Способ получения чугунных мелющих тел Российский патент 2024 года по МПК C22B1/243 C21C1/08 B02C17/20 

Изобретение относится к производству чугунных изделий, в частности к получению чугунных мелющих тел (шаров и цильбепсов), и может использоваться для утилизации отходов медеплавильного производства.

Проблема заключается в следующем. Потенциальной сырьевой базой черной металлургии являются отходы медной промышленности: шлаки, которые в зависимости от принятой на заводах технологии содержат от 0,3 до 3% меди и до 40% железа. В отвалах предприятий содержатся шлаки 2-х типов с различным содержанием меди: гранулированные, произведенные по устаревшей технологии и шламы, полученные из кристаллизованных медленным охлаждением молотых шлаков, подвергнутых пенной флотации для дополнительного извлечения остатков меди. Эти отходы миллионами тонн складируются в отвалах, которые занимают большие площади и создают экологические проблемы.

Одним из способов решения проблемы является использование шлаков для получения чугуна с последующим изготовления мелющих тел.

Повышенное содержание серы (до 1%) в чугуне из медных шлаков, не снижает эксплуатационных характеристик мелющих тел, а наличие меди (0,3 - 1%), являющейся естественной легирующей добавкой, значительно улучшает его механические свойства (Михайлов A.M., Бауман Б.В., Благов Б.Н. «Литейное производство», «Машиностроение», 1987 г.).

Известен состав шихты для получения чугунных мелющих тел, где в качестве легирующей добавки используют отходы производства камнелитых изделий из медеплавильного шлака в количестве 5 - 15% от массы шихты /п. РФ №2016077, МПК С21С1/08, заявл. 03.04.1992, опубл. 15.07.1994/ Состав получаемого при этом чугуна следующий: масс. %: 3,11-3,9 С; 0,11-0,8 Si; 0,02-0,8 Mn; 0,9-2,1 Cu, железо - остальное.

Недостатком известного состава является то, что в качестве медесодержащей добавки используется до 15% отходов от плавления медного шлака, а остальные 85% шихты составляет дорогостоящий передельный чугун. Кроме того, каменное литье из медного шлака не нашло промышленного применения.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является состав шихты для приготовления металлизируемых окатышей для получения мелющих тел, описанный в способе получения чугунных мелющих тел, представленный в п.РФ 2634535, МПК С21С 1/08, заявл. 2016.08.23, опубл. 2017.10.31, включающий в качестве исходных материалов шлак медеплавильного производства с содержанием меди от 0,7 до 2,4%, и углеродный восстановитель. Формулировка «шлак медеплавильного производства» в формуле патента-прототипа не содержит сведений о составе шлака и способе его получения, что не позволяет его эффективно применять для изготовления металлизированных окатышей для получения мелющих тел.

Технической задачей и результатом изобретения является расширение сырьевой базы черной металлургии при получении чугунных мелющих тел за счет использования в их производстве, как старых (лежалых) отвалов, так и шлаков текущего производства, утилизация отходов медеплавильного производства.

Техническая задача достигается за счет того, что способ получения чугунных мелющих тел, включает выплавку чугуна с применением шихты для окатышей, содержащей в своем составе смесь из отходов медеплавильного производства, содержащую медь 0,7-2,4 мас.%, и углеродистый восстановитель, причем из полученной массы изготавливают окатыши, которые высушивают и обжигают в восстановительной среде до получения металлизированных окатышей, которые используют при загрузке шихты в дуговую печь, и ее плавлении с получением чугуна, затем чугун разливают в формы для получения мелющих тел, согласно изобретению, в качестве отходов медеплавильного производства используют смесь гранулированного шлака с максимальным размером зерна 1,25 мм и шлама от флотации кристаллизованного молотого шлака, содержащего 40-70 мас.% гранулированного шлака.

Известно, что существуют два вида отвального шлака медеплавильного производства: гранулированный шлак и шлаковый шлам, отличающиеся способом получения, фазовым и гранулометрическим составом.

Шлам пенной флотации является высокодисперсным порошком, сложенным из кристаллизованного (путем медленного охлаждения) и подвергнутого мокрому помолу шлака. Шлам характеризуется большой тонкостью помола (содержание частиц класса менее 0,05 мм - 94 мас. % с высокой удельной поверхностью).

Гранулированный шлак медного производства представляет из себя крупный песок практически полностью сложенный из стекла (до 98 мас. %).

Известно, что при изготовлении окатышей большое влияние на их качество и технико-экономические характеристики оказывает гранулометрический состав шихты (Маерчак Ш. Производство окатышей, М. «Металлургия»,1982). Гранулированный шлак практически не содержит мелких фракций (табл.1), необходимых для обеспечения связности получаемых окатышей. Кроме того, шлак практически полностью (до 98 мас. %) состоит из стекла, его зерна имеют гладкую поверхность. Пониженное поверхностное натяжение является причиной плохой водоудерживающей способности гранулированных шлаков.

