Способ переработки металлургического шлака
Изобретение относится к металлургии и может быть использовано при переработке исходного материала в виде непереработанного металлургического шлака, содержащего тяжелый металл, который является нежелательным, такого как марганецсодержащий и железосодержащий шлаки, для получения продукта переработки шлака. Способ включает следующие стадии: смешивание непереработанного шлака, который включает смесь, по крайней мере, одного марганецсодержащего шлака и, по крайней мере, одного железосодержащего шлака, с восстановителем для получения реакционной смеси, нагрев реакционной смеси, чтобы вызвать восстановление соединений тяжелых металлов в непереработанном шлаке, для получения расплавленного ферромарганца и расплавленного переработанного шлака, отделение расплавленного ферромарганца от расплавленного переработанного шлака, и затвердевание переработанного шлака для дальнейшего его использования при производстве материалов, используемых в строительной промышленности. Изобретение позволяет получить продукт переработки шлака, который может служить наполнителем для использования при изготовлении кирпичей или при составлении товарных бетонных смесей, добавкой к цементным смесям для увеличения их объема или для производства цемента с добавками, или заполнителем для использования в строительной промышленности. 28 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится, в широком смысле слова, к переработке металлургического шлака. В частности, это изобретение относится к способам переработки отработанного (ненужного) металлургического шлака, содержащего тяжелый металл, который является экологически нежелательным, для утилизации непереработанного шлака, производя при этом хотя бы один ценный продукт.
В соответствии с изобретением представлен способ переработки исходного материала в виде отработанного металлургического шлака, содержащего тяжелый металл, который является нежелательным, для утилизации непереработанного шлака, производя при этом хотя бы один ценный продукт, причем способ включает в себя следующие стадии:
смешивание отработанного шлака с восстановителем для получения реакционной смеси;
нагрев реакционной смеси, чтобы заставить восстановитель восстановить одно или больше соединений тяжелых металлов в непереработанном шлаке, для получения расплавленного металла и расплавленного переработанного шлака;
отделение расплавленного металла от расплавленного переработанного шлака; и вызывая или позволяя затвердение переработанного шлака.
Содержание тяжелого металла в непереработанном шлаке может быть экологически нежелательным или нежелательным для тех целей использования, для которых предназначен переработанный шлак.
Соединения тяжелых металлов обычно включают соединения, выбранные из группы, состоящей из окислов тяжелых металлов, силикатов тяжелых металлов и их смесей, хотя, естественно, и другие соединения тяжелых металлов, способные к восстановлению, обычно присутствуют в непереработанном шлаке и будут восстанавливаться восстановителем. Тяжелые металлы, естественно, могут также присутствовать в непереработанном шлаке в естественной, металлической форме, и такие просто будут плавиться, и отделяться от переработанного шлака вместе с восстановленными металлами.
И непереработанный шлак, и восстановитель, которые смешиваются для получения реакционной смеси, могут быть в твердом состоянии, когда они смешиваются. Вместо этого, по крайней мере, часть отвального шлака, которая смешивается с восстановителем для получения реакционной смеси, может находиться в расплавленном состоянии, в то время как восстановитель находится в твердом состоянии. Соответственно, когда непереработанный шлак имеется в наличии в виде штабеля, такого как отвал или куча рядом с металлургической печью, которая производит непереработанный шлак в расплавленном виде, использование определенного количества непереработанного шлака в твердом состоянии из штабеля вместе с некоторым количеством непереработанного шлака из металлургической печи в расплавленном виде может привести к значительной экономии энергии на стадии нагрева до 35% и выше, так как шлак, будучи в расплавленном состоянии, обычно имеет температуру 1100-1650°С, например 1200-1550°С.
Способ может включать в себя стадию дробления, по крайней мере, одного из непереработанных шлаков и восстановителя в твердом виде для измельчения его перед смешиванием. В частности, непереработанный шлак может быть раздроблен для его измельчения, затем перед смешиванием раздробленный непереработанный шлак подвергается разделению по крупности для получения из него фракции необходимого гранулометрического состава, которая смешивается с восстановителем для получения реакционной смеси. Эта фракция может включать частицы, имеющие размер не более чем 70 мм, полученные путем дробления при температуре окружающей среды.
Нагрев реакционной смеси может осуществляться посредством печи, способ включает в себя стадию разгрузки расплавленного металла и расплавленного шлака из печи при температуре в пределах 1300-1650°С. В частности, разгрузка расплавленного металла и расплавленного шлака из печи может происходить при температуре в пределах 1300-1550°С. Хотя нагрев может, в принципе, производиться посредством индукционной печи, и хотя он может быть осуществлен более или менее непрерывно, предпочтительно, чтобы печь была дуговой печью, работающей в периодическом режиме.
Осуществляется ли нагрев более или менее непрерывно или более или менее периодически, отделение расплавленного металла от переработанного шлака обычно проводится способом гравитационного разделения, расплавленный переработанный шлак плавает в виде слоя на расплавленном металле. Таким образом, такая сепарация, например, может происходить в самой печи, или в другом сосуде, таком как качающийся плавильный тигель, который имеет отверстие для слива металла на нижнем уровне. Расплавленный металл может быть выпущен из сосуда с нижнего края, а шлак может быть слит или декантирован, к примеру, как перелив из сосуда через верхний край, при наклоне сосуда. Вместо этого шлак может быть декантирован первым, за чем следует декантирование металла путем наклона сосуда. Эта особенность, т.е. разделение переработанного шлака и металла, когда оба находятся в расплавленном виде, таким образом, обладает тем основным преимуществом, что не только переработанный шлак может быть получен в относительно свободном от металлов виде, без примесей металлов, но и металл может быть получен в относительно свободном от шлака виде, без примесей шлака. Таким образом, и переработанный шлак, и металл могут быть получены в относительно чистом виде для их последующего использования в намеченных целях. Более того, гравитационное разделение, которое стало возможным благодаря этой особенности способа по данному изобретению, подходит множеству других способов разделения (слив через отверстие, декантирование, слив путем наклона сосуда, и т.д.) добавляя к универсальности способа данного изобретения. Более того, использование электрических печей, таких как индукционные печи или дуговые печи, позволяет поддерживать шлак и металл при температуре, при которой они находятся в распаленном состоянии в течение всего времени, после восстановления до их разделения. Необходимо подчеркнуть, что вне зависимости от используемых температур реакции, нагрев должен проводиться все время для поддержания шлака и металла расплавленными, по крайней мере, пока их не разделят.
