Смесь алюмооксидная для разжижения металлургических шлаков Российский патент 2021 года по МПК C22B9/10 C21C5/00 C21C7/06 C22B7/04 

Область техники

Изобретение относится к области металлургии, в частности, к переработке вторичного алюминиевого сырья, и может быть использовано на предприятиях черной металлургии как глиноземсодержащий разжижитель металлургических шлаков при производстве стали и сплавов.

Изобретение также относится к области производства строительных материалов, в частности, к переработке вторичного алюминиевого сырья, и может быть использовано на предприятиях производящих утепляющие материалы, как один из компонентов шихты при производстве утепляющих материалов.

Уровень техники

Одна из основных задач любого металлургического производства является обеспечение его экологической безопасности, как для собственных работников, так и для окружающей среды. Одной из основных проблем для предприятий вторичной алюминиевой промышленности является проблема переработки вторичного алюминиевого сырья, содержащего хлористые и фтористые соли щелочных и щелочноземельных металлов. В этой связи задача полной или частичной переработки и реализации подобного вторичного алюминиевого сырья является актуальной.

Одним из решений проблемы является реализация процесса выщелачивания - растворения водорастворимых солей в воде с последующей сушкой твердого остатка, а также выпариванием влаги из оставшегося солевого раствора с осаждением в твердый осадок означенных выше солей. Недостатком реализации данного процесса является высокая стоимость оборудования, энергозатратность процесса, а также высокие требования к его экологическому обеспечению.

Известен способ получения гранулированной шлакообразующей смеси, включающий измельчение и смешение ингредиентов, приготовление водной суспензии, гранулирование и термическую обработку (RU 2100131, B22D 11/00, опубликован 27.12.1997). Недостатком известного способа является использование при получении гранулированной смеси воды, наличие которой ограничивает использование глиноземсодержащих материалов, в состав которых входят хлориды щелочных и щелочноземельных металлов.

Известна смесь для обработки жидкой стали в ковше, содержащая известь, глиноземсодержащий и фторсодержащий материал и алюминий. В качестве глиноземсодержащего и фторсодержащего материала используется глиноземсодержащий шлак ферросплавного производства (RU 2039091, С21С 7/064, опубликованный 09.07.1995). Недостатками известной смеси являются высокая цена из-за использования в составе значительного количества чистого алюминия, низкая рафинирующая способность в отношении удаления неметаллических включений.

Известна шлакообразующая смесь для защиты поверхности стали в промежуточном ковше МНРЛ, в состав которой входят 36-40% микрокремнезема, 19-23% пылевидных отходов производства алюминия и 39-43% пылевидных отходов производства извести (RU 2356687, С21С 5/54, опубликованный 27.05.2009). Недостатками известного материала являются: высокие выбросы пылевидных отходов производства алюминия, наличие фтора в химическом составе смеси.

Известна экзотермическая смесь для раскисления, рафинирования, модифицирования и легирования стали, содержащая: алюминий - 5,0-83%, оксид алюминия - 2,5-75%, оксид кальция - 0,5-10%, оксид магния - не более 8%, оксид железа не более 15%, оксид меди - не более 2%, оксид титана - не более 7%, оксид марганца - не более 12%, оксиды Na и/или K - 5-7% (RU 2252265, кл С21С 7/00, С21С 7/06, опубликованный 20.05.2005). Недостатками известного материала являются нестабильность получаемого химического состава, что в свою очередь снижает качество стали, получаемой при выплавке с использованием известной смеси, высокая стоимость материала в вариантах с использованием для создания экзотермической смеси первичных алюминиевых шлаков.

