СПОСОБ НЕПРЕРЫВНОГО ПОЛУЧЕНИЯ ОТВЕРЖДЁННОГО СТАЛЕЛИТЕЙНОГО ШЛАКА И СВЯЗАННОЕ С НИМ УСТРОЙСТВО Российский патент 2021 года по МПК C22B7/04 C22B3/06 C22B3/08 C04B5/02 

Изобретение относится к способу непрерывного получения сталелитейного шлака и связанному с ним устройству.

В традиционных сталелитейных технологических цепочках чугун производят в доменной печи, а затем превращают его в сталь, например, в конвертере. В конвертере через расплавленный чугун вдувают кислород, что снижает содержание углерода в чугуне и превращает его в сталь. В конвертер вводят минеральные добавки, как например, известь и/или доломит, с целью удаления содержащихся в чугуне примесей, таких как кремний, фосфор и марганец, и достижения требуемого состава стали. Указанные добавки вместе с примесями, извлечёнными из чугуна, образуют конвертерные шлаки.

Затем расплавленную сталь, полученную таким образом, можно подвергать процессу рафинирования с целью достижения соответствия требованиям по составу стали высококачественных марок. Расплавленную сталь выливают в ковш и добавляют в неё легирующие элементы; одновременно удаляют примеси в заметном количестве при впрыскивании минеральных добавок, таких как известь и/или доломит. Побочным продуктом такого процесса рафинирования является ковшовый шлак.

Крупные сталелитейные заводы производят сотни тысяч тонн сталелитейного шлака в год, что порождает затраты на хранение и необходимость наличия места. Тем не менее, указанные шлаки обладают хорошими механическими свойствами, особенно по показателям ударной прочности и износостойкости, которые делают их интересными, в частности, для использования в строительстве гражданских сооружений или дорог. Дорожное строительство включает в себя все дорожные работы, требующие использования материалов, состоящих из агрегатов, в частности, производство асфальта, подготовку грунтовых оснований, слоя основания, подстилающего слоя для дорожных систем или наполнителей. Однако главная проблема в связи с указанным материалом проистекает из значительного содержания в нём свободной извести, что делает агрегаты нестабильными. В остальной части текста будет употребляться термин «сталелитейный шлак». Он охватывает и ковшовый, и конвертерный шлаки, описанные ранее, а также любой шлак, являющийся побочным продуктом сталелитейного завода и имеющий содержание свободной извести выше 2%.

Действительно, вследствие добавления извести и/или доломита, и конвертерный, и ковшовый шлаки имеют высокое содержание свободной извести (CaO), до 25%. Указанная свободная известь может краткосрочно взаимодействовать с дождевой водой с образованием гидроксидов кальция по реакции гидратации (1):

(1) CaO + H₂O → Ca(OH)₂

и может долгосрочно взаимодействовать с диоксидом углерода воздуха с образованием карбонатов кальция по реакции карбонизации (2):

(2) CaO + CO₂ → CaCO₃

Поскольку и гидроксиды, и карбонаты кальция имеют больший объём, чем свободная известь, существует нестабильность объёма указанных шлаков с объёмным расширением до 10%, что может вызывать повреждения дорог, на которых они используются. Это препятствует традиционному вторичному использованию конвертерных шлаков в дорожном строительстве. Для уменьшения содержания свободной извести и стабилизации сталелитейных шлаков впоследствии было предложено несколько решений.

Например, в японском патенте JP-B2-5327184 описан способ получения шлака, в котором сталелитейный шлак поддерживают в расплавленном состоянии в закрытом сосуде и вдувают CO₂ в расплавленный шлак таким образом, что вдуваемое количество CO₂ составляет ≥ 0,07 тонны на тонну шлака. Цель заключается в стабилизации шлака в расплавленном состоянии за счёт превращения свободной извести в карбонаты кальция по реакции (2). Процесс вдувания длится от 10 до 60 минут. Затем расплавленный шлак перемещают в устройство для отверждения, где его охлаждают до температуры ниже 860°C с целью отверждения. Указанный способ позволяет достигать содержания свободной извести в отверждённом шлаке ниже 1,5%. Однако данный процесс предполагает оснащение специально предназначенной для этого камеры средством для впрыска, в дополнение к охладительному оборудованию; подвод энергии для сохранения шлака в расплавленном состоянии при одновременном продувании, а также это подразумевает перемещение стабилизированного расплавленного шлака в устройство для охлаждения.

