Плотников В.В., Ярош Т.П., Марасанова О.В.

Криворожский технический университет

ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОСТИ ВОВЛЕЧЕНИЯ ПОБОЧНЫХ ПРОДУКТОВ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА В ДОМЕННОЕ ПРОИЗВОДСТВО

Украинская металлургия основывается на рудно-сырьевой базе, конкурентоспособность которой ниже, чем у ведущих стран, формирующих мировой рынок. Это обусловлено как более низким качеством добываемого минерального сырья по большинству металлов, так и более сложными горно-геологическими и экономико-географическими условиями разработки месторождений. В то же время, в связи с общемировой тенденцией перехода к малоотходным и безотходным технологиям, обусловленной ужесточением экологического законодательства и необходимостью повышения рентабельности производства на основе ресурсосбережения, возвращение побочных продуктов в производство с получением (после соответствующей переработки) товарной продукции является на сегодняшний день важной задачей.

Переработка и утилизация техногенных отходов важны не только с точки зрения их использования как альтернативного источника сырья, но и с точки зрения охраны окружающей среды. При этом по технологическим качествам отходы зачастую превосходят руды, добываемые из недр.

Брикетирование мелкозернистых и тонкодисперсных материалов со связующими веществами – наиболее универсальный способ вовлечения в переработку ценных топливных, рудных и минеральных сырьевых компонентов, а также ряда техногенных отходов, которые по своему агрегатному физическому состоянию непригодны для непосредственного использования в технологических процессах и аппаратах.

Для получения товарного продукта, пригодного для реализации на рынке вторичного сырья, брикеты должен отвечать ряду требований:

- не должны содержать вредных для металлургического процесса примесей сверх допускаемого уровня;

- обладать прочностью, достаточной для их последующей транспортировки;

- обладать прочностью при высоких температурах;

- обладать однородностью химического состава;

- обладать однородностью линейных размеров кусков;

- иметь себестоимость, сопоставимую с себестоимостью традиционного сырья.

В зависимости от технологического предназначения в составе таких брикетов можно использовать материалы, содержащие только железо, железо и углерод, углерод, металлоотходы, и флюсующие добавки [1,2].

Анализ результатов испытания лабораторных брикетов на раздавливание показал, что при содержании 8-10% цемента брикеты из различных техногенных и природных дисперсных компонентов обладают высокой прочностью на сжатие (табл. 1). Наиболее прочными оказались брикеты, содержащие прокатную окалину. Введение в состав шихты брикетов колошниковой пыли несколько снижает их прочность вследствие ее дисперсности и плохой комкуемости (образцы №19, 20). При неизменном содержании цемента в шихте (8%) добавка к брикетам из окалины микрокремнезема (пыль газоочистки печи для производства FeSi) в количестве до 5% увеличивает прочность брикетов (образцы №№1,9). Увеличение добавки пылевидного SiO₂ свыше 5% и добавка магнезии (в виде порошка с содержанием 85% MgO) снижает прочностные характеристики брикетов (образцы №№10-15) вследствие образования медленно гидратирующих низкоосновных силикатов кальция и снижения гидратационной активности трехкальциевого силиката [3].

Таблица 1

Результаты испытаний брикетов на сжатие

№№ образца	1	2	9	10	11	12	13	14	15	19
Прочность, кг/см^2	93,3	118	112	48	81	68	49	34,2	33	87,5
№№ образца	20	21	24	25	26	27	28	29	30	31
Прочность, кг/см^2	84,3	148,4	10	7,3	9	6	10,8	9,7	2	2

Минимальную прочность на сжатие имели брикеты из конвертерного шлама (образцы №№30-31). Низкая прочность данных брикетов обусловлена повышенным содержанием CaO в составе шлама в виде трехкальциевого силиката 3CaO·SiO₂ (алита), имеющего зернистую микроструктуру, а также сохранением в структуре брикета шламовых гранул, образующихся при сушке шлама. Частичная замена конвертерного шлама доменным приводит к некоторому увеличению значений прочности брикетов на сжатие (образцы №№24-29). При использовании конвертерного шлама в составе шихты для брикетирования необходимо увеличивать расход цемента на их изготовление. При промышленном производстве брикетов из конвертерного шлама с содержанием цемента 15% достигалась их достаточная прочность (25-40 кг/см²), обеспечивающая целостность брикетов при транспортировке и перегрузках с образованием мелочи (-10 мм) не более 5-7%.

