ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ШЛАКОВ В БРИКЕТИРОВАНИИ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО СЫРЬЯ

В.В.Ожогин, кандидат техн. наук, старший научный сотрудник, доцент (ПГТУ), А. Д. Бочек, зам. начальника техотдела, С. А. Коваль, начальник лаб. ЦЛМК, И. А. Лукьяненко, зам. начальника ЦЛМК (0А0 «ММК им. Ильича»)
Приазовский государственный технический университет (Мариуполь, Украина)


Источник: Металл и литьё Украины.-2007. - №1-2. – с.36-38.


Металлургические шлаки являются побочной продукцией, неизбежной при производстве чугуна, стали и ферросплавов. Обьемы образующихся шлаков весьма значительны. Выход шлаков зависит от качества сырья, вида и расхода топлива и флюсов, и в среднем составляет при производстве чугуна 480 кг/т, стали - 170 кг/т, ферросплавов - 800-1200 кг/т и более. Шлак обычно используют для производства чрезвычайно разнообразных строительных материалов, в т.ч. щебня и граншлака, шлакового кирпича и блоков, шлакопортландцемента, шлаколитих изделий и др. [1]. Доменный шлак обладает удовлетворительной прочностью п хорошеи брикетируемостью, позтому фигурные злементы мощения, вьщолненные из него с добавками цемента (шлакопортландцемента) обладают низкой истираемостью,высокой прочностью и долговечностью. Сталеплавильные шлаки содержат до 12% металла, который извлекают и направляют в оборот. Мелкая фракция материала при производстве агломерата служит в виде центров окомкования, улучшающих структуру окомкованной шихты и качество агломерата [2, 3]. Шлаки ферросплавного и сталеплавильного производства используют в доменном производстве, чем достигается зкономия железа, легирующих и флюсующих материалов. Высокоглиноземистые шлаки обычно используют для производства прочных и специальных быстротвердеющих и расширяющихся цементов, а также в качестве оборотного продукта. Этими способами может быть потреблено 70-80% шлаков текущего выхода. Остальные шлаки не находят применения и направляются в отвал. В настоящее время в связи с повышением интереса к брикетированию как зкологически чистому и менее затратному методу окускования отдельных видов первичного сырья и тонкоизмельченных металлургических отходов - шламов и пылей, может сказаться полезнымм использование отдельных видов шлаков в качестве зффективнмх компонентов брикетируемого сырья. Поэтому задачей данного исследования является выявление брикетирующих свойств шлаков и продуктов их обогащения и определение возможности их использования в брикетировании отходов. Металлургические шлаки по физическим свойствам и химическому составу чрезвычайно разнообразны. Их свойства зависят от качества исходного сырья, меняются от выпуска к выпуску и по ходу плавки. Для снижения колебания свойств по каждому виду шлаков из 8 выпусков отобрали обьединенную пробу массой 32 кг, химический состав которой представлен в табл. 1.



Таблица 1
Химический состав шлаков и связующих материалов
Химический состав шлаков и связующих материалов

Как следует из табл. 1, доменный шлак имеет химический состав, близкий к портландцементу, а синтетический шлак - близкий к глиноземистому, позтому зти шлаки могут иметь вяжущие свойства. Для определения вяжущих свойств указанных шлаков на дисковом истирателе диаметром 250 мм из них били изготовленн порошки крупностью менее 0,5 мм. В промышленном варианте такое измельчение может быть выполнено в шаровой или стержневой мельнице. Полученные порошки затворяли водой и прессовали на винтовом прессе в цилиндрические брикеты с плоскопараллельными основаниями диаметром 30 мм и высотой 18-20 мм. Удельное давление прессования 50 МПа. Количество воды взято таким, чтобы завершить реакции гидратации, обеспечить брикетам максимальную плотность и не допустить при брикетировании удаление части воды с растворенныи в ней упрочняющими веществами через зазоры пресс-форм. При зтих условиях влажность брикетов составляла 14-16%. Брикеты выдерживали на открытом воздухе при среднесуточной температуре +20 °С и влажности воздуха 85% в течение 7 сут. За зто время брикет набирает более 70% своей максимальной прочности. Брикеты испытывали на раздавливание и сбрасывание. Прочность брикетов на раздавливание Ер определяли на универсальной испытательной машине типа ЕU-40 (Германия). Ударную прочность Еу рассчитивали по выходу фракции +5 мм после многократного сбрасивания брикетов с высоти 2 м на стальную поверхность. Количество сбрасываний принято таким, чтобы соответствовать общей высоте падения брикетов в реальном процессе, которая составляет 40 м, или 20 сбрасиваний с высоты 2 м. Результаты испытаний представлены в табл. 2.



