Глава 7 Техногенные продукты металлургического

производства

7.1 Грануляция доменного шлака. Факторы, влияющие на его состав и свойства

Металлургические шлаки делятся на шлаки черной и цветной металлургии. Поставщиками шлаковых отходов в Кузбассе являются металлургические заводы: ЗСМК и НКМК (г. Новокузнецк), цинковый завод (г. Белово) (Приложение Б.3). Шлаки черной металлургии делятся на доменные и сталеплавильные (глава 2, рисунок 2.4).

Способ получения и грануляции доменных шлаков. В зависимости от способа охлаждения доменный шлак подразделяется: быстроохлажденный, гранулированный и медленно охлаждённый, с преобладанием кристаллической составляющей. Для гранулированных характерна пористая пемзовидная структура с перегородками между порами, выполненными прозрачным стеклом. Применяется три способа грануляции шлаков – мокрый, полусухой и сухой.

Водная грануляция доменного шлака (мокрый способ) получила наибольшее распространение (рисунок 7.1). Она основана на свойстве раскаленных шлаков растрескиваться под действием термических напряжений, а также разбрызгиваться за счет микровзрывов при соприкосновении расплава с водой с образованием гранул шлака. Однако гранулированный шлак, полученный мокрым способом, при сливе из ковша в заполненный водой бассейн содержит 25…30 % влаги, которая не только является балластом, но и при хранении и транспортировке в зимнее время затрудняет и удорожает погрузку и выгрузку, является причиной смерзания масс. Расход воды при такой грануляции составляет около 3 м³/т, и для сушки продукта перед помолом требуется дополнительная затрата тепла (топлива).

Полусухая грануляция прогрессивна, поскольку расход воды меньше (до 2 м³/т гранулята), влажность продукта ниже (7…15 %), а производительность больше (рисунок 7.2). Общими недостатками мокрых и полусухих способов грануляции являются несовершенство систем оборотного водоснабжения, загрязнение окружающей среды, получение гранулированного шлака повышенной влажности, потери физического тепла шлака.

Сухая грануляция шлака по схеме, предложенной Н.А. Семененко [41] (рисунок 7.3), происходит внутри большого бункера во встречном потоке вдуваемого снизу холодного воздуха. Гранулированный шлак подается из нижней части камеры-бункера. При начальной температуре шлака 1200…1300 ⁰С холодный воздух в процессе движения вверх нагревается до 800…900 ⁰С, а затем используется в котле-утилизаторе.

Факторы, влияющие на свойства шлаков. Быстрое охлаждение шлаков приводит к затруднению кристаллизации, и шлаки приобретают

1 – шлакоприемник; 2 – бассейн; 3 – ленточный скребовый транспортер; 4 – водяной бойлер; 5 – потребитель

Рисунок 7.1 – Схема мокрого

способа грануляции шлака

1 – шлакоприемник; 2 – летка; 3 – шлаковая ванна; 4 – вращающийся барабан; 5 – змеевик; 6 – электроноситель; 7 – шлакосниматель

Рисунок 7.2 – Схема полусухого способа грануляции шлака

1 – камера шлакогранулятора; 2 – барабан-сепаратор котла-утилизатора; 3 – пароперегреватель; 4 – водяной экономайзер; 5 – теплосиловая установка; 6 – конденсатор;

7 – насос

Рисунок 7.3 – Схема сухого способа грануляции шлака

преимущественно стекловидную (аморфную) структуру: образуются гранулы с размером до 0,5…1 см – пористые и хрупкие при основных горячих расплавах и более плотные при кислых расплавах с относительно небольшой температурой (1350…1270 С). Установлено, что активность металлургических отходов зависит от температуры расплава в момент грануляции, на которую влияет время выдержки в ковшах огненно-жидкого шлака до грануляции. Так, при относительно низких температурах расплава (1380…1420 С), получаются шлаки с пониженной активностью, гидравлическая активность которых резко возрастает при температурах расплава 1420…1480 С, достигая максимума в области температур начала образования кристаллической фазы. Снижение температуры шлакового расплава с 1538 до 1479 С также снижает активность шлака до 40 %. Грануляция при высоких температурах расплава (1600 С и выше), наоборот, способствует снижению активности сырья [41]. При такой структуре составляющие шлака находятся в неустойчивом неравновесном состоянии и активность их значительно выше, чем у закристаллизовавшихся шлаков.

Имея тот же химический состав, шлаковое стекло по химическим и физическим свойствам существенно отличается от закристаллизованных шлаков. При медленном охлаждении расплавов тепловая энергия расходуется на формирование отдельных кристаллов и сращивание их между собой. При резком охлаждении энергия тепла сохраняется в шлаковом стекле, которое состоит из смеси окислов различных элементов и незначительного количества зародышей кристаллов, хаотически разбросанных по всей массе. Наличие скрытой тепловой энергии при неупорядоченной структуре стекла придает резко охлажденным шлакам высокую химическую активность, т. е. стремление при благоприятных условиях завершить начатое формирование структуры. Эта скрытая энергия стекловидных шлаков, а также наличие самостоятельно твердеющего двухкальциевого силиката и сульфида кальция объясняет его вяжущие свойства. Молотый высококальциевый гранулированный (стекловидный) шлак при взаимодействии с водой способен самостоятельно твердеть, образуя прочный камень, подобно цементам. Процессы твердения могут протекать при 18…20 °С, но более интенсивно идут при повышенной температуре и в присутствии активизаторов — извести, гипса и т. п. Кислым же шлакам присущи лишь скрытые вяжущие свойства. Для повышения активности шлаков, применяемых для изготовления вяжущего, все огненно-жидкие шлаки подвергаются резкому охлаждению.