Full Text

Техногенные отходы промышленного производства содержат достаточно большое количество токсичных элементов, которые оказывают негативное влияние на окружающую экологическую систему [1-7]. В связи с этим одной из актуальных проблем металлуpгии является утилизация отвальных шлаков и извлечение из них металлических компонентов с последующим использованием их в качестве вторичного сырья. Существует несколько основных аспектов этой проблемы. Как известно, металл, извлеченный из металлургического шлака, значительно дешевле металла, извлеченного из руды в результате целого ряда технологических переделов. Общепринято, что после извлечения металлов из шлака последний может быть полезно утилизирован. Окончательная переработка шлаковых отвалов позволяет освободить территорию, занимаемую отвалами, либо ограничить ее расширение. Это улучшает экологическую обстановку в отвальной зоне и вокруг нее [8-10]. На сегодняшний день существует достаточно много способов переработки отходов металлургического производства, в том числе применительно к отвальным сталеплавильным шлакам. Проанализированные в работах [11-13] имеющиеся варианты позволили разработать оптимальную схему переработки шлаков, представленную на рис. 1 [14]. Рис. 1. Схема переработки шлаков сталеплавильного производства [14] Отличительной особенностью данной технологии является двухстадийный метод восстановление - плавление, позволяющий в итоге получить металлический полупродукт. Для случая, когда шлаковый материал после магнитной сепарации обладает высокими магнитными свойствами по сравнению с исходным шлаком, возможно прямое жидкофазное восстановление без твердофазного восстановления. В ходе жидкофазного восстановления шлаков были проведены физико-химические исследования образцов материала, взятых с отвала ОАО «Златоустовский электрометаллургический завод». Опыты по начальной подготовке к исследованиям проводились в лаборатории кафедры техники и технологии производства материалов ЮУрГУ в г. Златоусте с применением растровых электронных микроскопов JEOL JSM-7001 и JOEL JSM-6460 LV. Установлено, что в состав шлака входят сложные минералы: энстатит MgSiO3; ильменит FeTiO3; авгит Са(Fe,Mg)∙Si2O6; плагиоклаз (Na,Ca)∙(Si,Al)4O8; магнетит Fе(Fe2O4); фаялит (Fe,Mg)∙2SiO4; гематит Fe2O3, что подтверждает проводимые ранее исследования шлаков ОАО «Златоустовский электрометаллургический завод» [15]. Результаты химического анализа состава отвальных шлаков представлены ниже. Химический состав*, мас. % SiO2 CaO MgO Al2O3 MnO Cr2O3 TiO2 V2O5 FeO NiO 17,7-40,0 21,9-47,4 6,2-16,5 7,2-10,1 1,2-5,3 1,7-11,3 0,3-1,5 0,1-0,3 3,7-25,0 0,1-0,4 *Химический состав шлака в пересчете на простые оксиды. Дробление исходного шлакового материала проводили до фракции 2-4 мм. Далее шлак полученной фракции подвергался магнитной сепарации на установке, изображенной на рис. 2. Спроектированный и созданный магнитный сепаратор предназначен для разделения сухих материалов на магнитную и немагнитную части. Сепарация осуществлялась с помощью ферритовых постоянных магнитов. Отсепарированная магнитная составляющая шлака составила примерно 40 % от исходного материала. В качестве восстановителя при жидкофазном восстановлении использовали кокс в количестве 5 г на 50 г магнитной части шлака. Приготовленную смесь кокса и шлака в указанных пропорциях насыпали в графитовый тигель и помещали в рабочее пространство индукционной печи УПИ-60-2 для проведения операции жидкофазного восстановления металла. Исследованиям подвергли смеси, идентичные по составу. Образцы находились в печи от 10 до 30 мин при температуре 1400-1500 °С. Всего было проведено 12 опытных плавок. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Рис. 2. Эскиз магнитного сепаратора: 1 - приводной барабан верхнего конвейера; 2 - шкив; 3 - ремень; 4 - верхний реверсивный двигатель РД-09; 5 - нижний конвейер; 6 - оцинкованные пластины; 7 - лента; 8 - приводной барабан нижнего конвейера; 9 - нижний реверсивный двигатель РД-09; 10 - верхний конвейер; 11- короб с магнитами В табл. 1 представлены параметры опытных плавок (режимы жидкофазного восстановления шлакового материала). Оптимальное время восстановления исходного материала составляет 20 мин. Таблица 1 Основные параметры, характеризующие результаты полученных экспериментов Номер плавки Время выдержки, мин Исходная смесь, г Получено, г Выход металла, % (от массы исходного шлака) шлак кокс металл шлак газ* 1 30 50 5 22,38 17,33 15,29 44,76 2 20 50 5 22,56 