СПОСОБ ДЕСУЛЬФУРАЦИИ ШЛАКА Российский патент 2001 года по МПК C21C5/54 C21C7/64 

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано при получении флюса для электрошлакового переплава и электрошлаковой сварки, например наплавки прокатных валков и роликов МНЛЗ, а также при получении синтетического шлака для десульфурации чугуна и стали.

Известен способ десульфурации шлаков, включающий обработку шлакового расплава кислородсодержащим газом с парциальным давлением кислорода, обеспечивающим минимальную сорбционную способность шлака по отношению к сере, в котором кислород связан в химические соединения при его содержании X₀ = 33-67 ат.% (см. авт. св. СССР N 1386665, C 21 C 7/064).

Известный способ хотя и обеспечивает низкое содержание серы в шлаке, тем не менее является экологически опасным из-за образования и выделения в атмосферу токсичных соединений SO₂ и H₂S. Это происходит в результате того, что при продувке шлака сера вступает в химическое взаимодействие с газами
2(CaS) + 3O₂ = 2(CaO) + 2SO₂,
(CaS) + H₂O = (CaO) + H₂S
с образованием токсичных соединений.

Наиболее близким аналогом является способ получения шлака для обработки чугуна, включающий продувку жидкого доменного шлака природным газом и кислородом при соотношении 1: (2,4-2,8) до 1410-1600^oC (см. авт. св. СССР N 1777355, C 21 C 5/54).

Недостатком известного способа является образование и выделение в атмосферу значительного количества токсичных газов SO₂ и H₂S, образующихся за счет того, что происходит взаимодействие серы, находящейся в шлаке, с кислородом и природным газом по следующим реакциям
2(CaS) + 3O₂ = 2(CaO) + 2SO₂,
(CaS) + O₂ + CH₄ = (CaO) + CO + H₂S.

В основу изобретения поставлена задача разработать способ десульфурации шлака, который обеспечил бы экологически безопасное получение шлака с низким содержанием серы за счет связывания серы в нетоксичное газообразное соединение.

Поставленная задача решается тем, что в известном способе десульфурации шлака, включающем продувку жидкого доменного шлака кислородсодержащим газом, согласно изобретению перед продувкой в жидкий доменный шлак вводят плавиковый шпат, а после продувки полученный расплав гранулируют.

При этом расход плавикового шпата определяют по зависимости
g_п.ш. = 80[(S)_шл - (S)_тр],
где g_п.ш. - расход плавикового шпата, кг/т шлака;
(S)_шл - содержание серы в исходном шлаке,%;
(S)_тр - требуемое содержание серы в шлаке после десульфурации,%;
80 - эмпирический коэффициент, характеризующий взаимодействие плавикового шпата с серой.

А расход кислородсодержащего газа определяют по зависимости
V = 0,28 kg_п.ш.
где V - расход кислородсодержащего газа, м³/т расплава;
k - коэффициент, учитывающий долю активного кислорода в газе;
g_п.ш. - расход плавикового шпата, кг/т шлака;
0,28 - эмпирический коэффициент.

Жидкий доменный шлак является отходом производства чугуна и имеет следующий химический состав, мас.%: CaO 37-42, SiO₂ 35-40, MgO 5-8, Al₂O₃ 12-17, FeO 0,5-2, S 0,5-1.

Плавиковый шпат является концентратом минерального сырья (флюорита) и имеет следующий химический состав, мас.%: CaF₂ 92-97, SiO₂ 1,5, CaCO₃ 1,5-3, S до 0,2 (см. ГОСТ 29220 - 91. Концентраты плавикошпатовые металлургические. 1991).

Известно применение плавикового шпата в способах десульфурации чугуна и стали (см. патент ФРГ N 2559188, C 21 C 7/064; патент США N 4315773, C 21 C 7/064). В известных способах десульфурации плавиковый шпат используется в качестве разжижителя, снижающего вязкость шлака и повышающего тем самым подвижность ионов и молекул, что приводит к увеличению скорости протекания реакции перехода серы из металла в шлак
(CaO) + [FeS] = (CaS) + (FeO).

В заявляемом способе десульфурации плавиковый шпат так же, как в вышеуказанном способе проявляет известное свойство разжижителя доменного шлака, обеспечивающего увеличение скорости протекания химических реакций в шлаке.

Однако, наравне с известным свойством, плавиковый шпат, вводимый в жидкий доменный шлак в заявляемом количестве, проявляет новое техническое свойство, заключающееся в том, что он является связующим серы в нетоксичное соединение в соответствии с реакцией
3(CaF₂) + (CaS) + 4(FeO) = 4(CaO) + 4Fe + SF₆.

А так как оксидов железа, находящихся в шлаке, недостаточно для максимального связывания всей серы, то для более полного протекания реакции взаимодействия с серой и связывания ее в нетоксичное соединение осуществляют продувку шлака кислородсодержащим газом (например, кислородом, или воздухом, или перегретым паром и т.п.). Причем в заявляемом способе десульфурации установление строгой зависимости между расходом кислородсодержащего газа и расходом плавикового шпата обеспечивает оптимальное связывание серы в газообразное нетоксичное соединение SF₆ по реакции
3(CaF₂) + (CaS) + 3O₂ - 4(CaO) + SF₆,
так как в этом случае кислород выступает в роли активизатора процесса связывания серы.

На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что для специалиста заявляемый способ десульфурации не следует явным образом из известного уровня техники, а следовательно соответствует условию патентоспособности - "изобретательский уровень".

