Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка технологии пирометаллургического восстановления шлаков сталеплавильного производства

Номер контракта: 14.574.21.0090

Руководитель: Чуманов Илья Валерьевич

Должность: заведующий кафедрой общей металлургии

Организация: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет)"
Организация докладчика: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Уральский государственный университет"(национальный исследовательский университет)

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
металлургические шлаки, технологии переработки, твердофазное и жидкофазное восстановление, шлаковые расплавы, фазовые превращения, кинетика

Цель проекта:
Цель исследования – 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:
На первом этапе выполнения ПНИ выполнены прикладные научные исследования направленные, прежде всего, на выбор конкретных путей достижения цели ПНИ.
1. Проведён анализ научно-технической литературы, нормативно-технической документации и других материалов, относящихся к разрабатываемой теме. В частности проанализированы различные подходы, использующиеся для переработки шлаков металлургического производства. Особое внимание уделено разработкам последних лет.
2. Проведенные патентные исследования позволяют сделать вывод о новизне научных, конструкторских и технологических решений, которые предполагается реализовать в рамках дальнейших работ над выполнением проекта, а также о том, что результаты работы способны к правовой охране на территории Российской Федерации.
3. Проведены работы по обоснованию выбора направления исследований (в части схемы переработки шлаков сталеплавильного производства), методов и средств изучения структуры, состава и свойств экспериментальных образцов (описаны методики, указаны их преимущества и недостатки). Проведены и описаны предварительные эксперименты, направленные на уточнение ряда параметров методик, рекомендованных к дальнейшему использованию. Продемонстрировано, что предложенные научные и технологические решения обладают признаками новизны.
4. Осуществлено термодинамическое моделирование процессов пирометаллургического восстановления шлаков сталеплавильного производства различного химического и фазового состава. Разработана адекватная экспериментальным данным модель процесса.
5. Осуществлены работы по обеспечению теоретических исследований поставленных перед ПНИ задач необходимым программным обеспечением.
6. Индустриальным партнером ООО "Южно-Уральской машиностроительной компанией" проведены работы по комплексному изучению шлаковых отвалов Златоустовского металлургического завода – химического и фракционного состава шлаков, объёмов, местоположения и условий возможной транспортировки. В частности проведён комплексный анализ химического и фазового состава отвальных шлаков ОАО «ЗМЗ». Методом локальной рамановской (КР) спектроскопии установлено, что оксидные компоненты шлаков не образуют самостоятельных фаз, а входят в состав сложных соединений.
На втором этапе выполнения ПНИ выполнены прикладные научные исследования направленные, прежде всего, на совершенствование теоретических основ решения поставленных перед ПНИ задач.
1. Проанализированы методы и средства изучения процессов восстановления (описаны методики, указаны их преимущества и недостатки). Разработаны программа и методики физико-химического исследования процессов пирометаллургического восстановления шлаков сталеплавильного производства.
2. В лабораторных условиях исследованы процессы пирометаллургического восстановления шлаков сталеплавильного производства различного химического и фазового состава. Установлено, что в результате восстановительных процессов при температурах 1100-1200 °C происходит увеличение обособленности и извлекаемости металлической составляющей, что подтверждено результатами химического анализа магнитной и немагнитной части шлака до и после твердофазного восстановления. Полученные результаты подтверждают ранее сделанное предположение, что интенсивное восстановление металлов начинается при температуре выше 1100 °С. Неполное восстановление и извлечение железосодержащих фаз и значительный рост магнитной части после твердофазного восстановления при температурах 1100-1300 °C указывает на то, что данный тип термообработки следует рассматривать как способ первичной обработки шлаков, а сам процесс восстановления необходимо проводить при более высоких температурах, которые соответствуют жидкофазному восстановлению.
В результате исследования установлено, что наиболее эффективное жидкофазное восстановление металла наблюдается для образцов магнитной части отвального шлака, ранее восстановленных твёрдофазным методом. Получен железоуглеродистый расплав, содержащий Cr, Ni, Mn, V, Ti и другие элементы, соответствующие легированному чугуну. Показано, что степень восстановления и извлечения железа из магнитной части шлака возрастает после предварительного процесса твердофазного восстановления.
3. Проведены работы, направленные на обеспечение экспериментальных исследований поставленных перед ПНИ задач необходимым оборудованием. Разработан и создан прототип установки для магнитной сепарации мелкораздробленного шлака на постоянных магнитах, а также разработана конструкция трубчатой печи для термообработки шлаков, позволяющая значительно ускорить процесс подготовки шлаков к высокотемпературному жидкофазному восстановлению.
4. Осуществлены научно-исследовательские работы, целью которых стала подготовка к экспериментальному изучению процессов пирометаллургического восстановления шлаков сталеплавильного производства различного химического и фазового состава на базе экспериментального образца установки пирометаллургического восстановления шлаков сталеплавильного производства.
Основные характеристики полученных на данном этапе результатов исследования - большой объём, научная новизна и ориентированность на глубокую переработку твёрдых отходов металлургического производства.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Конечный продукт, создаваемый с использованием полученных результатов - новая технология переработки шлаков сталеплавильного производства, включающая процесс пирометаллургического восстановления ценных металлов из их оксидов, для уменьшения техногенной нагрузки на окружающую среду и получения ценных вторичных ресурсов.
Сталеплавильные шлаки являются сложным объектом для исследования и переработки, поэтому использование даже традиционных методов исследования применительно к ним требует творческого подхода и позволяет получать результаты обладающие научной новизной.
Полученные результаты полностью соответствуют требованиям плана-графика и потому соответствуют требованиям, предъявляемым к проекту.
Результаты соответствуют мировому состоянию исследований в данной области и отчасти опережают их. Такой вывод позволяет сделать анализ литературы по теме исследования, и в частности данные работ:
1. Sanjay Kumar, Rakesh Kumar, Amitava Bandopadhyay. Innovative methodologies for the utilisation of wastes from metallurgical and allied industries // Resources, Conservation and Recycling, Volume 48, Issue 4, October 2006, Pages 301-314.
2. Dirk Durinck, Fredrik Engström, Sander Arnout, Jeroen Heulens, Peter Tom Jones, Bo Björkman, Bart Blanpain, Patrick Wollants. Hot stage processing of metallurgical slags // Resources, Conservation and Recycling, Volume 52, Issue 10, August 2008, Pages 1121-1131.
3. Gudim, Yu.A., Golubev, A.A., Ovchinnikov, S.G., and Zinurov, I.Yu., Waste-free processing of steelmaking slags, Steel Transl., 2009, vol. 39, no. 7, pp. 612–614.
4. B. Das, S. Prakash, P.S.R. Reddy, V.N. Misra. An overview of utilization of slag and sludge from steel industries // Resources, Conservation and Recycling, Volume 50, Issue 1, March 2007, Pages 40-57.
5. Menad N., Kanari N., Save M.. Recovery of high grade iron compounds from LD slag by enhanced magnetic separation techniques // International Journal of Mineral Processing, Volume 126, 10 January 2014, Pages 1-9.
6. Huiting Shen, E Forssberg, Ulf Nordström. Physicochemical and mineralogical properties of stainless steel slags oriented to metal recovery // Resources, Conservation and Recycling, Volume 40, Issue 3, February 2004, Pages 245-271.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Полученные результаты и разработанная технология должны быть ориентированы на широкое применение в организациях, разрабатывающих и совершенствующих (в том числе и в рамках международного сотрудничества) процессы переработки шлаков сталеплавильного производства, а также на промышленные предприятия чёрной металлургии. Результаты работы, полученные на данном этапе, будут использованы на следующих этапах настоящего исследования. Полученные результаты станут важным вкладом в разработку технических решений, направленных на переработку шлаков сталеплавильного производства и окажут влияние на развитие соответствующего научно-технического направления.
Основным следствием внедрения результатов проекта станет уменьшение отрицательного техногенного воздействия на окружающую среду. Ликвидация существующих шлаковых отвалов сталеплавильного производства и не допущение образования новых отвалов позволит существенно улучшить экологическую обстановку в ряде городов, в которых действуют предприятия чёрной металлургии.
Основной формой коммерциализации полученных результатов проекта станет продажа технологии переработки шлаков сталеплавильного производства, а также изготовление и продажа оборудования, которое можно использовать для реализации разработанной технологии.