Способ может включать в себя стадию, позволяющую расплавленному переработанному шлаку затвердеть, подвергая его охлаждению воздухом посредством естественной конвекции, обычно с относительно медленной скоростью, сваливая его в штабель, такой как отвал или куча, на открытом воздухе и оставляя его для охлаждения на достаточное время, подвергая затвердевший переработанный шлак дроблению для его измельчения, что превращает его в заполнитель, который и является вышеуказанным ценным продуктом.
Вместо этого способ может включать в себя стадию, когда расплавленный переработанный шлак подвергается затвердению путем приведения в контакт с водой, вызывая грануляцию переработанного шлака для получения продукта гранулированного переработанного шлака, гранулированный переработанный шлак и является вышеуказанным ценным продуктом.
В то время как переработанный охлажденный на воздухе шлак в виде заполнителя может рассматриваться как конечный продукт для продажи его потребителям в строительной промышленности, гранулированный переработанный шлак может рассматриваться как промежуточный продукт, который может быть штабелирован для дальнейшей переработки, или он может быть продан после измельчения или размола, если необходимо, до получения частиц достаточно мелкого размера для применения в качестве добавки или наполнителя производителям, например, кирпича, товарных бетонных смесей, цемента со шлаковыми добавками, или тому подобного. Вместо этого промежуточный продукт в виде гранулированного переработанного шлака может быть переработан дальше, как описано ниже, для получения более или менее готового продукта переработанного шлака.
Непереработанный шлак, о котором идет речь, обычно получают из металлургических печей, используемых в производстве металлов. Такие шлаки могут включать не только шлак кислородного конвертера или дуговой печи, полученные при производстве стали, но они, что еще более важно, включают шлаки, полученные из печей, используемых в производстве других металлов, которые могут быть в виде сплавов или быть токсичными, например, в производстве марганца или ферромарганца. Такие шлаки могут привозиться производителями металлов, расположенными вне цеха, или, по выбору, могут использоваться на месте в расплавленном виде, или после затвердевания их путем охлаждения на воздухе посредством естественной конвекции на месте, могут быть штабелированы. Таким образом, можно обеспечить штабель твердого непереработанного шлака, из которого непереработанный для переработки в соответствии со способом настоящего изобретения, можно забирать непрерывно или периодически, как это необходимо, для дальнейшей переработки. Измельчение непереработанного шлака, перед смешиванием его с восстановителем, может, например, осуществляться дроблением, для уменьшения его крупности. Сортировка измельченного непереработанного шлака перед смешением его с восстановителем может осуществляться, например, просеиванием или грохочением для получения отсортированного по размерам частиц непереработанного шлака, имеющего необходимый размер частиц и/или необходимое распределение по крупности.
Как указано ниже, кремнийсодержащий реагент, или для удобства кварцсодержащий реагент, может быть смешан с непереработанным шлаком во время получения реакционной смеси, и этот реагент может быть твердым, например кварцевый песок. Восстановитель также может быть твердым, являясь, например, кремнийсодержащим, алюминийсодержащим, или, в частности, содержащим ферросилиций или углерод восстановителем, таким как уголь. Углеродсодержащие восстановители, например уголь, наиболее предпочтительны в силу их доступности и низкой стоимости, и в этой связи они могут быть противопоставлены содержащим алюминий или ферросилиций восстановителям, которые, для определенных продуктов из переработанного шлака, могут, на самом деле, считаться загрязняющими веществами, которых следует избегать. Эти восстановители и реагенты могут быть аналогичным образом подвергнуты измельчению и сортировке перед смешиванием их с непереработанным шлаком для получения реакционной смеси, чтобы получить необходимый размер частиц и/или распределение по крупности. В этих случаях реакционная смесь будет смесью твердых частиц, нагрев которой, как указано выше, проводится для расплавления реакционной смеси и для получения расплавленного металла и расплавленного переработанного шлака, который затем гранулируется. Грануляция, как определил заявитель, легко осуществляется с помощью грануляторов оригинальной разработки, таких, как имеющиеся в Южной Африке грануляторы фирмы "Бейтемари Металс Лимитед".
Как указывается ниже, гранулированный переработанный шлак может быть подвергнут обезвоживанию, до того как он подвергнется дальнейшей переработке; и гранулированный переработанный шлак может измельчаться, например дроблением и/или размалыванием, например размалыванием его во время или после обезвоживания. Размельченный обезвоженный переработанный шлак может затем быть штабелирован перед использованием или перед продажей пользователям, или может быть использован непосредственно на месте для производства конечных продуктов, названных выше, в которых он образует компонент, который выступает в роли добавки.
Заявитель успешно использовал и дробленый, охлажденный на воздухе непереработанный ферромарганцевый шлак, и охлажденный на воздухе непереработанный шлак кислородного конвертера, имеющий размер частиц до 70 мм, смешанный с прошедшим сортировку угольным восстановителем с размером частиц до 30 мм. Когда твердый, кремнийсодержащий или кальцийсодержащий реагент, такой как соответственно кварцевый песок или известняк, смешивается с непереработанным шлаком, полученным при производстве стали кислородно-конвертерным способом или при производстве марганца или ферромарганца, кремнийсодержащий или кальцийсодержащий реагент предпочтительно имеет размер частиц не более 30 мм. Аналогичные соображения будут относиться к любому используемому магнийсодержащему реагенту.
В то время как нагрев реакционной смеси предпочтительно проходит в дуговой печи в периодическом режиме, как указано выше, он, вместо этого, может быть осуществлен в индукционной печи в непрерывном режиме. В любом случае другие стадии процесса могут быть, несмотря на это, более или менее непрерывными или периодическими, как это необходимо, забирая непереработанный шлак из штабеля или чего-нибудь подобного постоянно или периодически, и осуществляя дробление, сортировку и смешивание аналогичным образом на непрерывной или периодической основе, чтобы иметь в наличии соответствующий загрузочный материал для печи, будь то дуговая печь или индукционная печь.
