Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка технологических основ получения композиционных флюсо-образующих добавок на основе отходов производства вторичного алюминия, оказывающих комплексное воздействие на фазовый состав высококальциевых рафинировочных шлаков сталеплавильного производства, обеспечивающее их стабилизацию и придание свойств минеральных вяжущих веществ

Докладчик: Шешуков Олег Юрьевич

Должность: эав.лаб., Главный научный сотрудник

Цель проекта:
1. Организация процесса утилизации отходов производства вторичного алюминия и высококальциевых рафинировочных шлаков сталеплавильного производства с получением товарных продуктов (композиционных флюсо-образующих добавок, шлакового щебня и минеральных вяжущих веществ). 2. Разработка технологических основ получения композиционных флюсо-образующих добавок на основе отходов производства вторичного алюминия для полной комплексной переработки высококальциевых рафинировочных шлаков в шлаковый щебень и минеральные вяжущие вещества высокой гидравлической активности.

Основные планируемые результаты проекта:
1. Предполагается разработать научно-технические основы получения композиционных флюсо-образующих добавок на основе отходов производства вторичного алюминия для корректировки состава ковшевых шлаков металлургических предприятий, включая разработку лабораторных технологических регламентов получения композиционных флюсо-образующих добавок и строительных материалов на основе ковшевого шлака, а также разработку методик определения пригодности сырья отходов для получения композиционных флюсо-образующих добавок, исследования эффективности применения композиционных флюсо-образующих добавок в сталеплавильных процессах; а также разработать рекомендации по использованию результатов ПНИ и ТЗ на ОТР по теме «Создание опытно-промышленного участка по производству глиноземистых флюсов с использованием отходов производства вторичного алюминия».
2. Должны быть разработаны:
- научно-технические основы корректировки состава ковшевых шлаков и изготовлены экспериментальные партии композиционных флюсо-образующих добавок (не менее 14 партий), проведены их исследовательские испытания.
- получены экспериментальные партии строительных материалов (не менее 14) из 14 партий шлаков, стабилизованных с использованием композиционных флюсо-образующих добавок и проведены их исследовательские испытания.
- Выполнена технико-экономическая оценка рыночного потенциала полученных результатов.
- Разработаны рекомендации по использованию результатов ПНИ Разработан проект ТЗ на ОТР теме «Создание опытно-промышленного участка по производству глиноземистых флюсов с использованием отходов производства вторичного алюминия».
3. Проведенные литературный и патентный обзоры показали значительность масштаба изучаемой проблемы. В России в год образуется до 1,4 млн. т опасных самораспадающихся шлаков (до 2 % от производства стали), загрязняющих водный и воздушный бассейны. Поскольку они сейчас используются в небольших объемах (например, в строительной отрасли), этот же объем потенциального сырья теряется и замещается добычей природного сырья. Показано, что практически единственным доступным стабилизатором, ввод которого в шлак не приводит к ухудшению его металлургических свойств и способствует стабилизации, является глинозем. Алюминий из глинозема не восстанавливается в сталь и не может отрицательно повлиять на ее состав. Более того, повышение содержания глинозема в шлаке от обычных пределов от 8 до 14 % до уровня от 20 до 30 % приводит к снижению содержания в стали вредных неметаллических включений, снижает агрессивность шлака к футеровке металлургических агрегатов и устраняет необходимость использования плавикового шпата в сталеплавильном процессе. В литературе имеются сведения об использовании металлического алюминия и оксидных глиноземсодержащих материалов. Есть сведения об использовании дешевых техногенных глиноземсодержащих отходов, в основном, без раскрытия состава отходов и четких указаний на их происхождение. Кроме того, оценивалось влияние ввода глиноземсодержащих отходов на рассыпаемость шлака, а сведения о возможном влиянии ввода отходов на формирование в шлаке гидравлически активных фаз отсутствуют.
Разрабатываемая ИМЕТ УрО РАН технология получения композиционных флюсо-образующих добавок на основе отходов производства вторичного алюминия является конкурентоспособной на рынке аналогичных технологий. При этом ИМЕТ УрО РАН обладает на данный момент конкурентными преимуществами на рынке утилизации и переработки отходов производства вторичного алюминия.
Предлагаемая технология получения композиционных флюсо-образующих добавок на основе отходов производства вторичного алюминия в целом обладает патентной чистотой в отношении изобретений РФ по состоянию на 27 октября 2014 года и охраноспособностью и может быть защищена патентом на изобретение «Способ получения флюсо-образующей добавки».