Таблица 2
Физико-механические характеристики брикетов, изготовленных из порошковых материалов
Физико-механические характеристики брикетов, изготовленных из порошковых материалов

Как следует из табл. 2, порошковый синтетический шлак в брикетированном виде обладает высокой прочностью на раздавливание и сбрасывание, близкой к прочности портландцементе и представленного глиноземистого цемента, позтому он может бить использован в качестве минерального связующего. Длительность выдержки такого материала может быть менее З сут, т.к. время «схватывания» алюмокальциевых соединений глиноземистых шлаков составляет несколько часов [4]. Пробное брикетирование сталеплавильных шламов с добавками 20% синтетического цемента показало, что рост ударной прочности и прочности на раздавливание таких брикетов составляет 75,6% и 19,2 МПа соответственно, что соответствует требованиям по прочности, предьявляемым к доменному сырью: ударная прочность - не менее 75%, прочность на раздавливание 17-25 МПа [5, 6]. Порошковий доменний шлак имеет недостаточную прочность: Еу = 9,1%, Ер =13,4 МПа. К тому же он включает большое количество серы (0,8-2,2%), что делает его непригодным для производства сталеплавильных брикетов. Конвертерные шлаки и шлаки мартеновских печей с продувкой ванны кислородом прочны, имеют высокую плотность и содержат большое количество закиси железа. Но, несмотря на высокое содержание извести и кремнезема, не дают прочных связок. Совокупность других свойств этих шлаков (содержание железа, извести, высокая плотность и прочность, приближающаяся к прочности окатышей) показывает, что такие шлаки могут быть использованы в качестве утяжелителей при брикетировании рыхлых и легких сталеплавильних шламов, а также в качестве материала, оптимизирующего фракционный состав шихты брикета. Известно, что сталеплавильний шлам имеет тонкий фракционный состав и высокие аутогезионные свойства, из-за чего нередко налипает на стенки оборудования, препятствуя его нормальной работе. Пресс-формы плохо заполняются, а брикет в вальцовых прессах может получаться непрочным из-за большой усадки материала, которая составляет 48-52%. Это может потребовать двухступенчатой схемы прессования, усложняющей процесс. Использование тяжелых конвертерных и мартеновских шлаков фракции -5 мм повышает сыпучесть шламов и заполняемость пресс-форм. Установлено, что при добавках шлака в количестве 15- 20% угол откоса смеси сталеплавильных шламов с добавками шлаковых гранул, снижается с 57° до 45°. Важной механической характеристикой брикетов является прочность на раздавливание. Особенность раздавливания брикетов состоит в том, что они содержат локальные неоднородности, обладающие различной упругостью и прочностью, на поверхности которых концентрируются усилия сдвига, разрушающие брикет [7]. Создание в брикете каркаса из более крупных и прочных частиц повышает прочность брикета. Однако количество таких частиц в брикете не должно быть чрезмерно большим, т.к. между ними образуются неплотности и пустоты, а также уменьшается количество основных компонентов, что приводит к потере прочности. Для определения оптимального количества таких добавок в железоуглеродистые брикеты, содержащие 64% концентрата, 20% сталеплавильного шлама, 16% антрацитового штыба и 7% жидкого стекла (сверх 100%), было выполнено исследование, результаты которого представлены на рисунке 1.


Зависимость прочности брикетов на раздавливание от добавок гранул фракции -5 мм: нижняя кривая - свежеизготовленные брикеты; верхняя кривая - брикеты, высушенные 0,5 ч при 250 °С.
Рисунок 1 – Зависимость прочности брикетов на раздавливание от добавок гранул фракции -5 мм:
нижняя кривая - свежеизготовленные брикеты; верхняя кривая - брикеты, высушенные 0,5 ч при 250 °С.

