Состав для стабилизации распадающегося металлургического шлака

Изобретение относится к металлургической промышленности, в частности, касается стабилизации металлургических шлаков, подверженных распаду. Состав содержит в качестве ингредиента, содержащего оксид бора, диборат кальция в количестве от 30 до 100% и разбавитель в виде извести, известняка и шлака того же состава, что и стабилизируемый распадающийся металлургический шлак, или смеси этих компонентов в количестве до 70%. Использование изобретения обеспечивает стабилизацию распадающегося металлургического шлака и устойчивость его структуры против силикатного распада. 3 табл.

 

Изобретение относится к области металлургии, касается состава для стабилизации распадающихся металлургических шлаков.

Известны составы для стабилизации металлургических шлаков от наиболее распространенного силикатного распада, вызванного полиморфными превращениями двухкальциевого силиката (2CaO·SiO₂ или C₂S), входящего в состав шлака, включающего оксиды MgO Al₂O₃, Fe₂O₃, B₂O₃, K₂O P₂O₅, Cr₂O₃ [1], а также соединения 3СаОP₂O₅, CaNPO₄, CaCr₂O₄, образующие твердые растворы с высокотемпературными формами - α, α,′ и β двухкальциевого силиката [2].

Признаки аналогов, которые совпадают с существенными признаками заявляемого объекта, являются:

- способность растворяться в высокотемпературных формах двухкальциевого силиката с образованием твердых растворов;

- способность входить в решетку C₂S в количествах, достаточных для их стабилизации.

К недостаткам, по мнению авторов, относятся:

- сложность их получения;

- высокий расход для обеспечения стабилизации шлаков;

- необходимость обеспечения высоких температур при обработке шлака для получения стабилизирующего эффекта;

- негативное влияние на свойства обрабатываемого шлака и выплавляемого металла.

Близкими по технической сущности к заявляемому составу являются составы, содержащие бор, предложенные в способе стабилизации распадающегося сталеплавильного шлака, а именно бура, борная кислота, кернит, колеманит, содержащие 4-12% кристаллизационной влаги [3].

Общими признаками, совпадающими с существенными признаками заявляемого изобретения, являются:

- наличие бора в стабилизирующих составах;

- способность растворяться в высокотемпературных формах C₂S с образованием твердых растворов;

- способность стабилизировать шлак, содержащий двухкальциевый силикат.

К недостаткам этих составов следует отнести:

- сложность получения в относительно чистом виде;

- наличие сопутствующих минералов, в частности кристаллизационной влаги [3] и гипса [4], последние при обработке шлака дегидратируют, диссоциируют с образованием оксида водорода, сульфида кальция и серусодержащих газов, свободного водорода и серы, которые имеют тенденцию перехода в стабилизируемый шлак, выплавляемый металл [5] и в окружающую среду;

- негативное влияние на изменение свойств обрабатываемого шлака и выплавляемого металла;

- высокие температуры плавления природных стабилизаторов;

- высокие потери стабилизатора (борной кислоты, буры) при обработке шлака;

- сложность введения в обрабатываемый шлак.

Совокупность этих недостатков привела к тому, что указанные составы практически не используются для стабилизации распадающихся шлаков.

Задачей изобретения является состав для стабилизации распадающегося металлургического шлака, исключающий негативное воздействие ингредиентов состава на свойства обрабатываемого шлака, выплавляемого металла и окружающую природную среду, обеспечивающий стабилизацию распадающегося металлургического шлака и устойчивость его структуры против силикатного распада

Указанный технический результат достигают тем, что состав для стабилизации распадающегося металлургического шлака, включающий оксид бора, отличается тем, что в качестве ингредиента, содержащего оксид бора, он содержит диборат кальция в количестве от 30 до 100% и разбавитель в виде извести, известняка и шлака того же состава, который подвергают стабилизации или смеси этих компонентов в количестве до 70%.

Причинно-следственная связь между совокупностью существенных, признаков заявляемого изобретения и достигаемыми техническими результатами заключается в следующем.