4. В литературе имеются сведения об использовании металлического алюминия и оксидных глиноземсодержащих материалов. Есть сведения об использовании дешевых техногенных глиноземсодержащих отходов, в основном, без раскрытия состава отходов и четких указаний на их происхождение. Кроме того, оценивалось влияние ввода глиноземсодержащих отходов на рассыпаемость шлака, а сведения о возможном влиянии ввода отходов на формирование в шлаке гидравлически активных фаз отсутствуют.
Авторами проекта выдвинута гипотеза о стабилизирующем действии на шлак добавок солей KCl и NaCl, входящих в состав отходов производства вторичного алюминия. В связи с этим следует изучить влияние других стабилизирующих добавок, вводимых вместе с отходами производства вторичного алюминия и сформировать состав комплексной добавки, оказывающей положительное воздействие, как на шлак, так и на рафинируемую сталь.
5. Для полной реализации результатов проекта необходима организация производства опытных партий флюсов, которые уже в настоящее время позволяют заменить плавиковый шпат при внепечной обработке стали. В процессе использования флюсов сталеплавильные предприятия (ОАО «НСММЗ», ОАО «ЕВРАЗ НТМК», ОАО «ММК» и т.д.) получат информацию о дополнительных свойствах флюсах – их способности менять свойства шлаков, делать их пригодными для использования в строительной отрасли.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1. Разработанные флюсы могут использоваться в процессах внепечной обработки стали (при обработке стали на агрегатах «ковш-печь» и вакууматорах), а также в качестве утепляющих смесей со специально пониженной температурой плавления при разливке стали. Обработанные данными флюсами сталеплавильные шлаки могут использоваться
2. Разработанные в процессе выполнения проекта композиционные флюсо-образующие добавки должны иметь следующий состав:
- содержание хлоридов К и Na, в сумме не более 20,0 масс %,
- содержание оксида магния, не более 12 масс %,
- содержание оксида кремния, не более 10 масс %,
- содержание влаги, не более 1.5 масс. %
- содержание серы, в пересчете на ион не более 0,3 масс. %
Композиционные флюсо-образующие добавки должны:
- предотвращать формирование в структуре затвердевшего ковшевого шлака γ-2CaO·SiO2 и вызывать формирование в шлаке фаз, обладающих гидравлической активностью и обеспечивающих получение минеральных вяжущих веществ с активностью не ниже 30 МПА (вяжущие свойства);
- должны устранять явление саморассыпания ковшевого шлака, стабилизируя структуру затвердевшего шлака, при этом куски затвердевшего шлака должны сохранять геометрическую стабильность в течение неограниченного времени, эффект должен быть обеспечен за счет стабилизации высокотемпературной модификации двухкальциевого силиката β-CaO·SiO2 с предотвращением или сведением к минимуму образования γ-CaO·SiO2 (стабилизация структуры) (металлургические свойства);
- должны содержать металлический алюминий в количестве, достаточном для получения выраженного раскисляющего эффекта при обработке стали в ковше, способствуя снижению содержания оксидов железа в шлаке к концу внепечной обработки стали до уровня не более 1,0-1,5 % (металлургические свойства);
- должны способствовать формированию ковшевых шлаков с вязкостью при температурах обработки стали в «ковше-печи» не более 1,0 Па·с (металлургические свойства).
Такие свойства композиционных флюсо-образующих добавок позволят организовать их использовании в соответствии с п.1 данного раздела.
3. Разработанные флюсы могут использоваться в процессах внепечной обработки стали (при обработке стали на агрегатах «ковш-печь» и вакууматорах), а также в качестве утепляющих смесей со специально пониженной температурой плавления при разливке стали. Обработанные данными флюсами сталеплавильные шлаки могут использоваться в качестве сырья при производстве щебня и вяжущих для получения цемента.
3. Для полной реализации результатов проекта необходима организация производства опытных партий флюсов, которые уже в настоящее время позволяют заменить плавиковый шпат при внепечной обработке стали. В процессе использования флюсов сталеплавильные предприятия (ОАО «НСММЗ», ОАО «ЕВРАЗ НТМК», ОАО «ММК» и т.д.) получат информацию о дополнительных свойствах флюсах – их способности менять свойства шлаков, делать их пригодными для использования в строительной отрасли.
На территории ОАО «НСММЗ» работает (по схеме аутсортинга) предприятие по производству щебня из шлаков электропечи. На этом же предприятии возможно испытание производства щебня из шлака АКП.
Необходима организация производства полупромышленных партий вяжущих на основе шлаков внепечной обработки стали.
У предприятия – индустриального партнера по проекту, имеется совместное предприятие в Венгрии, на котором также предполагается реализация совместных разработок.

