СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ СТАЛЕПЛАВИЛЬНЫХ ШЛАКОВ С ПОЛУЧЕНИЕМ ЦЕМЕНТНОГО КЛИНКЕРА И ЧУГУНА Российский патент 2013 года по МПК C04B7/44 C21B3/04 C21B11/08 

Изобретение относится к области вторичной металлургии, защиты окружающей среды и промышленности строительных материалов.

Объем производства стали в мире и нашей стране непрерывно увеличивается. Побочным продуктом производства стали является отработавший основной шлак, количество которого в различных сталеплавильных процессах равно 12-16% от массы выплавленной стали. Годовое производство сталеплавильного шлака в мире в настоящее время составляет 230-280 млн. тонн. Длительное время отработавший сталеплавильный шлак почти нигде не использовался и складировался в шлаковых отвалах металлургических заводов, в которых накопилось огромное количество шлака. Шлаковые отвалы металлургических заводов занимают значительные площади и отрицательно влияют на окружающую среду. В то же время отработавшие сталеплавильные шлаки содержат значительное количество железа в виде корольков и мелкого скрапа (до 10-15% к массе шлака), а также в виде оксидов железа (до 40% к массе шлака) [1, 2]. Содержание оксида кальция в таких шлаках составляет обычно 30-50% от массы шлака. В последнее время сталеплавильный шлак, находящийся в отвалах, начали перерабатывать с целью извлечения из него металлического железа методами электромагнитной сепарации после тонкого измельчения в специальных устройствах. При этом оксиды железа из шлака практически не извлекаются, а остаток шлака рационально не используется [3].

Пирометаллургические способы переработки отработавших сталеплавильных шлаков позволяют извлечь из расплавленного шлака в виде чугуна, как металлическое железо, так и железо, находящееся в оксидной форме, путем его восстановления углеродом. Оставшийся расплавленный шлак может быть использован для получения портландцементного клинкера путем некоторой корректировки его состава.

Обычно портландцементный клинкер производят из глины и известняка, добываемых в карьерах. Эти горные породы после подготовки спекают при высокой температуре в специальных печах. В обыкновенном портландцементном клинкере содержится, %: CaO 62-67; SiO₂ 20-24; Al₂O₃ 4-7; Fe₂O₃ 2-5. Процентное содержание минералов в клинкере находится в пределах: алит 3CaO·SiO₂ 42-60; белит 2CaO·SiO₂ 15-50; трехкальциевый алюминат 3CaO·Al₂O₃ 2-15; четырехкальциевый алюмоферрит 4CaO·Al₂O_3·Fe₂O₃ 10-25. В клинкере могут присутствовать в небольшом количестве в свободном виде оксиды кальция (СаО) и магния (MgO), ухудшающие свойства цемента, если их количество выше допустимого [4].

Применяемая технологическая схема получения портландцементного клинкера имеет ряд недостатков.

Так как минералы, определяющие свойства цемента, образуются при спекании шихты в твердофазном состоянии, скорость их образования мала, и для повышения производительности процесса увеличивают температуру и длительность обжига клинкера, а также тщательно измельчают шихтовые материалы, соответственно, растет цена клинкера.

Окружающей среде наносится ущерб при сооружении и эксплуатации карьеров и в результате значительного пылевыделения в процессе производства клинкера.

В связи с этим усиливается интерес к процессам получения цементного клинкера сплавлением шихтовых материалов. При получении плавленого клинкера процессы образования необходимых минералов протекают в жидкой фазе быстрее и полнее, чем при спекании шихты. Поэтому затраты энергии на получение плавленого клинкера не превышают такие затраты при получении клинкера спеканием.

Для получения плавленого клинкера обычно предлагают использовать высокотемпературные плазменные электропечи, например [5, 6].

Предлагаемые варианты не обеспечивают достаточно высокую производительность процесса получения клинкера в связи с отсутствием высокопроизводительных плазменных печей.

Предлагается заменить часть природного сырья при производстве цементного клинкера на различные промышленные отходы, преимущественно металлургические шлаки, для уменьшения затрат на добычу и подготовку сырья и ущерба, наносимого окружающей среде [6-8].

Но упомянутые способы предусматривают только замену силикатной или глиноземсодержащей составляющей шихты, в то время, как известняковая составляющая шихты почти не меняется, что не дает возможности существенно улучшить показатели процесса производства клинкера. В предлагаемых способах не предусматривается возможность использования в шихте для производства плавленого цементного клинкера преимущественно сталеплавильных шлаков повышенной основности (CaO/SiO₂=2-4) с высоким содержанием железа в металлическом и оксидном виде. Такой прием позволяет существенно снизить энергозатраты на производство клинкера в связи с резким уменьшением количества природного известняка в шихте и уменьшить себестоимость производимой продукции за счет одновременного с клинкером производства и реализации чугуна из железа сталеплавильного шлака.

