Методы переработки и утилизации мартеновских шлаков

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего  профессионального образования

«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Факультет: Естественнонаучного и  гуманитарного образования

Кафедра: Химии и экологии

 

 

 

 

 

КУРСОВАЯ РАБОТА

Методы переработки  и утилизации мартеновских шлаков

 

 

Руководитель: _______________к.т.н., доцент кафедры ХиЭ Плуготаренко Н.К.

Студент: _______________группы Н-31Полосина В.Е.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таганрог 2013г.

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Факультет: Естественнонаучного и  гуманитарного образования

Кафедра: Химии и экологии

УТВЕРЖДАЮ

Заведующий кафедрой

__________ Петров В.В. 

«___»_______20___г.

 

ЗАДАНИЕ

НА КУРСОВУЮ РАБОТУ

 

Студентке: Полосиной  Валерии Евгеньевной

Группа: Н-31 Направление (специальность): 280700

Техносферная безопасность

Тема курсовой работы: Методы переработки и утилизации мартеновских шлаков.

Руководитель: Доцент кафедры ХиЭ, к.т.н. Плуготаренко Н.К.

Исходные данные: грануляци, грануляторная установка водовоздушного типа, воздушно-гравитационная переработка  мартеновского шлака,  метод переработки  отвального мартеновского шлака,  кристаллохимический способ переработки мартеновских шлаков, способ переработки  мартеновских шлаков известковым способом.

Перечень разделов:

Получение, свойства и  состав мартеновских шлаков

Способы переработки  мартеновского шлака 

Руководитель _______________     Плуготаренко Н.К.

Задание приняла к исполнению____________   Полосина В.Е.

 

«_____»_____________20__ г. 

Аннотация

В данной курсовой работе представлен сравнительный  анализ методов по переработке и  утилизации шлаков мартеновского производства. Анализ включает в себя краткий обзор  технологического процесса, а также параметров технологического процесса. 

Также проект включает в себя обзор методов использования образующихся в результате переработки использованных продуктов.

Сравнительный анализ проведен на основе теоретических сведений, полученных из различных источников и включает в себя обзор не только новейших технологий по переработке мартеновского шлака, но, также методов разработанных в 1930 – 1950 г.г.

 

Содержание

 

 

Введение

Одной из самых  острых проблем, с которыми в начале двадцать первого века столкнулось  человеческое общество, является интенсивное  образование и накопление промышленных и бытовых отходов. С каждым годом промышленное производство растет в геометрической прогрессии. Соответственно растет и объем отходов. Так, например, при производстве 1 т металла необходимо обработать 200-300 т (иногда до 1000 т) руды, а суммарное количество отходов одного технологического цикла при выплавке 1 т металла примерно от 90 до 200 т ТПО.

Суммарное  количество отходов только на 2010 г оценивалось  в 3,65 млрд т. В связи с этим проблема утилизации промышленных отходов становится год от года все актуальнее.

Металлургическая  промышленность на данный момент является одним из наиболее «грязных» видов производств. Ее отходами являются пыли, токсичные газы, токсичные сточные воды, содержащие тяжелые металлы, а также  шлаки, относящиеся к твердым промышленным отходам (ТПО). При чем, на долю черной металлургии приходится большая часть ТПО.

Большую часть  отходов (80%) в металлургическом производстве составляют шлаки, которые определяют эффективность организации безотходного металлургического производства.

Шлак мартеновского  производства поддается вторичной переработке. Мартеновский шлак широко применяется в строительной промышленности, в то числе и дорожном строительстве, сельском хозяйстве, а также доменной металлургии.

Однако, непостоянный минералогический и химический состав, а также высокое содержание металлических включений, затрудняет использование готовой вторичной продукции.

Целью моей курсовой работы является обзор способов использования переработанных мартеновских шлаков, методов по их переработке и утилизации, а также сравнение эффективности данных методов.

Для достижения поставленной цели использовались аналитические  методы.

