Промышленно пригодные варианты утилизации сухой металлургической окалины и технологии выпуска качественной металлопродукции

   Проблемы:      

   Утилизация  окалины вызывает большие трудности, особенно мелкой (крупность частиц до 100 мкм), содержащей до 20-30 % масел. Основные пути ее переработки – химическое и термическое обезжиривание, однако, эти процессы являются дорогостоящими.    
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

   2. Обзор промышленно  пригодных способов  переработки окалины

   Одним из видов ценного вторичного сырья  являются отходы металлообработки: металлическая стружка, обрези заготовок.

   На многих заводах при термической обработке металлов образуется большое количество окалины, которая осаждается в масле после закалки.

    Для  рационального использования в  качестве шихтового материала  стружку необходимо прессовать  в брикеты и пакеты максимальной  плотности. Использование брикетов или пакетов способствует повышению его металлургической ценности, сокращает трудоемкость погрузочно-разгрузочных работ. Идея технологии брикетирования заключается в получении максимально возможной плотности брикетов или пакетов за счет качественной подготовки исходного сырья и окускованию при минимальных энергетических затратах. При этом качественная подготовка исходного сырья должна обеспечить максимальную плотность брикетов или пакетов при использовании серийного прессового оборудования. 

   Замасленную окалину трудно подготовить к утилизации из-за повышенного содержания в ней масел, а в прокатных цехах металлургических предприятий образуются большие количества замасленной окалины, которая находит ограниченное применение и сбрасывается в шламонакопители.  

   Проблема утилизации замасленной окалины в настоящее время решается в основном в одном направлении — обезмасливание ее с получением чистой, обезжиренной, легко утилизируемой окалины. Однако и химическое и термическое обезмасливание - дорогостоящие процессы, создающие дополнительные экологические осложнения.

   Брикетирование  в черной металлургии - это наиболее ранний способ окускования, который широко применяется для этой цели во второй половине 19 столетия. В начале 20 столетия брикетирование было вытеснено агломерацией по причинам:

   неэкономичность окускования брикетированием при  помощи маломощных прессов с низкой производительностью, в то время  как в агломерации были созданы  машины с производительностью 2000 т. и более агломерата в сутки;

   возможность при агломерации удалить вредные примеси (S, As, Zn, и др);

   получать  агломерат в офлюсованном виде.

   И в настоящее время производство металлургических брикетов в России не получило развитие в широких производственных масштабах по тем же самым причинам, хотя с точки зрения технологии и экономики производства оно имеет ряд преимуществ:

   брикеты имеют одинаковую правильную форму  и вес, в данном объеме содержат больше металла, они обладают более высокой  прочностью и лучшей транспортабельностью;

   обладают  более высоким удельным весом;

   количество  оборотного продукта на агломерационной  фабрике составляет около 20-25%, а  иногда и выше от общего потока шихты, в то время как на брикетной  фабрике- не более 2%;

   весь  кислород в брикете остается активным, в агломерате же он находится в связанном состоянии ( в виде силикатов), первое особенно важно для доменного производства;

   экологическая безопасность брикетов (безотходность, отсутствие высоких температур при  изготовлении);

   возможность применения в брикете в любом  соотношении углеродосодержащего наполнителя для активизации процессов в металлургической печи (карбюризатор, восстановитель, энергоноситель);

   возможность использования всех видов тонкодисперсных  железофлюсолигироуглеродосодержащих  отходов металлургического передела.

   Надо  учесть, что попытки использовать брикетирование в металлургии для  подготовки неметаллической шихты  не прекращались никогда. Особенно полно  брикетирование как метод окускования  отвечает требованиям утилизации мелких отходов метзаводов (сравнительно небольшое воспроизводство, непостоянство физико-химических свойств и пр.). Металлургическими предприятиями Франции ежегодно перерабатывается в брикеты до 4 млн.т. железосодержащих шламов и уловленной в газоочистках пыли. В черной металлургии США и стран Западной Европы уже давно наряду с железосодержащими материалами брикетируются другие мелкие отходы: известковая пыль, отходы ферросплавного производства, некондиционная мелочь плавикового шпата и прочие весьма ценные материалы. На их основе получают шихтовые брикеты и флюсы для металлургического производства.

