Брикет для металлургического производства и способ его получения
Владельцы патента RU 2317341:
Общество с ограниченной ответственностью ООО "Бризо" (RU)
Изобретение относится к области черной металлургии и, в частности, к подготовке шихтовых композиций на основе железосодержащих мелкодисперсных металлургических отходов для выплавки чугуна, стали и ферросплавов. Железосодержащие мелкодисперсные отходы, углеродсодержащую мелочь и связующее смешивают, прессуют и выдерживают во влажной среде в течение 20-25 часов. Причем в качестве железосодержащих мелкодисперсных отходов используют смесь пыли газоочисток сталеплавильного производства и мелкого магнитного продукта, извлеченного из сталеплавильных шлаков, в соотношении 1:12, а в качестве связующего замасленную окалину и известь. Соотношение компонентов в брикете следующее, мас.%: замасленная окалина - 15-35; известь - 5-10; углеродсодержащая мелочь - 5-15; железосодержащие мелкозернистые отходы - 40-75. Изобретение позволяет утилизировать отходы металлургического производства и сократить затраты на получение брикета. 2 н.п. ф-лы, 2 табл.
Изобретение относится к черной металлургии, в частности к подготовке шихтовых композиций на основе железосодержащих мелкодисперсных металлургических отходов для выплавки чугуна, стали и ферросплавов.
Известны способы утилизации железо- и углеродсодержащих мелкодисперсных металлургических отходов путем их окускования за счет агломерации, окатывания и брикетирования с последующей плавкой в доменных, сталеплавильных и других агрегатах взамен традиционных шихтовых материалов - руды, кокса, агломерата и т.д. [1, 2].
Известны брикеты на основе железо- и углеродсодержащих мелкодисперсных металлургических отходов, в которых в качестве связующего используются органические смеси: пек, гудрон, смолы, ПВА-клеи [3].
Признаками, совпадающими с признаками заявляемого изобретения, являются:
- наличие железосодержащей составляющей в брикете;
- наличие углеродсодержащей составляющей в брикете;
- наличие связующего в брикете;
- назначение брикетов в качестве шихтовой добавки для выплавки чугуна, стали и ферросплавов.
Причины, препятствующие достижению ожидаемого технического результата:
- при выгорании органических примесей брикеты теряют прочность, рассыпаются и становятся непригодны для участия в металлургическом процессе;
- наличие органической связки требует термической обработки брикета для набора технологической прочности.
Известны также способы брикетирования, в которых в качестве связующего используются неорганические материалы: известь, цемент, жидкое стекло [4].
Признаками, совпадающими с признаками заявляемого изобретения, являются:
- наличие железосодержащей составляющей в брикете;
- наличие углеродсодержащей составляющей в брикете;
- наличие неорганического связующего в брикете.
Причины, препятствующие достижению технического результата:
- повышенное шлакообразование и невысокая восстановимось металлической фазы из-за наличия гидратной влаги, препятствующей проникновению в брикет восстановителя;
- брикетирование с неорганическими связующими приводит к увеличению количества шлака и соответственно к повышению расхода кокса.
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, в части состава брикета является способ получения брикетов из мелкодисперсных оксидов металлов [5], суть которого заключается в том, что мелкодисперсную окалину смешивали с отработанными индустриальными и моторными маслами и с 60% раствором жидкого стекла и проводили прессование.
Признаками, совпадающими с признаками заявляемого изобретения, являются:
- наличие железосодержащей составляющей в брикете;
- наличие углеродсодержащей добавки в составе брикета;
- наличие органического и неорганического связующих в брикете.
Причины, препятствующие достижению технического результата:
- наличие в составе брикета жидкого стекла ограничивает возможности использования брикетов из-за разъедания огнеупорной футеровки плавильных агрегатов;
- жидкое стекло является относительно дорогостоящим компонентом брикета.
Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в утилизации мелкодисперсных железо- и углеродсодержащих металлургических отходов, замасленной окалины и отходов извести, использование которых сдерживается их физическими свойствами.
