СПОСОБ ПАКЕТИРОВАНИЯ ЛОМА И ОТХОДОВ ЧЕРНЫХ МЕТАЛЛОВ Российский патент 2008 года по МПК C22B1/248 C22B1/245 

Изобретение относится к технологиям обработки вторичного металлического сырья и может использоваться в металлургии для подготовки отходов и лома черных металлов к переплавке.

Вторичные черные металлы предназначены для использования в качестве металлической шихты в металлургических печах при выплавке стали и чугуна, при изготовлении стальных и чугунных отливок и производства ферросплавов, а также для переработки с целью последующего использования их в металлургических печах. Они подразделяются по содержанию углерода на два класса: стальные лом и отходы и чугунные лом и отходы, а по наличию легирующих элементов - на две категории: А - углеродистые, Б - легированные [ГОСТ 2787-75 Металлы черные вторичные].

В структуре металлических отходов и лома как металлургического сырья большое место занимают легковесные отходы и лом, которые, однако, могут использоваться как металлургическое сырье только после предварительной переработки. Предварительная переработка заключается в их брикетировании и пакетировании - изготовлении брикетов и пакетов, содержащих названные отходы и лом. Как правило, брикетированию подвергаются однородные отходы, например металлическая стружка, а пакетированию - разнородные по форме, но однородные по содержанию отходы, например, они могут быть спрессованы из чистых листовых, полосовых и сортовых металлоотходов и отходов трубного производства, не содержащих лома и отходов цветных металлов. Помимо прочего, брикетирование и пакетирование упрощает транспортировку такого вторичного сырья.

Например, известно брикетирование металлической стружки, которое, как правило, осуществляется путем прессования стружки. Сцепление стружки в брикет происходит за счет механических контактов, возникающих при большой деформации стружки. Достаточно прочные брикеты (пригодные для транспортировки и дальнейшей переработки) получаются при плотности брикета не менее 60-70% от плотности металла, из которого он изготовлен. Давление прессования зависит от пластичности металла и составляет для обычных сталей и чугуна 3-4 т/см². Высокопрочные легированные стали фактически не поддаются брикетированию этим способом, т.к. для их брикетирования в связи с малой пластичностью необходимы более высокие давления, а использование таких давлений ведет к резкому снижению производительности. Для получения брикетов из высокопрочных металлов их прессуют в нагретом состоянии для увеличения пластичности. Сталь и чугун подогревают до температуры 600-700°С, а жаропрочные сплавы - до более высоких температур (примерно 50% от температуры плавления). Нагрев позволяет существенно уменьшить усилие прессования, но сцепление стружки в брикет по-прежнему осуществляется за счет механических контактов, возникающих при большой деформации металла. Брикетирование в нагретом состоянии приводит к окислению металла и в особенности химически активных, дорогостоящих легирующих компонентов.

Известен способ брикетирования металлической стружки, включающий уплотнение стружки до заданной плотности и пропускание через нее электрического тока, причем длительность пропускания электрического тока и его величину определяют из определенных соотношений [Патент РФ №2063304, МПК B22F 3/12, В30В 9/32].

Известен также способ брикетирования металлической стружки, включающий подготовку стружки к брикетированию, засыпку стружки в пресс-форму, уплотнение стружки прессованием до заданной плотности и спекание путем пропускания импульса электрического тока через уплотненную стружку в направлении, перпендикулярном направлению прессования, при этом электроды выполняют неподвижными и размещают их на стенках камеры прессования и спекания пресс-формы [Патент РФ №2175019, МПК С22В 1/248].

Известен способ брикетирования металлической стружки, включающий ее дробление, очистку, добавление связующего материала, перемешивание и уплотнение в пресс-форме, где в качестве связующего материала используют металлический порошок, полученный обогащением шламовых отходов металлообработки в определенном количестве [А.С. СССР №1375475, МПК В30В 9/32].

В качестве шихтовой составляющей при выплавке стали в кислородных конверторах и дуговых электропечах используется габаритный лом, подготовленный на пакетировочном прессе. При этом в завалку задают как пакеты лома в форме параллелепипеда массой 2500-3000 кг в количестве 10-20%, так и кусковой лом с массой куска 400-800 кг (80-90%).

