Переработка и утилизация шлаков

Шлакопереработка и утилизация ме­таллургических шлаков получили в мире широкое распространение. На современных металлургических заво­дах не только утилизируются все обра­зующиеся шлаки, но и постепенно разрабатываются и старые шлаковые отвалы. В шлаковых отвалах на заво­дах нашей страны еще хранятся сотни миллионов тонн шлака, отвалы занимают значительные площади. Перера­ботка и использование шлаков (и уловленной плавильной пыли) в на­стоящее время представляют собой са­мостоятельную подотрасль металлур­гического производства.

25.13.1. Утилизация шлаков домен­ного производства. Составы доменных шлаков колеблются в достаточно ши­роких пределах. Можно принять сле­дующий состав шлаков, %: SiO₂ 35— 40; А1₂0₃ 8-17; СаО 40-46; MgO 2-10. Выход шлака в зависимости от состава шихты и других факторов колеблется от 300 до 600 кг/т чугуна.

Практикой доказана ценность до­менного шлака как сырья. В настоя­щее время на всех металлургических предприятиях организована перера­ботка шлаков в полезную продукцию: гранулированный шлак (граншлак), щебень, пемзу, минеральную вату, ли­тье, брусчатку и другие изделия, высо­коглиноземистый щебень.

Наибольшее распространение по­лучила переработка доменного шлака в гранулированный ', на производство которого расходуют около 50 % всей массы доменного шлака.

Из всех существующих способов грануляции в металлургии используют в основном три.

1. Мокрое гранулирование — на те­кущую струю расплавленного шлака подают струю воды, и обе струи пада­ют в бассейн с водой. В результате расплавленное вещество (в нашем случае шлак) разбрызгивается и эти брызги затвердевают в воде в виде мелких зерен или гранул.

2. Полусухое гранулирование — расплавленное вещество, смешанное со струей воды, подают на вращаю­щийся барабан с лопастями, с которых оно отбрасывается в виде капель. При падении в воздухе эти капли затверде­вают.

3. Сухое гранулирование — рас­плавленное вещество гранулируют под воздействием сжатого воздуха, азота или водяного пара.

Доменные граншлаки используют: для частичной замены природного песка в составе бетонов; как активную минеральную добавку при производстве шлакопортландцемента; как сы­рьевой компонент при производстве цементного клинкера; для производ­ства шлакоблоков (товары народного потребления) и др.

¹ От лат. granulum — зернышко.

Шлаковый щебень — второй по объему продукт переработки доменных шлаков. Щебень из доменного шлака является эффективным заполнителем для бетона; он улучшает некоторые технологические характеристики бе­тонной смеси. Используемый для стро­ительства и ремонта автомобильных дорог шлаковый щебень по своим свойствам не уступает щебням твердых пород, иногда он их превосходит.

Шлаковую пемзу используют для изготовления легких бетонов. Бетон на этом заполнителе характеризуется более высокой плотностью и меньшей теплопроводностью по сравнению с равнопрочным легким бетоном.

Одними из эффективных теплоизо­ляционных материалов являются ми­неральная вата и изделия на ее основе. Главным сырьевым компонентом ми-нераловатной промышленности явля­ются кислые доменные шлаки, бога­тые кремнеземом и глиноземом.

В доменных цехах во время выпус­ка с жидким шлаком увлекается неко­торое количество чугуна в виде ка­пель. Во время транспортировки шла-ковозного ковша капли чугуна оседа­ют на дно. В отдельных случаях в ковшовых остатках доменных шлаков содержание металла достигает 5-7 %.

Из жидких доменных шлаков полу­чают также различные литые шлако­вые материалы и изделия: дорожную брусчатку, базальтовые трубы и др.

