Методы переработки и утилизации мартеновских шлаков

2. Способы переработки мартеновского  шлака

2.1.Направления  использования шлака

Чтобы определить эффективность  переработки мартеновских шлаков, сначала  необходимо рассмотреть пути использования образованного вторсырья. Это определит вид и требования к переработанному продукту и процессу его производства.

Основными потребителями образовавшегося  продукта являются:

1. Дорожное строительство. Дорожное строительство - наиболее материалоемкая область применения шлакового щебня. При этом требования к щебню варьируются в соответствии с назначением слоя дорожного покрытия. Одним из основных требований к щебню для дорожного строительства является его способность не дробиться при укладке и уплотнении.

1. Наиболее широко применяются отвальные шлаки и минеральный порошок для изготовления верхних слоев дорожного покрытия. Такое покрытие успешно противостоит испытаниям на прочность, истирание, ударные нагрузки, обладает устойчивостью к сдвиговым деформациям, большей тепло- и морозостойкостью, а также большим коэффициентом сцепления.
2. Требования к шлаковому щебню и шлаковому песку, применяемому в дорожном строительстве описывает ГОСТ 3344-83.

2. Сельскохозяйственные предприятия. Мартеновский шлак создает наиболее оптимальные условия существования микроорганизмов почвы, увеличивая их содержание. Он является эффективной добавкой в органо-минеральных компостах; повышает качество продукта и содержание белковых веществ в сене и зерне, а также сахара и витаминов; уменьшает заболеваемость растений. Например, поражение свеклы пятнистостью снижается на 40%, а повреждение корнидом — на 30% при 100% поражаемости.

3. Доменные металлургические производства. Мартеновские шлаки в шихте доменных печей применяет ряд зарубежных и отечественных предприятий. Уровень их применения зависит от вида шихты, марок выплавляемых сталей и химического состава шлаков. Во Франции он равен 100-250 тыс. т/год для одного завода, в США – 124 кг/т шлака (завод в Белфонте) и т.д. По опыту Аргентины, введение в печи до 100 кг/т чугуна шлаков, содержащих 25% FeO и 40% СаО, снижает стоимость шихты на 9,3%. Шлаки такого состава выполняют роль флюса при доменной плавке.

Применение мартеновских шлаков в отечественных производствах.

На металлургическом заводе им. Серова опробовано применение мартеновского шлака (основность 2,0-3,4) для комплексного рафинировния чугуна. Шлак в количестве 2-4 т выпускали в горячий чугуновозный ковш. Затем туда же с высоты около 3 м заливали 35-40 т чугуна. В результате этого достигнута десульфурация на 36% и обескремнивание на 25%, на 45-56% восстанавливался марганец шлака, за счет физического тепла последнего на 35°С повысилась температура чугуна.

На Златоустовском металлургическом заводе при выплавке хромсодержащей мартеновской стали в ванну печи подается отработанный электропечной шлак производства стали Х18Н10Т с содержанием 15-30% хрома. Последний извлекается без ухудшения технологического процесса плавки. За счет восстановления хрома из шлака и уменьшения его угара расход феррохрома снижается на 3-3,5 кг в расчете на 1 т стали.

Для улучшения шлакообразования кислые мартеновские шлаки подаются в завалку  кислой печи в количестве 3% от массы  металлической шихты при выплавке шарикоподшипниковой стали и 0,5-1% при получении легированной стали для поковок ответственного назначения.

4. Цементная промышленность. Активным потребителем шлаков является также цементная промышленность, использующая ежегодно 20-23 млн. т. гранулированного продукта. Это объясняется высокой химической активностью резко охлажденного шлака, которая возникает из-за неупорядоченной структуры стекла, стремящейся при наличии подходящих температурных условий завершить начатое формирование. Такой химический потенциал проявляется в вяжущих свойствах шлака. Молотый, гранулированный шлак при взаимодействии с водой способен образовывать прочные образования подобно цементам. Процессы твердения могут протекать при 180 – 200^оС, но более интенсивно идут при повышенной температуре и в присутствии активизаторов - извести, гипса и т.п.

Различные по составу  шлаки обладают различными свойствами, а также разнятся областями применения.

Кислые шлаки пригодны также для производства шлаковой пемзы, литого щебня и шлаковой ваты.

2.2 Грануляция

 

Грануляция  мартеновского шлака может производиться несколькими способами:

• Естественный. Пористые шлаки можно получить при остывании шлака за счет оставшихся в нем газов. Однако, этот способ себя не всегда оправдывает за счет затрат времени и физических свойств выходного шлакового продукта. В случае естественного охлаждения шлака  пористость неравномерная с резкими переходами от крупных к мелким ячейкам.
• Искусственный. Такая поризация шлака происходит при воздействии воды, пара, воздуха.