В японском патенте JP-B2-5040257 описан способ обработки сталелитейного шлака, в котором шлак загружают во вращающийся барабан, где его дробят и охлаждают. Затем отверждённый таким образом шлак приводят в контакт с CO₂ для осуществления карбонизации по реакции (2). Указанный способ требует дополнительной стадии карбонизации с применением специального оборудования.

В заявке на патент США US-A-5569314 описан способ получения термостабильного сталелитейного шлака, подходящего для использования в областях применения, требующих стабильности размера, например, в виде агрегата, в дорожном строительстве. В данном способе мелкие частицы сталелитейного шлака сначала распыляют вместе с водой при температуре в диапазоне примерно от 100°C до 400°C для того, чтобы свободная известь реагировала с водой по реакции (1) гидратации. После этого частицы гидратированного шлака карбонизируют в присутствии CO₂ при температуре в диапазоне примерно от 500°C до 900°C, в результате чего практически вся свободная известь, остающаяся в частицах шлака, превращается в карбонат кальция. Данный способ требует воды для гидратации и дополнительной энергии для повторного нагревания шлака с целью осуществления горячей стадии карбонизации.

В статье, названной “Stabilization of basic oxygen furnace slag by hot-stage carbonation treatment” авторов R. M. Santos & al. и опубликованной в журнале Chemical Engineering Journal 203 (2012) pages 239-250, описан высокотемпературный процесс карбонизации, в котором гранулированный шлак охлаждают, и в течение указанной стадии охлаждения приводят в контакт с CO₂. В данной статье изучается влияние температуры и размера частиц шлака на поглощение CO₂ в гранулированном шлаке и, таким образом, на конечное содержание свободной извести в охлаждённом шлаке.

Задача данного изобретения заключается в разработке непрерывного способа получения отверждённого сталелитейного шлака, который позволяет стабилизировать сталелитейный шлак при одновременном преодолении вышеупомянутых недостатков. Дополнительной целью изобретения является получение отверждённого шлака с низким содержанием свободной извести, предпочтительно ниже 1%, при одновременном сохранении короткого периода времени обработки с целью повышения общей производительности способа.

Способ согласно изобретению позволяет заметно ограничивать расход воды и энергии, а также капиталовложения в оборудование.

Наконец, данное изобретение относится к способу непрерывного получения отверждённого сталелитейного шлака, включающему в себя следующие стадии:

- отверждают расплавленный сталелитейный шлак, содержащий по меньшей мере 2 мас.% свободной извести, с целью получения частиц отверждённого шлака, имеющих диаметр меньше 1 мм, при этом расплавленный сталелитейный шлак приводят в контакт с первым газом карбонизации;

- охлаждают в закрытой камере частицы отверждённого шлака до температуры, равной 300°C или ниже, при этом частицы отверждённого шлака приводят в контакт по меньшей мере с одним вторым газом карбонизации.

Указанный способ получения может заключать в себе одну или несколько характеристик пп. 2 - 19, взятых по отдельности или в сочетании.

Изобретение относится также к устройству по пп. 20 - 26.

Данное изобретение будет лучше восприниматься при прочтении описания, которое следует ниже, с обращением к следующим прилагаемым фигурам:

фиг. 1 иллюстрирует способ согласно изобретению;

фиг. 2 отображает первый пример установки для воплощения способа согласно изобретению;

фиг. 3 отображает второй пример установки для воплощения способа согласно изобретению.

