Способ обработки металлургического шлака

 

Использование: в области металлургии для изготовления бетонов и строительных конструкций из металлургических шлаков. Сущность изобретения: способ обработки металлургического шлака включает введение на жидкий конечный шлак кальцийсодержащей добавки, продувку кислородом и выпуск шлака. Дополнительно присаживают глиноземсодержащие отходы угледобычи после обогащения угля. В качестве кальцийсодержащих добавок вводят известь и/или известняк. По ходу их присадки производят продувку кислородом, расход которого равен 400-650 м³ на т глиноземсодержащих отходов угледобычи после обогащения угля. К глиноземсодержащим отходам угледобычи после обогащения угля добавляют уголь в количестве 5-20% от массы отходов угледобычи. Дополнительно присаживают глиноземсодержащие добавки в количестве 1-10% от массы образовавшегося расплава. По ходу продувки кислородом в расплав добавляют жидкие или твердые металлургические шлаки и шламы. В образовавшийся расплав дополнительно вводят ферросилиций в количестве 0,1-6,0% от массы жидкого расплава. Изобретение позволяет удешевить производство цемента из металлургических шлаков за счет использования отходов угледобычи, улучшить экологическую обстановку в районе производства, сэкономить теплозатраты на последующую за выпуском шлакового расплава плавку. 4 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для изготовления бетонов и строительных конструкций.

Известен способ приготовления цементного клинкера, включающий в себя проплавление шахтовых материалов в шлакоплавильной печи с погруженным в расплав факелом, работающей на гарнисаже, в котором в качестве топлива используется мазут, а в качестве окислителя обогащенный кислородом воздух.

Недостатком указанного способа является применение в качестве топлива дефицитного мазута, а также поступление в атмосферу большого объема нагретых газов. (Воинов С. Г. Шалимов А.Г. Косой Л.Ф. Калинников Е.С. Рафинирование стали синтетическими шлаками. Металлургия, М. 1970, с. 141-147).

Известен способ обработки кислородно-конвертерного шлака, включающий в себя использование добавок известняка или углекислого железа, выпуск из конвертера в шлаковую чащу, в которой осуществляют его выдержку до остывания.

Недостатками указанного способа являются большие потери железа в виде окислов, а также ограничения в составе шлака, обусловленные недостатком тепла и возможностью использовать его для изготовления строительных материалов (авт.св.СССР N 922157, кл. С 21 С 5/36, БИ N 15, 1982).

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ изготовления шлакообразующего материала, включающего в себя присадку в конвертер на жидкий шлак необожженного доломита, продувку смеси окислительным газом и выпуск в шлаковую чашу.

Недостатками известного способа являются накопление в шлаке вредных примесей, большие потери железа, налипание на футеровку окисленного шлака и главное то, что невозможно использовать полученные шлаки для изготовления строительных материалов (авт. св. СССР N 1106838,кл. C 21 C 5/36, БИ N 29, 1984).

Согласно предлагаемому способу обработки металлургического шлака, включающему введение на жидкий конечный шлак кальций-содержащей добавки, продувку кислородом и выпуск шлака, дополнительно присаживают глиноземсодержащие отходы угледобычи после обогащения угля, а в качестве кальцийсодержащих добавок вводят известь и/или известняк, причем по ходу их присадки производят продувку кислородом, расход которого равен 400 650 м³ глиноземсодержащих отходов угледобычи после обогащения угля.

Кроме того, к глиноземсодержащим отходам угледобычи после обогащения угля добавляют уголь в количестве 5 20% от массы отходов угледобычи.

При этом дополнительно присаживают глиноземсодержащие добавки в количестве 1 10% от массы образовавшегося расплава.

Причем по ходу продувки кислородом в расплав добавляют жидкие или твердые металлургические шлаки и шламы.

Кроме этого, в образовавшийся расплав дополнительно вводят ферросилиций в количестве 0,1 6% от массы жидкого расплава.