Последний способ, в свою очередь, разделяется на несколько  способов:

1. Бассейновый способ, основан на поризации шлака водой. Бассейн, снабженный системой подъема, состоит из ванны, механизма закрывания и открывания борта, системы водоподачи. Ванна — металлическая чаша размером 6х6х1,25 м с наклонными бортами. Дно ее имеет отверстия диаметром 4 мм через 15 см. Через отверстия в процессе слива в ванну шлака подается вода, которая поризует расплав. В течение последующих 6—8 мин вспученная масса шлака кристаллизуется и затем выгружается в приямок, откуда перегружается грейфером на промежуточный склад. Здесь происходит окончательная кристаллизация в течение 3—5 ч, затем шлак подают на дробление и сортировку.
2. Траншейно-брызгальный способ. Струи воды под давлением 0,6 МПа пронизывают шлаковый расплав, заполняющий траншею. Вспучивание и кристаллизация продолжаются в траншее в течение 1,5—2 ч. Толщина слоя поризованного шлака от 10 до 30 см. После застывания слой поливают водой и на влажную поверхность сливают новый шлаковый расплав. При достижении толщины слоя 3—3,5 м пемзу разрабатывают экскаватором и подают в дробильно-сортировочный узел.
3. Гидроэкранный способ. Шлаки с температурой 1450 °С прямо из печи поступают по желобу длиной 2 м в гранулятор. Шлак разбивают на гранулы струей воды под давлением 0,35 МПа. При скорости течения шлакового расплава 0,25—0,6 т/мин расход воды составляет около 7 м3/мин. Пульпу подают в бункер-накопитель, из него в короб, а затем после магнитной сепарации в бункер-отстойник. Далее материал поступает на склад готовой продукции.

Гранулированный мартеновский шлак с успехом применяется в качестве щебеночных слоев дорожного покрытия. Это обуславливает его высокая морозо- и жаростойкость (успешное испытание до двухсот циклов испытаний), а также успешное сопротивление истиранию. Стоимость такого сырья почти в два раза ниже природного материала.

Технические параметры  процессов грануляции приведено в таблице 3.

Таблица 3

Технические параметры  процессов грануляции

Технические параметры  процесса	Способ грануляции
	Бассейновый	Траншейно-брызгательный	Гидроэкранный
Расход воды, м3/т	0,2 - 0,4 м3/т	0,1 м3/т	0,2 м3/т
Температура шлака на входе, оС	1250 – 1300 оС	1340оС	1340оС
Температура шлака на выходе, оС	100 - 150 оС	80оС	50оС
Влажность продукта на выходе, %	15 – 30%	10%	15 - 18%

Как видно из таблицы, общими недостатками всех методов   грануляции является практическая несовершенство оборотного водоснабжения, теплового загрязнения окружающей среды, большие потери тепла шлаков, получение гранулированного шлака повышенной влажности.

Такие недостатки можно устранить  снижением практического расхода воды (например, совершенствование систем подачи воды, разработка более экологичных систем, переходом на сухие способы грануляции и т.д.), либо улучшить систему оборотного водоснабжения (интенсивное осаждение взвесей, охлаждение воды, путем ее вторичного использования в отопительных агрегатах).

Переход на сухие способы  грануляции может решить проблему повышенной влажности шлака, которая затрудняет его разморозку в зимние периоды. Также этой цели может служить  система вертикальной газовой продувки конечной шлаковой продукции.

Развитая система  парогазовой очистки может решить проблему повышенных вредных газовых выбросов (углекислый газ, пар). Например, газоулавливающие установки (зонты, местные отсосы), с последующие нейтрализацией выбросов известковым молоком Са(ОН)₂.

2.3 Грануляторная  установка водовоздушного типа

 

Расплав непосредственно  из плавильного агрегата или через  промежуточную емкость подают в  приемную воронку, через концентрическую  горловину  расплав попадает в  емкость, набранную из колосников, образующих грушевидную форму. При вращении емкости вокруг наклонной оси  расплав взаимодействует с металлическими телами (шарами), отдает тепло, намораживается на поверхность шаров, истирается, если расплав затвердел, перемещается в межшаровом пространстве вдоль оси вращения емкости от оси к периферии, к колосникам. Взаимодействуя с рабочими телами (шарами), расплав интенсивно отдает тепло, в процессе охлаждения расплав теряет текучесть, становится вязким, затвердевает на поверхности шаров и в полостях, ими образованными. Затвердевшие куски шлака в составе гетерогенного расплава, взаимодействуя с шарами, с колосниками и с потоком увлажненного воздуха, в результате механического и термического воздействия разрушаются и измельчаются. Окончательное формирование крупности готового продукта осуществляется при взаимодействии рабочих тел с колосниками, когда шлак выходит из емкости. Через зазоры между колосниками материал просыпается и попадает в устройство для охлаждения и транспортирования, по которому отгружается на последующую переработку или на склад готовой продукции.

Для принудительного охлаждения шаров, расплава, изменяющего свое агрегатное состояние, емкости и установки в целом в корпус установки встроен воздуховод. В воздуховоде смонтирован водовод с форсунками. Парогазовая смесь, образующаяся в результате охлаждения шлакового расплава, локализуется в корпусе установки и через устройство для отвода парогазовой смеси поступает в систему очистки отработанного воздуха и пара. Отбор тепла от расплава осуществляется за счет подачи воды в количестве от 0,01 до 0,5 м³/т перерабатываемого расплава, а крупность продукта формируют путем изменения скорости перемещения рабочих тел в диапазоне от 0 до 1,5 м/с.