1. Состав для стабилизации распадающихся шлаков содержит оксиды бора и кальция, каждый из которых и в совокупности имеют высокую растворимость в высокотемпературных - α, α,′ и β формах C₂S с образованием кристаллической решетки иррегулярной структуры открытого типа, способствующей сохранению высокотемпературных форм при охлаждении металлургического шлака, т.е. его стабилизацию.

2. Высокая растворимость оксида бора и кальция в высокотемпературных формах C₂S способствует ограничению массы добавки для стабилизации двухкальциевого силиката в составе обрабатываемого шлака.

3. Совокупность оксидов бора и кальция способствует снижению вязкости обрабатываемого шлака и лучшему усвоению стабилизирующего состава.

4. Состав лишен минералов-спутников боратовых руд, содержащих вредные компоненты. Это способствует снижению негативного воздействия состава для стабилизации шлаков на свойства стабилизированного шлака, выплавляемого металла и окружающую среду в процессе обработки шлака стабилизирующим составом.

5. Состав содержит разбавитель, способствующий улучшению распределения стабилизирующего ингредиента в объеме обрабатываемого шлака.

Таким образом, заявляемое изобретение соответствует критерию «новизна».

При анализе на соответствие критерию «изобретательский уровень» не обнаружено источников информации, указывающих на известность предлагаемого состава по функциональному назначению и поставленной в изобретении задаче.

Заявляемый состав может быть использован в промышленности, а ожидаемый технический результат вытекает из совокупности существенных признаков изобретения, что свидетельствует о соответствии критерию «промышленная применимость».

Состав для стабилизации распадающихся шлаков подбирали путем проведения серии экспериментов, сущность которых заключалась во введении добавок-стабилизаторов в шлаки, содержащие двухкальциевый силикат, имеющие неустойчивую структуру и склонные к распаду. В частности, это были шлаки средне- и низкоуглеродистого феррохрома, синтетические шлаки внепечной обработки стали, высокоосновные доменные, сталеплавильные и ферросплавные шлаки других производств.

В качестве экспериментальных составов использовали добавки с различным содержанием B₂O₃ в различных физических формах, включая борную кислоту, буру, колеманит, обработанную боратовую руду, диборат кальция, в том числе и с разбавителем.

Оценивали стабилизирующий эффект вводимых добавок, их влияние на изменение состава и свойств шлаков, выплавляемых металлов и сплавов и выбросы в окружающую среду. Результаты экспериментов сведены в таблицы 1, 2, 3.

Таблица 1
Результаты испытания составов, обеспечивающих стабилизацию распадающегося шлака
Наименование определяемого параметра	Вид стабилизатора
Борная кислота	Бура	Колеманит	Диборат кальция	Диборат кальция с разбавителем
1	2	3	4	5	6
Количество вводимой добавки от массы шлака, %	0,8-1,2	1,0-1,5	1,0-2,0	0,4-0,8	1,2-2,4
Количество полученного стабилизированного шлака, % по массе от всего обработанного шлака	45-70	25-55	35-85	85-93	95-100
Переход B2O3 в шлак, %	0,16-0,19	0,15-0,18	0,20-0,34	0,35-0,38	0,40-0,50
Переход В в металл, %	0,0013-0,0018	0,0018-0,0027	0,0027-0,0048	0,0035-0,0050	0,0025-0,0040

Таблица 2
Сравнение результатов стабилизации шлаков добавками, содержащими В2О3
Параметры	Вид стабилизатора
Борная кислота	Бура	Колеманит	Диборат кальция	Диборат кальция с разбавителем
1	2	3	4	5	6
Количество вводимой добавки от массы шлака,	0,8-1,2	1,0-1,5	1,0-2,0	0,4-0,8	1,2-2,4
Степень перехода B2O в состав шлака, %	13-24	10-18	10-34	43-80	63-95
Вещества, переходящие в состав шлака и оказывающие негативное влияние на свойства шлака	-	Na2O	S	-	-
Вещества, переходящие в состав и оказывающие негативное влияние на выплавляемый металл	H2	Na, O2, H2	S, H2, O2, AS	-	-
Вещества, выделяющиеся в окружающую среду	-	B2O3, H2O	H2S, SO2	-	-

Значения параметров, приведенные в таблице 1, показывают, что наиболее эффективно при стабилизации шлака проявляют себя составы на основе дибората кальция. Они способствуют лучшему переходу и равномерному распределению в объеме шлака оксида бора и как следствие получение больших объемов шлака с устойчивой стабилизированной структурой.