На фиг. 1 представлен непрерывный способ получения отверждённого сталелитейного шлака согласно изобретению. Расплавленный сталелитейный шлак 1, поступающий со стадии получения стали, подвергают осуществлению стадии 21 отверждения, температура расплавленного шлака зависит от состава шлака, но, как правило, составляет от 1300 до 1600°C. В течение указанной стадии отверждения шлак отверждается в частицы 6, и его температура снижается до 1000°C. Размер частиц 6 шлака составляет меньше 1 мм, предпочтительно меньше 0,5 мм. Причина избрания указанного конкретного размера частиц будет объяснена позже. В течение указанной стадии отверждения расплавленный шлак приводят в контакт с первым газом 31 карбонизации. Упомянутый первый газ 31 карбонизации содержит, например, по меньшей мере 20 об.% CO₂, а предпочтительно больше 50 об.%. Остальная часть первого газа 31 карбонизации может состоять из водорода, метана, оксида углерода, азота, кислорода или пара. Указанный первый газ 31 карбонизации может представлять собой или содержать газ, отходящий с установки производства чугуна или стали, как например, газ из коксовой печи, доменной печи или конвертера, который можно сначала подвергнуть осуществлению стадии очистки. Данный первый газ 31 карбонизации содержит, например по меньшей мере 20 об.% CO₂, от 5 до 30 об.% CO, от 1 до 55 об.% H₂, от 1 до 55 об.% N₂, от 1 до 5 об.% O₂. В другом варианте осуществления первый газ 31 карбонизации содержит также пар, в дополнение к CO₂, причём объём пара в газе составляет от 20 до 70 об.%. Первый газ 31 карбонизации заключает в себе, например по меньшей мере 20 об.% CO₂, от 5 до 30 об.% CO, от 1 до 55 об.% H₂, от 1 до 55 об.% N₂, от 1 до 5 об.% O₂, остальное пар. Указанный впрыск первого газа 31 позволяет протекать первой реакции карбонизации между CO₂ и свободной известью, содержащейся в шлаке, по реакции (2) карбонизации. В дополнительном варианте осуществления может иметься больше одного газа первой карбонизации.

Затем частицы 6 шлака подвергают осуществлению стадии 22 охлаждения, в течение которой их температура снижается до 300°C. Скорость охлаждения предпочтительно составляет от 1°C/мин до 100°C/мин. Она должна быть выше 1°C/мин для сохранения короткого периода времени обработки, но ниже 100°C/мин для достижения достаточного поглощения CO₂ в течение реакции карбонизации. Данную стадию охлаждения выполняют в закрытой камере, в которую впрыскивают второй газ 32 карбонизации, при этом указанный второй газ 32 карбонизации содержит, например, по меньшей мере 25 об.% CO₂, а предпочтительно больше 50 об.%. Остальная часть второго газа карбонизации может состоять из водорода, метана, оксида углерода, азота, кислорода или пара. Упомянутый второй газ 32 карбонизации может представлять собой или может содержать газ, отходящий с установки производства чугуна или стали, как например, газ из коксовой печи, доменной печи или конвертера, который можно сначала подвергнуть осуществлению стадии очистки. Указанный второй газ 32 карбонизации содержит, например по меньшей мере 25 об.% CO₂, от 5 до 30 об.% CO, от 1 до 55 об.% H₂, от 1 до 55 об.% N_2, от 1 до 5 об.% O₂. Температура данного второго газа 32 карбонизации выбрана таким образом, чтобы достигать требуемой скорости охлаждения, но предпочтительно он имеет температуру, составляющую от 300 до 500°C. В другом варианте осуществления второй газ 32 карбонизации также содержит пар, в дополнение к CO₂, причём объём пара в газе составляет от 20 до 70 об.%. Упомянутый второй газ 32 карбонизации заключает в себе, например по меньшей мере 25 об.% CO₂, от 5 до 30 об.% CO, от 1 до 55 об.% H₂, от 1 до 55 об.% N₂, от 1 до 5 об.% O₂, остальное пар. Размер частиц гранулированного шлака, составляющий меньше 1 мм, а предпочтительно меньше 0,5 мм, позволяет достигать большего поглощения CO₂ частицами, что улучшает кинетику реакции между CO₂ и известью, содержащейся в шлаке, по реакции (2) карбонизации. В дополнительном варианте осуществления может иметься больше одного газа второй карбонизации.