В дополнение к восстановителям, таким как углеродсодержащим или ферросилицийсодержащим восстановителям, упомянутым выше, различные необязательные добавки могут быть добавлены к реакционной смеси в печи, включая алюминийсодержащие, фосфорсодержащие, кремнийсодержащие и кальцийсодержащие реагенты. Печь может быть устроена так, чтобы выгружать, непрерывно или периодически, в зависимости от обстоятельств, расплавленный шлак при температуре 1300°С-1650°С, предпочтительно, как указано выше, при температуре 1350°С-1500°С, и выгружать непрерывно или периодически жидкий металл, который может быть охлажден на воздухе на песчаном подстилающем слое, например, перед повторным использованием в процессе производства металла, который поставлял непереработанный шлак.
Несколько индукционных печей, работающих параллельно, каждая со своей собственной загрузкой реакционной смеси, может быть использовано для нагрева реакционной смеси, чтобы получить расплавленный металл и расплавленный переработанный шлак. Вместо этого может быть использована одна дуговая печь, имеющая два или более мобильных качающихся тигля или стакана, которые перемещаются между загрузочной станцией, плавильной станцией, снабженной стандартным комплектом или колонкой электродов, и одной или несколькими разгрузочными станциями.
Отходящие от печи газы могут использоваться для сушки загружаемого угля во время его дробления или размалывания и для сушки обезвоженного шлака, например, во время дробления или размалывания вышеупомянутого угля или обезвоженного шлака.
Грануляция переработанного шлака включает процесс остеклования шлака, и может быть такой, чтобы получить размер частиц не более 10 мм, с содержанием стекла в них по массе, по меньшей мере, 50%, обычно, по меньшей мере, 67%, предпочтительно, по меньшей мере, 80%, и до 90% и более.
После обезвоживания переработанный шлак может быть высушен, чтобы содержание воды составляло не более 1% по массе, обычно 0,5-1% по массе. Обезвоженный гранулированный переработанный шлак может размалываться и после размола имеет размер частиц предпочтительно не более 105 микрон и соотношение поверхность/масса или удельную поверхность обычно в пределах 3500-4500 см2/г.
Изобретение распространяется на переработанный шлак, всякий раз, когда он получен посредством способа по данному изобретению, как определено и описано выше. Изобретение также распространяется на продукт в виде цемента или бетона, или кирпича с наполнителями, который содержит или заполнен данным гранулированным переработанным шлаком.
При использовании в качестве добавки для обычного портландцемента молотый переработанный шлак может примешан к обычному портландцементу для получения соотношения масс шлак: цемент 6:94-95:5, обычно 15:85-65:35 и предпочтительно 30:70-50:50.
При использовании в производстве кирпича гранулированный переработанный шлак обычно составляет 45% от массы готового кирпича, обычно 15-45%, и если используется размолотый переработанный шлак, то он обычно составляет 2-15% от массы готового кирпича.
Грануляция может привести к достаточно быстрому остыванию, чтобы вызвать остеклование шлака, по крайней мере, частичное. Таким образом, грануляцией переработанного шлака можно, в частности, достичь остеклования шлака, которое является таким, чтобы получить гранулы или частицы размером не более 10 мм и получить содержание стекла в гранулированном шлаке, по меньшей мере, 50% по массе. Способ может включать в себя стадию обезвоживания гранулированного переработанного шлака; и способ может включать в себя стадию измельчения гранулированного переработанного шлака для уменьшения его крупности, например, чтобы сделать его пригодным для использования в качестве заполнителя при изготовлении кирпича или при составлении товарных бетонных смесей, или в качестве добавки для добавления к цементу, такому как обычный портландцемент (ПЦ) для получения цемента с добавками.
Вместо и в дополнение к получению переработанного шлака в качестве ценного продукта, такого как заполнитель, для применения в строительной промышленности, или как наполнитель или добавка для использования при производстве кирпича или при составлении смесей бетона/цемента, способ данного изобретения позволяет производить в качестве ценного продукта металл, который может быть в виде сплава. Необходимо подчеркнуть, что ожидается, что будут такие ситуации, когда экономические соображения будут предписывать, что оба и переработанный шлак и восстановленный металл или сплав будут производиться одновременно в качестве ценных продуктов, чтобы сделать способ экономически привлекательным или, по крайней мере, жизнеспособным, и данное изобретение естественно распространяется и на вариант осуществления способа, включающий такое одновременное производство.
Таким образом, расплавленный металл, отделенный от расплавленного шлака, может быть данным ценным продуктом; и отделенный металл может поступать в металлургическую печь для дальнейшей переработки. Это может быть осуществлено при нахождении металла в расплавленном виде, хотя ожидается, что металл, отделенный от переработанного шпака, будет подвергнут или оставлен для затвердения, перед тем как он поступает в металлургическую печь для дальнейшей переработки.
В особом варианте осуществления изобретения непереработанный шлак может, по крайней мере, частично, быть выбран из марганецсодержащих шлаков, железосодержащих шлаков и их смесей. Предполагается, что такие марганецсодержащие шлаки обычно получают при производстве ферромарганца. Таким образом, непереработанный шлак включает смесь, по крайней мере, одного марганецсодержащего шлака и, по меньшей мере, одного железосодержащего шлака, для того чтобы металлопродукт включал ферромарганец, который может быть с выгодой возвращен в производство ферромарганца, из которого был забран марганецсодержащий непереработанный шлак. Способ может включать в себя стадию, когда при смешивании непереработанного шлака с восстановителем для получения реакционной смеси к ним также примешивается кремнийсодержащий реагент, для того чтобы реакционная смесь содержала кремний. Способ может также включать стадию, когда при смешивании непереработанного шлака с восстановителем для получения реакционной смеси к ним также примешивается кальцийсодержащий реагент, для того чтобы реакционная смесь содержала кальций. Кремнийсодержащий реагент обычно является кварцем, в то время как кальцийсодержащий реагент может представлять собой известь, гидроксид кальция (гашеная известь) иди карбонат кальция. Добавление кремнийсодержащего реагента или кальцийсодержащего реагента может быть использовано для оптимизации соотношения масс CaO:SiO2 в реакционной смеси, и хотя ожидается, что это, обычно, используется с непереработанным шлаком производства металлических сплавов, такого как производство ферромарганца, добавление кремнийсодержащего реагента или кальцийсодержащего реагента можно использовать с любым непереработанным шлаком, например добавление кремнийсодержащего реагента или кальцийсодержащего реагента к шлаку кислородного конвертера, чтобы соответственно повысить в нем либо содержание кальция, в виде СаО, либо содержание кремния в виде SiO2. Таким образом, для непереработанного шлака кислородного конвертера, способ может включать в себя добавление к нему кремнийсодержащего реагента, такого как кварц, для уменьшения соотношения масс CaO:SiO2.
