Конвертерное производство стали: теория, технология, качество стали, конструкции агрегатов, рециркуляция материалов и экология:

Бойченко Б.М., Охотский В.Б., Харлашин П.С.

Днепропетровск, 2006 г.

Глава 12. Рециркуляция материалов конвертерного производства и проблемы экологии

12.2. Металл

Проблемы рециркуляции материальных отходов конвертерного производства в первую очередь связаны с переработкой шлаков, шламов и пылей газоочисток и подготовкой для плавки металлургического лома, стружки и других вторичных черных металлов. При этом если шлаковая продукция находит применение в основном в строительной промышленности, то препарированные (подготовленные для утилизации) шламы, пыли и лом поступают почти целиком в металлургический передел. Главные направления подготовки металлического лома - фрагментирование и классификация, удаление цветных металлов, подогрев и пакетирование легковесного лома, брикетирование стружки и удаление масел.

Сталеплавильное производство, изготовление конечных стальных изделий, сопровождаемые образованием скрапа, создали комплексную систему, включающую рециркуляцию скрапа, которая находилась в сбалансированном состоянии столетиями. Однако появление и аккумулирование в стали вредных для качества и трудноудаляемых из нее элементов - меди, олова, цинка, свинца, висмута, сурьмы, мышьяка, никеля, хрома, молибдена, кобальта, ванадия, уже начинает нарушать сложившийся баланс, особенно при производстве листовой стали на мини-заводах (в электропечах), когда расходы скрапа на единицу продукции значительны. Контроль содержания примесей и удаления их в процессе сталеплавления является одной из важных задач современной металлургии, решение которой обеспечит желаемый замкнутый цикл основной группы конструкционных материалов. Ниже приведены разрабатываемые и применяющиеся технологии очистки скрапа от примесей цветных металлов.

Рафинирование испарением в контролируемой атмосфере связано с относительно низкой температурой кипения некоторых цветных и щелочных металлов, °С: As- 622, К - 760, Na- 890, Cd- 765, Zn- 906. Из оксидов цветных и щелочных металлов наиболее низкую температуру кипения имеют, °С: Na₂0 - 1350, РЬО - 1470, SnO- 1425, Sb₂0₃ - 1425.

Цинк выделяют термической обработкой отслуживших оцинкованных листов при температуре 600°С. После отжига (100°С) хрупкий слой интерметаллической фазы механически удаляют с поверхности. Используют также вакуумную обработку автомобильного скрапа при температуре 600-1100°С, начальная газовая фаза состоит из азота или окиси углерода. Эффективен непрерывный процесс электролитического извлечения цинка из автомобильного и вагонного скрапа, погружаемого в горячий щелочной раствор, где цинк растворяется и потом осаждается на катоде. Перечисленные процессы обеспечивают рециркуляцию и скрапа и цинка.

Олово из стального скрапа экономически целесообразно удалять на установках с годовой мощностью 30 тыс.т скрапа электролитическим путем в каустической содовой ванне при t= 85°С. Найдет, очевидно, применение процесс обработки покрытого оловом скрапа реактивными газами (H₂S) при t=300-550°С с последующим механическим удалением слоя SnS.

Медь, в отличие от олова и цинка, покрывающих сталь тонким слоем, находится в железном скрапе как механическая смесь частей электромоторов, охладителей, змеевиков, проводов и т.п. Отличительная особенность меди состоит в том, что она не окисляется в продуктах сгорания любого топлива при наличии стального лома и может быть изъята путем его плавления. Оправдали себя ручная сортировка и размалывание скрапа на куски малых размеров с последующим магнитным разделением железа и меди. В Японии разделение осуществляют с помощью видеокамер и ЭВМ на конвейере (идентификация меди по цвету). В США обрабатывают скрап смесью воздуха и соляной кислоты при t= 600-900°С - медь испаряется в виде хлоридов, конденсируется и складируется для рециркуляции. Опробована экстракция меди жидкой ванной металла (Al, Pb, Bi), в которой медь быстро растворяется, а железо нерастворимо. 90% меди из скрапа удаляется в виде Cu₂Sпри выдержке скрапа в штейне (80% FeS+20% Na₂S) при 1000°С в атмосфере азота.

Это, очевидно, технологии будущего. Пока в промышленности каждый завод смешивает "грязный" (с примесями) скрап с более чистым или с железом прямого восстановления, разрабатывая рецепты для каждой марки стали. Снижение содержания примесей в стали при этом достигается посредством их растворения и равномерного внесения во все изделия. Подобную технологию следует считать лишь временным решением проблемы, а не рециркуляцией и тем более - не рафинированием стали.

Приемы удаления примесей цветных металлов из жидких железоуглеродистых сплавов следующие. Медь удаляют вакуумной обработкой или сульфидными шлаками (Na₂S*FeS; Na₂S0₄* FeS; Na₂C0₃*FeS) с последующим испарением натрия из шлака, обессериванием расплава; при этом достигается рециркуляция меди в цветную металлургию. Олово удаляют, формируя кальцийсодержащие шлаки по реакции 2 [Са] + [Sn]=(Ca₂Sn).

