3 Отходы черной металлургии
Ежегодно образуется почти 70 млн.т. металлургических шлаков, значительная часть которых поступает в отвалы. Утилизация этих отходов осуществляется неравномерно.
Кроме того, различные виды металлургического производства: агломерационное, доменное, сталеплавильное, горячего проката, а также травления металлов дают большие массы разнообразных по составу шламов и пылей, которые используются лишь частично. Общее накопление шламов с содержанием железа около 50 % на заводах чёрной металлургии составляет примерно 20 млн.т в год. Утилизация и возвращение в производство этих отходов могла бы заменить около 10 % добываемой железной руды. В целом по металлургическому производству для производства 1 т стали, отходы составляют примерно 0,4 т.
Из общей массы металлургических шлаков наибольший удельный вес приходится на доменные шлаки.
Характеристика шлаков. Металлургические шлаки представляют собой силикатные системы с различным содержанием железа. Химический состав и физические свойства шлаков весьма разнообразны. Доменные шлаки по химическому составу подразделяют на основные (в которых преобладают CaO и MgO), кислые (с повышенным содержанием SiO2 и Al2O3) и нейтральные с равным содержанием таких оксидов. Отношение содержания CaO и MgO к содержанию SiO2 и Al2O3 называют степенью или модулем основности шлака, а обратное отношение SiO2 + Al2O3 к CaO + MgO – степенью или модулем кислотности.
Важнейшими физическими характеристиками шлаковых расплавов является вязкость, поверхностное натяжение, теплоёмкость и др. По этим свойствам расплавов можно определить рациональные пути их переработки. Например, короткоплавкие шлаки отличаются повышенным содержанием CaO и пониженной текучестью. При выливании расплава они быстро загустевают и делаются неподвижными, а при их расплавлении требуется повышенный расход топлива. Некоторые виды шлаков характеризуются низкой устойчивостью и при охлаждении разрушаются, превращаясь в порошок. Такое поведение шлаков может объясняться их силикатным распадом: двухкальциевый силикат шлаков (2CaO ∙ SiO2) из неустойчивой формы при 675 °С переходит в стабильное состояние, что сопровождается увеличением его объёма, возникают внутренние напряжения растяжения, приводящие к разрушению, образуется порошок.
Металлургические шлаки представляют собой ценное сырьё для производства ряда строительных материалов и изделий, являющихся более дешёвыми и прочными, чем полученные из природного сырья. В настоящее время практически на всех металлургических предприятиях организованы цехи или отделения по переработке шлаков.
Переработка доменных шлаков возможна несколькими способами. Основным является гранулирование, осуществляемое путём полусухой (на гидрожелобных, барабанных, гидроударных и других установках) обработки. Схема одной из установок полусухой грануляции шлака на барабанах представлена на рисунке 27.
1 – приемный лоток; 2 – промежуточная ванна; 3 – сливной желоб; 4 - барабан-гранулятор; 5 – скреперный ковш; 6 - бункер; 7 - транспортер; 8 - скреперная лебедка
Рисунок 27 – Принципиальная схема процесса полусухой грануляции шлаковых расплавов на барабанах
Сливаемый из доставляемого к установке по рельсам опрокидываемого ковша шлаковый расплав поступает на приёмный лоток 1 и попадает через промежуточную ванну 2 с ловушками для чугуна на сливной желоб 3, откуда падает на гранулятор 4, вращающийся со скоростью 250 – 300 об/мин, полый барабан, снабжённый внешними лопастями. Гранулирование расплава осуществляется за счёт поступающей в сливной желоб воды, частично охлаждающей и вспучивающей шлак. Окончательное затвердение гранул шлака происходит в воздухе при их отбрасывании лопастями барабана на складскую площадку. Регулируя подачу воды, можно получать гранулят с невысокой (3-5 %) влажностью. Удаление гранулированного шлака со складской площадки производят различными механизмами, в том числе с использованием скреперного ковша и лебедки, двигающей ковш по транспортеру к бункеру 6, откуда гранулированный шлак подается на транспортер 7 и потребителю.
Шлаковая пемза и вата. Одним из наиболее важных и ценных строительных материалов получаемых из доменных шлаков, является шлаковая пемза. Этот продукт используется в качестве лёгкого заполнителя бетонов. Себестоимость его в 2-3 раза ниже, чем керамзита. Для производства шлаковой пемзы в промышленности используется большое число различных установок, основанных на ряде способов обработки шлаков: траншейно-брызгальном, центробежном, каскадном, водо-воздушном, бассейновом, гидроэкранном. Получаемая на них шлаковая пемза характеризуется высокой пористостью и объёмной массой.
Более сложным в техническом отношении способом переработки металлургических шлаков является изготовление на их основе шлаковой ваты. По сравнению с её производством из горных пород обеспечивается значительное снижение трудоёмкости и себестоимости получения минеральной ваты с одновременным повышением производительности труда. На рисунке 28 представлена одна из схем производства минераловатных изделий из жидких шлаковых расплавов.