Известен способ производства портландцементного клинкера из промышленных отходов [9], включающий загрузку в плавильную камеру основы шихты-шлака, его расплавление, подачу на поверхность расплава добавки, сплавление шихты, слив полученного клинкера (патент RU 2347764), выбранный заявителем в качестве ближайшего аналога.

В известном способе в качестве шлака используют отвальный окисленный сталеплавильный шлак с основностью 2,5-3,5 и содержанием оксидов железа 20,0-30,0% от веса шлака, указанную подачу осуществляют непрерывно, в качестве добавки используют глиноземсодержащий отход и углеродистый восстановитель при следующем соотношении компонентов шихты, вес %: указанный шлак 90-95%, глиноземсодержащий отход 4-8%, углеродистый восстановитель 2-5%, плавильную камеру используют гарнисажную, оборудованную топливокислородными горелками, слив клинкера осуществляют через летку, расположенную в боковой поверхности кожуха плавильной камеры на 1,0-1,8 м ниже уровня поверхности расплава в ковш, где продувают его газообразным кислородом, корректируя содержание оксида трехвалентного железа, компоненты шихты перед загрузкой в указанную камеру подогревают теплом, снятым со стен кожуха плавильной камеры охлаждающим его жидкометаллическим теплоносителем, попутно получаемый при восстановлении углеродистым восстановителем избыточного количества оксидов железа металл сливают из указанной камеры через придонную летку.

В качестве глиноземсодержащего отхода в известном способе используют шлифовальные отходы подшипникового производства, или отвальный шлак алюминотермического производства ферросплавов, или боксит.

В клинкер, находящийся в указанной камере, в токе азота инжекторами вдувают пыль, уловленную газоочисткой.

Выделяющийся при указанном восстановлении монооксид углерода CO дожигают до двуокиси углерода CO₂ в установленном рядом с плавильной камерой энергетическом котле, где утилизируют также и физическое тепло отходящих из плавильной камеры газов.

Известный способ производства портландцементного клинкера из промышленных отходов имеет следующие недостатки:

- не предусмотрены варианты использования сталеплавильных шлаков более низкой основности или шлаков с меньшей окисленностью, чем заявленные;

- не предусмотрены приемы корректировки содержания оксида кальция СаО и оксида кремния SiO₂ в клинкере;

- для корректировки содержания Al₂O₃ в клинкере предложены дефицитные материалы;

- малоэффективность подогрева шихты теплом, снятым с кожуха плавильной камеры жидкометаллическим теплоносителем, из-за низкой температуры газа, используемого для вторичного охлаждения камеры;

- не предусмотрена возможность использования жидких сталеплавильных шлаков;

- наличие мелких включений (корольков) железа в клинкере, ухудшающих служебные свойства клинкера и уменьшающих выход готового чугуна;

- относительно низкий тепловой КПД плавильной камеры вследствие больших потерь тепла (физического и химического) с отходящими газами;

- не предусмотрены приемы термообработки клинкера с целью улучшения его качества.

Задачей предлагаемого способа переработки сталеплавильных шлаков с получением цементного клинкера и чугуна является осуществление высокопроизводительного эффективного процесса переработки отработавших сталеплавильных шлаков при высоких технико-экономических показателях и улучшение экологической обстановки в районах размещения металлургических заводов.

Техническим результатом предлагаемого способа переработки сталеплавильных шлаков с получением цементного клинкера и чугуна является устранение недостатков ближайшего аналога, а именно:

- расширение номенклатуры (вида) перерабатываемых сталеплавильных шлаков;

- корректировка содержания оксида кальция CaO в клинкере путем введения в шихту высокоосновного шлака установок ковш-печь и известняка;

- корректировка содержания оксида кремния SiO₂ и оксида алюминия Al₂O₃ в клинкере золой дешевого высокозольного угля, используемого в качестве восстановителя железа;

- увеличение теплового КПД и производительности процесса переработки шлаков за счет переработки жидких сталеплавильных шлаков, доставленных из сталеплавильных цехов и высокотемпературного нагрева шихты перед загрузкой в плавильную камеру теплом отходящих из камеры газов;

- устранение мелких включений железа (корольков) в готовом клинкере за счет выдержки клинкера в плавильной камере перед выпуском без загрузки шихты в камеру;

- улучшение качества получаемого клинкера путем грануляции воздушно-водяной смесью.