Этот метод также подходит для удаления свинца, висмута, мышьяка и сурьмы - все они образуют стойкие интерметаллические соединения с кальцием. Другим методом удаления олова из стальных расплавов является (как и в случае с медью) вакуумное рафинирование, упрощенное тем обстоятельством, что олово образует летучие вещества SnS, SnO, а также хлориды. Молибден удаляют добавлением к расплаву FeSи образованием стабильных сульфидов молибдена. Очищение расплавов от хрома и ванадия не столь проблематично -последние легко окисляются и растворяются в шлаках с дальнейшей рециркуляцией.

В США распространение получили способы переработки автомобильного лома с применением криогенного дробления. Расход жидкого азота в этих процессах составляет около 400 кг/т, что соответствует энергетическим затратам (с учетом производства азота) приблизительно 60-70 кг у.т./т. Следующие после дробления автомобильного лома стадии разделения основаны на магнитной сепарации, гидравлической классификации с применением циклонов, обогащения в тяжелых средах, грохочения и т.д. Медь и алюминий в процессе криогенного дробления остаются пластичными и измельчаются в меньшей мере.

В качестве тяжелых сред используют суспензию высокодисперсных частиц ферросилиция и феррохрома в воде. С их применением неферромагнитную часть дробленого

лома (частицы размерами 0,5-50 мм) удается разделить на составляющие, неметаллическая фракция, алюминий и его сплавы, медь и медные сплавы.

Мокрые методы очистки применяются также при подготовке замасленного лома Лом для удаления масла промывают в аппаратах барабанного типа горячей водой и специальным раствором, который в дальнейшем подвергают регенерации

Наряду с приведенными существуют и развиваются различные тепловые методы подготовки и переработки лома.

Тепловые методы подготовки металлического лома включают его пакетирование и брикетирование, удаление масла и эмульсий, а также цветных металлов. При фильтрации технологических газов через лом (особенно измельченный) из них частично удаляется пыль, что приводит к увеличению выхода годного продукта. Утилизация теплоты за счет подогрева лома одновременно позволяет значительно сократить затраты на использование вторичных энергоресурсов.

Один из основных недостатков тепловой подготовки металлолома связан с окислением железа, что может привести к значительному снижению металлургической ценности лома Естественно, для успешного развития такой подготовки должны быть распространены малоокислительные и безокислительные методы нагрева, тем более, что и процессы испарительного теплового рафинирования металла могут быть наиболее успешно реализованы лишь в восстановительной (контролируемой) атмосфере

Наиболее важная проблема - рафинирование металлолома для конвертеров от цветных металлов, загрязняющих его. Значительное количество физической и химической теплоты, содержащейся в конвертерных газах, позволяет решить эту проблему за счет теплоты отходящих газов и тем самым резко снизить энергоемкость конвертерной стали. Возможная схема подогрева лома с использованием теплоты конвертерных газов приведена на рис. 12 6. Подготовленный лом загружается в систему газоотводящего тракта через бункер-накопитель. Лом с помощью толкателей последовательно проходит четыре камеры, две конвективного нагрева (3 и 5) и две - радиационного (2 и 4). В камерах 2 и 3 лом нагревается до 1100-1250°С в восстановительной атмосфере, цинк испаряется и плавится медь Цинк в парообразном состоянии уносится в камеры 4 и 5, где окисляется и превращается в пыль, медь же собирается в накопителе камеры 2, из которого периодически выпускается В камере 5 часть пылевого цинка оседает на холодном ломе.

Для уменьшения оседания пыли цинка в случае очень измельченного лома высота загрузочного слоя в камере 5 должна быть снижена. Общая масса лома, скапливающегося в дымовом тракте, рассчитывается на 4-5 загрузок конвертера, что обеспечивает прогрев лома до высокой температуры и глубокую внутреннюю утилизацию теплоты В тракте предусматривается также камера для дожигания масла Для поддержания необходимой температуры и состава газов в период простоя конвертера в камеру 9 предусматривается подача не только воздуха, но и топлива; в камеру 2 также предусмотрен ввод топлива. При работе конвертера подача топлива отключается.

Для нагрева стружки применяется несколько типов печей: барабанные, камерные, шахтные и др. Основной тип печи для нагрева дробленой стружки - барабанная. Вариант такой печи для безокислительного нагрева стружки с выжиганием масла показан на рис. 12.7. Отличительная особенность печи - наличие жаровой трубы. В жаровую трубу направляются продукты сгорания, которые эжектируют в нее пары масла. Оно сгорает за счет избыточного кислорода продуктов сгорания. Стружка, нагретая до 750-850°С, из печи высыпается в приемочный бункер брикетировочного пресса, где прессуется в брикеты размерами

0,3x0,3x0,3 м (плотность брикетов примерно 5,0 т/м³). В системе поддерживается разрежение, что исключает попадание паров масла в атмосферу. Для безопасности работы в герметизирующих тамбурах установлены дежурные горелки.