Установлено, что предельное количество таких добавок, повышающих прочность свежеизготовленных и высушенных брикетов вишеуказанного состава, находится на уровне 10- 15%. Как следует из табл. 1, скрап конвертерного шлака фракции менее 10 мм, образующийся при его обогащении, являются ценным сырьем, т.к. содержит значительное количество железа и легирующих. Однако его использование непосредственно в доменной печи не представляется возможньм, поскольку мелкие фракции ухудшают газодинамику и вьносятся из печи потоком газов. Использование данного материала в качестве аглодобавок также не зффективно, поскольку содержащееся в нем металлическое железо при агломерации окисляется, а затем, в доменной печи вновь подвергается восстановлению. Более целесообразньм является окускование зтих отходов брикетированием с последующим использованием непосредственно в доменной или сталеплавильной плавке. Пробное брикетирование отсева обогащенного шлака фракции -10 мм при тех же условиях, что и при прессовании цементных связующих, показьшает, что брикеты получаются недостаточно плотные, в них имеются полости и неплотности. Зто обьясняется наличием избыточного количества крупных фракций, создающих каркас. Отсев крупних гранул фракции 10-5 мм или их додрабливание, наряду с использованием 20% порошкового синтетического шлака, позволяет получить достаточно прочный брикет, пригодный по механической прочности к использованию не только в сталеплавильном, но и в доменном производстве (Еу = 75,4%, Ер = 32 МПа). Аналогичньй результат можно получить добавкой в шихту тонких фракций сталеплавильного шлама, что позволяет организовать дополнительное использование этого вида шлама. Опытом установлено, что в плотном и прочном брикете из конвертерного шлака между крупными, средними и мелкими фракциями должно устанавливаться соотношение, близкое к 25: ЗО : 45. Использование методики [8] позволяет рассчитать зто соотношение, не прибегая к трудоемким исследованиям.


Выводы
Некоторые виды металлургических шлаков вполне могут найти практическое применение в брикетировании в качестве связующих материалов, для придания шихте лучшей сыпучести, а брикетам - плотности и прочности. Обогащенньй по железу шлак может быть использован в качестве основного материала для брикетирования. Основними условиями такого использования должны быть высокие аутогенные свойства, прочность, а также умеренное содержание вредных примесей. Отработанный синтетический шлак, содержащий большое количество алюмокальциевых соединений, целесообразно использовать в качестве связующего или в брикетированном виде в качестве алюмофлюса. Дальнейшие исследования следует вести в направлении изучения брикетирующих свойств злектросталеплавильных и ферросплавных шлаков, которые могут придать брикетам лучшие свойства, в т.ч. прочность и плотность.

Литература

  1. Вторичные материальные ресурсы черной металлургии: Справочник. В 2-х т. Т.2: Шлаки, шламы, отходы обогащения железных и марганцевых руд, отходы коксохимической промышленности, железный купорос: Справочник / В.Г. Барышников, А.М. Горелов, Г.И. Папков и др. - М.: Зкономика, 1986. - 344 с.
  2. Савицкая Л.И. Использование железосодержащих отходов при окусковании руд: Обзорная информация. - М.: Ин-т «Черметинформация», 1984. - Вып. 5. - 27 с.
  3. Русанов Р.и. Совершенствование технологии агломерации с целью переработки обогащенного мартеновского шлака: Автореферат дисс. канд. техн. наук. - Мариулоль, 2004. - 18 с.
  4. Герасимов Е.П. Жаростойкие бетоны для електропечей / Е.П. Герасимов, В.М. Мартынов, В.С. Сасса. - М.: Энергия, 1969,- 144 с.
  5. Носков В.А. Подготовка брикетированием мелкофракционных отходов горно-металлургического и машиностроительного комплекса Украины к утилизации в металлургических агрегатах / В.А. Носков, Б.Н. Маймур, Н.М. Можаренко//Металлург. и горноруд. пром-сть. -2002.- № 1.- С. 119-122.
  6. Лурье Л.А. Брикетирование в черной и цветной металлургии. - М.: Металлургиздат, 1963.- 324 с.
  7. Ожогин В.В. Совершенствование ресурсосберегающей технологии получения и использования высокопрочных шламовых брикетов в аглодоменном производстве Автореф. дис. канд. техн. наук. - Мариулоль: ПГТУ, 2004. - 21 с.
  8. Томаш А.А. Расчет порозности полифракционного зернистого слоя. // Вісник Приазов. держ. техн. ун-ту: 36. наук. пр. Вип. 11. - Маріуполь, 2001. - с. 11-15.