Технический результат достигается тем, что в способе переработки сталеплавильных шлаков с получением цементного клинкера и чугуна, включающем загрузку шихты в плавильную камеру, расплавление шихты, восстановление избыточного количества оксидов железа шлакового расплава, раздельный слив полученных клинкера и чугуна из камеры, согласно изобретению в качестве шихты используют смесь отработавшего шлака электросталеплавильных печей или кислородных конвертеров с содержанием 25-38% оксидов железа, 28-44% оксида кальция и 13-20% оксида кремния, и отработавшего шлака установок ковш-печь с содержанием не более 1% оксидов железа, 55-60% оксида кальция, 20-22% оксида кремния, 5-6% оксида алюминия и известняка, содержание в шихте отработавшего шлака установок ковш-печь, отработавшего шлака электросталеплавильных печей или кислородных конвертеров и известняка выдерживают от массы всей шихты в пределах:

отработавший шлак установок ковш-печь 10-40%; отработавший шлак электросталеплавильных печей или кислородных конвертеров 30-45%; известняк остальное,

перед загрузкой в плавильную камеру шихту подогревают теплом отходящих из камеры газов с температурой 1850-1900°С в подогревателе, для восстановления оксидов железа шлакового расплава используют смесь высокозольного и низкозольного углей в количестве 5,5-7% от массы шихты, после заполнения объема шлаковой ванны плавильной камеры готовым расплавленным клинкером заданного состава загрузку шихты в плавильную камеру временно прекращают, делают выдержку 10-20 минут, на время выдержки топливокислородные горелки не выключают и увеличивают подачу кислорода в них на 3-15%, после окончания выдержки 70-80% полученного клинкера сливают из плавильной камеры, направляют его на грануляцию и возобновляют загрузку шихты в плавильную камеру для получения следующей порции плавленого клинкера.

Кроме того, в подогреватель шихты отходящими из плавильной камеры газами вместе с шихтой подают уголь в количестве 1-2% от массы шихты.

Кроме того, отработавший шлак электросталеплавильных печей или кислородных конвертеров заливают в плавильную камеру в жидком состоянии.

Кроме того, полый металлический корпус плавильной камеры охлаждается жидкометаллическим теплоносителем.

Кроме того, грануляцию полученного клинкера производят во вращающемся грануляторе воздушно-водяной смесью, а нагретый в грануляторе воздух вдувают в подогреватель шихты для дожигания СО отходящих газов.

Кроме того, воздух, используемый для грануляции клинкера, обогащают кислородом до содержания кислорода 30-45%.

Кроме того, получаемый чугун разливают на разливочном конвейере в слитки массой 20-40 кг.

Кроме того, получаемый чугун гранулируют.

Использование при переработке шлака в качестве шихты смеси отработавшего шлака электросталеплавильных печей или кислородных конвертеров с содержанием 25-38% оксидов железа, 28-44% оксида кальция, 13-20% оксида кремния и отработавшего шлака установок ковш-печь с содержанием не более 1% оксидов железа, 55-60% оксида кальция, 20-22% оксида кремния, 5-6% оксида алюминия, менее 3% оксида магния и известняка позволяет перерабатывать практически все шлаки современного сталеплавильного производства как текущие, так и находящиеся в шлаковых отвалах металлургических заводов.

Поддержание количества отработавшего сильно окисленного шлака электросталеплавильных печей или кислородных конвертеров в шихте на уровне 30-45% от массы всей шихты обеспечивает максимальную производительность плавильной камеры, так как эти шлаки вносят в шихту достаточное количество оксидов железа и делают ее более легкоплавкой. При количестве таких шлаков менее 30% от массы всей шихты количество вносимых ими оксидов железа недостаточно для заметного увеличения производительности плавильной камеры. При количестве таких шлаков более 45% от массы всей шихты трудно получить необходимое содержание оксида кальция (более 60%) в расплавленном готовом клинкере из-за относительно низкого содержания оксида кальция в этих шлаках.

Поддержание количества отработавшего шлака установок ковш-печь в шихте в пределах 10-40% дает возможность легко регулировать содержание оксидов алюминия и магния в клинкере и уменьшать количество известняка в шихте, соответственно снижать расход теплоносителей и стоимость переработки шлака.

Введение в состав шихты менее 10% отработавшего шлака установок ковш-печь не дает необходимого эффекта в регулировании состава получаемого клинкера. Использование в шихте более 40% отработавшего шлака установок ковш-печь практически невозможно из-за относительно малого количества такого шлака, используемого в сталеплавильном - производстве (1,5% от массы выплавляемой стали).