 

1. Получение, свойства и состав мартеновских шлаков

1.1 Участие  мартеновских шлаков в технологическом процессе выплавки сталей и чугунов

Участие шлаков при выплавке чугунов и сталей в мартеновском процессе является одной  из особенностей данного вида сталепроизводства. Она заключается в том, что  сталь постоянно находится под  слоем шлака, сначала первичного, затем - вторичного. Также, через слой шлака осуществляется подача всех флюсов, кислорода и атмосфер печи. В определенные периоды плавки он должен помогать осуществлять интенсивный переход кислорода из пространства печи в металл или, наоборот изолировать металл, предотвращая его окисление. Также шлак должен предохранять металл от перенасыщения кислородом и азотом. То есть, осуществлять управление плавкой можно меняя состав, консистенцию и температуру шлака, добиваясь получения металла нужного состава.

Производство  мартеновской стали можно условно  разделить на две части: кислое и  основное. Различаются они не только технологией изготовления, но и химическим составом футеровки подины, элементы которой при выплавке окисляются и включаются в конечный состав металла.

1.1.1 Основной мартеновский процесс

 

Образование шлака  происходит при расплавлении и окислении  металла и содержит 35 – 45% оксида кальция и 13 – 17% оксида магния. После  образования поверхностностного слоя шлака жидкий металл оказывается  изолированного от прямого контакта с кислородом и другими газами.

Затем первичный  шлак скачивают и загружают в  печь известь для образования  нового и более основного шлака. Через некоторое время в печь загружают железную руду, которая  насыщает шлак оксидом железа и, растворяясь в шлаке и металле, насыщает его кислородом и вызывает реакцию окисления углерода:

C + FeO = CO + Fe

Изготовление металла  этим способом предполагает несколько  заниженное содержание углерода, чем  требуется по технологическому процессу. Затем начинается последняя стадия плавки: доводка и раскисление металла. В печь вводится кусковой ферромарганец (12% Mn) и ферросилиций (12-16% Si). Марганец и кремний окисляются, приостанавливая процесс окисления углерода.

1.1.2 Кислый мартеновский процесс

 

Получение шлака при кислом процессе не слишком отличается от основного процесса. При кислом процессе удаление из металла фосфора и серы невозможно, так как для их перевода из металла в шлак необходимо, чтобы в печи содержался основный шлак. Поэтому шихта отличается чистотой по этим примесям.

Для получения  первичного кислого шлака в печь загружают некоторое количество кварцита или вторичного мартеновского  шлака для предотвращения взаимодействия с кремнеземом футеровки и  образования легкоплавкого соединения 2FeO*SiO₂. После этого шихта нагревается газами, железо, марганец, кремний, окисляются, их окислы сплавляются с добавками (флюсами) и образует кислый шлак, содержащий до половины SiO₂.

В кислой печи непрерывно идут два  процесса:

1. окисление кремния оксидами железа шлака, в результате чего содержание кремния в металле уменьшается;
2. восстановление кремния из шлака и из пода, в результате чего

содержание кремния  в металле повышается.

Содержание кремния в ванне  определяется соотношением скоростей этих двух процессов. Скорость восстановления кремния из пода примерно постоянна, скорость же окисления в значительной степени зависит от состава шлака и его жидкотекучести. Интенсифицировать процессы окисления примесей в кислой печи можно путем введения железной руды, марганцевой руды, извести или мелкораздробленного известняка, а также продувкой ванны кислородом. Например, при введении в печь извести (или известняка) образуются более прочные, чем силикаты железа, силикаты кальция

(FeO)₂ • SiO₂ + 2CaO = (СаО)₂ • SiO₂ + 2(FeO),

в результате чего активность оксидов железа в шлаке возрастает. Изменения скорости протекания реакции окисления можно добиться, изменяя также характер атмосферы печи. При уменьшении коэффициента расхода воздуха уменьшаются парциальные давления окислительных составляющих газовой фазы (О₂, СО₂) и скорость перехода кислорода в металл снижается.

В таком шлаке  металл находится, по большей части, в силикатной форме, что затрудняет его переход из шлака в ванну. Кремний связывает закись железа в кремнезем, что затрудняет процесс окисления углерода, который в свою очередь влияет на теплоемкость всей ванны. Поэтому кипение металла при кислом процессе начинается позже, чем при основном, даже если подвод тепла осуществляется нормально, или даже с избытком.

