Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка технологии пирометаллургического восстановления шлаков сталеплавильного производства. Результаты работы, полученные на первом этапе

Докладчик: Дильдин Андрей Николаевич

Должность: доцент кафедры общей металлургии, к.т.н., доцент

Цель проекта:
Переработка и утилизация отвальных шлаков сталеплавильного производства является актуальной нерешенной задачей ввиду сложности и разнообразия состава фаз слагающих такого рода отвалы и отсутствия достаточно простых и эффективных технологий их переработки. Значительный объем шлаковых отвалов металлургических производств и их фазовый состав стимулируют проработку вопросов их полной или частичной переработки с целью извлечения металлов с одновременным уменьшением объема шлаковых материалов и нивелирования негативного воздействия на экологическую обстановку. Процесс переработки может основываться на разных подходах, различающихся уровнем технологического решения и его экономической обоснованностью. Методы механической переработки с использованием электромагнитного сепарирования характеризуются простотой технической реализации, но обладают ограниченным эффектом по извлечению металлической составляющей шлаков. Причины обусловлены значительным связыванием металлов в химические соединения (фазы), обладающие слабой или средней магнитной восприимчивостью, а также присутствием окисленных форм, что определяет необходимость решения вопросов их восстановления. Наибольший интерес представляет создание эффективных технологий высокотемпературного восстановления металлической части шлаков с последующим ее извлечением и повторным использованием. Перспективными являются процессы извлечения из оксидной составляющей отвальных шлаков железа и ряда легирующих элементов (Mn, Cr, V, Ti) с использованием процесса твердофазного и жидкофазного восстановления предварительно обогащенной металлической составляющей шлаков. Эти процессы являются в разной степени энергозатратными, характеризуются незначительным формированием газообразных продуктов восстановления и предполагают использование специального нагревательного оборудования. Проведенный анализ литературных данных показывает, что усилия в этой области направлены, прежде всего, на предупреждение и минимизацию образования отходов, а затем на их рециркуляцию, вторичное использование. Все эти мероприятия, бесспорно, уменьшают уровень негативного воздействия отходов промышленности на природу, но не решают проблему уже существующих и прогрессирующих шлаковых отвалов. Несмотря на то, что вопросам переработки всегда уделялось внимание, громадные территории вокруг металлургических заводов занимают шлаковые отвалы, объем которых в настоящее время составляет около 500 млн. т. Массовое использование шлаков началось сравнительно недавно с доменных шлаков для получения низкомарочного цемента, кирпичей и т.п. В тоже время около 60% шлаковых отвалов приходится на сталеплавильные шлаки. Проект направлен на решение проблемы максимальной переработки шлаковых отвалов металлургических производств черных металлов с целью максимального и эффективного использования получившихся продуктов в металлургическом и строительном производстве. В связи с изложенных цель реализуемого проекта - разработка комплекса научно-технологических решений в области создания новой технологии переработки шлаков сталеплавильного производства, включающей процесс пирометаллургического восстановления ценных металлов из их оксидов, для уменьшения техногенной нагрузки на окружающую среду и получения ценных вторичных ресурсов.

Основные планируемые результаты проекта:
В ходе выполнения ПНИ должны быть получены следующие научно-технические результаты:
1 Лабораторный технологический регламент пирометаллургического восстановления шлаков сталеплавильного производства.
2 Термодинамическая модель процессов восстановления (твёрдофазного и жидкофазного) шлаков сталеплавильного производства.
3 Экспериментальный образец установки пирометаллургического восстановления шлаков сталеплавильного производства.
4 Экспериментальный образец технологической линии для переработки шлаков сталеплавильного производства включающей следующие компоненты (экспериментальные образцы агрегатов): шаровую мельницу, установку для магнитной (электромагнитной) сепарации, установку для разделения немагнитной составляющей по плотности, печь для твердофазного восстановления, установку пирометаллургического восстановления шлаков сталеплавильного производства.
5 Рекомендации и предложения по использованию результатов ПНИ в реальном секторе экономики.