Состав реакционной смеси может быть выбран таким образом, чтобы обеспечить ферромарганцевый продукт содержанием марганца 70-90% по массе, предпочтительно 76-80%, и содержанием железа 5-20% по массе, предпочтительно 10-15%.
В частности, железосодержащий шлак может быть шлаком, полученным в процессе производства стали кислородно-конвертерным способом.
Железосодержащий шлак может содержать 20-45% железа по массе, обычно 25-38%, в виде Fe2O3. Шлак кислородного конвертера представляет собой недорогой источник железа, будучи легко подвергаемым деметаллизации и охлаждению на воздухе; и марганецсодержащий шлак может быть шлаком, полученным в процессе производства ферромарганца, например, так называемые свежие горизонты, которые подвергаются деметаллизации. Марганецсодержащий шлак может содержать 15-65% марганца по массе, обычно 15-27% в виде MnO.
В частном варианте осуществления изобретения реакционная смесь содержит кальций, магний и кремний, присутствующие в пропорциях, которые, когда они выражены соответственно как CaO, MgO and SiO2, обеспечивают реакционную смесь с основностью, представленной как соотношение масс (СаО+MgO):SiO2, в интервале 1,3:1-1,8:1, обычно в интервале 1,4:1-1,7:1. Присутствие кальция и кремния в реакционной смеси может быть достигнуто, если необходимо, путем добавления кальцийсодержащего реагента и кремнийсодержащий реагента, присутствие магния в реакционной смеси может быть аналогичным образом достигнуто, если необходимо, путем добавления к ней магнийсодержащего реагента, такого как оксид магния или карбонат магния.
В реакционной смеси может быть использован необходимый восстановитель для того, чтобы иметь в переработанном шлаке содержание марганца в виде MnO не более 10% по массе, предпочтительно не более 7%.
Изобретение также распространяется на продукт в виде металла или сплава, всякий раз, когда он произведен посредством способа по данному изобретению, как определено и описано выше.
Теперь изобретение будет описано в виде неограничивающего наглядного примера со ссылками на сопровождающий схематический чертеж, на котором рисунок в целом представляет блок-схему производственного процесса установки для осуществления способа по данному изобретению для использования в переработке шлака, полученного при производстве стали кислородно-конвертерным способом.
На чертеже цифра 10 обозначает в целом установку для осуществления способа. Установка 10 включает штабель 12 непереработанного шлака производства стали кислородно-конвертерным способом. Штабель 12 изображен снабжающим по поточной линии твердой фазы 14 дозатор колосникового грохота 16, который в свою очередь снабжает по поточной линии твердой фазы 18 щековую дробилку 20. Щековая дробилка 20 снабжает по поточной линии твердой фазы 22 конусную дробилку 24, причем обводная поточная линия мелкой фракии 26 подает от питателя 16 в трубопровод 22.
Конусная дробилка 24 изображена снабжающей по поточной линии твердой фазы 28 грохот с тройной декой 30, который в свою очередь снабжает со своей центральной и самой верхней деки по поточной линии твердой фазы 32 конусную дробилку 34. Грохот 30 снабжает со своей самой нижней деки по поточной линии твердой фазы 36 штабель 38 и подает материалы, проходящие через его самую нижнюю деку, по поточной линии твердой фазы 40 на грохот с двойной декой 42. Грохот 42 подает материалы со своей самой верхней деки по поточной линии твердой фазы 44 в штабель 46 и со своей нижней деки по поточной линии твердой фазы 48 в штабель 50, в то время как материалы, проходящие через его нижнюю деку, направляются по поточной линии твердой фазы 52 в штабель 54. Конусная дробилка 34 снабжает по поточной линии твердой фазы 56 штабель 58. Различные части установки 10, описанные выше, сгруппированы в дробильный агрегат, в целом обозначенный 59.
Установка 10 также включает три разгрузочных бункера, а именно разгрузочный бункер непереработанного шлака 60, разгрузочный бункер кварцевого песка 62 и разгрузочный бункер угля 64. Штабель 58 показан снабжающим по поточной линии твердой фазы 66 бункер 60, поточная линия твердой фазы 66 включает ленточный конвейер. Сверхзвуковой/лазерный глазок (не изображен) контролирует питатели, подающие из штабеля 58 к бункеру 60 по поточной линии твердой фазы 66. Отвал кварцевого песка обозначен 68; отвал угольной мелочи обозначен цифрой 70. Из отвала 68 материал подается по ленточному конвейеру поточной линии твердой фазы 72 к разгрузочному бункеру кварцевого песка 62; и отвал 70 поставляет материал по ленточному конвейеру поточной линии твердой фазы 74 к разгрузочному бункеру угля 64. Сверхзвуковой/лазерный глазок (также не изображен) контролирует соответственно подачу кварцевого песка из отвала 68 к бункеру 62 по поточной линии 72; и контролирует подачу угля из отвала 70 по поточной линии 74 в бункер 64. Бункеры 60, 62 и 64 и отвалы 68 и 70 вместе сгруппированы в цех внутренней транспортировки сырья, обозначенный в целом 75.
Далее установка включает в себя четыре индукционные печи 76, размещенные для работы параллельно и питаемые соответственно по поточным линиям твердой фазы (схематически изображенным под цифрой 77) из бункеров 60, 62 и 64. Каждая печь 76 имеет слив переработанного шлака 78, ведущий в общий желоб расплавленного шлака 80 в форме песочного подстилающего слоя, выполненного для подачи самотеком расплавленного шлака в гранулятор 82. Каждая печь 76 в свою очередь имеет слив металла 84, каждый слив 84 ведет к соответствующему песочному подстилающему слою 85, который позволяет охлаждение на воздухе и извлечение перелива металла.
