Извлечение металла из шлаковых отвалов
Водяный В.А.
Металлургиздат, 1954 г.
ОТВАЛЫ ДОМЕННЫХ ШЛАКОВ
В результате доменной плавки получаются: основной продукт— чугун и побочный продукт — шлак и доменный газ.
Чугун идет для дальнейшего передела на сталь в мартеновские, электросталеплавильные, бессемеровские и томасовские цехи, а также для отливок.
Газ используется как в самом доменном цехе для нагрева воздухонагревателей, так и в качестве топлива в тепловых агрегатах (котельных, нагревательных и других печах).
При выплавке чугуна в доменных печах в зависимости от качества руд и сорта выплавляемого чугуна в среднем образуется около 0,6 т шлака на тонну выплавленного металла.
В зависимости от наличия в составе шлака тех или иных окислов шлаки принимают ту или иную окраску.
Небольшие примеси закиси железа и марганца в кислом шлаке придают ему желтый и зеленый оттенки. Шлаки расстроенного хода печи с большим содержанием окислов железа становятся более темным» и даже черными. Шлаки с повышенным содержанием закиси марганца имеют голубоватые и зеленоватые цвета различных оттенков.
Один литр доменного шлака в жидком виде весит от 1,8 до 2,2 кг, один литр шлака при «стылом» ходе печи—темного и черного цвета — вследствие большого содержания окислов железа весит до 3,5 кг.
Нормальные доменные шлаки при выплавке различных видов чугуна имеют состав, приведенный в табл. 1.
В жидком состоянии в шлаках эти составные компоненты находятся частью в связанном и частью в свободном состоянии в зависимости от температуры и количества тех или других окислов.
При остывании в массе нормальные доменные шлаки образуют стеклообразную твердую монолитную породу, сравнительно хрупкую при быстром охлаждении и, наоборот, более прочную при замедленном остываний.
За последнее время из нормальных доменных шлаков на многих заводах организовано производство брусчатки для мощения шоссейных дорог.
Сильно основные шлаки с большим содержанием извести, остывая, рассыпаются в порошок. Эти шлаки, будучи просеяны через сито с мелкими отверстиями, применяются как добавочный материал, обладающий хорошими связующими свойствами, вместе с цементом и известью для строительных растворов.
На многих заводах доменные шлаки гранулируют, т. е. в жидком виде подвергают воздействию воды. Благодаря образованию при этом пара шлак разрывается на мелкие частицы в виде стекловидных зерен, образуя песковидный материал.
Доменные шлаки в значительной мере можно использовать при соответствующей обработке их для строительных работ и в качестве сырья для производства цемента, шлакового кирпича, шлаковой ваты, для изготовления растворов шлакобетонов и пр. Несмотря на это, основная масса доменных шлаков вывозится в жидком виде на шлаковые отвалы.
В отвалах доменных шлаков металлический лом встречается в виде скрапа от чистки желобов, пришедших в негодность металлических изделий и чугунных скардовин, образующихся в желобах, ковшах и во время неполадок при разливках чугуна.
ОТВАЛЫ МАРТЕНОВСКИХ ШЛАКОВ
Сущность мартеновского процесса заключается в расплавлении металлошихты и удалении из жидкого металла примесей (углерода, марганца, кремния, фосфора; серы и др.) до пределов, определяемых маркой выплавляемой стали.
В сталеплавильные печи задают чугун, стальной (и чугунный) лом, стружку, руду, флюсы (известняк) и раскислители, к которым относят ферромарганец, ферросилиций, зеркальный чугун и др. Благодаря применению соответствующих материалов и соблюдению технологии каждая плавка, получаемая в сталеплавильных агрегатах, должна соответствовать химическому составу и качеству в зависимости от требований заказа.
Шлак в мартеновской ванне для свободного выделения газов при кипении ванны, а также нормального протекания технологического процесса плавки должен соответствовать требованиям инструкции и обладать определенными свойствами.
На формирование мартеновского шлака оказывают влияние окислы компонентов металлической шихты, флюсы и руда, материалы подины « кладки печи, загрязнения металлической шихты (земля, песок) и пр.
Придание шлаку необходимых свойств достигается введением как в завалку, так и по ходу плавки флюсов — известняка, боксита, плавикового шпата, а также железной и марганцевой руды или окалины.
Преобладание в составе сталеплавильных шлаков окислов кремнезема, фосфора, титана, ванадия, железа, хрома делает его кислым, а кальция, магния, закиси железа, марганца — основным.
Кроме того, на образование сталеплавильных шлаков оказывает влияние ряд амфотерных окислов, т. е. окислов, меняющих свои химические свойства в зависимости от условий среды, в которой они находятся. К таким окислам относятся Аl2О3 и в некоторых случаях Mg.