Известен флюс для раскисления, рафинирования, модифицирования и легирования стали, содержащий: алюминий - 1,0-60%, оксид алюминия - 1,0-50%, оксид кальция - 0,28-1,0%, оксид магния - 1,0-10,0%, оксид железа 1,0-9,0%, диоксид кремния - 1,0-16,0%, оксид меди - 1,0-10,0%, оксид цинка - 0,2-12,0%, оксид марганца - 0,1-2,0%, оксид свинца - 0,01-0,5%, оксид никеля -0,01-0,15%, оксид хрома - 0,05-0,5%, хлориды натрия - 0,1-40,0% и хлориды калия - 0,1-40,0%. Флюс может быть использован в кусковом виде фракцией 10-500 мм или в виде брикета с размерами 10-120 мм, полученного прессованием или спеканием отсевов шлака фракцией -2 мм (RU 2396364, С22В 9/10, С21С 7/06, публикация 10.08.2010). Недостатками известного материала являются нестабильность химического и фракционного составов, высокая стоимость материала, высокая стоимость материала в вариантах с использованием для создания флюса первичных алюминиевых шлаков.

Известен способ переработки шлака алюминиевого производства с получением глиноземсодержащего сырья, заключающийся в измельчении шлака, разделении его на фракции, водном выщелачивании измельченного шлака, фильтрации раствора с разделением солевого раствора и твердого остатка, выпаривании солевого раствора, сушке и обжиге твердого остатка (RU 2215048, С22В 7/04, опубликован 27.10.2003). Полученный глиноземсодержащий материал содержит также, алюминий, оксиды кремния, железа, магния, хлориды натрия и калия. Недостатками известного способа являются высокая энергоемкость используемой технологии за счет операций выщелачивания, сушки и обжига твердого остатка, выпаривания солевого раствора, а также высокая продолжительность технологического процесса и низкий процент выхода годного продукта. Помимо глинозема получаемое сырье содержит значительное количество оксидов металлов, что значительно затрудняет его эффективное использования в качестве флюса для раскисления и шлакообразования при выплавке стали.

Известна экзотермическая смесь для раскисления, рафинирования, модифицирования и легирования стали (RU 2252265 С1, кл. С21С 7/06, опубликован 20.05.2005). Известная смесь содержит алюминий, оксиды алюминия, оксиды кальция, магния, железа, меди, титана, марганца и натрия и/или калия. Соотношение компонентов в известном брикете следующее, мас. %: алюминий 5,0-83, оксид алюминия 2,5-75, оксид кальция 0,5-10, оксид магния не более 8, оксид железа не более 15, оксид меди не более 2, оксид титана не более 7, оксид марганца не более 12, оксиды натрия и/или калия 5-7. Недостатком известной смеси следует считать трудоемкость и дороговизну изготовления, дополнительные затраты на сплавление.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является разработка дешевого, безотходного и эффективного способа переработки вторичного алюминиевого сырья (отходов) с получением алюмооксидной смеси определенного химического состава для использования ее в качестве глиноземсодержащего разжижителя металлургических шлаков при производстве стали и сплавов.

Раскрытие изобретения

Техническим результатом изобретения является разработка состава смеси алюмооксидной, которая используется в качестве улучшенного глиноземсодержащего разжижителя металлургических шлаков при производстве стали и сплавов, позволяющей повысить при выплавке стали эффективность процесса разжижения за счет улучшения ряда параметров процесса, таких, как снижение расхода графитированных электродов АКОС, снижение расхода э/э, увеличение стойкости футеровки ковша и снижение удельного расхода огнеупоров шлакового пояса, снижение расхода извести, используемой для разжижения шлака.

Технический результат достигается тем, что предложена смесь алюмооксидная для разжижения металлургических шлаков при производстве стали и сплавов, состоящая из металлической (корольковой) составляющей (1) и шлаковой составляющей (2), при следующем содержании в них следующих компонентов и элементов:

1) металлическая (корольковая) составляющая, в мас. %:

- алюминий металлический корольковый фракции +10 мм не менее 20,0

- магний не более 4,0

- железо не более 3,0

- кремний не более 3,0

- медь не более 1,0

- цинк не более 1,5,

2) шлаковая составляющая, в мас. %:

- хлор-ионы не более 18,0

- соли натрия и калия в соотношении 1:1 до 25,0

- оксид кальция не более 6,0

- оксид магния не более 3,5

- оксид кремния не более 9,0

- оксид железа (Fe₂O₃) не более 3,0,

при этом смесь имеет содержание гигроскопической влаги не более 2 мас. % и содержание магнитной фракции не более 4,0 мас. %, а также характеризуется отсутствием кусков «промывочного» шлака.