Предлагаемое изобретение позволяет удешевить производство цемента из металлургических шлаков за счет использования отходов, угледобычи, улучшить экологическую обстановку в районе производства, сэкономить теплозатраты на последующую за выпуском шлакового расплава плавку.

В качестве отходов угледобычи используются материалы, получающиеся после обогащения угля. Они содержат (обычно) 15 25% углерода и пустую породу, включающую 20,0 24,0% Al₂O₃, 60,0 63,0% SiO₂, 6,0-7,0% Fe₂O₃, 3,0-4,0% CaO и другие компоненты.

Такое содержание углерода позволяет при его сжигании в кислороде не только расплавить пустую породу, но и ввести необходимые для получения цемента добавки извести и известняка.

Если содержание углерода в отходах будет ниже 15, то добавка извести становится практически невозможной.

Если содержание углерода будет превышать 32% то возможно полностью заменить добавку извести известняком. С учетом реальных теплотерь плавильных агрегатов содержание углерода в отходах целесообразно повысить до 35% При расходе кислорода в пределах от 400 до 650 м³ кислорода на 1 т отходов в качестве отходящих продуктов горения углерода будет преимущественно образовываться диоксид углерода, что обеспечивает максимальное тепловыделение при ведении процесса.

При расходе кислорода менее 400 м³ 1 т отходов не весь углерод может быть окислен до диоксида углерода, при превышении расхода кислорода выше 650 м³ на 1 т отходов фактически температура расплава будет понижаться.

При подувке расплава технически чистым кислородом, содержащим 3-7% посторонних примесей, существенно снижается стоимость кислорода, так как исключается одна стадия его обогащения.

При понижении содержания кислорода в технически чистом кислороде возрастают теплопотери, расход топлива и снижается максимально достигаемая температура.

Добавка угля к отходам угледобычи позволяет перерабатывать не только известь с различной степенью недопала (CaCO₃ в извести СаО), но и даже известняк и использовать отходы с более низким содержанием углерода.

Если исходные отходы угледобычи содержат 15% углерода, то для обеспечения состава расплава заданному требуется присаживать такое количество извести, для проплавления которого потребуется дополнительная добавка угля в количестве 5% от массы отходов угледобычи, при расходе угля менее 5% требуемая температура не будет достигнута.

Если расход угля превысит 20% то даже при присадке известняка вместо извести количество выделяющегося тепла при полном окислении углерода до CO₂ превысит необходимое для обеспечения заданных температуры и состава.

При малых расходах отходов содержание глинозема в расплаве снижается ниже 4,0% Содержание глинозема может быть увеличено за счет присадки глиноземсодержащего материала.

Если добавка глиноземсодержащего материала будет менее 1% от массы образовавшегося расплава, то компенсировать нехватку глинозема затруднительно, если же эта добавка будет более 10% то возможен выход за предельно допустимое содержание.

Если температура расплава оказывается более высокой по сравнению со 1700^o C, то для ее снижения можно использовать твердые или жидкие металлургические шлаки и шламы, не выходя при этом из заданных пределов по химическому составу.

Добавка ферросилиция к расплаву менее 0,1% от его массы не приводит к существенным изменениям температуры и состава расплава.

Добавка, превышающая 6% (по кремнию) от массы расплава, приводит к чрезмерному удорожанию.

Пример 1. К 50 т конвертерного шлака, содержащего 40,3% СаО, 32,0% FeO, 10,1% SiO₂, 3,0% MgO, 2,1% Al₂O₃ и 4,1% MnO перед выпуском стали добавляется 5 т извести. Затем производится присадка отходов угледобычи, содержащих 20,0% 49,6% SiO₂, 18,0% Al₂O₃ и 5,25% окислов железа, остальное примеси в количестве 30 т. Интенсивность подачи отходов составляет 2 т/мин.