Подогрев шихты в специальном подогревателе теплом отходящих из камеры газов с высокой температурой (1850-1900°С) позволяет существенно уменьшить расход теплоносителя и кислорода для переработки шлаков, а также увеличить производительность плавильной камеры. Температура отходящих газов менее 1850°С, соответственно, такая же температура газовой фазы в плавильной камере, не обеспечивает необходимой высокой температуры нагрева тугоплавкого клинкера (более 1700°С). Температура отходящих из плавильной камеры газов более 1900°С приводит к увеличению тепловых потерь плавильной камеры, увеличению расхода теплоносителя и кислорода, а также к уменьшению производительности плавильной камеры.

Использование для восстановления оксидов железа шлакового расплава смеси высокозольного и низкозольного углей в количестве 5,5-7,0% от массы шихты позволяет легко регулировать содержание SiO₂ и Al₂O₃ в клинкере за счет этих оксидов, содержащихся в золе углей и уменьшить затраты на осуществление процесса переработки сталеплавильных шлаков.

Расход смеси углей на восстановление оксидов железа шлакового расплава, составляющий менее 5,5% от массы шихты углерода, входящего в состав углей, недостаточен для восстановления необходимого количества оксидов железа и науглероживания восстановленного железа до содержания углерода в чугуне.

Расход смеси углей, составляющий более 7% от массы шихты, приведет к ухудшению качества получаемого клинкера, так как количество оксидов железа в клинкере будет ниже необходимых 3,5-5%. Кроме этого, возрастет стоимость процесса переработки шлаков.

Временное прекращение загрузки шихты в плавильную камеру после заполнения всего объема шлаковой ванны плавильной камеры готовым расплавленным клинкером и выдержка расплава 10-20 минут без отключения топливокислородных горелок с увеличением подачи кислорода в них на 3-15% необходимы для осаждения всех корольков восстановленного и науглероженного железа из расплавленного клинкера в металлическую ванну. Выдержка без загрузки шихты менее 10 минут недостаточна для полного осаждения корольков восстановленного металла.

Выдержка без загрузки шихты более 20 минут не имеет смысла, так как за 20 минут практически все корольки металла оседают в металлическую ванну, а излишнее увеличение выдержки снижает производительность плавильной камеры и увеличивает расходы на осуществление процесса.

Выдержка без выключения топливокислородных горелок при увеличении подачи кислорода в них на 3-15% позволяет поднять температуру шлакового расплава, уменьшить его вязкость, облегчить и ускорить осаждение корольков восстановленного металла из расплавленного готового клинкера в металлическую ванну.

Увеличение при этом подачи кислорода в горелки менее чем на 3%, не оказывает заметного влияния на температуру шлакового расплава. Увеличение подачи кислорода в горелки более, чем на 15%, может привести к переокислению шлакового расплава и повышению содержания оксидов железа в расплавленном клинкере до пределов, превышающих необходимые 5-6%.

Слив 70-80% готового клинкера после окончания выдержки позволяет обеспечить высокую производительность плавильной камеры за счет быстрого проплавления вновь загружаемой шихты в жидкой ванне оставшегося шлака.

При сливе менее 70% готового клинкера уменьшается производительность плавильной камеры в результате более частого прекращения загрузки шихты и увеличиваются расход теплоносителя и затраты на переработку шлака.

При сливе более 80% готового клинкера оставшееся в плавильной камере количество шлака недостаточно для быстрого проплавления вновь загружаемой шихты. В итоге производительность плавильной камеры снижается.

Грануляция слитого клинкера необходима для улучшения его качества.

Подача в подогреватель шихты вместе с шихтой угля в количестве 1-2% от массы всей шихты позволяет частично осуществить твердофазное восстановление железа при очень высоком содержании оксидов железа в шихте (более 30%). Подача вместе с шихтой менее 1% угля от массы всей шихты недостаточна для частичного твердофазного восстановления железа. Подача в подогреватель шихты более 2% угля от массы всей шихты нерациональна, так как может вызвать повышение температуры плавления (тугоплавкости) и скорости плавления загружаемой в плавильную камеру шихты.

Заливка жидкого отработавшего шлака электросталеплавильных печей или кислородных конвертеров в плавильную камеру позволяет существенно повысить производительность плавильной камеры, снизить расход теплоносителя и уменьшить затраты на переработку шлака.