В соответствии с ГОСТ 16482 лом подразделяют на мягкий (марки 11А, 12А) и твердый (марки 3А, 5А). К мягкому лому относится стальной лист и полоса, мелкий и средний сортовой прокат, отходы трубного производства, кровельное железо, бытовой лом и т.п. Твердый лом представляет собой обрезки заготовок, слитков, слябов, крупный сортовой прокат.

Известен также способ переработки металлических лома и отходов на пакетировочном прессе путем дозированной загрузки камеры прессования и последовательного постадийного прессования, согласно которому камеру загружают ломом и отходами офсетных пластин на 50-80%, при этом часть лома и отходов офсетных пластин располагают их продольной осью перпендикулярно направлению штемпеля второй ступени прессования [Патент РФ №806939, МПК В30В 9/32, 1993].

Известен также способ производства габаритного лома для сталеплавильных агрегатов путем пакетирования, включающий сортировку и загрузку в камеру прессования смеси мягкого лома с жестким, последовательное трехкоординатное прессование пакета в форме параллелепипеда за три ступени с помощью плоских штемпелей и последующее выталкивание пакета по склизу на приемную площадку [С.Ф.Чукмасов и др. Пакетирование стального лома. - Киев, Техника, 1967, с.27, 95-98].

Известен также способ производства габаритного лома путем пакетирования, включающий загрузку в камеру прессования смеси мягкого лома с жестким, последовательное трехкоординатное прессование пакета в форме параллелепипеда за три ступени с помощью плоских штемпелей и последующее выталкивание пакета по склизу на приемную площадку, отличающийся тем, что для получения за один цикл пакетирования нескольких габаритных кусков, пакетированию подвергают смесь с соотношением масс мягкого и жесткого лома в пределах 1:5-12 [Патент РФ №2222616, МПК С22В 1/248]. На завершающей ступени прессование пакета ведут с рабочим удельным давлением 2-15 МПа.

Известен способ, по которому стальные отходы в форме крошки или порошка обрабатывают путем холодного прессования, чтобы придать им форму, при давлении 200-400 Н/мм² таким образом, чтобы достичь плотности по меньшей мере 2.5 г/см³ и прочности всырую по меньшей мере 300 Н/мм² [ЕР 0275816, МПК С22В 1/248, С22В 1/14]. Этот способ является ближайшим аналогом предлагаемого и принят за прототип изобретения.

Металлоломные пакеты, полученные приведенными выше известными способами, в том числе и способом-прототипом, имеют ряд серьезных недостатков, ограничивающих их применение в металлургии, а именно:

- большой угар железа при переработке;

- внесение вредных примесей в сталь (цинк, краска и т.д.)

- низкая плотность пакетов, что создает серьезные технологические проблемы при загрузке печи;

- большая длительность плавки, что сказывается на производительности печи;

- высокие расходные коэффициенты и, соответственно, высокая себестоимость производства стали, обусловленная снижением производительности печи.

Предлагаемое изобретение решает задачу создания способа пакетирования лома черных металлов, позволяющего снизить угар железа при переработке пакетов, снизить количество вредных примесей, увеличить плотность пакетов, снизить длительность их плавки и снизить себестоимость производства стали, получаемой с использованием металлопакетов.

Поставленная задача решается тем, что предлагается способ пакетирования лома и отходов черных металлов, по которому названные лом и отходы черных металлов помещают в прессовочную камеру и воздействуют на них давлением, причем в камеру дополнительно помещают мелкодисперсный железосодержащий материал и мелкодисперсный углеродсодержащий материал при следующем содержании названных компонентов, мас.%:

- лом и отходы черных металлов - 50-90

- тонкодисперсный железосодержащий материал - 5-35

- углеродсодержащий материал - остальное.

Соотношение указанных компонентов определяется в каждом случае отдельно на основе данных стехиометрического анализа, исходя из того, каким образом в дальнейшем будет использоваться металлоломный пакет - для карбюризации или для декарбюризации.

Оптимальными размерами частиц для дисперсных материалов здесь являются размеры до 15 мм.

Мелкодисперсоным железосодержащим материалом может быть трифалин, или окалина прокатного производства, например, содержащая мас.%: Fe - 67-70, FeO - 45-50, Fe₂O₃ - 45-50, или железнорудный концентрат, или шлам прокатного производства.

Мелкодисперсным углеродсодержащим материалом может быть уголь различных типов, например уголь каменный неагломерированный. Энергетическая ценность такого угля - 6200 ккал/кг. Следует отметить, что хотя в качестве углеродсодержащего материала может использоваться практически любой уголь, однако наиболее эффективно использовать уголь со следующими показателями:

- зольность до 18%

- содержание влаги до 10%

- выход летучих веществ до 5%

- содержание углерода не менее 80%

- содержание серы до 0,5%.