Сравнение стабилизирующего эффекта, оказывающего заявляемым составом с составами, приведенными в прототипе (таблица 2), показывает, что по расчетам для стабилизации всего объема шлака требуется в среднем в два раза больше буры и в три раза больше колеманита. Степень усвоения оксида бора из этих добавок шлаком значительно ниже, чем при обработке заявляемыми составами. При этом в состав шлака переходит оксид натрия, который негативно воздействует на футеровку плавильной печи. Выделяемая в процессе обработки шлака кристаллизационная вода диссоциирует, способствует выносу частиц добавки в окружающую среду и переходу кислорода и водорода в состав выплавляемого металла.

Неразделимым спутником колеманита является мышьяк и гипс, последний в процессе обработки разлагается с выделением кристаллизационной влаги, сульфида кальция, элементарной серы и атомарных кислорода и водорода, которые взаимодействуют с металлом и снижают его качество, мышьяк может восстанавливаться в выплавляемом металле и снижать его качество.

Заявляемый состав не содержит мышьяка и разлагающегося гипса. Температура плавления дибората кальция, в том числе и в сочетании с разбавителем соизмерима с температурой плавления шлака, реакция компонентов состава с обрабатываемым шлаком происходит спокойно без бурного кипения и выноса частиц как в случае обработки шлака бурой или борной кислотой. Исключается парообразование и выделение соединений серы как при обработке бурой или колеманитом. Оксид бора из заявляемого состава практически полностью переходит в шлак, способствует полному проявлению стабилизирующего эффекта и улучшению прочностных свойств стабилизированного шлака. В состав шлака не вносятся посторонние, не характерные для обрабатываемых шлаков примеси и, следовательно, не оказывают негативного воздействия на обрабатываемый шлак, выплавляемый металл и окружающую среду.

Основной задачей разбавителя в технологии стабилизации металлургического шлака является обеспечение равномерного усвоения дибората кальция сравнительно большим объемом стабилизируемого шлака.

Результаты обработки распадающихся шлаков диборатом кальция с различными разбавителями приведены в таблице 3.

Приведенные в таблице 3 результаты стабилизации распадающихся металлургических шлаков различными составами во всем интервале количественных признаков, заявляемых в формуле изобретения, а именно дибората кальция в количестве от 30 до 100% и в интервале значений извести, известняка и шлака того же состава, что и стабилизируемый металлургический шлак, в количестве до 70% подтверждают возможность получения технического результата, т.е. стабилизированного шлака с устойчивой структурой УС1, УС2 по ГОСТ 8269.1-93.

Список использованных источников

1. А.Гинье, М.Рнгур. Структура портландцементных минералов. 5-й международный конгресс по химии цемента. М.: Стройиздат, 1973.

2. Комплексная переработка и использование металлургических шлаков в строительстве / B.C.Горшков, А.Е.Александров, С.И.Иващенко, В.С Горшкова. - М.: Стройиздат, 1985, 272 с.

3. Способ стабилизации сталеплавильного шлака. Патент США №4655831, МКИ С21В 5/04, НКИ 75-257, УДК 669.046. Публикация 87.04.07, т.1077, №1.

4. Штрюбель Г. Циммер З. Минералогический словарь: Пер. с нем. - М.: Недра, 1987. - 494 с.

5. С.С.Набойченко, Н.Г.Андреев, А.П.Дорошевич и др. Процессы и аппараты цветной металлургии. Екатеринбург: УГТУ, 1997, 648 с.

Состав для стабилизации распадающегося металлургического шлака, включающий ингредиент, содержащий оксид бора, отличающийся тем, что в качестве ингредиента, содержащего оксид бора, он содержит диборат кальция в количестве от 30 до 100 % и разбавитель в виде извести, известняка и шлака того же состава, что и стабилизируемый распадающийся металлургический шлак, или смеси этих компонентов в количестве до 70 %.