Охлаждение полого металлического корпуса плавильной камеры жидкометаллическим теплоносителем позволяет обеспечить стабильное образование шлакового гарнисажа на рабочей поверхности корпуса в шлаковой зоне и свободном пространстве плавильной камеры и работать без огнеупорной футеровки на ней. В результате получаемый клинкер не загрязняется материалом разрушающейся огнеупорной футеровки и обеспечиваются длительная непрерывная работа плавильной камеры.

Грануляция полученного клинкера во вращающемся грануляторе воздушно-водяной смесью позволяет осуществить необходимую термическую обработку и существенно улучшить служебные свойства клинкера. Вдувание нагретого в грануляторе воздуха в подогреватель шихты для дожигания СО отходящих газов позволяет увеличить тепловой КПД подогревателя, повысить температуру нагрева шихты и уменьшить расход теплоносителя в плавильной камере.

Обогащение воздуха, используемого для грануляции клинкера, кислородом до 30-45% позволяет окислить во время грануляции часть двухвалентного оксида железа FeO, ненужного для получения требуемого минералогического состава и высоких служебных свойств клинкера, до необходимого трехвалентного оксида железа Fe₂O₃. Кроме того, обогащение воздуха кислородом приведет к окислению оставшихся в клинкере очень мелких частиц металлического железа (корольков) до трехвалентного оксида железа Fe₂O₃. При повышении содержания кислорода в воздухе до содержания менее 30% описанные процессы окисления будут протекать в незначительной степени. Повышать содержание кислорода в воздухе более 45% невыгодно, экономически из-за большого расхода кислорода. Разливка получаемого чугуна на разливочном конвейере в слитки массой 20-40 кг позволяет уменьшить количество персонала занятого на разливке, повысить цену продаваемого на сторону чугуна, уменьшить капитальные затраты на сооружение предприятия, перерабатывающего шлаки.

Грануляция получаемого чугуна позволит еще более снизить затраты на сооружение предприятия, перерабатывающего шлаки и уменьшить количество персонала занятого разливкой чугуна.

Способ переработки сталеплавильных шлаков с получением цементного клинкера и чугуна осуществляется следующим образом (см. фиг.1).

Плавильную камеру 1 разогревают теплом работающих на малой мощности топливокислородных горелок 2. Одновременно через подогреватель шихты 3 в плавильную камеру загружают легкоплавкие отходы черных металлов: чугуна и стали и расплавляют их, заполняя жидким металлом металлическую ванну 4. После заполнения металлической ванны расплавленным металлом начинают загружать шихту через подогреватель 3 в плавильную камеру 1. Шихту составляют из отработавшего шлака дуговых электросталеплавильных печей и (или) кислородных конвертеров, отработавшего шлака установок ковш-печь и известняка. Одновременно в плавильную камеру 1 подают углеродистый восстановитель (смесь высокозольного и низкозольного углей) кусками через отверстие 5 и порошком инжекторами 6. После заполнения всего объема шлаковой ванны 7 готовым цементным клинкером заданного состава загрузку шихты и углеродистого восстановителя в плавильную камеру 1 временно прекращают, делают выдержку готового клинкера в течение 10-20 минут, при этом топливокислородные горелки 2 не выключают и увеличивают подачу кислорода в них на 3-15%. После окончания выдержки 70-80% расплавленного клинкера сливают из плавильной камеры 1 через шлаковую летку 8 по желобу 9 в гранулятор 10, где клинкер гранулируют воздушно-водяной смесью.

Накапливающийся в металлической ванне избыточный металлический расплав периодически по мере необходимости сливают из плавильной камеры 1 через металлическую летку. 11 по желобу 12 и разливают на разливочном конвейере 13 или гранулируют (установка грануляции условно не показана).

После окончания слива готового клинкера подачу шихты и углеродистого восстановителя в плавильную камеру 1 возобновляют и цикл проплавления шихты повторяют.

Отработавшие в подогревателе газы охлаждают, очищают в газоочистных устройствах и выбрасывают в атмосферу. Уловленную пыль вдувают в плавильную камеру 1 инжекторами 6.

Примеры, подтверждающие возможность внедрения в производство предложенного способа

Пример 1

В 2 т дуговой печи с доломитовой футеровкой провели серию плавок с получением чугуна и цементного клинкера из отработавшего электросталеплавильного шлака. На каждой плавке сначала расплавляли в печи 600 кг лома черных металлов. Затем на зеркало жидкого металла загружали шихту-смесь отработавшего электросталеплавильного шлака 40% от массы шихты, отработавшего шлака установок ковш-печь 20%, известняка 40%. Масса шихты составляла 1500 кг. Вместе с шихтой в печь загружали восстановитель: смесь высокозольного угля (35% золы) 3 части и обычного энергетического угля (10% золы) 1 часть. Масса загруженных восстановителей составляла 90 кг.