Одновременно производится присадка каменного угля в количестве 3 т с интенсивностью 0,2 т/мин. Кроме того, в конвертер присаживается известь с интенсивностью 3,0 т/мин в количестве 45 т. После начала введения отходов, извести и каменного угля 15 мин осуществляется продувка шлака кислородом с интенсивностью 900 м³/мин. По окончании присадок производится расплав кислородом еще 30 с с той же интенсивностью. Общий расход кислорода составляет 13950 м³ или на 1 т отходов угледобычи расход кислорода составил 465 м³.

В результате проведения плавки получается 120 т расплава. Затем почти половина расплава была слита в две шлаковни.

К оставшемуся в конвертере расплаву массой 62 т, содержащему 64,2% CaO, 3,0% Fe₂O₃, 20,5% SiO₂, 1,9% MgO, 1,8% MnO, 3,5% Al₂O₃ при исходной температуре 1750^o C добавляется 1,25 т боксита или 2% от массы расплава. Боксит содержит 40% Al₂O₃, 30% SiO₂ и 30% Fe₂O₃.

Если на 50 т шлака добавить 1 т боксита, то содержание Al₂O₃ возрастет на 0,8% а SiO₂ и Fe₂O₃ соответственно на 0,6% Охлаждающее его действие составляет 34^o C на 1 т. Таким образом, конечная температура расплава при добавке 15 т боксита составляет 1710^o C.

Конечный состав расплава после добавки 2% боксита был следующим: CaO 62,8% SiO₂ 20,7% Al₂O₃ 4,3% Fe₂O₃ 3,6% MgO 1,85% MnO 1,75% Температура шлака оказалась равной 1710^o C.

При добавлении к 63 т этого клинкера еще 6 т боксита температура снизилась до 1540^o C и для его разогрева до 1700^o C потребовалось добавить 650 кг угля и израсходовать дополнительно 1050 м³ кислорода.

После продувки конечная температура составила 1690^o C.

При таком воздействии боксита содержание окиси кальция снизилось до 57,3% а содержание Al₂O₃ увеличилось до 7,3% Для приведения расплава к заданному составу и температуре потребовалось дополнительно присадить 17,5 т извести, добавить 1,9 т коксика и израсходовать 3200 м³. Таким образом, суммарная присадка боксита составила 10% от массы расплава, равной 80 т, а угля (коксика) 2,55 т или 12% от массы отходов угледобычи, использованных для приготовления расплава.

Пример 2. В конвертер емкостью 10 т на 0,5 т конечного конвертерного шлака, содержащего 40,5% CaO, 14,7% SiO₂, 27,2% FeO, 5,3% MnO, 4,8% MgO и 2,8% Al₂O₃ подается 1,25 т отходов угледобычи, содержащих 15% углерода, 52,7% SiO₂, 18,7% Al₂O₃ и 5,5% окислов железа, остальное примеси угледобычи.

Одновременно с присадкой отходов угледобычи производится присадка каменного угля, извести и известняка.

Количество присаженного угля составляет 20% от массы подаваемых на плавку отходов угледобычи, т.е. 250 кг. Известняка присаживается 0,8 т, а извести 1,65 т. Интенсивность подачи известняка составила 65 кг/мин, извести 130 кг/мин, отходов угледобычи 100 кг/мин и угля 20 кг/мин. Одновременно с началом присадки сыпучих производится продувка кислородом с интенсивностью 64 нм³/мин.

Общее количество поданного кислорода составляет 800 м³, а продолжительность продувки 12,5 мин. На 1 т отходов расход кислорода составил 640 м³.

Количество полученного расплава оказалось равным 3,6 тонны, а его состав: CaO 7 63,81% SiO 7 20,82% Al₂O₃ 7,03% MgO 7 1,83% MnO 7 0,8% Fe₂O₃ 3,08% Температура шлака на впускное 1680^o C.

Для повышения температуры на 20^o C присажено 12 кг 65%-ного ферросилиция или 0,33% от массы расплава.