6 Технические требования в виде проекта технического задания для выполнения ОКР по теме: “Создание опытно-промышленной установки для пирометаллургического восстановления шлаков сталеплавильного производства”.
Полученные результаты и разработанная технология должны быть ориентированы:
1) на широкое применение в организациях, разрабатывающих и совершенствующих процессы переработки шлаков сталеплавильного производства;
2) на промышленные предприятия чёрной металлургии.
Созданная в результате технология пирометаллургического восстановления шлаков сталеплавильного производства должна соответствовать следующим требованиям:
1) позволять перерабатывать шлаки сталеплавильного производства, включая шлаки накопленных шлаковых отвалов.
2) применение технологии должно обеспечиваться соблюдением следующих параметров процесса: температура процесса восстановления не выше 1600 С, время пирометаллургического восстановления (после достижения рабочей температуры) не более 1 часа, масса металлического продукта не менее 10 % от массы исходного шлака, содержание железа в полученном продукте не менее 60 % мас.
Экспериментальный образец технологической линии по переработке шлаков сталеплавильного производства должен позволять варьировать такие параметры работы как: степень измельчения шлака, соотношение масс шлака и восстановителя, температуры процессов восстановления с целью предварительного определения параметров технологии.
Новизна научных и технологических решений, применявшихся методик и решений подтверждается результатами проведённого литературного обзора и патентного поиска.
Вопросами переработки шлаков ввиду их чрезвычайной актуальности занимаются исследовательские группы по всему миру, и в том числе, в нашей стране. При этом необходимо отметить следующее:
1. Внимание большинства исследователей и конструкторов в настоящее время сосредоточено на совершенствовании ставшей уже традиционной схемы переработки шлаков, связанной с их дроблением, извлечением металлической составляющей и использованием оставшегося шлакового материала в качестве щебня и т.п. Полное перечисление исследователей, работающих в этом направлении, не имеет смысла. Назовём лишь В.С. Ларионова (завод "Электросталь"), группу исследователей из ФГУП "ЦНИИчермет им. И.П. Бардина", специалистов компаний «SBM», «ПауэрПак Минералз», "Эковторресурсы" и др.
2. Разработкой технологий, связанных с восстановлением окисленного металла, занимаются относительно немногочисленные группы исследователей. При этом использующиеся подходы довольно разнообразны и не являются полными аналогами разрабатываемым нами технологиям.
Так ФГУП "ЦНИИчермет им. И.П. Бардина" в содружестве с Объединенной металлургической компанией и компанией "Энерготерм-система" разработали новую технологию переработки жидких сталеплавильных шлаков, которая позволяет отчасти восстанавливать железо из оксидного шлакового расплава. Эта технология в настоящее время находится в состоянии промышленного испытания. Однако она ориентирована на переработку жидкого шлака, только полученного в сталеплавильной печи, и не может решить проблем переработки старых шлаковых отвалов.
3. К жидкофазным процессам восстановления металла из шлака следует отнести процесс «Romelt», который был разработан в 1979 году сотрудниками Московского института стали и сплавов. Работы по совершенствованию и внедрению этого процесса в промышленность продолжаются. Одним из недостатков этого процесса являются высокие энергозатраты в ходе его осуществления, а также необходимо высокое (выше типичного для сталеплавильных шлаков) содержание железа в исходном материале.
4. Заметный вклад в фундаментальное исследование этой проблемы сделан исследовательскими группами европейских ученных. В качестве примера можно привести исследования в Шведском технологическом университете. В рамках проекта "Retention, recovery and recycling of valuable metals" (рук. Pr. Seshadri Seetharaman) исследовано влияние термообработки на извлечение хрома из шлаков. Аналогичные исследования проводятся и в других научных и образовательных центрах Европы, но из-за модельности подхода апробируются только для извлечения наиболее дорогостоящих компонентов, что определяется экономическими показателям данных процессов.
5. Наиболее интересным и близким по тематике следует считать способ переработки металлургического шлака, зафиксированный патентом RU 2428491. Данная разработка с целью получения ферромарганца и грануляции и измельчения для получения шлакового наполнителя или шлаковой добавки к цементу в целом направлена на термическую обработку шлака в присутствии восстановителей и характеризуется отсутствием управляемого выхода металлической фазы как конечного продукта. Заявленный в способе выход металла в виде расплава возможен только при значительных его содержаниях в шлаке и при отсутствии компонентов, снижающих этот выход.