На плавках первого варианта после полного проплавления шихты и прекращения кипения ванны полученный клинкер сливали в плоскодонные массивные чугунные изложницы.

На плавках второго варианта после проплавления всей шихты и затухания кипения ванны делали выдержку 15 минут, не выключая печи, и вдували в шлаковый расплав металлической трубкой кислород при небольшом его расходе в течение 10 минут. Затем шлак сливали в такие же чугунные изложницы, что и плавки первого варианта.

Изучали свойства цемента, полученного из плавленого клинкера, а также определяли химический состав клинкера и количество микровключений металла в клинкере. Результаты экспериментов приведены в таблице 1.

Таблица 1 Результаты экспериментов Вариант опытной технологии Количество опытных плавок Содержание в клинкере, % Марки полученного цемента Fe₂O FeO Fe металлич. (корольки) 1 3 2,8 1,4 0,05 400 2 3 3,9 0,2 0,001 500

Пример 2

В дуговой печи емкостью 1,5 т провели 2 серии опытных плавок по переработке конвертерного шлака на цементный клинкер и чугун. Печь имела доломитовую футеровку ванны. Перерабатывали смесь конвертерного шлака, отработавшего шлака установок ковш-печь и известняка. Состав использованных материалов и общий состав шихты приведены в таблицах 2 и 3.

На каждой плавке сначала наплавляли металлическую ванну из 500 кг чугуна. Затем на зеркало жидкого металла загружали вручную 1 т шихты, состав которой приведен в таблицах 2 и 3. Вместе с шихтой в печь загружали углеродистый восстановитель в количестве 65 кг: 1 часть энергетического угля (10% золы) и 3 части высокозольного угля (35% золы).

После полного проплавления шихты и прекращения кипения ванны делали выдержку 15 минут, не выключая печь. Затем полученный шлак сливали в массивные чугунные изложницы. Результаты опытных плавок приведены в таблице 4. Видно, что состав полученного клинкера соответствует составу портландцементного клинкера.

Таблица 2 Состав исходных материалов, использованных в опытных плавках примеров 2 и 3 Материал Содержание, % СаО ΣFeO SiO₂ Al₂O₃ MgO Прочие Конвертерный шлак 43,5 25,3 20,3 5,6 5,3 - Электросталеплавильный шлак 35,2 35,7 20,1 4,2 4,3 0,5 Шлак установок ковш-печь 59,4 0,90 22,0 6,0 3,0 8,7 Известняк 54,1 0,90 1,5 1,0 15 41,0 Потери при прокаливании

Таблица 3 Состав шихты на опытных плавках по переработке конвертерных шлаков Материал Доля в шихте, % Вариант 1 Вариант 2 Конвертерный шлак 35,0 45,0 Шлак установок ковш-печь 30,0 15,0 Известняк 35,0 40,0

Таблица 4 Состав клинкера, полученного при переработке конвертерных шлаков Вариант технологии Количество плавок Содержание в клинкере, % СаО SiO₂ MgO Al₂O₃ ΣFeO остальные 1 2 62,3 22,8 4,6 5,3 4,8 0,2 2 2 62,9 23,0 4,8 5,1 3,9 0,3

Таблица 5 Состав шихты на опытных плавках по переработке электросталеплавильных шлаков Материал Доля в шихте, % Вариант 1 Вариант 2 Электросталеплавильный шлак 30,0 45,0 Шлак установок ковш-печь 30,0 10,0 Известняк 40,0 45,0

Пример 3.

В печи емкостью 1,5 т с доломитовой футеровкой ванны провели 2 серии опытных плавок по переработке электросталеплавильных шлаков на цементный клинкер и чугун. В качестве шихты использовали смесь электросталеплавильного шлака, отработавшего шлака установок ковш-печь и известняка. Состав использованных материалов приведен в таблице 2, общий состав шихты в таблице 5. На каждой опытной плавке сначала расплавляли 500 кг металлической шихты. Затем на зеркало жидкого металла вручную загружали 1 т шихты, состав которой приведен в таблицах 2 и 5. Вместе с шихтой в печь загружали углеродистый восстановитель в количестве 90 кг: энергетический уголь с зольностью 10% (1 часть) и с зольностью 35% (2 части).