Так как, в кислом шлаке свободной закиси железа почти  нет и окисления его не происходит, то перед окончанием плавки содержание кислорода в металле гораздо  ниже чем при основном процессе.

1.1.3 Состав и свойства мартеновских  шлаков

 

Мартеновские  шлаки – силикатные системы с различным содержанием железных окислов. В состав этих шлаков входят ортосиликаты кальция, магния, алюмоферриты кальция, оксид железа (II) и оксид железа (III). Последние составляют магнитную фракцию образующегося шлака.

Основными продуктами образования мартеновского шлака являются:

1. Продукты окисления примесей чугуна и лома – SiO₂, MnO, P₂O₅, Cr₂O₃  и др.
2. Продукты разъедания футеровки агрегата – MgO и CaO в основных печах и SiO₂ в кислых.
3. Загрязнения, внесенные шихтой (песок, глина и др.) т.е. SiO₂, Al₂O₃.
4. Ржавчина, покрывающая лом – Fe₃O₄, Fe₂O₃, FeO.
5. Добавочные материалы (известняк, известь, железная руда,

агломерат, марганцевая руда и др.) – CaO, Fe₂O₃, MnO, SiO₂, Al₂O₃,  и др.

Состав мартеновских шлаков в процентах приведено в таблице 1.

Таблица 1

Состав мартеновских шлаков, %

Наименование шлаков	Наименование элементов
	СаО	SiO2	MgO	MnO	А12О3	Fе2О3	FeO	Р2O5	Сr2О3	TiO2	S
Мартеновские	18.5	25.4	8.9	8.0	2.4	6.0	21.1	0.29	1.5	0.8	0.11

Нормальные  мартеновские шлаки, затвердевая, образуют монолитную массу плотного, ноздреватого строения от темно-серого до черного цвета. При большом содержании извести при специальных плавках шлаки делаются более светлыми, иногда белыми, не стойкими к воздействию воды, от которого могут разлагаться, превращаясь в порошок.

Кислые шлаки  при затвердевании образуют плотную  стеклообразную массу серого или  зеленоватого цвета, прочную, но хрупкую.

Для характеристики состава основного шлака пользуются величиной отношения концентраций в нем основных окислов к кислотным или (CaO)/(SiO2). Эту величину называют основностью шлака.

Соотношение основных и кислотных окислов приведено  в таблице 2.

 

 

 

Таблица 2

Соотношение основных и кислотных окислов

Основность  шлака	Соотношение основных и кислотных окислов
Низкоосновные	(CaO)/(SiO2) < 1,5
Средней основности	(CaO)/(SiO2) = 1,6 ÷ 2,5
Высокоосновные	(CaO)/(SiO2) >2,5

Кислый шлак более чем наполовину состоит  из кислотных окислов (кремнезема). Характеристикой кислых шлаков может  служить отношение (SiO₂)/(FeO) + (MnO) или (SiO2)/(FeO) + (MnO) + (СаО), которое называют кислотностью шлака.

Важнейшими  характеристиками шлаковых смесей являются вязкость, которая, повышаясь затрудняет тепло- и массоперенос в шлаке, вызывает замедление процессов нагрева и  рафинирования металла, поверхностное натяжение, от величины которого на границе штейн - шлак зависят размеры устойчивого зародыша, смачивание шлаков, флюсов и огнеупоров.

Компонентами  шлака, резко повышающими его  вязкость, прежде всего являются МgО (> 10-12%) и Сг₂О₃ (>5-6%); эти компоненты при содержаниях выше указанных пределов обогащают шлак мелкодисперсными частицами. 
Вязкость основных шлаков существенно снижается при введении 2-5% CaF₂ 5-7% Al₂O₃, 5-7% Na₂O или К₂О.

Таким образом, из данных таблицы можно заключить, что содержание окислов железа делает шлаки мартеновского производства ценным вторичным сырьем в черной металлургии, а также, в силу состава (обогащен окислами железа) используют в качестве шихты доменной печи, а также в качестве флюса. Высокое содержание оксидов кальция, марганца характеризует переработанный шлак как ценное удобрение.