25.13.2. Утилизация шлаков стале­плавильного производства. Этапы пере­работки и утилизации всей массы обра­зующихся в сталеплавильном производ­стве шлаков являются обязательным элементом безотходной технологии. Во-первых, многочисленные шлаковые отвалы и связанные с этим отчуждения земельных угодий, образование пыли, отрицательное воздействие на воздуш­ный и водный бассейны вредны и эко­логически недопустимы; во-вторых, утилизация отходов экономически вы­годна. Достаточно отметить, что толь­ко чистого металла со шлаками извле­кается более 1 млн. т в год.

Основными путями утилизации шлаков сталеплавильного производ­ства являются: 1) извлечение металла; 2) получение железофлюса для вагра­нок и аглодоменного производства; 3) получение щебня для дорожного и промышленного строительства; 4) ис­пользование основных шлаков в каче­стве известковых удобрений (шлако­вой муки) для сельского хозяйства; 5) использование фосфорсодержащих шлаков для получения удобрений для сельского хозяйства; 6) вторичное ис­пользование конечных сталеплавиль­ных шлаков.

Сталеплавильные шлаки условно (имея в виду их дальнейшее использо­вание) можно разбить на несколько подгрупп:

а) шлаки, образующиеся в началь­ный период плавки (этот период часто называют окислительным). Эти шлаки содержат большое количество оксидов железа (иногда до 40 % от общего ко­личества шлака). Железо в шлаке мо­жет быть в виде оксидов FeO и Fe₂O₃ и в виде запутавшихся в шлаке король­ков железа. Основность этих шлаков невелика; обычно они скачиваются из агрегата после завершения начального периода плавки и могут храниться и перерабатываться отдельно;

б) шлаки, сформировавшиеся в конце плавки (конечные шлаки). Обычно эти шлаки содержат несколь­ко меньшее количество железа и име­ют более высокое значение основнос­ти (CaO/SiO₂ = 2,5 — 3,5). При выплавке низкоуглеродистой стали содержание оксидов железа и в этих шлаках может быть достаточно высоким (15-20%), однако корольков железа в них значи­тельно меньше. В дуговых печах при проведении восстановительного пери­ода под белым или карбидным шла­ком содержание оксидов железа сни­жается до <1 %, содержание СаО воз­растает до 55—60 %. Конечные шлаки можно оставлять в агрегате для ис­пользования в следующей плавке или после выпуска вновь загружать в печь;

в) шлаки, попадающие в сталераз-ливочный ковш с выпускаемой сталью. Эти шлаки в жидком состоянии содер­жат незначительное количество желе­за. На практике часто определенное количество металла, оставшегося на днище и стенках ковша после оконча­ния разливки стали, попадает вместе со шлаком в шлаковые чаши (это так на­зываемые скрапины). Получаемый в результате конгломерат конечного шлака и скрапин металла подвергают тщательной разделке с целью макси­мального извлечения железа.

В среднем можно принять, что в сталеплавильных шлаках содержится (в пересчете на чистое) 20—25 % желе­за, в том числе 10—15 % металлическо­го железа. Находящееся в шлаке ме­таллическое железо затрудняет даль­нейшую переработку шлака; для его помола требуется мощное дробильное оборудование. При измельчении шла­ка до кусков размером 25-27 мм из него удается извлечь металл (почти 15 % от массы шлака, что экономичес­ки оправдывает все затраты на помол и извлечение).

В отдельных случаях использова­ние шлака сталеплавильного произ­водства еще более эффективно.

1. В тех случаях, когда шлаки со­держат достаточно высокие концент­рации оксидов железа и марганца, они используются в качестве флюсов для ваграночного и аглодоменного произ­водства.

2. В тех случаях, когда шлаки со­держат достаточно много фосфора, они с успехом заменяют суперфосфат и широко используются в сельском хозяйстве. Шлаки, содержащие много фосфора, настолько ценны, что сама технология передела высокофосфори­стых чугунов построена таким обра­зом, чтобы одновременно получить и чистую по фосфору сталь, и возможно более богатый фосфором шлак.

3. Выскоосновные шлаки исполь­зуются в сельском хозяйстве для изве­сткования почвы.