После полного проплавления шихты и прекращения кипения ванны делали выдержку 15 минут, не выключая печь. Затем полученный шлак сливали в массивные плоские чугунные изложницы, а металл сливали в разливочный ковш и разливали на слитки массой 250 кг. Состав полученного клинкера приведен в таблице 6. Видно, что состав полученного клинкера соответствует составу портландцементного клинкера.

Таблица 6 Состав клинкера, полученного при переработке электросталеплавильных шлаков Вариант технологии Количество плавок Содержание в клинкере, % СаО SiO₂ Al₂O₃ MgO ΣFeO остальные 1 2 62,1 22,9 6,0 3,8 5,2 - 2 2 61,9 22,3 6,2 4,3 4,0 0,3

Полученные результаты свидетельствуют о пользе выдержки расплавленного клинкера после его полного проплавления и заметном улучшении свойств клинкера в таком случае. Они хорошо согласуются с результатами работ [2, 10], в которых изучались процессы осаждения корольков металла из расплавленных электропечных шлаков.

2. Грануляция шлаковых расплавов широко применяется в черной и цветной металлургии [11, 12]. Для получения высоких вяжущих свойств портландцементного клинкера необходима достаточно высокая скорость охлаждения клинкера [13], но меньшая, чем при грануляции водой.

Такая скорость охлаждения обеспечивается грануляцией воздушно-водяной смесью.

3. Грануляция металлов успешно применяется в производстве ферросплавов [12, 14].

Литература

1. В.А. Кудрин. Теория и технология производства стали. М. Мир. 2003. 526 с.

2. Ю.А. Гудим, С.Г. Овчинников, И.Ю. Зинуров. Потери металла при выплавке стали в дуговых печах и способы их уменьшения. Электрометаллургия. 2010. №6. с 11-15.

3. Ю.А. Гудим, А.А. Голубев, С.Г. Овчинников, И.Ю. Зинуров. Современные способы безотходной утилизации шлаков. Сталь. 2009, №7. с 93-95.

4. Справочник по химии цемента. Под ред. Б.В. Волконского и Л.Г. Судакса. Ленинград. Стройиздат. 1980. 221 с.

5. Патент RU 2040497. «Способ получения цементного клинкера». Авторы: Бурлов Ю.А.; Мелихов В.П.; Кривобородов Ю.Р.; Бурлов И.Ю.; Федулов С.Н.; Самченко С.П. Патентообладатель: Бурлов Ю.А.; Мелихов В.П.; Кривобородов Ю.Р.; Бурлов И.Ю.; Федулов С.Н.; Самченко С.П.

6. Патент RU 2228305. «Способ получения специальных видов клинкеров и сопутствующих металлов из отходов производств». Авторы: Бурлов Ю.А.; Бурлов И.Ю.; Бурлов А.Ю. Патентообладатель: Бурлов Ю.А.

7. Патент RU 2196116. «Способ получения плавленого цементного клинкера». Авторы: Салихов З.Г.; Быстров В.П.; Шубин В.И.; Жарков В.И.; Кулабухов В.А.; Шафитин З.К.; Салихов М.З.; Быстров С.В. Патентообладатель: ООО Научно-экологическое предприятие «Экоси».

8. Патент RU 2207994. «Сырьевая смесь для получения портландцементного клинкера». Авторы: Штернфельд В.Д.; Чумарин Б.А.; Погорелов С.А.; Савин А.П.; Гурьев А.Г. Патентообладатель: ОАО «Липецкцемент».

9. Патент RU 2347764. «Способ производства портландцементного клинкера из промышленных отходов». Авторы: Голубев А.А., Гудим Ю.А. Патентообладатель: ООО Промышленная компания «Технология металлов».

10. Строганов А.И.; Пыльнев Ю.А.; Ушаков С.Т. и др. Металлические корольки в электропечном шлаке по ходу плавки. // «Сб. Современные проблемы электрометаллургии стали. Челябинск. 1973. с 78-85.

11. Вегман Е.Ф. и др. Металлургия чугуна. М.: Металлургия. 1989. 512 с.

12. Уткин Н.И. Производство цветных металлов. М.: Интермет Инжиниринг, 2004. 442 с.

13. Домокеев А.Г. Строительные материалы. М.: Высшая школа. 1982. 383 с.

14. Справочник по электротермическим процессам. Емлин Б.И., Гасик М.И. М.: Металлургия. 1978. 288 с.