Печи 76 с их сливами 78, 84 с желобом 80 и подстилающими песчаными слоями 85 вместе сгруппированы в топочный цех, в целом обозначенный 86. Цех 86 также включает в себя линию отвода горячего газа 87, ведущую от печей 76 к электрофильтру 88, который в свою очередь подает газ по линии подачи газа 90, снабженного воздуходувкой 91, к штабелю 92.
Установка 10 еще также включает грануляционный и обезвоживающий цех, в целом обозначенный 93 и снабжаемый из желоба 80. Цех 94 включает гранулятор 82 и бункер 83. Гранулятор 82 представляет собой оригинальную разработку и поставлен компанией «Бейтмен Металс Лимитед», предназначен для грануляции переработанного шлака из желоба 80 путем контакта шлака с жидкой водой так, чтобы 100% гранулированного шлака прошло через грохот с размером ячейки 10 мм и имело содержание стекла и степень остеклования, по крайней мере, 50% по массе. Гранулятор 82 соединен в замкнутую схему с башенным охладителем 94 для конденсации пара, выделяемого гранулятором 82, и для охлаждения воды, используемой гранулятором 82. Схема также включает в себя обезвоживающее устройство 96 для обезвоживания шлака, выходящего из гранулятора 82 по поточной линии твердой фазы 98. Обезвоживающее устройство 96 подает обезвоженный гранулированный переработанный шлак по трубопроводу 100 к хранилищу гранулированного шлака 102 в бункере 83; устройство 96 предназначено для рециркуляции воды вдоль схемы к гранулятору 82 и башенному охладителю 94. Ответвление поточной лини 103 отходит от желоба 80 между печами 76, с одной стороны, и гранулятором 82 с другой стороны. Это ответвление поточной линии, которое изображено только частично для простоты чертежа, ведет к штабелю 105 в бункере 83, где шлак охлаждается на воздухе, перед подачей его в дробильный цех 59, как описано ниже.
Установка 10 включает в себя помольный и отгрузочный цех, в целом обозначенный 104, и имеющий подпольный бункер 106, снабжаемый фронтальным погрузчиком 108 из штабеля 102. Бункер 106 подает материал по ленточному конвейеру поточной линии твердой фазы 110 к питателю мельницы 112, изображенному снабжающим вальцовую мельницу 114. Линия подачи газа 116, снабженная воздуходувкой 118, подает горячие печные газы от линий отвода газа 87 к мельнице 114. Мельница 114 подает газы по линии подачи газа 120 к рукавному фильтру 122, который в свою очередь подает его по линии подачи газа 124, снабженного воздуходувкой 125, к штабелю 126. Мельница подает по поточной линии твердой фазы 128 в бункер для хранения 130, снабженный рукавным фильтром 132.
В соответствии со способом переработки по данному изобретению непереработанный шлак кислородного конвертера, содержащий силикаты железа, окислы железа и/или железо, рафинированное от примесей, штабелируется в штабель 12. Дозатор колосникового грохота 16 забирает мелочь из непереработанного шлака и подает ее на щековую дробилку 20 при контролируемых условиях, мелочь проходит по поточной линии 26 к линии 22 и затем к конусной дробилке 34, где происходит дальнейшее дробление. Грохот 30 просеивает раздробленный непереработанный шлак, который он получает по линии 28 от дробилки 24. Материал, задержанный самой верхней и средней деками грохота 30, проходит по линии 32 к конусной дробилке 34, где он подвергается дальнейшему дроблению до получения частиц размером не более 70 мм. Материал, задержанный самой нижней декой грохота 30, проходит по линии 36 к штабелю 38, при этом материал, прошедший через самую нижнюю деку грохота 30, проходит под линии 40 к грохоту 42, где он подвергается дальнейшей сортировке.
Материал, задержанный верхней декой грохота 42, проходит по линии 44 к штабелю 46, а материал, задержанный нижней декой грохота 42, проходят по линии 48 к штабелю 50. Материал, прошедший через вышеуказанную нижнюю деку грохота 42, проходит по линии 52 к штабелю 54. Материалы в штабелях 38, 46, 50 и 54 образуют заполнители в соответствии со спецификацией 12620:2002 Британского стандарта / Европейского комитета по стандартизации в отношении заполнителей для бетона и спецификацией 13242:2002 в отношении заполнителей для несвязанных и гидравлически связанных материалов для гражданского и дорожного строительства.
Дробленый непереработанный шлак из конусной дробилки 34 проходит по линии 56 к штабелю 58.
Дробленый непереработанный шлак подается из штабеля 58 по конвейеру 66 к бункеру 60. В свою очередь кварцевый песок с максимальным размером частиц 2 мм подается конвейером 72 от отвала кварцевого песка 68 в бункер 62, а уголь с размером частиц не более 8 мм подается конвейером 74 из отвала 70 в бункер 64.
Непереработанный измельченный шлак, кварцевый песок и угольная мелочь подаются соответственно из бункеров 60, 62, и 64 по линии 77 к соответствующим индукционным печам 76.
Плавление происходит в индукционных печах, где уголь действует в качестве восстановителя, восстанавливая железо из его соединений в непереработанном шлаке, нагревание превращает шлак в расплавленный переработанный шлак при температуре 1450-1600°С. Добавление кварцевого песок в количестве 12-15% от массы шлака устраняет проблемы, возникающие из-за свободной извести в непереработанном шлаке, где обычно соотношение масс CaO:SiO2 составляет 0,9:1-1,4:1.
Восстановление соединений железа до 90% по массе достигается посредством использования угля в качестве восстановителя, переработанный шлак содержит не более 4% Fe2O3 по массе и содержание металлического железа в нем не более 0,5% по массе. Дополнительные добавки для кондиционирования шлака, такие как алюминий, известь и фосфор, добавляются по выбору к шлаку в печах 76.