Пример 3. В конвертер емкостью 10 т после выпуска стали на 650 кг конечного шлака, содержащего 40,2% СaO, 25,0% FeO, 11,3% SiO₂, 5,4% MnO, 6,1% MgO и 2,5% Al₂O₃, добавляют 1,8 т отходов угледобычи, содержащих 20,0% C, 49,6% SiO₂, 18,0% Al₂O₃ и 5,25% окислов железа, остальное примеси и 3,0 т извести. Интенсивность подачи отходов составила 150 кг/мин, а извести 250 кг/мин.

Подача отходов угледобычи и извести начинается одновременно с продувкой кислородом с интенсивностью 60 м³/мин или 400 м³ на 1 т отходов.

Cуммарный расход кислорода составил 720 м³. Длительность продувки 12 мин. Перед продувкой на конечный конвертерный шлак подано 200 кг ферросилиция, содержащего 65% кремния и 300 кг извести.

Конечный состав расплава следующий: CaO 63,2% SiO₂ 21,8% Al₂O₃ 5,95% MgO 2,2% MnO 0,8% Fe₂O₃ 3,0% Конечная температура расплава 1710^o C. Масса расплава 5,7 т. Расход ферросилиция составил 3,5% от массы расплава.

Пример 4. В конвертер емкостью 10 т после выпуска стали и частичного слива шлака на 0,55 т шлака, оставшегося в конвертере, содержащего 43,0% CaO, 16,2% SiO₂, 15,3% DeO, 7,8% MnO, 7,1% MgO, 3,2% Al₂O₃ добавляют 2,2 т отходов угледобычи, содержащих 25% 46,5% SiO₂, 15,75% Al₂O₃ и 5,25% окислов железа, остальное примеси и 3,5 т извести. Интенсивность подачи отходов составила 100 кг/мин, а извести 160 кг/мин.

После подачи материалов в течение 1 мин начата продувка шлака кислородом с интенсивностью 47 нм³/мин. Длительность продувки составила 22 мин.

После продувки был получен расплав, содержащий 63,6% CaO, 19,75% SiO₂, 2,20% MgO, 6,47% Al₂O₃, 1,1% MnO, 3,0% Fe₂O₃. Расход кислорода составил 470 м³/т.

Получено 5,6 т шлака при температуре 1720^o C.

В связи с относительно низким содержанием кремнезема в шлаке к расплаву было добавлено 65 кг боксита. Температура снизилась до 1700^o C, содержание Al₂O₃ увеличилось до 6,84% а содержание SiO₂ до 19,87% Расход боксита составил 1,16% от массы расплава.

Пример 5. В конвертер емкостью 10 т после выпуска стали и частичного слива шлака на 0,6 т шлака, содержащего 45,0% CaO, 14,0% SiO₂, 17,0% FeO, 7,5% MnO, 7,0% MgO и 3,1% Al₂O₃ добавляют 2,3 т отходов угледобычи, содержащих 35% C, 41% SiO₂, 14% Al₂O₃, 4,5% окислов железа, остальное примеси. Одновременно с присадкой отходов производится присадка извести и известняка. Интенсивность присадки отходов составила 100 кг/мин. Известь подавалась 3 мин с интенсивностью 210 кг/мин, а известняк последующие 20 мин с интенсивностью 200 кг/мин.

Всего было подано 630, кг извести и 4,0 т известняка. Температура на выпуске шлака 1685^o С. После продувки получено 4,9 т расплава следующего состава: CaO 63,8% SiO₂ 21,3% Al₂O₃ 6,95% Fe₂O₃ 4,1% MgO 1,8% MnO 1,3% Пример 6. На 800 кг конвертерного шлака, находящегося в конвертере емкостью 10 т, содержащего 44,5% CaO, 21,3% FeO, 13,2% SiO₂, 5,5% MnO, 6,4% MgO и 2,7% Al₂O₃ после выпуска стали присаживается 2,0 т отходов угледобычи, содержащих 20% C, 49,6% SiO₂, 18,0% Al₂O₃ и 5,25% окислов железа, остальное примеси. На шлак перед началом продувки присаживается 100 кг каменного угля.