По окончании указанной стадии охлаждения по меньшей мере 60%, а предпочтительно больше 75% свободной извести, первоначально содержавшейся в расплавленном шлаке, превратилось в карбонаты по реакции (2). Время получения, между выливанием расплавленного шлака и выделением частиц 11 охлаждённого шлака, составляет менее 30 мин, предпочтительно менее 15 мин.

Способ получения согласно изобретению представляет собой непрерывный способ, при этом все стадии осуществляют одну за другой без перерыва. Это позволяет реализовать короткий период времени обработки.

Фиг. 2 иллюстрирует первый вариант воплощения установки для осуществления непрерывного способа получения согласно изобретению. На данной установке расплавленный шлак 1, поступающий из сталеплавильного устройства 2, выливают в закрытую камеру 3 на грануляционное устройство 4 с целью формирования отверждённых частиц 6 шлака. Данное грануляционное устройство 4 может представлять собой, например, вращающееся колесо (как проиллюстрировано). В конструкции фиг. 2 вращающееся колесо 4 является горизонтальным колесом, а в другом варианте осуществления, не отображённом, оно может быть вертикальным колесом. При этом оно находится поблизости от точки разлива шлака, и первый газ 31 карбонизации впрыскивается через средство для ввода первого газа (не показано) в направлении расплавленного шлака. Характеристики указанного первого газа 31 карбонизации являются теми же, что описаны в случае первого газа 31 карбонизации, используемого на стадии 21 отверждения, показанной на фиг. 1. Закрытая камера 3 может быть изолированной. Частицы 6 отверждённого шлака, сформированные таким образом, остаются в закрытой камере 3, где они охлаждаются в соответствии со стадией 22 охлаждения, описанной ранее. Закрытая камера 3 заключает в себе средство для впрыска (не показано), выполненное с возможностью впрыскивания газа 32 второй карбонизации в направлении частиц 6 отверждённого шлака. Характеристики указанного второго газа 32 карбонизации являются теми же, что описаны в случае второго газа 32 карбонизации, используемого на стадии 22 охлаждения, показанной на фиг. 1. Закрытая камера оснащена также средством для сбора (не изображено), предназначенным для сбора газа 34, отходящего из внутренней части закрытой камеры. Указанный отходящий газ 34 далее можно возвращать в закрытую камеру путём повторного впрыскивания в виде первого газа 31 карбонизации и/или второго газа 32 карбонизации, либо их части.

Фиг. 3 иллюстрирует второй вариант воплощения установки для осуществления способа получения согласно изобретению. На данной установке расплавленный шлак 1, поступающий из сталеплавильного оборудования 2, приводят в контакт с первым газом 31 карбонизации в закрытой камере 3, снабжённой устройством 7 для тонкого измельчения, с целью формирования частиц 6 отверждённого шлака. Характеристики указанного первого газа 31 карбонизации являются теми же, что описаны в случае первого газа 31 карбонизации, используемого на стадии 21 отверждения, показанной на фиг. 1. Устройство 7 для тонкого измельчения может представлять собой, например, устройство SAT (Slag Atomizer Technology), разработанное фирмой Ecomaister-Hatch. Частицы 6 отверждённого шлака, сформированного таким путём, остаются в закрытой камере 3, где они охлаждаются в соответствии со стадией 22 охлаждения, описанной ранее. Закрытая камера 3 заключает в себе средство для впрыска (не показано), выполненное с возможностью впрыскивания второго газа 32 карбонизации в направлении частиц 6 отверждённого шлака. Характеристики указанного второго газа 32 карбонизации являются теми же, что описаны в случае второго газа 32 карбонизации, используемого на стадии 22 охлаждения, показанной на фиг. 1. Закрытая камера 3 оснащена также средством для сбора (не изображено), предназначенным для сбора газа 34, отходящего из внутренней части закрытой камеры. Указанный отходящий газ 34 далее можно повторно впрыскивать в закрытую камеру в виде первого газа 31 карбонизации и/или второго газа 32 карбонизации, либо их части.