Пути и способы достижения заявленных результатов:
1. Теоретические и лабораторные исследования процессов восстановления сталеплавильных шлаков.
В рамках решения этой задачи будет проведён анализ научно-технической литературы, нормативно-технической документации и других материалов, относящихся к разрабатываемой теме. Будет проведены патентные исследования по ГОСТ 15.011-96. В лабораторных условиях будут изучены процессы высокотемпературного восстановления сталеплавильных шлаков различного химического и фазового состава. Будет проведено термодинамическое моделирование процессов высокотемпературного восстановления сталеплавильных шлаков различного химического и фазового состава. Термодинамическое моделирование процессов восстановления металла из шлака, будет осуществлено посредством алгоритмов CALPHAD, реализованных в программном комплексе FactSage. Будет осуществлено масштабное комплексное изучение шлаковых отвалов Златоустовского металлургического завода – химического и фракционного состава шлаков, объёмов, местоположения и условий возможной транспортировки. Планируется провести расширенный химико-минералогический анализ фазового состава наиболее представительных образцов шлаков базовых производств различных предприятий черной металлургии, отбор и пробоподготовка представительной серии этого шлакового материала.
2. Проведение работ по реализации процессов восстановления сталеплавильных шлаков различного состава в промышленных условиях.
В процессе решения этой задачи планируется экспериментальное изучение процессов высокотемпературного восстановления сталеплавильных шлаков различного химического и фазового состава на базе полупромышленной многорежимной установки для восстановления сталеплавильных шлаков. Экспериментальное исследование процессов восстановления предполагается произвести на примере шлакового материала различных металлургических заводов. Исследования будут проводиться для шлаков различного фазового состава при разных окислительно-восстановительных условиях и термических параметрах. Изучение и сравнение особенностей фазового состава шлакового материла до и после восстановления будут выполнены методами рентгенофазного и рентгеноспектрального анализа, локальной спектроскопии комбинационного рассеяния света (КР, рамановская) и мессбауровской спектроскопии;
Предусмотрена также разработка рекомендаций по оптимизации процесса восстановления; исследовательские, технологические и конструкторские работы по проектированию и созданию полупромышленной многорежимной установки для восстановления сталеплавильных шлаков различного состава, а также разработка и создание на базе Индустриального партнёра полупромышленной многорежимной установки для восстановления сталеплавильных шлаков различного состава.
3. Технологическая проработка ключевых стадий переработки сталеплавильных шлаков.
Решение этой задачи потребует экспериментального изучения результатов процессов подготовки сталеплавильных шлаков к высокотемпературному восстановлению, а также разработки рекомендаций по оптимизации процессов подготовки шлаков. Предусмотрено в частности экспериментальное исследование кинетики восстановления оксидов металлов из оксидных расплавов и изучение процессов жидкофазного восстановления металлов из шлаковых расплавов типа CaO-Al2O3-FeO-MgO-Cr2O3-MnO-TiO2-V2O5-P2O5-SiO2. Потребуется проведение исследовательских, технологических и конструкторских работ по проектированию и созданию агрегатов для подготовки сталеплавильных шлаков к высокотемпературному восстановлению. Предусмотрены также разработка и создание агрегатов для подготовки сталеплавильных шлаков к высокотемпературному восстановлению.
4. Создание стабильно действующей опытной технологической линии по переработке сталеплавильных шлаков.
Запланированы исследовательские, технологические и конструкторские работы по проектированию и созданию элементов опытной технологической линии по переработке сталеплавильных шлаков. Будут проведены комплексные исследовательские испытания с целью изучения свойств экспериментальных партий продукции линии в зависимости от вариации режимов и параметров технологического процесса переработки шлаков.