Процесс шлакообразования, по существу, есть процесс нейтрализации в расплаве кислотных окислов основными окислами с образованием соответствующих солей. Число соединений шлако-образующих компонентов в передельных шлаках велико и зависит от физических и химических условий процесса плавки.
Типичные сталеплавильные шлаки имеют состав, приведенный в табл. 2.
В жидких сталеплавильных шлаках окислы и их составляющие находятся главным образом в связанном состоянии, хотя некоторая часть их может быть и в свободном виде, в зависимости от физико-химических условий.
Переход шлаков из жидкого состояния в твердое сопровождается рядом изменений как физических, так и химических. Существующая связь отдельных составляющих шлаков в расплавленном состоянии при этом меняется с образованием новых соединений и многочисленных минералогических систем в зависимости от характера сталеплавильного процесса.
Нормальные основные мартеновские шлаки, затвердевая, как правило, образуют монолитную массу плотного или ноздреватого строения от темно-серого до черного цвета.
В случае содержания большого количества извести, что бывает при специальных мартеновских плавках и при электроплавках, основные шлаки делаются более светлыми, а иногда белыми. Такие шлаки под воздействием атмосферной влаги более или менее разлагаются, превращаясь иногда в порошок.
Шлаки томасовского передела, как сильно основные, неустойчивы. Эти шлаки, как ценное сельскохозяйственное удобрение, отправляют на переработку.
Кислые мартеновские шлаки при остывании превращаются в плотную стеклообразную массу серого или зеленоватого цвета, прочную и устойчивую, но в значительной мере хрупкую.
Бессемеровские шлаки в твердом состоянии имеют такие же физические свойства, как и кислые мартеновские шлаки с той лишь разницей, что окраска их несколько темнее.
Из перечисленных сталеплавильных шлаков в заводских отвалах в основном встречаются шлаки основного мартеновского передела, поскольку он собственно является превалирующим в производстве стали на металлургических предприятиях.
На заводах, имеющих доменное производство, основные мартеновские шлаки, содержащие значительное количество мелких металлических корольков, химически связанное железо и марганец, а также окись кальция, с успехом используются в доменной плавке в качестве флюса взамен известняка. За счет этого в доменном цехе может быть достигнута экономия марганцевой руды и известняка, а также получено дополнительное .количество железа н марганца в шихте. Надо, однако, отметить, что, к сожалению, не все заводы используют эти возможности.
Отвалы мартеновских шлаков являются наиболее богатым источником добычи металлических отходов. В мартеновские шлаки попадают и с ними вывозятся в отвалы из сталеплавильных цехов остатки металла, получаемые при очистке ванн печей после выпуска плавок и подготовки печи к следующим плавкам, а также остатки металла после разливки плавок, сливаемые со шлаком в коробки, шлаковые ковши и ямы. Немало металла попадает и в скачиваемые первичные шлаки в начале процесса плавок. Мартеновских шлаков получается от 10 до 15 % от выплавляемой стали. Шлаки с содержанием большого количества окислов кальция, как указывалось выше, находясь длительное время в отвалах, под влиявшем атмосферной влаги рассыпаются. Обычные же нормальные мартеновские шлаки долго сохраняются в виде глыб и прочных кусков, тем более, что в них в большинстве случаев всегда имеются прослойки металла.
ОТВАЛЫ КОТЕЛЬНЫХ ШЛАКОВ
На всех металлургических заводах обычно имеются крупные энергетические хозяйства с значительным количеством котельных установок, отапливаемых, как правило, энергетическими углями. Кроме того, каменным углем нередко отапливают на многих заводах прокатные нагревательные печи, а также газифицируют его для получения генераторного газа. В результате этого на металлургических заводах ежесуточно получается большое количество зольных отходов.
В настоящее время на ряде заводов некоторое количество котельных шлаков используется для производства строительных шлакоблочных камней, в качестве материала для шлакоцементных стеновых материалов и для других разнообразных строительных работ. Однако значительная часть заводских зальных шлаков все же вывозится за черту завода в специально подобранные низко расположенные участки, где и сваливается в специальные отвалы котельных и зольных шлаков. Такие отвалы состоят в основном из рыхлых мелках материалов.
Однако на большинстве заводов предпочитают зольные отходы вывозить в имеющиеся доменные или мартеновские отвалы, не отводя для ник специальных мест. Металлический лом в зольных отходах тоже встречается, хотя и в небольших количествах.
СМЕШАННЫЕ ОТВАЛЫ
Смешанные отвалы образуются в том случае, когда отходы всех производств вывозятся в одно место.