17,78 14,66 45,12 3 10 50 5 21,81 18,11 15,08 43,62 4 18 50 5 22,00 17,64 15,36 44,00 * - результат расчета. Образцы полученного металла и остаточного шлака были исследованы на химический и фазовый состав. Установлено, что в составе отвального шлака содержится некоторое количество карбонатов, которые в значительной степени распадаются после высокотемпературной обработки. В процессе обработки в шлак вносится значительное количество углерода. Для удобства сопоставления состава исходного шлака и составов образцов обедненного шлака в табл. 2 эти составы представлены без учета наличия в них углерода (общее содержание углерода колебалось в исследованных образцах в пределах 3,5-8 мас. %). Таблица 2 Составы исходного шлака и полученных после восстановления шлаковых фаз по данным РСМА (за вычетом углерода), мас. % Образцы Fe Cr Mn O Ca Mg Al Si S Другие элементы Исходный шлак 28,49 1,19 1,73 37,76 16,13 4,40 2,38 7,61 0,12 0,18 Шлак после 1-й плавки 0,35 - 0,77 44,67 28,10 8,83 4,14 12,31 0,22 0,62 Шлак после 2-й плавки 0,24 - 1,19 45,82 25,92 9,26 4,29 12,68 0,16 0,44 Окончание табл. 2 Образцы Fe Cr Mn O Ca Mg Al Si S Другие элементы Шлак после 3-й плавки 0,38 - 2,45 43,71 27,17 9,22 4,08 12,26 0,15 0,58 Шлак после 4-й плавки - - 1,15 43,20 27,93 9,54 4,75 12,67 0,15 0,61 На рис. 3 представлены фотографии поверхностей шлифов полученного металла. Результаты сканирования микрорентгеноспектрального анализа площади образцов представлены в табл. 3. a б в г Рис. 3. Микроструктуры поверхностей шлифов образцов металла плавок № 1-4 (соответственно a-г) Таблица 3 Составы металла по данным РСМА. Результаты сканирования всей площади изображения, мас. % Рисунок Fe C Mn Cr Ni a 84,79 8,84 3,19 2,79 0,38 б 85,07 8,52 2,89 3,09 0,43 в 87,06 7,20 2,26 2,95 0,54 г 84,85 8,73 3,12 2,86 0,43 Химический анализ исследуемых образцов металла свидетельствует о том, что полученный материал соответствует по составу легированному чугуну, который содержит такие компоненты, как Cr, Mn, Ni. Анализ полученных образцов металла показывает, что они состоят главным образом из металлических фаз двух типов - с высоким и низким содержанием хрома. В составе металла в значительном количестве присутствуют включения графита и в относительно небольших количествах включения карбидов, фосфидов и включения на основе сульфида марганца. Это подтверждается выводами работы [16]. Анализ образцов шлака (табл. 3) свидетельствует о высокой степени восстановления железа и хрома (эти элементы восстанавливаются практически полностью). Согласно полученным данным, в состав металла полностью переходит никель, а также (учитывая соотношение масс полученных фаз) более половины всего марганца. Во всех экспериментальных плавках изотермическая выдержка длительностью 10 мин и выше позволила достичь удовлетворительной степени восстановления металлической составляющей. При этом просматривается некоторая зависимость массы полученного металла от времени выдержки, а также зависимость увеличения степени восстановления марганца от времени изотермической выдержки металлического расплава. В результате жидкофазного восстановления магнитной составляющей шлакового материала количество полученной металлической фазы может достигать 40 % и выше от массы исходного шлака. Возможно практически полное восстановление содержащихся в шлаке железа, хрома и никеля. В металлический расплав переходит большая часть марганца, а также некоторые другие компоненты, включая такие ценные, как вольфрам, молибден, титан и ванадий. Оптимальной температурой процесса жидкофазного восстановления шлака следует принимать (1450 ± 20) °С. Время восстановления шлака (после нагрева смеси до рабочей температуры) должно быть не более 30 мин. С целью более полного восстановления ценных металлов в качестве индикатора окончания периода изотермической выдержки можно использовать момент завершения периода «кипения» (интенсивного выделения газовой фазы, состоящей из оксидов углерода). Полезными продуктами процесса восстановления станут жидкий металл и обедненный по тяжелым металлам оксидный расплав, состоящий главным образом из оксидов кальция, кремния, магния и алюминия, который может быть использован при производстве цемента.

About the authors

E. V Gimuranova

South Ural State University (national research university)

A. A Omelchuk

South Ural State University (national research university)

References

Statistics

Views

Abstract - 51

PDF (Russian) - 22

Refbacks

• There are currently no refbacks.