При пакетировании лома, предназначенного для дальнейшего использования в производстве низкоуглеродистого чугуна, целесообразно дополнительно использовать связующий материал. Также его необходимо использовать в том случае, если железосодержащий материал не обладает достаточными связующими свойствами. Например, при использовании трифалина в качестве железосодержащего материала связующий материал не требуется, а при использовании окалины прокатного производства он необходим. При введении связующего материала содержание лома и отходов черных металлов и железосодержащего материала остается в ранее указанных пределах, а углеродсодержащего материала варьируется в пределах 3-25 мас.%, а остальное - связующий материал.

Связующим материалом могут быть лигносульфонаты различных видов:

- лигносульфонаты технические жидкие (ЛСТ) [ТУ 13-0281036-029-94, ОСТ 13-183-83, ОСТ 81-04-546-79. Концентраты сульфитно-дрожжевой бражки, концентраты бардяные жидкие] - однородная густая жидкость темно-коричневого цвета;

- лигносульфонаты технические порошкообразные (ЛСТП) [ТУ 2455-002-00281039-2000] - порошок от светло-коричневого до темно-коричневого цвета. Порошок растворяют в воде в весовом соотношении 1,1-1,2: 1 при механическом перемешивании в течение нескольких минут при температуре воды 20-70°С до полного растворения порошка;

- лигносульфонаты жидкие модифицированные (ЛСМ) [ТУ 2455-001-00281039-2001], обладающие улучшенными связующими свойствами.

Также в качестве связующего материала может использоваться каолиновая глина и другие вещества, химически нейтральные, но обладающие необходимыми схватывающими свойствами.

Для осуществления пакетирования удельное давление в прессовочной камере целесообразно поддерживать на уровне 870-935 тс/м².

Для обеспечения однородности пакета целесообразно осуществлять процесс в две стадии, на первой из которых в прессовочную камеру помещают первую часть лома и отходов черных металлов, добавляют смесь железосодержащего материала, углеродсодержащего материала и, если он необходим, связующего материала, после этого в прессовочную камеру помещают вторую часть лома и отходов черных металлов, после чего на содержимое камеры воздействуют давлением (подвергают прессованию).

Способ осуществляют следующим образом. Подготовленные мелкодисперсный железосодержащий материал, например окалину прокатного производства, содержащую мас.%: Fe - 67-70, FeO - 45-50, Fe₂О₃ - 45-50, и имеющую размер частиц до 15 мм, мелкодисперсный углеродсодержащий материал, например неагломерированный уголь с размером частиц до 15 мм, и связующий материал, например жидкие лигносульфонаты, загружают в мульду и перемешивают до состояния «мокрого творога» с получением железоуглеродсодержащей смеси. В камеру пресса СПА-1000 загружают, например, 1/2 объема легковесного лома и отходов черных металлов. На лом и отходы высыпают подготовленную в мульде железоуглеродсодержащую смесь. После этого на смесь загружают оставшуюся 1/2 часть объема лома и отходов черных металлов. Далее производят прессование этой шихты при давлении 870-935 тс/м².

В результате получают металлоломные пакеты, обладающие рядом преимуществ в сравнении с ранее известными пакетами: высокой плотностью, меньшей длительностью плавки и меньшей себестоимостью полученной с их участием стали.

Полученный металлоломный пакет характеризуется развитым межфазным контактом углерода с оксидами железа. В мелкодисперсных системах твердый углерод взаимодействует непосредственно с оксидами железа настолько интенсивно, что в зависимости от температуры система может сравниться по эффективности с системой косвенного (газового) восстановления.

Эффект взаимодействия определяется диссоциацией оксидов железа и термоэлектронной эмиссией твердого углерода и пропорционален повышению температуры в системе.

Твердый углерод проявляет себя как более сильный восстановитель, чем оксид углерода CO и водород Н₂. Вместе с тем он компактен, располагается в теле металлоломного пакета, не требуя отдельно выделенного объема. Для осуществления реакции восстановления твердым углеродом требуется нагревание, и далее, путем регулирования температурного режима, могут быть достигнуты эффективное использование углерода и формирование желаемого состава металла и шлака. Другими словами, предлагаемый способ позволяет путем изменения соотношения оксида железа и углерода направлять работу углерода либо только на восстановление оксида железа, либо на восстановление с последующим науглероживанием железа.