Печи 76 функционируют в непрерывном режиме и сливают переработанный шлак при температуре 1450-1600°С в виде перелива в желоб 80. Расплавленный металл из печей 76 выливают в виде перелива на песочные подстилающие слои 85 для охлаждения на воздухе, перед тем как повторно использовать его в процессе производства стали, из которого был получен непереработанный шлак.
Грануляция расплавленного переработанного шлака происходит в грануляторе 82, соединенный с ним башенный охладитель выполняет функцию сохранения воды и поддержания ее температуры не выше 35°С. Гранулированный шлак проходит по линии 98 к обезвоживающему устройство, где он обезвоживается, и обезвоженный шлак проходит по линии 100 к штабелю 102. Печные газы, выпускаемые по линиям 87 из печей 76, проходят по линиям 87 к электрофильтру 88 и потом по линии 90 через воздуходувку 91 к штабелю 92, где они также выпускаются в атмосферу.
Часть расплавленного переработанного шлака из желоба 80 обходит гранулятор 82 и проходит по линии 103 к штабелю 105 в бункере 83, где отведенный шлак охлаждается на воздухе для использования в дробильном агрегате, как описано ниже.
Фронтальный погрузчик 108 используется для перемещения переработанного шлака от хранилища 102 к подпольному бункеру 106, из которого он подается на конвейер 110. Предполагается, что часть гранулированного шлака из штабеля 102 обычно будет продана для нужд гражданского строительства и строительной промышленности для использования в качестве заполнителя.
Конвейер 110 снабжает дозатор мельницы 112, который в свою очередь снабжает вальцовую мельницу 114, где переработанный шлак размалывается до размеров частиц не более 50 микрон. Воздуходувка 118 дует горячие печные газы по линии 116 от печей 76 к мельнице 114 для сушки переработанного шлака во время его размола на мельнице 114. Печные газы выходят из мельницы 114 по линии 120 к рукавному фильтру 122 и затем по линии 124 через воздуходувку 125 к штабелю 126, где они выпускаются в атмосферу.
Размолотый переработанный шлак идет от мельницы 114 по линии 128 к бункеру для хранения 130, газы, отходящие от бункера 130, проходят через рукавный фильтр 132 и уходят в атмосферу.
Как указано выше, охлажденный на воздухе шлак подается из штабеля 105 на дробильный агрегат 59. В дробильном агрегате 59 материал, подаваемый через дозатор 16 на дробилку 20 из штабеля 12, чередуется с материалом, подаваемым через дозатор 16 на дробилку 20 из штабеля 105.
Материал из хранилища 12 измельчается для использования при осуществлении способа данного изобретения и проходит через штабель 58 в цех внутренней транспортировки сырья 75; материал из хранилища 105 после дробления складывается в штабели 38, 46, 50 и 54 для дальнейшей продажи на рынке заполнителей.
Заявитель разработал различные усовершенствования и улучшения базовой установки, проиллюстрированной чертежом. Так, заявитель выяснил, что выгодно заменить четыре индукционные печи 76 дуговой печью (не изображена), имеющей пару передвижных опрокидывающихся тиглей или гильз. Гильзы передвигаются к загрузочной станции (не изображена) и от нее, где они могут загружаться и в употреблении загружаются по линиям 77 из бункеров 60, 62 и 64; к плавильной станции (не изображена) и от нее, снабженной стандартным набором электродов, размещенных в электродной колонке, где твердая засыпка в гильзы может быть расплавлена и в употреблении плавится; к станции разгрузки (также не изображена) и от нее, где гильзы могут переворачиваться и в употреблении переворачиваются по отдельности для слива из них расплавленного металла и расплавленного шлака. На станции разгрузки гильзы располагаются так, чтобы выливать расплавленный металл на песочный подстилающий слой 85 для охлаждения металла на воздухе и возврата металла в твердую форму. На станция разгрузки гильзы располагаются так, чтобы выливать расплавленный шлак в гранулятор 82 или штабель 105 в бункере 83, исключая, в зависимости от обстоятельств, слив шлака 78, желоб 80 и слив металла 84.
Использование дуговой печи вместо индукционной печи 76 позволяет подавать в штабель 58 часть непереработанного шлака кислородного конвертера непосредственно из штабеля 12, шлак в котором не прошел ни через одну из дробилок 20, 24 или 34. Это позволяет заменить поточную линию 56 поточной линией (не изображена) от штабеля 12 к штабелю 58, при этом дробилка 34 в свою очередь снабжает по поточной линии (не изображена) грохот 30, и часть выгружаемого из дробилки 24 материала направляется прочь от грохота 30 к штабелю 58, удобным образом по поточной линии, ведущей от разгрузки дробилки и в поточную линию от штабеля 12 к штабелю 58. В этом случае заявитель установил, что удобно иметь разгрузочный бак известняка (не изображен), предусмотренный вместе с баками 60, 62 и 64 как часть цеха внутренней транспортировки сырья 74, установленный, чтобы снабжать по поточной линии 77 дуговую печь. Наконец, было установлено, что выгодно заменить электрофильтр 88 на агрегат с газовыми фильтрами (не изображен), включающими рукавные фильтры.
Осуществление разработанного и улучшенного способа в значительной степени в большинстве отношений аналогично основному способу, иллюстрированному чертежом, с определенными изменениями. Так, вместо снабжения по линии 56 от дробилки 34, штабель 58 снабжается непосредственно частично из штабеля 12 и частично от дробилки 24, остаток выгружаемого из дробилки 24 материала подается на грохот 30 вместе с выгружаемым материалом из дробилки 34. В сою очередь, материал, подаваемый по поточным линиям 77 из цеха внутренней транспортировки сырья 75 к топочному цеху 86, включают в дополнение к загружаемому из бункеров 60, 62 и 74 материалу также подачу извести из бункера извести.
Аналогично гильзам индукционных печей 76, гильзы дуговой печи загружаются из бункеров 60, 62 и 64 и бункера извести на станции загрузки, откуда гильзы перемещают к плавильной станции, где садки плавятся с помощью электродной колонки.
