В последние годы все больший интерес металлургических предприятий привлекает способ брикетирования методом холодного прессования, в частности, для утилизации железосодержащих отходов. Он позволяет отказаться от обжиговых технологий, применяемых для обеспечения прочности агломерата и окатышей из вторичного сырья.

На кафедре технологии материалов Волгоградского государственного технического университета разработан брикетированный шихтывой материал – оксидоугольный брикет (ОУБ), получаемый из отходов металлургического производства: прокатной и термической окалины, пыли системы газоочистки и т. п. Процесс брикетирования позволяет контролировать технологические свойства конечного продукта при изготовлении.

Практика показывает, что в металлургии брикетирование мелкодисперсных материалов – наиболее универсальный способ переработки ценных железосодержащих отходов производства, малопригодных для непосредственного использования в процессе выплавки. Из-за низкой газопроницаемости неокускованное сырье не может служить в качестве готового вторичного продукта.

Известны способы производства брикетов с применением портландцемента как связующего компонента. Ряд металлургических предприятий России и стран СНГ используют такие брикеты, хотя они обладают невысокой восстановимостью. Кроме того, брикетирование с цементной связкой приводит к увеличению количества шлака, обусловленному высоким содержанием CaO и SiO₂.

В зависимости от состава и назначения брикеты подразделяют на следующие виды: брикет оксидоугольный самовосстанавливающийся (БОУС); брикет оксидоугольный офлюсованный (БОУФ); брикет оксидоугольный металлизованный (БОУМ).

ОУБ, разработанный Волгоградским государственным техническим университетом, изготавливают с применением многокомпонентного связующего вещества, которое предотвращает разрушение брикета на начальном этапе плавки и обладает свойствами, благоприятными для максимального восстановления железа из оксидов и науглероживания расплава.

Связующим компонентом служат жидкое стекло и смесь оксидов на силикатной основе. Жидкое стекло играет роль первичной связки, придающей брикетам после сушки прочность, достаточную для их хранения, транспортировки и завалки в печь. Вторичная связка — это система на силикатной основе SiO₂–B₂O₃–CaO–K₂O, которая сохраняет прочность брикета при температурах 1 300–1 450 °С, придавая ему вязкость, и препятствует преждевременному разрушению при плавке. Связующее также способствует максимизации действия углерода при восстановительном и науглероживающем процессах. Развитая реакционная поверхность компонентов ОУБ обеспечивает высокую скорость восстановления железа из оксидов.

В состав брикетированной шихты входят 70–75 мас.% железосодержащего вещества (окалина, пыль системы газоочистки и пр.) и твердофазный восстановитель в количестве, необходимом для полного восстановления железа и науглероживания расплава. В качестве восстановителя можно применять различные углеродсодержащие материалы, например отходы электродного производства, коксовую мелочь, бой графитовых блоков.

Исходное сырье (оксидсодержащие отходы) и восстановитель подсушивают до влажности ~7 % и размалывают до фракции 1,5–2,0 мм. Для сушки и помола целесообразно использовать барабанные сушила и шаровые мельницы. Материалы для приготовления смеси (окалину, углерод, связку, шлакообразующие материалы и др.) из промежуточных бункеров подают через дозаторы шнековыми транспортерами в лопастные смесители непрерывного действия. Туда же направляют жидкое стекло.

После перемешивания подготовленную смесь транспортером перемещают на формовку брикетов в прессовом оборудовании при давлении 10–15 МПа. Сырые брикеты транспортером подают в проходную сушильную печь, где сушат отходящими газами обжиговой печи или печей сушки материалов при температуре 250–300 °С в течение 3–4 ч. После сушки ОУБ служат компонентом шихты для выплавки стали и чугуна.

Разработанная технология реализована при производстве ОУБ, применяемых в опытных и промышленных плавках:

• в электродуговых и индукционных печах емкостью от 0,5 до 150 т на ОАО ВМЗ «Красный Октябрь», ОАО «Тракторная компания «ВгТЗ»;
• печах садкой емкостью 280 т на Таганрогском трубном заводе.

Применение брикетов позволяет создать и поддерживать в печи восстановительную атмосферу в течение всего периода плавления, что обеспечивает благоприятные условия протекания восстановительного периода плавки с получением восстановительного шлака с низким содержанием FeO.

Использование окалины различного происхождения увеличивает содержание железа в брикете, а также обусловливает появление в металле полезных примесей: Cu, Ni, Cr, Mn и др.

Шламы газоочисток содержат меньшее количество железа, поэтому их целесообразно утилизировать вместе с окалиной.

В процессе выплавки стали при применении ОУБ наблюдали увеличение содержания диоксида серы и фтороводорода в атмосфере газовой печи. В период плавления их количество составляло в среднем 15–25 %. Также зафиксирован рост выбросов азота (около 83 %). Процессы восстановления в самом брикете ведут к образованию повышенного количества монооксида углерода, который выступает в качестве основного восстановителя оксидов железа в ОУБ. Полное сгорание выделяющегося СО обеспечила установка газокислородных горелок. Их применение положительно влияет на технико-экономические показатели плавки, интенсифицирует процесс и решает проблему утилизации CO.

За счет создания восстановительной атмосферы в печи выбросы тяжелых металлов (Ni, Cr, Fe, Mn, V и др.) в период плавления снижаются. Их исследования проводили при применении ОУБ в печи ДСП-25.

При использовании брикетов выбросы тяжелых металлов в период плавления уменьшились в среднем на 29 %. Выбросы Mn снизились на 9,0 %, Ni — на 24,9 %, Fe — на 28,9 %, V — на 49,7 %, Cr — на 100 %. Выбросы Cu увеличились на 12,7 %.

При серийных плавках и плавках с брикетами выбросы оксидов железа в период плавления (около 15 мин) были одинаковы. Примерно к 30-й минуте объем выбросов достигал максимальной величины, на 35-й минуте он составили 500 мг/с. Отсутствие пиковых объемов выбросов железа в плавках с брикетами обусловлено интенсификацией реакций восстановления в ОУБ, что образует восстановительную атмосферу в газовом пространстве печи.

Результаты опытных плавок с применением ОУБ показали, что общие газовые выбросы в атмосферу снижаются в 2 раза. Кроме того, наблюдалось уменьшение угара и выбросов тяжелых металлов в атмосферу, что также было следствием наличия восстановительной атмосферы в печи и раннего появление жидкого металла и шлака. Последнее положительно сказалось на образовании и горении электрической дуги и обеспечило ее стабилизацию.

Применение ОУБ позволило снизить угар металлошихты на 30 %. По сравнению с обычными плавками общее количество металлошихты уменьшилось в среднем на 5,0 %, а период плавления для электродуговых печей сократился на 15–30 мин. За счет сокращения длительности плавки и увеличения выхода годного металла производительность электродуговой печи увеличилась в среднем до 10 %.

Выводы

• Технология производства ОУБ может быть реализована на металлургических производствах любого масштаба.
• Применение предлагаемой технологии производства ОУБ позволяет утилизировать практически любые виды железосодержащих отходов и углеродсодержащих материалов.
• Использование в составе шихты ОУБ, которые содержат минимальное количество вредных примесей, повышает качество выплавляемого металла.