Установлено, что плохая комкуемость шихты с гранулированным шлаком медного производства без добавки мелких фракций не позволяет изготавливать окатыши для восстановления железа. Второй особенностью гранулированного шлака, сложенного из плотного стекла, является хрупкость зерен, вызванная внутренним напряжением, возникшим вследствие термического удара при водной грануляции. Шлаковое стекло пронизано сетью тонких трещин, что было установлено исследованиями на электронном микроскопе с высоким разрешением. Центрами напряжения являются частицы сульфидов, равномерно распределенные в массе стекла. Даже небольшие усилия, нагрев и охлаждение при сушке приводит к разрушению крупных зерен. Лавинообразное разрушение, особенно при ударных и термических нагрузках, свойственно зернам крупнее 1,25 мм. Более мелкие зерна обладают высокой прочностью и абразивностью и плохо поддаются измельчению. Энергоемкость тонкого измельчения медного шлака, по сравнению с доменным шлаком, на 40 мас. % выше.

Наиболее эффективным и экономичным является измельчение до граничного зерна 1,25 мм в дробилках ударного действия (роторные, молотковые и др.) Дальнейший помол зерен шлакового стекла с целью получения достаточного количества тонких фракций для обеспечения комкуемости шихты для окатышей энергоемко и экономически невыгодно. Экспериментально установлено (при испытании во вращающемся барабане) что у высушенных окатышей с гранулированным шлаком, не подвергнутым дроблению по граничному зерну 1,25 мм, происходит осыпание поверхностного слоя, следствием которого являются высокие потери (просыпи) при перевалках и транспортировке.

Влияние степени измельчения шихты при производстве окатышей неоднозначно. С увеличением удельной поверхности шихты до определенного значения показатели качества шихты и окатышей: комкуемость, водосодержание, прочность сырых окатышей, прочность высушенных окатышей улучшаются. При дальнейшем увеличении удельной поверхности увеличивается водосодержание, что приводит к увеличению энергозатрат на сушку.

Шлам медеплавильных шлаков имеет сравнительно высокую удельную поверхность (около 1360 см²/г). Экспериментально установлено, что при такой удельной поверхности его использование без укрупняющей добавки неэффективно, т.к. вследствие высокой влагоемкости для получения качественных окатышей требуется большая влажность шихты, что приводит к удлинению времени сушки, снижению производительности и повышению энергоемкости. Недостаточная влажность шихты приводит к снижению прочности сырых и высушенных окатышей.

Предложенное сочетание в указанных границах сравнительно крупных зерен, создающих «каркас» окатыша и тонкой фракции - шлама, улучшающей связность частиц, обеспечивает достижение требуемых показателей качества: прочности сырых окатышей, прочности сухих окатышей, экономичности.

Границы содержания гранулированного шлака в смеси обусловлено следующим. При превышении верхней и снижении нижней границ содержания гранулированного шлака в составе шихты ухудшается связность частиц и прочность сырых и высушенных окатышей (табл. 2). Использование в шихте смеси двух видов шлака в указанном соотношении позволяет расширить сырьевую базу черной металлургии за счет вовлечения в производство как старых (лежалых) отвалов, так и шлаков текущего производства, повысить качество окатышей.

Заявляемый способ обладает новизной в сравнении с прототипом в связи с наличием таких отличительных признаков, как использование в шихте смеси двух видов шлака медного производства, с количественным содержанием компонентов: 40-70мас. % гранулированного шлака от массы смеси, зерновым составом гранулированного шлака: фракции менее 1,25 мм, обеспечивающих в совокупности достижение заданного результата.

Предлагаемый способ получения чугуна с применением шихты указанного состава для окатышей для выплавки чугуна при изготовлении мелющих тел может найти широкое применение для утилизации отходов медеплавильных предприятий (текущего производства и старых отвалов), в частности, на Южном и Среднем Урале, Таймыре, Казахстане и других регионах.

Реализация заявляемого состава используемой шихты в предлагаемом способе заключается в следующем.

Берут два вида медного шлака с содержанием меди 0,7-2,4 масс. %: шлама и гранулированного, предварительно дробленого до крупности минус 1,25 мм, смешивают с углесодержащим восстановителем (углем, коксом), связующим (жидкое стекло, бентонит), водой, на барабанном или тарельчатом грануляторе изготавливают окатыши, которые подвергают сушке. Из полученных окатышей путем твердофазного восстановления железа и последующей плавки получают чугун, который разливается в формы для получения мелющих тел (шаров).