При условии удовлетворенности потребителей химическим составом предлагаемого материала особое внимание при производстве уделяется влагосодержанию. Так, среднестатистическая допустимая влагозасоренность составляет не более 2 мас. %. Глиноземсодержащие материалы являются гигроскопическими и обычно перед отгрузкой потребителям продолжительное время лежат навалом в неотапливаемых складах или на открытых площадках. Таким образом, процесс изготовления от момента образования материала до момента его упаковки во влагонепроницаемую тару должен быть сведен к минимуму.

Также является желательным отсутствие в смеси алюмооксидной механического засора ломом черных металлов, который постоянно присутствует в изначальном материале, минимальная концентрация серы и отсутствие в составе плавикового шпата, который легко переходит в газообразную фазу и образует с Al и Mg опасные летучие соединения.

Содержащиеся в смеси алюмооксидной плавни солей натрия и калия, которые в процессе плавки образуют эвтектики, снижают температуру реакции в печи-ковше, ускоряют процесс разжижения шлака, находящегося в печи-ковше, выводя содержащуюся в стали серу в шлак, параллельно улучшают реакционность смеси, способствуют равномерному распределению шлака на зеркале металла в АКОС за счет жидкоподвижности при высоких температурах. Параллельно защищают шлаковый пояс - футеровку ковша, за счет создания кипящего слоя между жидкой сталью и огнеупорами (периклаза).

По содержанию алюминия металлического: происходит процесс активного окисления алюминия с переводом в оксидную фазу и освобождения оксида железа. Тем самым шлак вспенивает, улучшая экранирование дуг от электродов АКОС.

Присутствующий в смеси оксид алюминия способствует снижению расхода СаО (извести) при процедуре разжижения шлака. Переводит кислотность шлака в более основные соединения.

Количественное содержание компонентов смеси было определено экспериментальным путем и является оптимальным с точки зрения полезной эффекта. Выход за указанные границы содержания элементов негативно сказывается на свойствах смеси и ее эффективности при использовании в качестве разжижителя.

Смесь алюмооксидная является побочным продуктом переработки (дробления, классификации) алюминиевого шлака - отхода вторичного переплава алюминиевых ломов, дроссов, а также алюминиевых шлаков, богатых по алюминию металлическому с помощью роторных наклоняемых печей.

Исходным сырьем для изготовления смеси алюмооксидной являются высокотемпературные солевые отвальные шлаки, образующиеся сразу после переплава алюмосодержащего сырья в роторных наклоняемых печах. Не допускается применять в качестве сырья шлаки, образующиеся при «промывке» печей флюсами.

Технологический процесс переработки сырья под смесь алюмооксидную в общем виде содержит следующие стадии: плавление исходного материала в роторной печи, охлаждение материала с последующим дроблением, отмагниивание магнитной фракции содержащей железо, отмагничивание на вихревых магнитах немагнитной металлической фракции, классификация материала с отбором проб и анализом в лаборатории, подача на упаковку или прессование материала с обогащением по требуемым параметрам.

В результате применения данного способа получается материал с заданным фракционным составом, очищенный от механической магнитной фракции и со стабильным химическим составом, при этом влажность материала составляет не более 2 мас. %.

Смесь алюмооксидная может поставляться в виде двух фракций:

- фракция 50-150 мм;

- фракция 0-50 мм.

Возможна поставка и других фракций по согласованию с потребителем. Нижняя и верхняя границы гранулометрического состава обусловлена способом подачи материала и скоростью расплавления применительно к каждому процессу.