В обоих вариантах осуществления закрытая камера 3 может дополнительно содержать средство для поддержания частиц шлака в состоянии движения на стадии охлаждения. Это позволяет улучшать контакт между CO₂ и частицами 6 отверждённого шлака и таким путём увеличивать поглощение CO₂ частицами 6 отверждённого шлака. Например, как проиллюстрировано на фиг. 2 и 3, нижняя стенка 5 закрытой камеры 3 может быть пористой, и третий газ 33 можно впрыскивать через указанную пористую стенку 5 с целью создания псевдоожиженного слоя. Скорость потока упомянутого третьего газа 33 должна быть достаточной для поддержания частиц 6 отверждённого шлака в состоянии движения. Третий газ 33 может содержать по меньшей мере 25 об.% CO₂, при этом остальная часть представляет собой воздух и пар. Упомянутое средство для поддержания частиц шлака в состоянии движения также может быть средством для вращения закрытой камеры 3, посредством, например, вращающегося барабана. Указанный третий газ может представлять собой или может содержать газ, отходящий с установки производства чугуна или стали, как например, газ из коксовой печи, доменной печи или конвертера, который можно сначала подвергнуть осуществлению стадии очистки, или он также может быть отходящим газом 34, собираемым из закрытой камеры 3.

Как проиллюстрировано в вариантах осуществления, стадии и отверждения, и охлаждения осуществляют в одном и том же устройстве, а частицы шлака обрабатывают в одной и той же закрытой камере, что позволяет улучшать время обработки и выход.

Изобретение относится к металлургии, в частности, к непрерывному получению отверждённого сталелитейного шлака. Расплавленный сталелитейный шлак, содержащий по меньшей мере 2 мас.% свободной извести, отверждают с получением частиц отверждённого шлака, имеющих диаметр меньше 1 мм. При отверждении расплавленный сталелитейный шлак приводят в контакт с по меньшей мере одним первым газом карбонизации. Частицы отверждённого шлака охлаждают до температуры, составляющей 300°C или ниже, со скоростью от 1 до 100°C/мин, причем при охлаждении частицы отверждённого шлака приводят в контакт с по меньшей мере одним вторым газом карбонизации. Устройство для непрерывного получения отвержденного сталелитейного шлака содержит замкнутую камеры, содержащую устройство для отверждения, устройство для впрыскивания первого газа карбонизации, устройство для второго газа карбонизации, нижнюю пористую стенку и устройство для впрыскивания третьего газа карбонизации через нижнюю пористую стенку. Обеспечивается получение отвержденного шлака с низким содержанием свободной извести при сохранении короткого времени обработки. 2 н. и 21 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ непрерывного получения отверждённого сталелитейного шлака, включающий в себя следующие стадии:

a) отверждение расплавленного сталелитейного шлака, содержащего по меньшей мере 2 мас.% свободной извести, для получения частиц отверждённого шлака, имеющих диаметр меньше 1 мм, причём при указанном отверждении расплавленный сталелитейный шлак приводят в контакт с по меньшей мере одним первым газом карбонизации;

b) охлаждение частиц отверждённого шлака до температуры, составляющей 300°C или ниже, в замкнутой камере, причем при указанном охлаждении частицы отверждённого шлака приводят в контакт с по меньшей мере одним вторым газом карбонизации, а скорость охлаждения частиц отверждённого шлака составляет от 1 до 100°C/мин.

2. Способ по п. 1, в котором первый газ карбонизации содержит по меньшей мере 20 об.% CO₂.

3. Способ по п. 2, в котором первый газ карбонизации содержит по меньшей мере 50 об.% CO₂.