Одновременно с присадкой отходов производится присадка извести общей массой 3,0 т. Интенсивность подачи отходов угледобычи составляет 100 кг/мин, а извести 150 кг/мин. Общая длительность продувки кислородом 20 мин. Интенсивность продувки кислородом находилась в пределах 45-50 нм³/мин.

Общее количество поданного кислорода составило 935 нм³ или 467 нм³ на 1 т отходов угледобычи.

В результате проведения плавки получается 5,5 т шлака при температуре 1720^o C, имеющего следующий состав: CaO 63,2% SiO₂ 20,32% Al₂O₃ 7,07% MgO 2,0% MnO 0,8% Fe₂O₃ 4,2% Расход угля составил 5% от расхода отходов угледобычи. При меньшем расходе не обеспечивается необходимая температура шлака без применения ферросилиция.

Для снижения содержания Fe₂O₃ в конвертер было добавлено 5,4 кг 65%-ного ферросилиция или 0,1% от массы расплава.

Пример 7. В разогретый до 1400^o C конвертер емкостью 10 т заваливается 0,4 т твердого мартеновского шлака, содержащего 42,0% СaO, 15,0% SiO₂, 5,2% MnO, 22,0% FeO, 8,5% MgO, 3,0% Al₂O₃ и 0,5% P₂O₅.

После завалки шлака присаживается 200 кг угля и подается 375 нм³ кислорода в течение 5 мин. Затем в расплав с интенсивностью 65 кг/мин подаются отходы угледобычи в общем количестве 1,63 т. Содержание углерода в отходах угледобычи составило 35% В качестве добавки, позволяющей повысить содержание окиси кальция, был использован известняк в количестве 3,75 т. Известняк подавался одновременно с отходами угледобычи с интенсивностью 150 кг/мин. После присадки половины известняка в конвертер присаживается еще 100 кг твердого мартеновского шлака. Одновременно с началом присадки сыпучих производится продувка кислородом с интенсивностью 42,5 нм³/мин и общим расходом 1065 нм³.

Расход кислорода на 1 т отходов угледобычи составлял 650 нм³.

Количество полученного расплава равно 3,65 т, а его состав: CaO 63,5% SiO₂ 21,0% Al₂O₃ 7,05% MgO 1,9% MnO 0,8% Fe₂O₃ 3,5% температура расплава 1700^o C.

Как видно из полученных данных, предлагаемый способ позволяет удешевить производство цемента из металлургических шлаков за счет использования отходов угледобычи, улучшить экологическую обстановку в районе производства, сэкономить теплозатраты на последующую за выпуском шлакового расплава плавку.

Предлагаемое изобретение может быть реализовано на металлургических комбинатах и использовано для приготовления строительных материалов.

Формула изобретения

1. Способ обработки металлургического шлака, включающий введение на жидкий конечный шлак кальцийсодержащей добавки, продувку кислородом и выпуск шлака, отличающийся тем, что дополнительно присаживают глиноземсодержащие отходы угледобычи после обогащения угля, а в качестве кальцийсодержащих добавок вводят известь и/или известняк, причем по ходу их присадки производят продувку кислородом, расход которого равен 400 650 м³ на 1 т глиноземсодержащих отходов угледобычи после обогащения угля.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что к глиноземсодержащим отходам угледобычи после обогащения угля добавляют уголь в количестве 5 20% от массы отходов угледобычи.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно присаживают глиноземсодержащие добавки в количестве 1 10% от массы образовавшегося расплава.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что по ходу продувки кислородом в расплав добавляют жидкие или твердые металлургические шлаки и шламы.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в образовавшийся расплав дополнительно вводят ферросилиций в количестве 0,1 6,0% от массы жидкого расплава.