Текущие результаты проекта:
На текущем этапе выполнения работы:
1. Разработана эскизная конструкторская документация для экспериментального образца установки пирометаллургического восстановления шлаков сталеплавильного производства.
2. Изготовлен экспериментальный образец установки пирометаллургического восстановления шлаков сталеплавильного производства.
3. Разработана программа и методики исследовательских испытаний экспериментального образца установки пирометаллургического восстановления шлаков сталеплавильного производства.
4. Разработана программа и методики экспериментального изучения процессов подготовки шлаков сталеплавильного производства к пирометаллургическому восстановлению.
5. Разработана эскизная конструкторская документация для агрегатов для подготовки шлаков сталеплавильного производства к пирометаллургическому восстановлению.
6. Исследованы результаты процессов подготовки шлаков сталеплавильного производства к пирометаллургическому восстановлению. Разработаны рекомендации по оптимизации процессов подготовки шлаков.
7. Экспериментальные исследования поставленных перед третьим этапом ПНИ задач обеспечены необходимым оборудованием.
8. Осуществлены работы по проведению оценки РИД, полученных при выполнении ПНИ, с целью их вовлечения в хозяйственный оборот.
9. Представители коллектива приняли участие в мероприятиях, направленных на освещение и популяризацию промежуточных результатов ПНИ.