4. Способ по любому из пп. 1-3, в котором первый газ карбонизации содержит пар.

5. Способ по п. 1, в котором первый газ карбонизации содержит по меньшей мере 20 об.% пара.

6. Способ по п. 1 или 2, в котором первый газ карбонизации содержит по меньшей мере 20 об.% CO₂, от 5 до 30 об.% CO, от 1 до 55 об.% H₂, от 1 до 55 об.% N₂ и от 1 до 5 об.% O₂.

7. Способ по любому из пп. 1-6, в котором второй газ карбонизации содержит по меньшей мере 25 об.% CO₂.

8. Способ по любому из пп. 1-7, в котором второй газ карбонизации поддерживают при температуре, составляющей от 300 до 500°C, на стадии b).

9. Способ по любому из пп. 1-8, в котором второй газ карбонизации дополнительно содержит пар.

10. Способ по п. 9, в котором второй газ карбонизации содержит по меньшей мере 25 об.% пара.

11. Способ по любому из пп. 1-10, в котором частицы отверждённого шлака поддерживают в состоянии движения на стадии b).

12. Способ по п. 11, в котором частицы отверждённого шлака поддерживают в состоянии движения на стадии b) посредством впрыскивания в замкнутую камеру третьего газа со скоростью потока, достаточной для поддержания частиц в состоянии движения и создания псевдоожиженного слоя.

13. Способ по п. 9, в котором третий газ содержит по меньшей мере 20 об.% CO₂.

14. Способ по любому из пп. 1-13, в котором по меньшей мере часть газов внутри замкнутой камеры отводят и собирают для возвращения в цикл в виде первого газа карбонизации, второго газа карбонизации и/или третьего газа.

15. Способ по любому из пп. 1-14, в котором первый газ карбонизации, второй газ карбонизации и/или по меньшей мере третий газ представляют собой газы, отходящие из установки получения чугуна, установки получения стали, установки спекания или установки коксования, или содержат такие газы.

16. Способ по любому из пп. 1-15, в котором второй газ карбонизации содержит по меньшей мере 25 об.% CO₂, от 5 до 30 об.% CO, от 1 до 55 об.% H₂, от 1 до 55 об.% N₂, от 1 до 5 об.% O₂.

17. Способ по любому из пп. 1-16, в котором время нахождения сталелитейного шлака внутри замкнутой камеры составляет менее 30 мин.

18. Способ по любому из пп. 1-17, в котором по меньшей мере 60% свободной извести расплавленного сталелитейного шлака преобразовывается в карбонаты кальция.

19. Устройство для непрерывного получения отверждённого сталелитейного шлака, содержащее замкнутую камеру (3), при этом замкнутая камера (3) содержит:

устройство (4, 7) для отверждения, выполненное с возможностью получения частиц отверждённого шлака, имеющих диаметр, составляющий 1 мм или меньше;

устройство (31) для впрыскивания первого газа карбонизации, выполненное с возможностью впрыскивания упомянутого первого газа в направлении расплавленного шлака и вблизи точки разлива расплавленного шлака,

устройство (32) для впрыскивания второго газа карбонизации, выполненное с возможностью впрыскивания упомянутого второго газа в направлении отвержденных частиц шлака,

нижнюю пористую стенку (5),

и устройство (33) для впрыскивания третьего газа через нижнюю пористую стенку (5).

20. Устройство по п. 19, также содержащее средство для сбора отходящего газа (34) и средство для рециркуляции газа.

21. Устройство по п. 19 или 20, в котором устройство для отверждения представляет собой устройство (7) для тонкого измельчения.

22. Устройство по п. 19 или 20, в котором устройство для отверждения представляет собой грануляционное устройство (4).

23. Устройство по любому из пп. 19-22, в котором по меньшей мере одно из средств для впрыскивания в замкнутую камеру (3) соединено с установкой получения чугуна, установкой получения стали, установкой спекания или установкой коксования.