Изобретение относится к способу переработки сталеплавильных шлаков с получением цементного клинкера и чугуна. Техническим результатом переработки сталеплавильных шлаков с получением цементного клинкера и чугуна является расширение номенклатуры перерабатываемых сталеплавильных шлаков; увеличение теплового КПД и производительности процесса переработки шлаков, устранение мелких включений железа (корольков) в готовом клинкере за счет выдержки клинкера в плавильной камере перед выпуском без загрузки шихты в камеру; улучшение качества получаемого клинкера за счет грануляции воздушно-водяной смесью. В способе переработки сталеплавильных шлаков с получением цементного клинкера и чугуна, включающем загрузку шихты в плавильную камеру, расплавление шихты, восстановление избыточного количества оксидов железа шлакового расплава, раздельный слив полученных клинкера и чугуна из камеры, согласно изобретению в качестве шихты используют смесь отработавшего шлака электросталеплавильных печей или кислородных конвертеров, отработавшего шлака установок ковш-печь и известняка, содержание компонентов шихты находится в пределах от массы всей шихты: отработавший шлак установок ковш-печь - 10-40%, отработавший шлак электросталеплавильных печей или кислородных конвертеров 30-45%, известняк - остальное, перед загрузкой в плавильную камеру шихту подогревают теплом отходящих из камеры газов с температурой 1850-1900°С в специальном подогревателе, для восстановления оксидов железа шлакового расплава используют смесь высокозольного и низкозольного углей в количестве 5,5-7% от массы шихты, после заполнения всего объема шлаковой ванны плавильной камеры готовым расплавленным клинкером заданного состава загрузку шихты в плавильную камеру временно прекращают, делают выдержку 10-20 минут, при этом на время выдержки топливокислородные горелки не выключают и увеличивают подачу кислорода в них на 3-15%, после окончания выдержки 70-80% полученного клинкера сливают из плавильной камеры, направляют его на грануляцию и возобновляют загрузку шихты в плавильную камеру для получения следующей порции плавленого клинкера. 7 з.п. ф-лы, 1 ил., 2 пр., 6 табл.

1. Способ переработки сталеплавильных шлаков с получением цементного клинкера и чугуна, включающий загрузку шихты в плавильную камеру, расплавление шихты, восстановление избыточного количества оксидов железа шлакового расплава, раздельный слив полученных клинкера и чугуна из камеры, отличающийся тем, что в качестве шихты используют смесь отработавшего шлака электросталеплавильных печей или кислородных конвертеров с содержанием 25-38% оксидов железа, 28-44% оксида кальция и 13-20% оксида кремния, отработавшего шлака установок ковш-печь с содержанием не более 1% оксидов железа, 55-60% оксида кальция, 20-22% оксида кремния, 5-6% оксида алюминия, менее 3% оксида магния и известняка, содержание в шихте отработавшего шлака установок ковш-печь, отработавшего шлака электросталеплавильных печей или кислородных конвертеров и известняка выдерживают в пределах, % от массы всей шихты:
отработавший шлак установок ковш-печь 10-40 отработавший шлак электросталеплавильных печей   или кислородных конвертеров 30-45 известняк остальное

перед загрузкой в плавильную камеру шихту подогревают теплом отходящих из камеры газов с температурой 1850-1900°С в специальном подогревателе, для восстановления оксидов железа шлакового расплава используют смесь высокозольного и низкозольного углей в количестве 5,5-7% от массы шихты, после заполнения всего объема шлаковой ванны плавильной камеры готовым расплавленным клинкером заданного состава загрузку шихты в плавильную камеру временно прекращают, делают выдержку 10-20 мин, при этом на время выдержки топливокислородные горелки не выключают и увеличивают подачу кислорода в них на 3-15%, после окончания выдержки 70-80% от полученного клинкера сливают из плавильной камеры, направляют его на грануляцию и возобновляют загрузку шихты в плавильную камеру для получения следующей порции плавленого клинкера.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в подогреватель шихты отходящими из плавильной камеры газами вместе с шихтой подают уголь в количестве 1-2% от массы шихты.

3. Способ по п.1 отличающийся тем, что отработавший шлак электросталеплавильных печей или кислородных конвертеров заливают в плавильную камеру в жидком состоянии.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что полый металлический корпус плавильной камеры охлаждается жидкометаллическим теплоносителем.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что грануляцию полученного клинкера производят во вращающемся грануляторе воздушно-водяной смесью, а нагретый в грануляторе воздух вдувают в подогреватель шихты для дожигания СО отходящих газов.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что воздух, используемый для грануляции клинкера, обогащают кислородом до содержания кислорода 30-45%.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что получаемый чугун разливают на разливочном конвейере в слитки массой 20-40 кг.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что получаемый чугун гранулируют.