Действие углерода в системе «оксиды железа - углерод» зависит от:

- развитости межфазного пространства, т.е. от фракционности использованных компонентов;

- открытой пористости пакетов, дающей возможность вовлечения в той или иной мере атмосферы металлургической печи в процессы, протекающие в пакете;

- равномерности и степени подъема температуры по объему пакета, поэтому целесообразно использовать углеродсодержащий материал с мелким размером фракций - до 15 мм.

При применении более крупной фракции углеродосодержащего материала уменьшается эффективность диссоциационно-адсорбционного механизма течения реакции и, следовательно, она должна компенсироваться повышенным содержанием углерода в металлоломном пакете с развитием реакции косвенного восстановления как за счет восстановительных газов атмосферы печи, так и за счет образующегося CO от углерода, содержащегося в пакете, тем самым снижая эффективность прямого восстановления.

Получаемый описанным способом металлоломный пакет может быть использован как карбюризатор при производстве стали вместо товарного чугуна.

Существует возможность использования в пакете многих видов тонко- и мелкодисперсных легирующих, металлофлюсоуглеродсодержащих отходов металлургических переделов.

Предлагаемый способ получения металлоломных пакетов не требует значительных энергетических затрат, т.к. совмещен с обычной технологией изготовления пакета.

Таким образом, предлагаемый способ пакетирования лома черных металлов позволяет снизить угар железа при дальнейшей переработке пакетов, снизить количество вредных примесей, увеличить плотность пакетов, снизить длительность плавки пакетов и снизить себестоимость производства стали с использованием этих пакетов.

Пример 1.

В мульду для металлолома помещают трифалин (отходы анилино-красочного производства) с частицами разного размера до 15 мм - 200 кг, уголь МТЛ с частицами разного размера до 15 мм - 40 кг и перемешивают. В камеру пресса СПА-1000 помещают легковесный лом черных металлов - 350 кг. Далее в камеру пресса добавляют содержимое мульды и затем - легковесный лом черных металлов - 250 кг. После этого осуществляют прессование шихты в штатном режиме работы пресса при давлении 935 тс/м².

В результате получают металлоломный пакет общим весом 840 кг, плотностью 2*10³ кг/м³, прочностью на излом 4,0 МПа и осыпаемостью 3%.

Пример 2.

В мульду для металлолома помещают прокатную окалину - 200 кг, уголь МТЛ с размером фракции 3-10 мм - 40 кг, лигносульфонат жидкий - 10 кг и перемешивают до состояния «мокрого творога». В камеру пресса СПА-1000 помещают легковесный лом черных металлов - 350 кг. Далее в камеру пресса добавляют содержимое мульды и затем - легковесный лом черных металлов - 350 кг. После этого осуществляют прессование шихты в штатном режиме работы пресса при давлении 870 тс/м².

В результате получают металлоломный пакет общим весом 850 кг, плотностью 2*10³ кг/м³, прочностью на излом 5,0 МПа и осыпаемостью 2%.

Изобретение относится к технологиям обработки вторичного металлического сырья и может быть использовано в металлургии для подготовки отходов и лома черных металлов к переплавке. Лом и отходы черных металлов, а также мелкодисперсный железосодержащий материал и мелкодисперсный углеродсодержащий материал помещают в прессовочную камеру и воздействуют на них давлением. При этом соотношение компонентов следующее, мас.%: лом и отходы черных металлов - 50-90, тонкодисперсный железосодержащий материал - 5-35, углеродсодержащий материал - остальное. Изобретение позволяет снизить угар железа при переработке пакетов, снизить количество вредных примесей в пакетах, увеличить плотность пакетов, снизить длительность плавки пакетов и снизить себестоимость производства стали с использованием пакетов. 13 з.п. ф-лы.

1. Способ пакетирования лома и отходов черных металлов, включающий помещение лома и отходов черных металлов в прессовочную камеру и воздействие давлением, отличающийся тем, что в камеру дополнительно помещают мелкодисперсный железосодержащий материал и мелкодисперсный углеродсодержащий материал при следующем содержании компонентов, мас.%:

лом и отходы черных металлов 50-90 мелкодисперсный железосодержащий материал 5-35 мелкодисперсный углеродсодержащий материал остальное.