Сливание жидких доменных шлаков на шлаки и отходы других цехов превращает всю массу в монолит. Для его рыхления приходится применять взрывчатые вещества. При разработке смешанных отвалов, на которые вывозится также мусор из цехов завода, часто приходится разрабатывать участки отвалов, в которых почти не содержится металла, или разрабатывать скалистую монолитную массу, трудно поддающуюся разработке. В смешанных отвалах иногда попадается мартеновский шлак с большим содержанием металла в виде остатков его в коробках со шлаком или в виде чистого скрапа, а также другие крупные металлические отходы, попавшие с мусором.
МУСОРНЫЕ ОТВАЛЫ
В металлургическом производстве в доменных, мартеновских, прокатных цехах мусор всегда смешивается с металлом. Мусором в металлургических цехах являются отходы огнеупоров в виде боя кирпича и сифонных изделий, обломков шлака, остатков растворов и прочих поделочных материалов. В мусор иногда попадают после ремонтов агрегатов старые детали — шестерни, болты, смятые листы, сутунки, мелкие скардовины , литники, куски металла и пр. — все это собирают в мусорные коробки и высыпают в вагоны, которые затем разгружают в отвалы.
Мусорные отвалы часто имеют значительную высоту и занимают большие площади.
СОДЕРЖАНИЕ МАТАЛЛА В ОТВАЛАХ
По содержанию металла в отвалах наиболее богатыми являются, как правило, шлаковые отвалы мартеновского производства, содержание лома в которых доходит до 150—250 кг на 1 ж3 шлака.
На втором месте по наличию металлоотходов стоят смешанные отвалы, в которых в 1 м3 содержится от 100 до 200 кг лома. В мусорных и доменных отвалах имеется меньше всего металла — от 5 до 25 кг на I м3 шлаков. В отвалах котельного шлака почти не содержится лома.
Металлоотходы в мартеновские и смешанные отвалы попадают различными путями.
На некоторых заводах, как указывалось выше, мартеновские шлаки сливают прямо в ямы у печей. Для того, чтобы после остывания шлака легче было убрать из этих ям шлаковые «козлы» (застывший шлак), предварительно до выпуска плавок и до сливания шлака в приготовленные ямы устанавливают металлические центровые литники от старых плавок, полученные после разборки канавы. В этих случаях установленные литники (их ставят по 2—3 штуки) вместе со шлаковыми козлами отвозят на свалку — отвал мартеновских шлаков. В шлаковые «козлы», кроме того, зачастую попадает лишний металл из ковшей и выплески из печей при заправках подин, доходящие повесу иногда до нескольких тонн.
На других заводах, где шлаки в мартеновских цехах убирают в шлаковни, ковши, туда при сливе попадают также остатки металла после разливки или выпуска плавки. Затвердевшие глыбы шлака в таких случаях получаются в виде шлакового пирога с прослойками металла.
Во время аварий в мартеновских цехах металл иногда разливают в коробки, аварийные ямы, иногда он прямо попадает в канаву, заливая приготовленные изложницы, образуя металлические «козлы» большого веса. Такой аварийный скардовин трудно разделывать в цехе, тем более его нужно убрать в очень короткий срок для того, чтобы освободить место для следующей плавки, в связи с чем эти «козлы» быстро вывозят из цеха.
В прошлом, когда сжатый кислород на заводах был в незначительных количествах и взрывные работы для разделки лома не применялись, такие козлы вывозили на шлаковые отвалы или в специально выкопанные ямы. Поэтому на старых шлаковых отвалах иногда находят тяжеловесные металлические монолиты.
В мартеновские и смешанные отвалы металл попадает из мартеновских цехов и в виде различного скрапа и металлических отходов после разливки: центровые, литники, скардовины, сплески, ковшовые и желобовые настыли. Иногда из цехов случайно с мусором вывозят на отвалы даже сутунки, концы прокатных изделий, листовую обрезь, чушки чугуна, чугунное крошье, сварочные шлаки, окалину, стружку, детали, полуфабрикаты и другой металлический лом.
В мусорные отвалы попадают детали от ремонта оборудования или случайно вывезенные с мусором металлургическая продукция и другие отходы, убираемые с заводской территории вместе с мусором, особенно при очистке транспортных путей.
В отвалах доменных шлаков металл встречается в виде чугунных козлов, скрапа, ковшовых и желобовых настылей.
В отвалах котельного шлака, как уже указывалось, металл встречается в небольших количествах и изредка в виде случайно вывезенных вместе со шлаком старых деталей оборудования котельных или случайно попавших металлических предметов.
Попадание металла в отвалы объясняется отсутствием должного внимания к металлоотходам и сбору его в местах образования.