Поставленная задача решается за счет того, что в качестве железосодержащих мелкодисперсных отходов используют смесь пыли газоочисток сталеплавильного производства и мелкого магнитного продукта, извлеченного из сталеплавильных шлаков, в соотношении 1:12, а в качестве связующего замасленную окалину и известь при следующем соотношении, мас.%:
| Железосодержащие мелкозернистые отходы | 40-75 |
| Углеродсодержащая мелочь | 5-15 |
| Замасленная окалина | 15-35 |
| Известь | 5-10 |
Решение задачи возможно потому, что компоненты шихты брикета при развитой поверхности и относительном сближении частиц проявляют вяжущие и тиксотропные (клеящие) свойства. Это связано с наличием в сталеплавильных шлаках ортосиликатов кальция и магния, трехкальциевого силиката, алюмоферритов кальция и др. Введение в состав брикета извести способствует связыванию влаги, присутствующей в составе замасленной окалины, и мелкодисперсного магнитного продукта, извлеченного из сталеплавильного шлака, увеличивает концентрацию кристаллических новообразований в брикете. Одновременно происходит взаимодействие извести и ортосиликатов кальция, входящих в состав шлаковой составляющей магнитного продукта и пыли газоочисток. В результате образуются субмикрокристаллические низкоосновные гидросиликаты кальция, обеспечивающие быстрое нарастание прочности образцов [6]. Взаимодействие органической составляющей в виде минерального масла замасленной окалины с частицами пыли и шлака проявляется в виде физической адгезии, причем наиболее прочное сцепление наблюдается между маслом и частицами, имеющими повышенную основность. Наряду с адсорбционными процессами при взаимодействии масла с пористыми частицами пыли происходит избирательная диффузия масла в микрокапиляры наполнителя. В результате повышается прочность брикета без термической обработки.
Ведение в состав брикета углеродсодержащей добавки обусловлено необходимостью создания восстановительной среды для восстановления оксидов металлов, вносимых в плавку с компонентами брикета, в агрегатах с окислительной атмосферой типа мартеновской печи.
Подбор составов брикета осуществляли на основании серии экспериментов, в которых наряду с металлургическими свойствами брикета оценивали возможность формирования и прессования компонентов шихты. Результаты подбора содержания железосодержащих мелкодисперсных отходов в составе брикетов приведены в таблице 1.
| Таблица 1 | ||||
| Результаты подбора содержания железосодержащих мелкодисперсных отходов в составе брикетов | ||||
| Наименование компонента брикета | Состав и свойства брикетов | |||
| Содержание в составе брикета железосодержащих мелкодисперсных отходов всего, %, в том числе: | 40-75 | |||
| пыли газоочисток, частей мелкого магнитного продукта, частей | 1 | 1 | 1 | 1 |
| 10 | 12 | 8 | 15 | |
| Углеродсодержащей мелочи, % | 5-15 | |||
| Замасленной окалины, % | 15-35 | |||
| Извести, % | 5-10 | |||
| Формовочные свойства смеси | Хорошие | Хорошие | Удовлетворительные | Неудовлетворительные |
| Содержание железа общего, % | Удовлетворительные | Удовлетворительные | Неудовлетворительные | Удовлетворительные |
| Прочность брикета после прессования, кг/брикет | 60-80 | 50-70 | 70-100 | 30-50 |
| Прочность брикета после выдержки, кг/брикет | 500-800 | 400-600 | 600-900 | 400-600 |
Повышение содержания извести в составе брикета свыше 10% приводило к разрушению брикета после 3...10-часовой выдержки после прессования. Снижение содержания извести в составе брикета менее 5% снижало прочность брикетов, они не выдерживали испытание на динамическую прочность при сбрасывании с высоты 1 м. Ограничение содержания извести в составе брикета менее 5% вызывало повышение продолжительности расплавления брикетов в мартеновской плавке.
Снижение содержания замасленной окалины в составе брикета ниже 15% приводило к увеличению продолжительности формирования брикета, снижению его прочности после прессования и неудовлетворительной прочности после выдержки. Количество углеродсодержащей мелочи (УСМ) в выбранном диапазоне практически не оказывает влияния на формовочные и прочностные свойства брикетов, однако при снижении УСМ ниже 5% наблюдали повышенный выход шлака в процессе плавления брикетов и низкую степень восстановления оксидов железа, внесенных в шихту плавки. Содержание УСМ в составе брикета выше 15% приводило к снижению плотности брикета без улучшения показателей плавки.
