В черной металлургам Украины увеличивается доля перерабатываемого в сталеплавильном производстве металлолома, в котором постоянно увеличивается содержание цветных металлов. Это является одной из причин ограничения утилизации сталеплавильных пылей и шламов в агломерационном производстве, из-за чего они в большинстве случаев складируются в шламонакопителях, что серьёзно ухудшает экологическую обстановку, а дефицитные минеральные ресурсы используются нерационально. При этом организовываются техногенные месторождения цинксодержащих отходов. Общие ресурсы цинка на металлургических предприятиях Украины, а также в цинксодержащих шламах ПО "Химволокно", составляют около 75 тыс. т. Цинк находится в шламах в виде оксидов и других сложных соединений. Эти ресурсы ежегодно будут увеличиваться на 13 тыс. т. при полном освоении существующих мощностей сталеплавильных агрегатов.
Вредное влияние цинка на доменный процесс и на состояние печей было отмечено еще в конце XIX века. Уже тогда была отмечена циркуляция цинка в рабочем пространстве печей. В дальнейшем поведение цинка в доменном процессе в разные годы изучалось в СССР и за рубежом. Выводы по результатам многочисленных исследований, в основном, могут быть сформулированы в следующем виде :
- существует зона циркуляции цинка в рабочем пространстве доменных печей. Содержание цинка в этой зоне в десятки раз превышает его исходную концентрацию в шихтовых материалах;
- цинк может играть значительную роль в росте огнеупорной кладки, её разрушении и разрыве кожухов доменных печей;
- удаление цинка из доменной печи с чугуном и шлаком при нормальном её ходе невелико;
- основная масса цинка (до 90-95%) удаляется через колошник с газом;
- цинк образует настыли в различных участках шахты и газоходах; на образование и местоположение цинкитных настылей решающее влияние оказывают термодинамические условия. В работе доменных печей Украины, работавших на железорудном сырье чистом по вредным примесям и при разомкнутых схемах (сброс шламов в шламонакопители) проблемы цинка на протяжении десятилетий практически не существовало и доменщики не обращали на это внимания. В последние 20 - 30 лет эта проблема возникла и обострилась в черной металлургии в первую очередь из-за возврата в агломерационное производство доменных шламов (замыкание цикла) и из-за утилизации сталеплавильных шламов с повышенным содержанием цинка, так как начали больше перерабатывать оцинкованного металлолома.
Многочисленные исследования поведения цинка в доменном процессе показывают, в основном, последствия и механизм вредного воздействия на показатели доменного процесса. Основным предложением, касающимся снижения отрицательного влияния цинка, является вывод из аглошихты цинксодержащих шламов. Реализация таких предложений привела бы к продолжению сброса доменных шламов в шламонакопители и перерасходу природных железорудных материалов на производство агломерата, а также ухудшению экологической обстановки, которая в настоящее время выдвигается на первый план. Следует отметить также, что эти предложения не решают проблемы извлечения и использования дефицитного для Украины цинка.
Рисунок 1 – Динамика накопления цинка в доменной печи
Выполненные нами ранее расчеты динамики накопления цинка в доменных печах показали, что при полном использовании колошниковой пыли, доменных и сталеплавильных шламов с начальным общим удельным поступлением цинка 0,04 кг/т чугуна и коэффициентом рециркуляции 0,9 насыщение до предельно допустимого уровня (0,3 кг/т чугуна) будет через 4 месяца. В этой работе нами предложено периодически выводить цинк из замкнутой системы на один цикл (10 суток). При этом масса цинка, поступающего в доменную печь, достигнет начального уровня. Это указывает, что за один год работы доменной печи больше одного месяца шламы будут выводиться из цикла и сбрасываться в шламонакопитель.
Периодический вывод шламов из цикла в условиях доменных цехов, состоящих из нескольких печей, трудно осуществим из-за нарушений в работе вод-ношламового хозяйства. Кроме этого, периодические накопление и вывод цинка из доменной печи приведет к нестабильной её работе, так как зона когезии в доменной печи будет попеременно сдвигаться по высоте, из-за чего будут создаваться условия для образования настылей в печи. Такая технология не решает также главной проблемы - утилизации дефицитного цинка.
Схема циркуляции цветных металлов в сталеплавильных процессах аналогична схеме циркуляции в доменном производстве. Особенно это касается цинка. Отличием является только длительность цикла, которая зависит от технологической схемы подготовки пылевыноса и его ввод в сталеплавильный агрегат. Исследования, проведенные в промышленных условиях, подтвердили теоретические расчеты по поведению цинка и свинца в сталеплавильных агрегатах. В то же время практические данные по рециклингу свинца не всегда совпадают с теоретическими, имеются существенные отклонения по накоплению его в пылевыносе. Это можно объяснить вероятным скоплением свинца на подине мартеновской печи и выпуском его с продуктами плавки, где он переходит в газовый фон. В скоротечных конвертерном и электросталеплавильном процессах свинец, по-видимому, будет возгоняться и переходить в пылевынос аналогично цинку.
Исследованиями установлено, что цинк и его оксиды в доменных шламах сосредотачиваются в тонких частицах, улавливаемых на последних стадиях очистки доменного газа. При организации обесцинкования всего потока доменных шламов сложными методами гидрометаллургии, предлагаемыми ведомственными нормами технологического проектирования по утилизации железосодержащих отходов (Укргипромез 1986 г., ДТ-221439), усложняет и существенно удорожает процесс извлечения цинка.
Нами предлагается рациональная технология вывода и подготовки доменных шламов от каплеуловителей тонкой очистки колошникового газа в трубе Вентури и дроссельной группы, так как в этом потоке сосредотачивается 60-70 % цинка, находящегося в общем потоке доменных шламов и колошниковой пыли.
Поток доменных шламов полутонкой очистки газа в скруббере направляется на обезвоживание и утилизацию по общепринятой технологии при агломерации железорудных материалов. Выделенный поток цинксодержащих доменных шламов направляется на отдельную подготовку. При этом предлагается двухстадийное их сгущение с дальнейшим совместным обезвоживанием со сталеплавильными цинксодержащими шламами.
При постоянном выводе тонкой фракции доменных шламов предлагаемым способом существенно снизится удельное поступление цинка в доменную печь (рис. 1).
Например, при удельном приходе цинка 0,06кг/т чугуна и коэффициенте рециркуляции К=0,9 допустимый предел 0,3 кг/т чугуна будет достигнут через 2 месяца работы печи. В то же время при выводе тонкой фракции из каплеуловителей трубы Вентури и дроссельной группы предельное насыщение составит всего 0,08 кг/т чугуна.
При этом коэффициенты рециркуляции будут 0,3-0,5 т.е. в первом случае с тонкой фракцией шламов удаляется 70% цинка, а во втором 50%. При К = 0,5 предельное насыщение составит 0,11 кг/т чугуна, что в 3 раза ниже предельно-допустимого уровня.
Организация такой технологии существенно улучшит технологию доменной плавки при повышенном поступлении цинка с шихтовыми материалами доменной плавки.
Извлечение цинка в виде возгонов из цинксодержащих доменных и сталеплавильных шламов может быть осуществлено на специальных участках, например, с использованием ресурсо-энерго-сберегающей технологии обработки высушенных или с низким содержание влаги шламов жидкими сталеплавильными шлаками.
Таким образом, кроме улучшения доменного процесса предлагаемая ресурсо-энергосберегающая технология извлечения дефицитного цинка из отходов имеет важное для Украины народнохозяйственное значение. Затраты на извлечение цинка из шламов быстро окупятся, так как на мировом рынке 1 т товарного цинка стоит 1000-1250 $.