Пример практической реализации заявляемой шихты в способе получения чугунных мелющих тел

Исходные материалы: смесь, включающая шлам из хвостов флотации Карабашского медеплавильного завода с содержанием 0,7 мас. % меди и гранулированный шлак из старых отвалов того же завода с содержанием меди 0,9 мас. %, предварительно измельченный на молотковой дробилке до фракции минус 1,25 мм, восстановитель: уголь, измельченный в дисковой мельнице до фракции минус 1 мм, в количестве 20 мас. % от массы шлака, связующее - молотый бентонит, в количестве 1 мас. % от массы шихты. Гранулированный шлак, шлам и уголь высушивались до постоянного веса, смешивались со связующим. Количество связующего в смеси составляло 0,9мас. % от массы шихты. Количество гранулированного шлака в смеси двух видов шлака составляло, мас. % от 40 до 70. Дополнительно для сравнения были изготовлены составы шихты с содержанием гранулированного шлака, мас. % 25-35 и 75-80.

Смесь указанных исходных материалов далее для производства окатышей перемешивалась с водой до влажности 10% в течение 10 мин., загружалась в лабораторный барабанный гранулятор диаметром 340 мм, и гранулировалась. У сырых окатышей диаметром 14-16 мм определялась прочность методом сбрасывания (с высоты 50 см) на чугунную плиту. Сырые окатыши высушивались в сушильном шкафу при температуре 120 град. У высушенных окатышей определялась прочность на раздавливание.

Как показали результаты испытаний окатышей (табл. 2), высокие показатели прочности достигаются при содержании 40-70 мас. % шлама в смеси шлаков. При уменьшении содержания гранулированного шлака менее 40 мас. % и увеличении более 70 мас. % прочность сырых и высушенных окатышей падает.

Высушенные окатыши оптимального состава подвергались металлизации путем обжига в восстановительной среде, после чего в дуговой печи из них выплавлялся чугун. Выплавленный металл был расплавлен в индукционной печи и разлит в чугунный разъемный кокиль. В результате были получены образцы чугунных шаров диаметром 40 мм, соответствующие ГОСТ 7524-89 "Шары стальные мелющие" и КР СТ 2310-2013 «Шары литые чугунные мелющие».

Таблица 1. Гранулометрический состав исходного и дробленого шлака Наименование материала Остаток на сите с диаметром отверстий, мм 5 2.5 1.25 0.63 0.32 0.1 дно Шлак исходный 3.5 22,1 29.7 32.2 7.58 1.3 3.7 Шлак дробленый - - - 61.1 24.8 9.1 5.1

Таблица 2. Зависимость прочности окатышей от содержания гранулированного шлака в смеси Прочность окатышей Содержание гранулированного шлака в смеси 25 30 35 40 50 60 70 75 80 Сырых (кол-во сбрасываний) 7.6 8.1 11.3 13.4 14.9 14.3 12.8 6.2 4.7 Сухих (кг/окатыш) 11.8 12.1 16 29.7 56.3 54.6 31.2 17.1 9.9

Таким образом, использование предложенного состава шихты обеспечивает получение окатышей требуемого качества (табл. 2) и выплавку из них чугуна для мелющих тел, соответствующих нормативным требованиям.

Изобретение относится к производству чугунных изделий, в частности к получению чугунных мелющих тел (шаров и цильбепсов), и может быть использовано для утилизации отходов медеплавильного производства. Способ включает выплавку чугуна с применением шихты для окатышей, содержащей в своем составе смесь из отходов медеплавильного производства, содержащую медь 0,7-2,4 мас.%, и углеродистый восстановитель. Из полученной массы изготавливают окатыши, которые высушивают и обжигают в восстановительной среде до получения металлизированных окатышей, которые используют при загрузке шихты в дуговую печь и ее плавлении с получением чугуна. Чугун разливают в формы для получения мелющих тел. В качестве отходов медеплавильного производства используют смесь гранулированного шлака с максимальным размером зерна 1,25 мм и шлама от флотации кристаллизованного молотого шлака, содержащего 40-70 мас.% гранулированного шлака. Обеспечивается расширение сырьевой базы черной металлургии при получении чугунных мелющих тел за счет использования в их производстве как старых (лежалых) отвалов, так и шлаков текущего производства, утилизация отходов медеплавильного производства. 2 табл., 1 пр.

Способ получения чугунных мелющих тел, включающий выплавку чугуна с применением шихты для окатышей, содержащей в своем составе смесь из отходов медеплавильного производства, содержащих медь 0,7-2,4 мас.%, и углеродистый восстановитель, причем из полученной массы изготавливают окатыши, которые высушивают и обжигают в восстановительной среде до получения металлизированных окатышей, которые используют при загрузке шихты в дуговую печь и ее плавлении с получением чугуна, затем чугун разливают в формы для получения мелющих тел, отличающийся тем, что в качестве отходов медеплавильного производства используют смесь гранулированного шлака с максимальным размером зерна 1,25 мм и шлама от флотации кристаллизованного молотого шлака, содержащего 40-70 мас.% гранулированного шлака.