4. При переделе руд, содержащих ванадий, одним из элементов техноло­гии является кратковременная про­дувка чугуна в конвертере. Ванадий — элемент, обладающий высоким срод­ством к кислороду; он окисляется вме­сте с кремнием, титаном, марганцем в самом начале продувки. Такие чугуны перерабатываются, например, в кон­вертерных цехах Чусовского металлур­гического завода и Нижнетагильского металлургического комбината. Чтобы повысить количество ванадия в обра­зующемся шлаке, известь в начале операции не загружают. Таким обра­зом удается в начальный период про­дувки получить шлак, содержащий 16-18 % V₂O₅. Этот шлак скачивают и направляют на ферросплавные заводы для производства феррованадия или используют в чистом виде для прямого легирования стали (поскольку известь в конвертеры не загружается, ванадие­вый шлак содержит очень мало фос­фора и серы).

5. При переделе чугуна с повышен­ным содержанием марганца образуют­ся высокомарганцевые шлаки; они могут быть использованы как добавки, повышающие содержание марганца в стали.

6. Высокоосновные конечные шла­ки используются повторно. Так, на­пример, конечные шлаки конвертер­ного производства содержат, %: СаО 50-60, Si0₂ 13-15, FeO 10-26, MgO 4—10. Эти шлаки содержат также оп­ределенное количество извести, не ус­певшей за время плавки ошлаковать­ся. При вторичном использовании та­кого шлака расход извести снижается, улучшается шлакообразование, повы­шается степень дефосфорации метал­ла; высокоосновные маложелезистые конечные шлаки электроплавки ис­пользуются для внепечной обработки стали (во время ее выпуска) с целью десульфурации.

7. В больших масштабах сталепла­вильные шлаки используются в дорож­ном строительстве. Неприятным мо­ментом при этом бывают случаи реаги­рования с влагой воздуха оставшейся неошлакованной извести в шлаке. Свойства и плотность материала при этом меняются, и на дорожном покры­тии образуются трещины. Кроме того, распад основных шлаков обусловлен переходом во время охлаждения при 675 °С силиката (CaO)₂-SiO₂ из (3- в у-модификацию с увеличением объема. Распад протекает во времени '. Существуют стандарты для предварительной оценки устойчивости структуры шла­кового щебня против распада. Извест­ны также способы предотвратить это явление, например продувкой жидкого шлака кислородсодержащим газом. При подаче кислорода двухвалентное железо Fe⁺² шлака окисляется до трех­валентного Ре⁺³ и, взаимодействуя с СаО, образует феррит кальция, кото­рый не разлагается на воздухе. Исполь­зуется также прием обработки шлака паром в закрытых емкостях в течение 2—3 ч. Обработанный таким образом шлак может быть использован в строи­тельстве. В большинстве случаев ис­пользованию шлака в качестве строи­тельного материала предшествует его выдержка в отвалах. Затем шлак из­мельчают и направляют на магнитную сепарацию для извлечения металла. Щебень из сталеплавильных шлаков является полноценным заменителем гранитного щебня в бетонах и железо­бетонах.

¹ Чистый ортосиликат кальция (СаО)₂ • SiCb теоретически состоит из 65 % СаО и 35 % SiO₂. Однако состав реальных шлаков от­личается от состава двухкальциевого си­ликата и действительная температура рас­пада реальных шлаков значительно ниже 675 'С.