Также будут осуществлены работы по созданию и монтажу на производственных площадях Индустриального партнёра опытной технологической линии по переработке сталеплавильных шлаков. После этого будут проведены предварительные испытания работы линии с целью предварительной оценки соответствия технологического процесса, технологической документации и опытной партии продукции, изготовленной с помощью данного технологического процесса, требованиям технического задания, а также определения готовности технологической документации и средств технологического оснащения технологического процесса к опытной эксплуатации.
5. Корректировка режимов реализации предложенной технологии. Обобщение и оценка результатов исследований.
Предусмотрены работы по оптимизации режимов реализации предложенной технологии применительно к шлакам различных составов различных предприятий металлургической отрасли Российской Федерации. Работы, направленные на внедрение результатов ПНИ на конкретных промышленных предприятиях. Проведение технико-экономической оценки предлагаемых вариантов технологии. Обобщение и оценка полученных результатов ПНИ.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Переработка сталеплавильных, в том числе электросталеплавильных, шлаков является весьма сложной задачей, что вызвано многокомпонентностью их состава и наличием стойких соединений, но с экономической точки зрения наиболее привлекательной. Постоянное ухудшение качества добываемых руд, как по содержанию ценных компонентов, так и по степени их обогащения, а также высокие транспортные затраты и стоимость энергоносителей обуславливают необходимость добычи вторичных металлов в непосредственной близости от предприятий, где обычно и располагаются отвалы. Для решения проблемы переработки сталеплавильных шлаков необходимы комплексные исследования, как по разработке общей схемы утилизации шлаков, так и проведение их термодинамического и кинетического анализа, что и является базисом для выбора и определения технологии. Одной из задач переработки шлаковых отвалов является максимально полное извлечение металлоотходов с целью использования их как оборотного лома в металлургическом производстве. Наряду с включениями черных металлов, в отвалах практический интерес представляют вторичные огнеупоры, цветные металлы, сплавы и собственно шлак. Поэтому возникает необходимость организовать переработку всех составляющих, входящих в морфологию шлаковых отвалов, и придать им вид в соответствии с требованиями к качеству вторичного сырья, предусмотренными ГОСТами, техническими условиями и др. нормами.
Результатом предложенной работы станет новая, экономически эффективная, комплексная технология переработки шлаков сталелитейных производств, включающая процесс высокотемпературного восстановления железа и ценных легирующих металлов из их оксидов.
Данная технология позволит получать металлический материал (чугун) с высоким содержанием легирующих элементов включая такие элементы как хром, марганец, никель, молибден, вольфрам, титан и др., а также экологически безопасное сырьё для производства строительных материалов.
Разработанную технологию, являющуюся результатом проекта, можно будет использовать практически на любом предприятии (подразделении предприятия), которое занимается переработкой шлаков металлургических производств.
Одними из самых вероятных потребителей ожидаемых результатов являются предприятия металлургической отрасли, а также машиностроительные предприятия, занимающиеся производством оборудования для переработки промышленных отходов. К числу последних предприятий относится ООО «Южно-Уральская машиностроительная компания», специализирующихся на поставках металла для отраслей машиностроения, оборонно-промышленного комплекса, судостроения, авиационной промышленности и др. «Южно-Уральская машиностроительная компания» производит комплектующие для буровых установок нефтегазодобывающей промышленности, комплектующие для Российских железных дорог, автомобильной промышленности, а также запчасти для металлургического оборудования. В настоящее время экономический смысл переработки шлаковых отвалов становится всё более очевидным и поэтому эффективно работающие технологические линии для переработки отвальных шлаков найдут спрос как в нашей стране (практически все крупные предприятия чёрной металлургии) так и за рубежом.

Текущие результаты проекта:
Выполнен анализ научно-технической литературы, нормативно-технической документации и других материалов, относящихся к разрабатываемой теме. Проведены патентные исследования по ГОСТ 15.011-96. Обоснованы выбор направления исследований, а также методы и средства изучения структуры, состава и свойств экспериментальных образцов. Решение поставленных перед работой задач обеспечено необходимым оборудованием и программными средствами. Проведены работы по комплексному изучению шлаковых отвалов Златоустовского металлургического завода. Исследован химический и фракционный состав шлаков, объёмы, местоположение и условий возможной транспортировки.