Шлаковый расплав подаётся к установке в шлаковозных ковшах 1 и через сливной желоб 2 при опрокидывании ковша заливается в ванную печь 3. Для увеличения модуля кислотности расплава в печь добавляют бой стекла. Разогретый в печи до 1350-1400 °С расплав из печи-питателя 4 через летку 5 подаётся на ротор центрифуги 6 и под действием центробежных сил превращается в волокна. Для превращения жидкого шлака в волокна применяют также дутьевой (обработка потоком пара, воздуха или дымовыми газами) и комбинированный (центробежный и дутьевой) способы. Внутрь центрифуги подают связующий материал (например, водные растворы фенолформальдегидных смол). Образующиеся волокна, пропитанные связующим, осаждаются на движущейся сетке в камере волокнообразования 7 и в виде минераловатного ковра передаются в камеру полимеризации 8, где при повышенной температуре связующее переходит в твёрдое неплавкое состояние, обеспечивая достаточно прочную связь отдельных волокон между собой. После охлаждения минераловатный блок разрезается на мерные длины и в виде готовой продукции упаковывается в водонепроницаемую бумагу.
1 – шлаковозный ковш; 2 – сливной желоб; 3 – ванная печь; 4 – печь-питатель; 5 - летка; 6 - центрифуга; 7 – камера волокнообразования; 8 - камера полимеризации
Рисунок 28 – Принципиальная схема производства шлаковатных изделий из шлаковых расплавов
Производство шлакоситаллов. Металлургические шлаки являются хорошим сырьём для получения высокоэффективных строительных материалов – шлакоситалловых изделий. Для варки шлакоситаллов шлаки должны быть измельчены до размеров частиц менее 1 мм и вместе с другими компонентами (песок, добавки) подвергнуты разогреву до температур около 1500 °С. Наиболее целесообразным является использование шлаковых расплавов, несмотря на то, что осложнен процесс смешивания с добавками. Для варки шлакоситаллов отношение холодных сыпучих добавок и шлака по массе должно составлять примерно 40 : 60, а объём добавок больше объёма шлака. Ввиду того, что при охлаждении до 1300-1350 °С шлак кристаллизуется, смесь ингредиентов необходимо поддерживать при 1450- 1500 °С при интенсивном перемешивании. Для предварительной варки шлакоситаллов используют конвертор (рисунок 29).
1 – наружная стенка; 2 – охлаждаемая перегородка; 3 – отделение для варки стекла; 4 – загрузчик шихты; 5 - бункер; 6 - боров; 7 – летка для подачи шлака; 8 – сливное приспособление; 9 – отделение для выдачи стекломассы; 10 – горелки для обогрева конвертора
Рисунок 29 – Принципиальная схема устройства конвертора для предварительной варки шлакоситаллов
Дозированная и перемешанная шихта на основе песка и добавок загрузчиком 4 непрерывно подаётся из бункера 5 в конвертор, куда через ленту 7 поступает шлаковый расплав. Разогретая жидкая стекломасса отводится из конвертора через боров 6. Газы поступают в вытяжную трубу и далее в атмосферу. Пламя горелок 10 находится в расплаве, что обеспечивает наиболее эффективное использование тепла, интенсивное перемешивание расплава и возможность регулирования окислительно-восстановительных процессов внутри стекломассы. Интенсивное перемешивание массы способствует ускорению процесса и получению однородного расплава.
Далее варку шлакоситаллов проводят в регенеративных печах ванного типа, где при высокой температуре (>1500 °С) интенсивно происходят процессы осветления расплава и его дополнительного усреднения вследствие выделения газовых пузырьков. При этом снижается расход топлива и резко повышается производительность печи, так как отсутствуют затраты на плавление сырьевых материалов. Специфическими условиями процесса являются необходимость поддержания восстановительной среды в печи в начале процесса варки и слабоокислительной – в конце, что достигается изменением соотношения воздуха и газа в горелках печи.
Для производства шлакоситаллов используют составы, в результате кристаллизации расплавов которых образуется минерал или твёрдый раствор нескольких минералов при минимальном содержании стекловидной фазы. Катализаторами кристаллизаций являются сульфиды, присутствующие в перерабатываемых шлаках или образующиеся при видении в шихту специальных добавок.
Расплав из ванной печи подаётся питателями в прокатные станы поточных механизированных линий, откуда лента ситалла направляется в кристаллизаторы, где электрическим или газовым обогревом поддерживается температура, соответствующая заданным режимам кристаллизации. После этого полотно шлакоситалла охлаждается, разрезается на куски требуемых размеров, надламывается и в виде разделённых фрагментов передаётся на обработку кромок и сортировку.