Осуществление изобретения

Проведенные промышленные испытания данной смеси алюмооксидной показали, что ее с большой эффективностью можно использовать в качестве глиноземсодержащего разжижителя металлургических шлаков при производстве стали и сплавов. Приведенный качественный и количественный состав смеси алюмооксидной является оптимальным с точки зрения наибольшей эффективности и полезного действия. Данный вывод продиктован проведенными лабораторными и промышленными исследованиями.

Было экспериментально установлено, что использование заявленной смеси алюмооксидной позволяет в аналогичных процессах, отличающихся только используемыми разжижителями, снизить расход графитированных электродов АКОС и расход э/э, увеличить стойкость футеровки ковша и снизить удельный расход огнеупоров шлакового пояса, снизить расход извести, используемой для разжижения шлака, что соответственно обеспечивает снижение себестоимости процесса получения стали и сплавов.

Для сравнения полученных результатов использовались стандартные разжижители, раскрытые в уровне техники.

Применение данного изобретения позволяет также все глиноземсодержащие продукты переработки вторичного алюминиевого сырья перевести из отхода IV класса опасности, требующего размещения на специализированном полигоне, в готовый материал - глиноземсодержащий разжижитель металлургических шлаков.

Полученная смесь алюмооксидная используется в технологии производства сталей на реальных действующих предприятиях и доказала свою эффективность. По полученным данным были разработаны технические условия, которые были утверждены и успешно применяются в настоящий момент на предприятии.

Изобретение относится к смеси алюмооксидной для разжижения металлургических шлаков при производстве стали и сплавов. Смесь состоит из металлической корольковой составляющей и шлаковой составляющей, при этом металлическая корольковая составляющая содержит не менее 20,0 мас.% алюминия металлического королькового фракции +10 мм, не более 4,0 мас.% магния, не более 3,0 мас.% железа, не более 3,0 мас.% кремния, не более 1,0 мас.% меди и не более 1,5 мас.% цинка, а шлаковая составляющая содержит не более 18,0 мас.% хлор-ионов, не более 25,0 мас.% солей натрия и калия в соотношении 1:1, не более 6,0 мас.% оксида кальция, не более 3,5 мас.% оксида магния, не более 9,0 мас.% оксида кремния, не более 3,0 мас.% оксида железа Fe₂O₃, оксид алюминия - остальное. Смесь имеет содержание гигроскопической влаги не более 2 мас.% и содержание магнитной фракции не более 4,0 мас.%. Использование предложенной смеси алюмооксидной в качестве улучшенного глиноземсодержащего разжижителя металлургических шлаков при производстве стали и сплавов, позволяет повысить эффективность процесса разжижения за счет снижения расхода графитированных электродов АКОС, снижения расхода электрической энергии, увеличения стойкости футеровки ковша и снижения удельного расхода огнеупоров шлакового пояса, а также снижения расхода извести, используемой для разжижения шлака. 2 з.п. ф-лы.

1. Смесь алюмооксидная для разжижения металлургических шлаков при производстве стали и сплавов, состоящая из металлической корольковой составляющей (1) и шлаковой составляющей (2), при следующем содержании в них компонентов:

1) металлическая корольковая составляющая, мас.%:

алюминий металлический корольковый фракции +10 мм не менее 20,0 магний не более 4,0 железо не более 3,0 кремний не более 3,0 медь не более 1,0 цинк не более 1,5

2) шлаковая составляющая, мас.%:

хлор-ионы не более 18,0 соли натрия и калия в соотношении 1:1 не более 25,0 оксид кальция не более 6,0 оксид магния не более 3,5 оксид кремния не более 9,0 оксид железа Fe₂O₃ не более 3,0 оксид алюминия остальное,

при этом смесь имеет содержание гигроскопической влаги не более 2 мас.% и содержание магнитной фракции не более 4,0 мас.%.

2. Смесь по п. 1, отличающаяся тем, что она находится в виде фракции 50-150 мм.

3. Смесь по п. 1, отличающаяся тем, что она находится в виде фракции до 50 мм.