Текущие результаты проекта:
1. На основе проведенных анализа литературных источников и патентного поиска сделаны следующие выводы:
1.1. Не смотря на имеющиеся схемы переработки шлаковых отвалов, не решается одна из наиболее острых проблем шлакопереработки – проблема особых, т.н. саморассыпающихся, шлаков черной металлургии. Эти шлаки не могут быть переработаны по реализованным в промышленности схемам, поскольку при затвердевании и охлаждении быстро превращаются в мельчайшую пыль вследствие явления саморассыпания.
1.2. Показано, что есть четыре возможности по предотвращению распада шлаков, имеющих преимущества и недостатки, препятствующие их широкому внедрению в производство. При этом показано, что распад рафинировочного шлака может быть предотвращен изменением его химического состава и оценено влияние ввода глиноземсодержащих отходов на рассыпаемость шлака, а сведения о возможном влияния ввода отходов на формирование в шлаке гидравлически активных фаз отсутствуют.
1.3. Показана перспективность в качестве добавки к шлаку такого материала как отходы производства вторичного алюминия (ОПВА). Они наименее дефицитны и могут поставляться на предприятия по ценам, в несколько раз ниже других материалов и технология использования ОПВА при ковшевой обработке стали может быть очень рентабельной.
2. Показано, что дополнительно следует изучить влияние ОПВА на стойкость футеровки АКП, десульфурирующую способность шлака и поверхностное натяжение шлака на границе металла.
2.1. Выдвинута гипотеза о стабилизирующем действии на шлак добавок солей KCl и NaCl, входящих в состав ОПВА. В связи с этим следует изучить влияние других стабилизирующих добавок, вводимых вместе с ОПВА и сформировать состав комплексной добавки, оказывающей положительное воздействие, как на шлак, так и на рафинируемую сталь.
2.2. Предложено провести совместную восстановительную плавку шлаков ДСП и АКП с целью формирования в шлаке активных фаз портландцементного клинкера и получить состав, близкий к составу портландцементного клинкера. Для этого следует детально изучить методы и технологические особенности получения портландцементного клинкера и чугуна на основе шлаков ДСП и ковшевого шлака.
3. На основании проведенных расчетных и лабораторных исследований показано, с учетом расчетных и измеренных значений вязкости шлаков, данных по рентгено-фазовому анализу этих шлаков, рассчитанных десульфурирующих показателей и показателей межфазного натяжения можно оценить механизм влияния шлако-образующей добавки на характеристики формируемого шлака и определить ее необходимое количество. Авторами проекта предложена методика исследования, позволяющая понять механизм (физическую сущность) влияние и других стабилизирующих добавок, вводимых вместе с ОПВА и сформировать состав комплексной добавки, оказывающей положительное воздействие, как на шлак, так и на рафинируемую сталь.
4. Проведены исследования по введению в состав ОПВА различных стабилизирующих добавок, имеющих более высокую температуру кипения чем, соли NaCl и KCl. Методами ДТГА, рентгенофазового и рентгеноструктурного анализов оценено их воздействие на двухкальциевый силикат шлака и выбраны оптимальные добавки и предварительно определен оптимальный состав композиционных флюсо-образующих добавок и технологические условия их получения.
5. Индустриальным партнером подготовлено и предоставлено к экспериментальным испытаниям по отработке вариантов шихтовки сырья при получении новых флюсо-образующих добавок оборудование.
6. Спроектированы и изготовлены специальные экспериментальные, модельные изложницы для изучения кристаллизации слитка при работе флюсо-образующих добавок как утеплителей.