   К основным причинам недостаточного использования  брикетирования в отечественной  практике следует отнести сегодня  следующие:

   -неправильный выбор места и объема утилизации отходов;

   -упрощенный (некомплексный )подход к решению проблемы;

   -использование неэффективных способов (технологий) брикетирования

   Понятны пути решения этих трех проблем:

   максимальное  приближение изготовления брикетов к техногенным месторождениям и, соответственно, предприятиям потребителям;

   -создание металлургического самовосстанавливающегося и самоплавкого брикета с использованием нетрадиционного вяжущего и углеродистого наполнителя для всех видов металлургического передела, т.е. принципиально новой композиционной шихты;

   -использование резерва имеющегося вибропрессовального оборудования для производства строительных изделий и создание упрощенных вибропрессовальных автоматических линий для производства металлургического брикета.  

   По  физическим свойствам брикеты металлургически  должны:

   - обладать  атмосфероустойчивостью (при хранении  на воздухе не подвергаться  атмосферному влиянию, не разрушаться  от сырости, тепла и холода);

   - обладать  механической прочностью, то есть  в достаточной степени сопротивляться  удару и истиранию (выдерживать перевозку и перегрузку с образованием минимального количесва мелочи и пыли);

   обладать  достаточной пористостью, так как  от степени пористости зависит скорость восстановления руды, а в связи  с этим и производительность печи (брикеты для доменной и шахтной  плавок);

   обладать  плотностью и большим удельным весом;

   содержать минимальное количество влаги, так  как влажность ухудшает газопроницаемость  брикетов, а на испарение её требуется  дополнительный расход горючего;

   быть  термоустойчивыми и выдерживать  в печи под определенным давлением, не разрушаясь, температуру 800-1000°С.

   В черной металлургии к брикетам предъявляют  специальные требования в соответствии с их назначением, т.е. в зависимости  от способов их передела.

   Железоуглеродосодержащие брикеты очень устойчивы к атмосферным воздействиям и в процессе хранения даже увеличивают свою прочность в некоторых случаях до 40% от первоначальной. Плотность и прочность зависят от компонентного состава и количества вяжущего вещества.

   Механическая  прочность брикетов высокая. Показатель, определяющий сопротивление брикета перевозкам и перегрузкам, называется осыпаемость. Пористость железоуглеродосодержащего брикета по требованию не менее 10%.

   Гигроскопическая  влажность зависит от условий  хранения, в представленных образцах она находится на уровне 2-3%. Брикет выдерживает , не разрушаясь, температуру  до 1300°С, т.е. более высокую, чем предъявляется  к такому виду шихты (800-1000°С).

   2.1. Способ изготовления металлургических брикетов.

   Наиболее  экономически выгодной и экологически безопасной является «холодное» брикетирование. Недостатки ранее принятой технологии изготовления брикетов на штемпельных, револьверных, вальцевых прессах (низкая производительность, сложность оборудования, ограниченность в размерах и т.д.) полностью разрешены на вибропрессовальных линиях по производству строительных изделий.