Затем гильзы перемещают к станция разгрузки, где они опрокидываются для выгрузки расплавленного шлака в гранулятор 82 и для выгрузки расплавленного металла на песочный подстилающий слой 85. Важно отметить, что вместо того, чтобы работать в более или менее постоянном режиме, как с индукционными печами 76, гильзы дуговой печи работают периодически и поочередно, так что когда в одной из гильз происходит плавление садки, другая опрокидывается для выгрузки распаленного загруженного материала и затем загружается следующей партией сырья и наоборот. Это приводит к экономии благодаря повышению коэффициента использования загрузочной станции, плавильной станции и разгрузочной станции (по сравнению с дуговой печью, имеющей одну гильзу) хотя использование дуговой печи позволяет подавать более крупный шлак из дробильного цеха 59 в топочный цех 86.
Заявитель установил, что размолотый переработанный шлак, полученный по способу данного изобретения, как описано со ссылками на чертеж, пригоден для использования в качестве добавок к цементу (или, до размола, в качестве наполнителя) для использования при изготовлении кирпича, товарного бетона, шлакового цемента или тому подобного. Характерной особенностью изобретения является то, что оно может превращать непереработанный шлак металлургической печи, который может рассматриваться как вредный для окружающей среды, в полезный компонент при производстве кирпича или в цементной промышленности. Хотя способ данного изобретения описан со ссылками на чертеж для переработки непереработанного шлака, получаемого при выплавке стали кислородно-конвертерным способом, он может использоваться по существу таким же образом для переработки непереработанного шлака, получаемого при производстве ферромарганца, как описывается ниже.
Так, в варианте исполнения данного изобретения, который использует непереработанный ферромарганцевый шлак вместо шлака производства стали кислородно-конвертерным способом, штабель 12 будет содержать охлажденный на воздухе ферромарганцевый шлак, который был подвергнут деметаллизации. В штабель 12 добавляется дополнительная линия подачи непереработанного шлака (не изображена), содержащая расплавленный ферромарганцевый шлак при температуре 1200-1400°С, дополнительный расплавленный ферромарганцевый шлак подается по поточной линии (не изображена) прямо в дуговую печь. Соотношение масс охлажденного на воздухе шлака и расплавленного шлака обычно составляет 40:60. Расплавленный шлак, естественно, можно исключить, но использование только охлажденного на воздухе шлака лишает до 35% экономии энергии, достигаемой использованием расплавленного шлака.
Охлажденный на воздухе непереработанный ферромарганцевый шлак в штабеле 12 содержит 15-27%, обычно около 23% MnO по массе. Непереработанный шлак из штабеля 12 может прямо подаваться в бункер 60; а расплавленный непереработанный ферромарганцевый шлак может прямо подаваться в дуговую печь (не изображена), которая заменяет индукционные печи 76. Соотношение масс твердого непереработанного шлака и расплавленного непереработанного шлака может быть выше 40:60, например 100% твердого (охлажденного на воздухе) шлака, но также может быть ниже 40:60, позволяя соотношению масс твердого и расплавленного шлака понижаться до 10:90.
Идеальной основностью или преобразованием MnO в Mn является 1,4:1-1,8:1 и этим можно управлять, при необходимости, добавляя в каждую партию соответствующее количество извести или другого источника кальция вместе с соответствующим количеством, если необходимо, кремния. Например, к 900 кг непереработанного ферромарганцевого шлака, имеющего соотношение масс CaO:SiO2 1:1, и содержащего 23% MnO по массе, можно добавить 65 кг кальция (например, в виде извести) вместе с непереработанным шлаком производства стали кислородно-конвертерным способом, имеющим соотношение масс CaO:SiO2 2,7:1-3:1, и содержащим 30-35% Fe2O3 по массе, чтобы получить основность (СаО+MgO):SiO2 около 1,5:1 по массе и соотношение масс CaO:SiO2 около 1,2:1. Кальций может подаваться из бункера 62. Непереработанный шлак производства стали кислородно-конверторным способом добавляется для увеличения доли железа в ферромарганцевом продукте экономически эффективным способом для получения ферромарганцевого сплава, содержащего 76-80% Mn по массе и 13-16% Fe по массе. Непереработанный шлак производства стали кислородно-конверторным способом может быть охлажденным на воздухе шлаком, подвергнутым деметаллизации, и подаваемым из бункера 64.
Когда переработанный шлак отделяется от ферромарганцевого продукта, с целью грануляции и измельчения для получения шлакового наполнителя или шлаковой добавки к цементу, соотношение масс CaO:SiO2 в нем, если возможно, должно быть в пределах 1:1-1:1,4 по массе. После восстановления MnO до Mn соотношение масс CaO:SiO2, однако, обычно выше 1:1,4, но может быть снижено добавлением в расплавленный переработанный шлак перед его грануляцией дополнительного количества SiO2, например, из соответствующего бункера (не изображен).
Углерод является предпочтительным восстановителем, и около 65 кг углерода (например, в виде угля) вместе с вышеназванными 100 кг неперерабонного шлака производства стали кислородно-конверторным способом может быть добавлено к 900 кг неперерабонного ферромарганцевого шлака, углерод восстанавливает MnO от 23% в неперерабонном ферромарганцевом шлаке до примерно 6% в переработанном ферромарганцевом шлаке по массе. Углерод (например, в виде угля) может быть добавлен из соответствующего бункера (не изображен) в дуговую печь, которая заменяет индукционные печи 76.
Проблема, с которой сталкивались в предыдущих попытках использовать металлургический шлак для целей использования продукта переработанного шлака по способу данного изобретения, была в том, что содержание в нем тяжелых металлов делает его вредным для окружающей среды и непривлекательным для использования в качестве наполнителя при изготовлении кирпича или при составлении товарных бетонных смесей, в качестве добавки при изготовлении цемента с добавками или в качестве заполнителя для использования в строительной промышленности. Эта проблема с загрязнением тяжелыми металлами существует даже для относительно приемлемых тяжелых металлов, таких как железо, но она причиняет особые неприятности, когда вовлечены тяжелые металлы, которые являются токсичными, такие как марганец. Особенностью данного изобретения является то, что, обеспечивая получение из непереработанного шлака с относительно высоким содержанием тяжелых металлов переработанного шлака с относительно низким содержанием тяжелых металлов, он способствует, иногда существенно, сокращению проблем, возникающих из-за использования шлаковых продуктов, содержащих тяжелые металлы, если не устраняет их полностью. Заявитель считает, что по способу, представленному в изобретении, можно получать добавки к цементу, которые соответствуют стандартам Европейского комитета по стандартизации (стандарты Европейского комитета по стандартизации №197). Более того, по способу данного изобретения могут быть получены тяжелые металлы или сплавы тяжелых металлов, такие как марганец или ферромарганец.