Таким образом, заявляемый состав брикета позволяет утилизировать железосодержащие мелкодисперсные отходы, замасленную окалину и отходы извести в виде шихтовой добавки в металлургическом производстве.
Известны способы получения брикетов [7] из различных видов сырья и отходов, сущность которых заключается в брикетировании без связующих материалов при высоком давлении (>100 МПа) и сравнительно низких температурах; с различными связующими при низких и средних давлениях (20-80 МПа) и температурах, несколько превышающих температуры размягчения (плавления) связующих (<100-140°С); без связующих материалов при средних и высоких температурах (<300-1000°С) и средних давлениях (50-80 МПа).
Признаками, совпадающими с признаками заявляемого изобретения, являются:
- смешивание составляющих компонентов брикета;
- прессование, придание формы брикету;
- набор прочности брикета после прессования.
Причины, препятствующие достижению ожидаемого технического результата:
- применение в качестве органического или неорганического связующего брикета материалов, оказывающих негативное воздействие на металлургический передел брикетов;
- для набора прочности брикета применяют различные виды обработки, связанные с затратами электроэнергии, применением дорогостоящего оборудования и материалов.
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является способ подготовки шихтового материала в виде брикетов к плавке [8].
Признаками, совпадающими с признаками заявляемого изобретения, являются:
- смешивание железосодержащих мелкодисперсных отходов с углеродсодержащими материалами и связующим;
- прессование брикета;
- обработка брикета после прессования.
Причины, препятствующие достижению ожидаемого технического результата:
- обработка брикетов водным раствором Na2O·nSiO2, которая включает дополнительные расходы на подготовку жидкого стекла заданной вязкости, обработку брикетов, подготовку площадей для обработки и т.д.;
- негативное воздействие щелочного металла, входящего в состав жидкого стекла на стойкость футеровки плавильных агрегатов;
- повышенное шлакообразование и снижение основности шлака за счет дополнительного введения оксидов кремния;
- высокий расход жидкого стекла, связанный с тем, что после прессования брикеты плохо впитывают жидкое стекло и медленно высыхают;
- появляется необходимость дополнительной сушки брикетов после обработки их жидким стеклом;
- в процессе транспортирования и перегрузок поверхность брикетов осыпается, что приводит к образованию мелкозернистого пылевидного материала, непригодного для дачи в плавку.
Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в сокращении затрат на получение брикета и утилизации отходов металлургического производства.
Поставленная задача решается за счет того, что в способе получения брикетов, включающем смешивание железосодержащих мелкодисперсных отходов, углеродсодержащей мелочи и связующего, в качестве которых использованы компоненты заявляемого брикета, а именно: замасленная окалина - 15-35%, известь - 5-10%; углеродсодержащая мелочь - 5-15%; железосодержащие мелкозернистые отходы (смесь пыли газоочисток сталеплавильного производства и мелкого магнитного продукта, извлеченного из сталеплавильных шлаков, в соотношении 1:12) - 40-75%, последующее прессование и выдержку брикетов, а после прессования брикеты выдерживают во влажной среде в течение 20-25 часов.
Решение поставленной задачи возможно исходя из условий взаимодействия извести и минерального масла с минералами, входящими в состав железосодержащих мелкодисперсных отходов. Взаимодействие извести с минералами шлака, пыли газоочисток и влагой замасленной окалины способствует образованию кристаллических гидросиликатов кальция. При этом создается слабощелочная среда, способствующая растворимости кварцитов, что, в свою очередь, облегчает гидратацию β-двухкальциевого силиката, т.е реализуется механизм щелочного пробуждения вяжущих свойств минералов, входящих в состав железосодержащих мелкодисперсных отходов.
Минеральные масла, входящие в состав замасленной окалины, при взаимодействии с минералами шлака и пыли железосодержащей мелкодисперсной составляющей образуют масляно-минеральные композиции за счет процессов физической адсорбции и избирательной диффузии минеральных масел в микрокапилляры твердых минеральных частиц. Взаимодействуя с влагой, минеральные масла эмульгируют. В процессе прессования пустоты между частицами заполняются эмульсией, это способствует повышению исходной прочности брикета после прессования. После прессования брикеты должны находиться во влажной среде для поддержания процессов образования гидросиликатов кальция и повышения прочности спрессованных брикетов. Продолжительность нахождения брикетов во влажной среде определяли опытным путем. Помещение брикетов во влажную среду является наиболее щадящей операцией тепловлажностной обработки брикета. Повышение давления до 1...3 ати в процессе выдержки брикетов во влажной среде не способствовало повышению их прочности за более короткий промежуток времени, не дало положительных результатов в наборе прочности брикетов и повышение температуры до 80...95°С. Интенсивно набирают прочность брикеты в течение первых 20-25 часов, затем увеличение прочности брикетов сокращается, но не заканчивается, а медленно нарастает. Результаты подбора продолжительности выдержки брикетов во влажной среде приведены в таблице 2.