На ряде металлургических пред­приятий (Новолипецком металлурги­ческом комбинате, череповецком «Се­версталь», Таганрогском металлурги­ческом заводе и др.) создано и дей­ствует оборудование для практически 100%-ной переработки шлаков. При этом получают значительное количе­ство щебня, шлаковой муки, фосфат-шлака, извлекают значительное коли­чество металла. Однако пока еще в це­лом по стране проблема утилизации шлаков решена не полностью: многие конструктивные разработки находятся в стадии решения. Разрабатываются технологии получения из шлаков аб­разивных материалов; отрабатываются методы сухой и мокрой грануляции жидких сталеплавильных шлаков. Особенно перспективна организация сухой грануляции, при которой одно­временно можно решить две задачи: усиливая охрану водного бассейна, получать нагретый воздух. Следует от­метить расширение использования конвертерных шлаков при выплавке чугуна и в производстве агломерата. Применение шлака сопровождается заменой им в шихте части агломерата, сырого известняка и марганцевой руды; при этом удешевляется агломе­рационная шихта, увеличивается производительность агломашин и повы­шается прочность агломерата.

8. Существенную экономию ресур­сов получают при использовании жид­ких шлаков:

а) в электросталеплавильном про­изводстве — это практика работы на «болоте» (в результате возрастает про­изводительность, ускоряется шлако­образование, достигается экономия флюса, снижается расход электро­энергии);

б) в конвертерном производстве — при оставлении конечного шлака в печи улучшается тепловой баланс, ус­коряется шлакообразование, эконо­мится флюс, снижаются потери желе­за со шлаком;

в) в конвертерном производстве — благодаря «раздувке» шлака на поверх­ности футеровки после выпуска плав­ки возрастает стойкость футеровки, снижается расход огнеупоров.

9. Особо эффективна разработка шлаковых отвалов заводов, произво­дящих сталь легированных и высоко­легированных марок. Во многих слу­чаях для этого не требуется использо­вание особо сложного оборудования.

Приведем в качестве примера орга­низацию разработки шлаковых отва­лов на заводе «Днепроспецсталь». За­вод производил около 800 марок ста­лей разных композиций по химичес­кому составу. При этом содержание марганца в стали отдельных марок до­стигало 30 %, хрома — 28, никеля — 80, ванадия — 3, молибдена — 18, вольфрама— 19, кобальта— 10, меди — 3 %.

Все металлоотходы по степени ле-гированности и химическому составу можно разделить на внутризаводские группы. На «Днепроспецстали» их бо­лее чем 450, включая 70 групп легиро­ванного лома. Для использования скрапа на прямую выплавку серийных сталей и даже на выплавку так называ­емой шихтовой болванки требуется обязательная тщательная рассорти­ровка скрапа по химическому составу.

Практически извлечение скрапа ведется с помощью карьерных экска­ваторов, бульдозеров и автосамосва­лов.

Извлеченный скрап перевозят в копровый цех; его разделяют на магнитный и немагнитный. Кроме того, по габаритам (массе) скрап разделяют на негабаритный (более 10—15т), га­баритный (0,5-10,0 т) и мелкий (0,25-0,5т). Отдельно складируется скрап, в котором видны сплавленные скрапи-ны разных плавок, а также скрапины с большой долей (более 20 %) неотделя­емого шлака. От каждой габаритной и негабаритной скрапины отрезается проба на химико-спектральный конт­роль в стационарной лаборатории. По результатам контроля скрапине присваивается группа отходов по за­водской технологической инструк­ции, ее взвешивают. С полученными данными о химическом составе, при­своенной группе отходов и массе скрапина направляется на платфор­мах в сталеплавильный цех для ис­пользования при выплавке стали со­ответствующей марки.

Негабаритный скрап в копровом цехе разрезают с помощью газокисло­родных горелок или другого оборудо­вания.

Отгрузку немагнитного скрапа ве­дут в лотках для удобства загрузки в бадьи или непосредственно в оборот­ные печные бадьи, перевозимые на лафетах в цех.

Встречается также «слоеный» скрап и скрап с высоким содержанием шлака. Его переплавляют в дуговых печах на шихтовую болванку, которая служит в дальнейшем в качестве пер­воклассной шихты, имеющей гаранти­рованный химический состав, точную массу и высокую плотность. Мелкий магнитный скрап, для которого за­труднительно выполнить 100%-ный контроль химического состава, также используют для выплавки шихтовой болванки.