1. Способ переработки металлургического шлака, содержащего тяжелый металл, который является нежелательным, такого как марганецсодержащий и железосодержащий шлаки, включающий следующие стадии:
- смешивание непереработанного шлака, который включает смесь, по крайней мере, одного марганецсодержащего шлака и, по крайней мере, одного железосодержащего шлака, с восстановителем для получения реакционной смеси,
- нагрев реакционной смеси, чтобы вызвать восстановление соединений тяжелых металлов в непереработанном шлаке, для получения расплавленного ферромарганца и расплавленного переработанного шлака,
- отделение расплавленного ферромарганца от расплавленного переработанного шлака, и
- затвердевание переработанного шлака для дальнейшего его использования при производстве материалов, используемых в строительной промышленности.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что соединения тяжелых металлов включают соединения, выбранные из группы, состоящей из окислов тяжелых металлов силикатов тяжелых металлов и их смесей.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что непереработанный шлак и восстановитель находятся во время их смешивания в твердом состоянии.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что, по крайней мере, часть непереработанного шлака, которую смешивают с восстановителем для получения реакционной смеси, находится в расплавленном состоянии, в то время как восстановитель находится в твердом состоянии.
5. Способ по п.3 или 4, отличающийся тем, что включает стадию дробления, по крайней мере, одного из непереработанных шлаков и восстановителя в твердом состоянии для их измельчения перед смешиванием.
6. Способ по п.3, отличающийся тем, что непереработанный шлак подвергают дроблению для уменьшения его крупности, затем раздробленный непереработанный шлак перед смешиванием с восстановителем подвергают разделению по крупности для получения его фракции с желаемым размером частиц, которую смешивают с восстановителем для получения реакционной смеси.
7. Способ по п.1, отличающийся тем, что нагрев реакционной смеси осуществляют посредством печи, при этом способ включает в себя этап выгрузки расплавленного металла и расплавленного шлака из печи при температуре в пределах 1300-1650°С.
8. Способ по п.7, отличающийся тем, что выгрузку расплавленного металла и расплавленного шлака из печи производят при температуре в пределах 1350-1550°С.
9. Способ по п.7 или 8, отличающийся тем, что печь является дуговой печью, которая работает в периодическом режиме.
10. Способ по п.1, отличающийся тем, что затвердевание переработанного шлака производят, подвергая его охлаждению на воздухе при естественной конвекции, после чего затвердевший переработанный шлак подвергают дроблению для уменьшения его размерности.
11. Способ по п.1, отличающийся тем, что затвердевание переработанного шлака производят путем приведения его в контакт с водой, вызывая грануляцию переработанного шлака, для получения гранулированного переработанного шлака, являющегося вышеуказанным ценным продуктом.
12. Способ по п.11, отличающийся тем, что грануляцией переработанного шлака достигают остеклование шлака, при этом грануляцию осуществляют так, чтобы получить гранулы или частицы размером не более 10 мм и достичь содержания стекла в гранулированном шлаке, по меньшей мере, 50 мас.%.
13. Способ по п.11, отличающийся тем, что он включает этап обезвоживания гранулированного переработанного шлака.
14. Способ по любому из пп.11-13, отличающийся тем, что включает этап дробления гранулированного переработанного шлака для уменьшения его размерности.
15. Способ по п.1, отличающийся тем, что расплавленный ферромарганец, отделенный от расплавленного шлака, используют как ценный продукт.
16. Способ по п.15, отличающийся тем, что отделенный ферромарганец направляют в металлургическую печь для дальнейшей переработки.
17. Способ по п.16, отличающийся тем, что ферромарганец, отделенный от расплавленного шлака, подвергают затвердеванию перед направлением в металлургическую печь для дальнейшей переработки.
18. Способ по п.1, отличающийся тем, что к реакционной смеси непереработанного шлака с восстановителем примешивают кремнийсодержащий реагент.
19. Способ по п.1 или 18, отличающийся тем, что к реакционной смеси непереработанного шлака с восстановителем примешивают кальцийсодержащий реагент.
20. Способ по п.1, отличающийся тем, что состав реакционной смеси выбирают так, чтобы обеспечить получение ферромарганцевого продукта с содержанием марганца 70-90 мас.% и содержанием железа 5-20 мас.%.
21. Способ по п.20, отличающийся тем, что содержание марганца составляет 67-80 мас.%, содержание железа - 10-15 мас.%.
22. Способ по п.1, отличающийся тем, что железосодержащий шлак является шлаком, полученным при производстве стали кислородно-конвертерным способом.
23. Способ по п.22, отличающийся тем, что железосодержащий шлак содержит 20-45% железа по массе в виде Fe2O3.
24. Способ по п.1, отличающийся тем, что марганецсодержащий шлак является шлаком, полученным при производстве ферромарганца.
25. Способ по п.1, отличающийся тем, что марганецсодержащий шлак содержит 15-65% марганца по массе в виде MnO.
26. Способ по п.1, отличающийся тем, что реакционная смесь содержит кальций, магний и кремний, присутствующие соответственно в виде СаО, MgO и SiO2 в таких пропорциях, которые обеспечивают реакционную смесь с основностью, выраженной в виде соотношения масс (CaO+MgO):SiO2, в интервале 1,3:1-1,5:1.
27. Способ по п.26, отличающийся тем, что основность находится в интервале 1,4:1-1,7:1.
28. Способ по п.1, отличающийся тем, что в реакционной смеси используют восстановитель, достаточный для того, чтобы достичь в переработанном шлаке процентное содержание марганца в виде MnO не больше чем 10 мас.%.
29. Способ по п.28, отличающийся тем, что содержание марганца в виде MnO, достигнутое в переработанном шлаке, составляет не более 7 мас.%.
