­вают принципиальную возможность управления про­цессом кристаллизации шлака и получения значи­тельно более широкой гаммы товарной продукции для строительной индустрии по сравнению с переработ­кой твердых сталеплавильных шлаков. Переработка жидких сталеплавильных шлаков непосредственно под металлургическим агрегатом позволит уменьшить материало- и энергоемкость производства, а также образование шлаковых отвалов и тем самым снизить отрицательное техногенное воздействие на окружаю­щую среду.

Библиографический список

1. Панфилов М. И., Школьник Я. Ш., Оринский Н. В. и др. Пере­работка шлаков и безотходная технология в металлургии. – М.: Металлургия. 1987. – 238 с.

2. Чернявский И. Я., Миллер С. Н., Тумашов В. Ф. Износостойкие металлошлаковые трубы. – М.; Стройиздат, 1973, – 143 с.

3. Атлас шлаков / под ред. И. С. Куликова. – М.; Металлургия, 1985. - 208 с. I

4. Пат. 2018494 (RU). Способ переработки шлака и установка для его осуществления / Школьник Я. Ш., Демин Б. Л., Сорокин Ю. В. и др.; опубл. 30.08.1994; Бюл. № 16.