Способ десульфурации шлака осуществляют следующим образом.

В подготовленный шлаковый ковш выпускают жидкий доменный шлак с температурой 1450-1500^oC, в который по ходу выпуска вводят плавиковый шпат, имеющий температуру плавления 1419^oC.

При этом расход плавикового шпата на тонну шлака определяют по зависимости
g_п.ш.=80[(S)_шл-(S)_тр],
где g_п.ш. - расход плавикового шпата, кг/т шлака;
(S)_шл - содержание серы в исходном шлаке,%;
(S)_тр - требуемое содержание серы в шлаке после десульфурации,%;
80 - эмпирический коэффициент, характеризующий взаимодействие плавикового шпата с серой.

Для обеспечения более полного растворения в жидком доменном шлаке плавикового шпата последний целесообразно подавать порциями с интервалом 1-2 мин.

При осуществлении данной операции плавиковый шпат, растворяясь в жидком доменном шлаке, обеспечивает снижение температуры плавления последнего, что приводит к снижению вязкости и повышению текучести получаемого расплава. Это способствует увеличению скорости взаимодействия плавикового шпата с оксидами железа, содержащимися в шлаке, в результате чего уже на этой стадии происходит частичное связывание серы в нетоксичное газообразное соединение по реакции
3(CaF₂) + (CaS) + 4(FeO) = 4(CaO) + 4Fe + SF₆.

Последующая продувка полученного расплава кислородсодержащим газом, например кислородом, позволяет обеспечить оптимальное связывание серы в нетоксичное газообразное соединение по реакции
3(CaF₂) + (CaS) + 3O₂ = 4(CaO) + SF₆.

При этом в качестве кислородсодержащего газа можно использовать воздух, перегретый до 400-500^oC водяной пар и др.

Оптимальный расход кислородсодержащего газа при продувке расплава определяют по следующей зависимости
V=0,28 kg_п.ш..,
где V - расход кислородсодержащего газа, м³/т расплава;
k - коэффициент, учитывающий долю активного кислорода в газе;
g_п.ш. - расход плавикового шпата, кг/т шлака;
0,28 - эмпирический коэффициент.

Строгое соблюдение соотношения между расходом кислородсодержащего газа и расходом плавикового шпата, определяемых по заявляемой зависимости, обеспечивает максимальное связывание серы в нетоксичное газообразное соединение SF₆, исключая при этом возможность образования побочных токсичных соединений серы, таких как SO₂, H₂S.

При меньшем расходе кислородсодержащего газа на продувку расплава не достигается полное связывание серы, и степень десульфурации шлака будет меньше заданной, а при излишнем расходе газа процесс переходит на прямое окисление серы с выделением токсичного соединения SO₂.

После продувки кислородсодержащим газом расплава осуществляют грануляцию последнего любым известным способом. При этом достигается значительное увеличение активной поверхности расплава, что дополнительно способствует оптимальному связыванию серы в нетоксичное газообразное соединение SF₆ на окончательной стадии протекания процесса десульфурации, что обеспечивает низкое содержание серы (до 0,002%) в конечном продукте и экологическую безопасность технологии.

Для обоснования преимуществ заявляемого способа по сравнению с прототипом были проведены лабораторные испытания.

Доменный шлак с содержанием S = 0,85% расплавляли и нагревали в печи Грамолина до t = 1500^oC. Затем шлак выпускали в ковш, добавляя плавиковый шпат в количестве, определяемом по заявляемой зависимости. Затем полученный расплав продували кислородсодержащим газом и гранулировали. Результаты экспериментов представлены в таблице.

Как видно из таблицы, заявляемый способ в сравнении со способом, взятым за прототип, позволяет снизить содержание серы в конечном продукте в 1,33-2,0 раза.

Заявляемый способ десульфурации экологически безопасен, прост в осуществлении и позволяет прогнозировать и регулировать содержание серы в конечном продукте.

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано при получении флюса для электрошлакового переплава и электрошлаковой сварки, а также при получении синтетического шлака для десульфурации чугуна или стали. Изобретение обеспечивает экологически безопасное получение шлака с низким содержанием серы путем связывания ее в нетоксичное газообразное соединение SF₆. В процессе выпуска жидкого доменного шлака в него вводят плавиковый шпат, после чего расплав продувают кислородсодержащим газом, а затем расплав гранулируют. Расход плавикового шпата и кислородсодержащего газа определяют по заявляемым расчетным зависимостям. 1 табл.

Способ десульфурации шлака, включающий продувку жидкого доменного шлака кислородсодержащим газом, отличающийся тем, что перед продувкой в жидкий доменный шлак вводят плавиковый шпат, расход которого определяют по зависимости
g_п.ш = 80[(S)_шл - (S)_тр],
где g_п.ш - расход плавикового шпата, кг/т шлака;
(S)_шл - содержание серы в исходном шлаке, %;
(S)_тр - требуемое содержание серы в шлаке после десульфурации, %;
80 - эмпирический коэффициент, характеризующий взаимодействие плавикового шпата с серой,
расход кислородсодержащего газа для продувки шлака определяют по зависимости
V = 0,28 · kg_п.ш,
где V - расход кислородсодержащего газа, м³/т расплава;
k - коэффициент, учитывающий долю активного кислорода в газе;
g_п.ш - расход плавикового шпата, кг/т шлака;
0,28 - эмпирический коэффициент,
а после продувки полученный расплав гранулируют.