Принципиальная схема грануляторной установки жидкого шлакового расплава приведена на рисунке 1.

 

 

Рис. 1. Принципиальная схема грануляторной установки жидкого шлакового расплава

1 – воронка, 2 – емкость, 3 – колосники, 4 – горловина в виде обратного конуса, 5 – наклонная ось вращения с возможностью изменения угла ее наклона, 6 – рабочие тела (шары), 7 – корпус, 8 – устройством для отгрузки и охлаждения готового продукта, 9 – воздуховод, 10 – водовод, 11 – форсунки, 12 – устройство для отвода парогазовой смеси.

Технические параметры  процесса грануляции в водовоздушной  установке приведены в таблице 4.

Таблица 4

Технические параметры процесса грануляции в водовоздушной установке

Технологические параметры процесса	Водовоздушная установка
Расход воды, кг/м3	0,03 – 0,096 м3/т
Температура шлака  на входе, оС	1300 – 1450 оС
Температура шлака на выходе, оС	50 – 80 оС
Влажность продукта, %	7 – 10%

Метод водовоздушной  грануляции существенным образом сокращает  расход воды в технологическом цикле, а также имеет систему местной  вентиляции, частично решающую проблему парогазовых выбросов.

Однако, такой метод  обуславливает значительные энергозатраты. Также водовоздушный способ грануляции не решает проблему отвода физического тепла шлакового расплава.

2.4 Воздушно-гравитационная  переработка мартеновского шлака

 

Этот способ применяется для переработки основного мартеновского шлака, а именно для извлечения из него металлической составляющей, которая препятствует его использованию в качестве сырья при производстве строительных материалов.

Данный метод переработки  обосновывается свойствами двухкальциевого  силиката белита 2CaOSiO₂, содержащегося в основном мартеновском шлаке. Процесс длительного охлаждения шлаков неразрывно связан с полиморфными превращениями высокотемпературных α и β модификаций двухкальциевого силиката в γ-модификацию. Такое превращение сопровождается увеличением объема шлаковового материала на 10-12%, что и приводит к распаду шлака.

Суть этого метода заключается в том, что после  завершения силикатного распада шлак подвергают нескольким стадиям многоступенчатой обработки с выделением магнитной фракции и получением конечного продукта.

Обработка включает в  себя следующие стадии:

1. Горячее грохочение. Шлак, охлажденный до начала силикатного распада (550^оС) подвергают горячему грохочению с интенсивным охлаждением  и удалением образовавшейся пылевидной фракции. Шлак под действием силикатного распада разрушается и проходит через решетку грохота. Скрап, оставшийся на решетке возвращают в производство. Образовавшийся в процессе грохота продукт подвергают измельчению с охлаждением, которое приводит к дополнительному силикатному распаду новой поверхности и воздушной сепарации.
2. Удаление промежуточных фракций шлака и не измельчаемой металлической составляющей. Данный этап нацелен на размол крупных кусков шлака с последующим удалением из него металлических включений.
3. На этой стадии используются воздушные барабанные сепараторы, которые могут измельчать шлаковый щебень как при помощи измельчающих тел (шаров), так и без них.
1. Самоизмельчение шлака в сепараторе происходит за счет крупных шлаковых фракций, которые ударяясь о стенки вращающегося по часовой стрелке барабана продвигались продвигаются в сторону выгрузки. Возникающая при этом пылевидная фракция однонаправленной струей воздуха удаляется в систему вентиляции, которая при этом ускоряет продвижение распавшихся кусков шлака.
2. Барабанный сепаратор, работающий с использованием размольных тел имеет цилиндроконическую форму и вращается вокруг оси, которая может быть наклонена к горизонту по максимальным углом в 30^о. Такой барабан имеет два режима: "Измельчение" и "Выгрузка". При вращении барабана против часовой стрелки шлаковый материал остается в передней части сепаратора, где происходит его измельчение размольными телами. При вращении барабана по часовой стрелке измельченные шлаковые фракции продвигаются в сторону выгрузки под действием регулируемой струи воздуха, дополнительно очищающей барабан от пылевидной фракции.
4. Загруженность сепаратора не должна превышать 40% его объема, так как это приводит к снижению производительности и повышенному расходу оборудования. Оптимальная частота вращения барабана должна находиться в диапазоне = (0,2;0,9) об/мин. Увеличение частоты приводит к прекращению измельчения за счет центробежной силы.
5. Расход воздуха, необходимого для сепарации и охлаждения материала, находится в диапазоне 0,1-6,0 м³/кг.
6. При использовании очищенного от металлических включений шлака в качестве активной минеральной добавки для производства цемента размер металлических частиц, попадающих в конечный продукт, должен быть меньше 0,08 мм.
7. Циклическая переработка материала. Этот этап включает в себя избирательное измельчение шлака с разрушением наименее прочной неметаллической части для извлечения остаточной металлической составляющей. Затем образовавшуюся массу подвергаю<span class="dash0411_0435_0437_0020_0438_043d_0442_0435_0440_0432_0430_043b_043