| Таблица 2 | ||||||||||
| Результаты подбора продолжительности выдержки брикетов во влажной среде | ||||||||||
| Состав брикета*, мас.% | Прочность брикета, кг/брикет после выдержки в течение, час | |||||||||
| ЖСО | УСМ | ЗО | Известь | 1 | 15 | 20 | 25 | 48 | 60 | 72 |
| 65 | 10 | 15 | 10 | 110 | 380 | 550 | 620 | 635 | 682 | 715 |
| 55 | 10 | 25 | 10 | 158 | 423 | 541 | 586 | 612 | 630 | 684 |
| 50 | 10 | 30 | 10 | 182 | 483 | 550 | 573 | 594 | 602 | 622 |
| 75 | 5 | 15 | 5 | 85 | 322 | 485 | 529 | 574 | 588 | 592 |
| *ЖСО - железосодержащие мелкодисперсные отходы; УСМ - углеродсодержащие материалы; ЗО - замасленная окалина |
Таким образом, прочность брикетов на основе железосодержащих мелкодисперсных отходов, углеродсодержащей мелочи и связующего в виде замасленной окалины и извести после прессования возрастает во влажной среде интенсивно в течение первых 20-25 часов, затем интенсивность нарастания прочности снижается, прочность брикетов медленно, но продолжает возрастать и после извлечения их из влажной среды.
Предложенный способ получения брикетов может быть использован для переработки и утилизации отходов металлургического производства, в частности мелкого магнитного продукта, извлеченного из сталеплавильных шлаков, пыли газоочисток, замасленной окалины, коксовой мелочи и отходов извести.
Источники информации
1. Л.А.Лурье. Брикетирование в черной и цветной металлургии. - М.: Металлургия 1963, 324 с.
2. Б.Л.Раввич. Брикетирование в цветной и черной металлургии. - М.: Металлургия, 1975, 232 с.
3. Физико-химические процессы в электрохимии ферросплавов. Сб. Статей. - М.: 1991, с.56.
4. Б.Ф.Гончаров, И.С.Соломахин. Производство чугуна. - М.: Металлургия, 1965, с.56.
5. Способ получения брикетов из мелкодисперсных отходов металлов, RU 2198940 С1, 20.02.2003, БИ № 5.
6. А.В.Волженский, Ю.С.Буров, Б.Н.Виноградов и др. Бетоны и изделия из шлаковых материалов. - М.: Стройиздат, 1969, 396 с.
7. Ю.И.Кожевников, Б.Л.Раввич. Окускование и основы металлургии. - М.: Металлургия, 1991, 303 с.
8. Способ подготовки шихтового материала в виде брикетов к плавке, RU 2095436 6 С22В 1/245, 10.11.97, БИ № 31.
1. Брикет для металлургического производства, включающий железосодержащие мелкодисперсные отходы, углеродсодержащую мелочь и связующее, отличающийся тем, что в качестве железосодержащих мелкодисперсных отходов используют смесь пыли газоочисток сталеплавильного производства и мелкого магнитного продукта, извлеченного из сталеплавильных шлаков, в соотношении 1:12, а в качестве связующего замасленную окалину и известь при следующем соотношении, мас.%:
| замасленная окалина | 15-35 |
| известь | 5-10 |
| углеродсодержащая мелочь | 5-15 |
| железосодержащие мелкозернистые отходы | 40-75 |
2. Способ получения брикетов для металлургического производства, включающий смешивание железосодержащих мелкодисперсных отходов, углеродсодержащей мелочи и связующего, в качестве которых использованы компоненты по п.1, последующее прессование и выдержку брикетов, при этом после прессования брикеты выдерживают во влажной среде в течение 20-25 ч.