Брикеты из железосодержащих материалов в результате термообработки в восстановительной атмосфере значительно упрочнились за счет формирования плотной микроструктуры из вюстита и железистых оливинов, образовавшейся в результате спекания дисперсных частиц компонентов брикета, реакций восстановления оксидов железа и твердофазных реакций между вюститом, оксидами пустой породы железосодержащих компонентов и оксидами цементного камня. Кроме того, в поверхностном слое этих брикетов образовался своеобразный металлический каркас, толщина которого (от 3-5 до 10-15 мм) определялась крупностью частиц и восстановимостью железосодержащего материала, а также исходной (после изготовления) плотностью брикета [4].

Таким образом, полученные результаты позволяют заключить, что цементная связка способствует сохранению формы и прочности брикетов из железосодержащих материалов при их нагреве в восстановительной атмосфере до полной дегидратации гидросиликатов цементного камня. Процессы спекания дисперсных железосодержащих частиц, последующее образование плотной структуры из железистых оливинов и вюстита во всем объеме брикетов и упрочняющего металлического каркаса в поверхностном слое, который при нагреве до 1150 °С может занимать в зависимости от вида железосодержащего компонента брикета до 10-45% его объема, способствует сохранению формы брикетов вплоть до их размягчения в зоне когезии. Ни прочность брикетов в холодном состоянии, ни их поведение при нагреве в восстановительной атмосфере не ограничивают применение брикетов на цементной связке в качестве окускованного сырья для доменных печей.

Для изучения поведения полноразмерных образцов железоуглеродсодержащих брикетов в условиях восстановительного нагрева (до 1200 °C со скоростью 500 °C/час в смеси аргона (95%) и водорода (5%)) были испытаны лабораторные брикеты из 10 различных композиций конвертерного и доменного шламов.

Брикеты из конвертерного шлама, содержащие до 2% углерода, имели степень металлизации 10-12%, а в брикетах из смеси конвертерного шлама с доменным, содержащих до 12-13% углерода, степень металлизации железа достигала 90-95%. Это содержание углерода практически соответствовало стехиометрически необходимому количеству углерода для полного восстановления оксидов железа в брикете. Дальнейшее увеличение содержания углерода в брикетах за счет увеличения доли доменного шлама в смеси не приводит к увеличению степени металлизации.

Таким образом, для достижения максимального коэффициента замены кокса углеродом железоуглеродсодержащих брикетов, его содержание в них не должно существенно превышать стехиометрически необходимого.

На основе вышеизложенного анализа свойств брикетов можно сделать вывод о целесообразности применения брикетирования побочных продуктов металлургического комплекса с целью обеспечения предприятий дополнительными ресурсами железосодержащих материалов. Утилизации техногенных отходов предложенным способом позволит не только уменьшить экологическую нагрузку на окружающую среду, но стабилизировать работу основных металлургических переделов – подготовки сырья и доменного производства.

Литература:

1. Курунов И.Ф., Канаева О.Г. Брикетирование – новый этап развития технологии окускования сырья для доменных печей//Бюллетень научно- технической и экономической информации «Черная металлургия». – 2005.- №5.- с. 27-32

2. Курунов И.Ф. , Титов В.Н. , Большакова О.Г. Анализ эффективности альтернативных путей рециклинга железосодержащих металлургических отходов//Металлург.- 2006.- №11.- С. 39-42

3. Курунов И.Ф., Большакова О.Г. Брикеты для промывки горна доменных печей//Металлург.- 2007.- №5.- С. 46-50

4. Курунов И.Ф., Малышева Т.Я., Большакова О.Г. Исследование фазового состава железорудных брикетов с целью оценки их поведения в доменной печи//Металлург.- 2007.- №10.- С. 41-46