   Проанализировав эксплуатационные качества брикетов с  различными связующими и технологичность  их применения в производстве, я считаю наиболее экономически выгодным применение портландцемента. К преимуществам портландцемента относятся:  
- возможность быстрого (не более 16 часов) достижения требуемой эксплуатационной прочности;  
- незначительные энергозатраты для ускорения набора прочности брикетами (обеспечение температуры t ~50° С);  
- начало схватывания цемента (адгезионная активность) наступает не ранее 2 часов, что обеспечивает возможность «спокойной» эксплуатации оборудования, исключающей «заклинивание» машин и механизмов при непродолжительной аварийной остановке;  
- цемент не настолько химически агрессивен, как, например, жидкое стекло или известь, работа с которыми требует специальных навыков персонала и специального транспортного и накопительного оборудования;  
- портландцемент является гидравлическим вяжущим, то есть сохраняет свои свойства как в воздушно-сухих, так и во влажностных условиях, в отличие от воздушных вяжущих (извести, магнезиального вяжущего, жидкого стекла и др.);  
- высокая удельная поверхность цемента позволяет обеспечить достаточное сцепление частиц основных компонентов брикета при минимальном расходе связующего;  
- под воздействием вибрации цемент подвергается «разжижению», обеспечивая создание плотной структуры брикета в процессе формования без создания внутренних напряжений, в отличие от воздействия высоких давлений;  
- процесс гидратации цемента, происходящий в камерах тепловой обработки, экзотермичен; при твердении цемента выделяется теплота в количестве 40-80 кал/г (в зависимости от вида цемента), то есть каждая тонна брикета в процессе набора прочности является дополнительным источником тепла в количестве 4000-8000 ккал;  
- рынок поставщиков портландцемента достаточно велик, то есть данное вяжущее относится к недефицитным, что является значимым фактором при организации высокопроизводительных брикетных фабрик.

   Недостаткам портландцемента является содержание серы в количестве 0,4-1,2%. Однако следует  отметить, что в составе брикета  цемент не превышает 10%, то есть каждая тонна брикета привносит в металлургическую шихту 0,04-0,12% S , что сопоставимо с количеством серы в традиционном углеродосодержащем материале. Портландцемент – это комплексный материал, полученный обжигом и совместным помолом глины и известняка и имеющий в своем составе окислы: CaO - 62-67%; SiO₂ - 20-23%; Al₂O₃ - 4-8%; Fe₂O₃ - 1-4%; MgO - 0,5-5%; SO₃ - 1-3%; K₂O + Na₂O - 0,5-1%. Поведение портландцемента при высоких (свыше 1000°С) температурах требует дополнительного изучения. Наличие в составе цемента таких окислов, как CaO , MgO дают основание для предположения, что сера останется в шлаковой части, а не перейдет в расплав металла. Кроме того, в зависимости от времени твердения портландцемента (а этот процесс интенсивно идет в течение 28 суток, а далее развивается медленно) образуются различные кристаллогидраты. Поэтому определение возраста использования брикетов при соблюдении оптимального для плавки соотношения «прочность-температура плавления», также требует дополнительного изучения.

   Кроме того, следует сказать о существовании такой разновидности цементов, как глиноземистые цементы. Обладая всеми физико-механическими свойствами, присущими портландцементам, глиноземистые цементы имеют существенные отличия по химическому составу. Содержание основных окислов в глиноземистом цементе: CaO - 35-40%; SiO₂ - 4-8%; Al₂O₃ - 35-44%; FeO - 4-10,5%; MgO - 0,5-5%; SO₃ – 0,01-0,32%; K₂O + Na₂O - 0,1-1,2%. Использование в качестве вяжущего глиноземистого цемента позволит ограничить количество серы в брикете. Однако следует иметь ввиду, что глиноземистый цемент является дефицитным материалом и его цена ~ в 5 раз превышает цену портландцемента.

   Рассматривая  тему вяжущих материалов для производства металлургических брикетов нельзя не упомянуть о шлакощелочном вяжущем. Казалось бы, применение шлаков в качестве связующего для металлургических брикетов наиболее целесообразно. Однако, в составе шлаков также, как и в портландцементе, присутствует сера в приблизительно равном количестве. Но главная причина, ограничивающая применение шлаков в качестве связующего – это высокие энергетические затраты для активизации шлаков. Шлаки активны, если их удельная поверхность более 4500 см²/г. Для сравнения продолжительность помола шлаков до требуемой тонкости в 2-2,5 раза превосходит продолжительность помола цементного клинкера.

   Учитывая  все вышеизложенное, можно сделать  вывод о преимуществах использования  портландцемента в качестве вяжущего при производстве металлургических брикетов, что не исключает использование  других видов связующих (извести, жидкого стекла, магнезиального, шлакощелочного вяжущего и пр.) для решения специальных задач.