Способ компактирования мелкодисперсных железосодержащих материалов для металлургического передела Российский патент 2025 года по МПК C22B1/244 

Изобретение относится к способам окускования измельченного железорудного сырья с целью его подготовки к металлургическому переделу и утилизации железосодержащих отходов, таких как шламы, окалина, колошниковая пыль и другие.

Известна шихта для изготовления брикетов металлургического производства, содержащая железоуглеродистые отходы электросталеплавильного производства, карбюризатор и связующий материал [1].

К ее недостаткам относятся использование связующего сульфатно-шлакового происхождения, что способствует дополнительному шлакообразованию в ходе плавки и внесению вредной примеси серы в выплавляемый металл.

Известен способ брикетирования окалины, предусматривающий применение в качестве связующего жидкого стекла [2].

Недостатком способа является гидрофильность получаемого брикета, поскольку жидкое стекло в его составе ничем не отверждается и при попадании в брикет воды (например, при перевозке) он может потерять прочность.

Известен способ брикетирования железосодержащих отходов в виде окалины для плавки [3], в котором предварительно подготовленную окалину смешивают с измельченным углеродсодержащим материалом и связующим, включающим кремнесодержащий материал в виде спеченного и измельченного керамзита, карбонат щелочного металла и гидрокарбонат щелочного металла, затем осуществляют обработку полученной смеси отвердителем, включающим водный раствор жидкого стекла, кремнефтористый натрий и наполнитель в виде кислого пылевидного минерала, например керамзитовой пыли, прессование и последующую сушку. При использовании замасленной окалины ее предварительно обрабатывают силикатно-известковым раствором, содержащим известь в количестве 0,5-2,5 мас. % на 1 мас. % масла, которую добавляют к водному раствору жидкого стекла плотностью 1100-1150 кг/м³, при их соотношении 1:2-1:3, с последующим гранулированием и сушкой при температуре от 200 до 250°С.

Недостатками способа являются высокая трудоемкость его реализации, а также низкая основность материала брикета, что не позволяет при плавке эффективно удалять из металла серу и фосфор.

Известен брикет для металлургического передела, включающий железосодержащий материал, углеродсодержащее вещество и связующее, отличающийся тем, что связующее изготовлено из смеси строительного цемента и пластифицирующей воздухововлекающей добавки – адипинового щелочного пластификатора, имеющего химическую формулу СООН(СН₂)₄СООNа [4].

К недостаткам такого брикета относятся его гидрофильность при хранении, интенсивное шлакообразование при плавке из-за наличия в составе цемента, а также повышенная температура плавления по причине образования при нагреве тугоплавких соединений типа n(CaO)SiO₂, что в конечном итоге снижает количество полезного тепла, идущего непосредственно на расплавление металлической шихты, замедляет процесс плавки и снижает производительность печи.

Известен брикет для производства чугуна и стали, включающий стальную окалину, углеродсодержащий материал и связующее, отличающийся тем, что в качестве углеродсодержащего материала он содержит электродный бой, а в качестве связующего смесь диоксида кремния, оксида кальция, оксида натрия и оксида алюминия [5].

Однако данный брикет не свободен от недостатков. Наличие в его составе целой линейки материалов, взятых в определенных соотношениях, а также необходимость их предварительного измельчения перед прессованием до размеров регламентированной фракции, проведения обжига в печи в течение 0,5-1,0 ч при 700-1000˚C с последующим охлаждением на воздухе повышают трудоемкость, длительность и стоимость изготовления брикета, использование в ходе изготовления брикета жидкого стекла для обеспечения его механической прочности ведет к образованию «камня» силикат-глыбы (окускованию), а по ходу плавки – к повышенному шлакообразованию, что неизбежно увеличивает время плавки. Кроме того, присутствие в составе брикета в качестве углеродосодержащего вещества боя графитовых электродов в количестве до 30% по массе ведет к загрязнению выплавляемого металла примесью серы.

Известен способ подготовки мелкой замасленной окалины к переработке, включающий отделение от окалины свободного масла и воды, смешивание мелкой замасленной окалины со связующим, в качестве которого используют аморфный водный кремнезем (например, опоку, трепел, диатомит, синтетическую кремнекислоту) предпочтительно в соотношении к окалине (0,05-0,15):1, последующее смешивание с крупной окалиной прокатного производства в соотношении 1:(0,05-20), введение в смесь шлакообразующих добавок в виде известняка или гашеной извести в соотношении (1-2):1 к массе кремнеземного связующего и углеродсодержащих компонентов предпочтительно в виде коксовой мелочи в соотношении (0,1-0,4):1 к массе окалины, брикетирование смеси при давлении 5-50 МПа и термоупрочнение полученных брикетов [6].

Недостатками способа являются низкая основность материала брикета, ограничивающая проведение десульфурации и дефосфорации при ведении плавки, а также высокие энергозатраты, связанные с операциями прессования и высокотемпературного (до 1100°С) термоупрочнения.

Наиболее близким к изобретению является способ окускования мелкодисперсных железосодержащих материалов для металлургического передела с использованием органического связующего [7], в котором железосодержащий материал и связующее смешивают, осуществляют агрегирование смеси и упрочнение полученных агрегатов. В качестве связующего материала используют синтетический сополимер акриламида и акрилата натрия, в котором мольная доля акрилата натрия может составлять от 0,5 до 99,5%, молекулярная масса в диапазоне от 1-104 до 2-107. Дозировка синтетического сополимера акриламида и акрилата натрия составляет от 0,02 до 0,10 кг на тонну железосодержащего материала. Сополимер акриламида и акрилата натрия может быть использован в виде сухого порошка, раствора, эмульсии, суспензии или аэрозоля, в чистом виде или в смеси с дополнительным материалом.

Недостатками способа являются его многооперационность и необходимость применения специального технологического оборудования для реализации, трудоемкость и энергоемкость агрегирования смеси и упрочнения полученных агрегатов, а также сложность дозировки и высокая стоимость компонентов органического связующего.

Эти недостатки устраняются предлагаемым решением.

Решается задача получения компактного, удобного для хранения и транспортировки агрегата (компакт, или брикет) из мелкодисперсных железосодержащих материалов, успешно выполняющего функции компонента шихты при ваграночной и доменной плавке чугуна.

Технический результат – компактность, минимальные осыпаемость и влагосодержание агрегата (компакт, или брикет) и экологичность его применения.

Технический результат достигается тем, что согласно изобретению способ компактирования мелкодисперсных железосодержащих материалов для металлургического передела, включающий смешивание частиц, по крайней мере, одного железосодержащего материала и связующего, агрегирование смеси и упрочнение полученных агрегатов, предусматривает применение термопластичного материала в количестве от 20 до 100 г на килограмм железосодержащего материала, а агрегирование смеси и упрочнение полученных агрегатов проводят одновременно в закрытой пресс-форме под воздействием давления и температуры не ниже температуры размягчения термопластичного материала. В качестве связующего могут применять отходы термопластичного материала, измельченные до фракции не более 2,0 мм, в том числе измельченные отходы пенополистирола. В последнем случае агрегирование и упрочнение смеси осуществляют методом внутреннего теплового удара подачей острого перегретого водяного пара под избыточным давлением 0,2-0,3 МПа. В составе смеси может быть использован дополнительный материал, измельченный до фракции не более 2,0 мм, в том числе бентонитовые или иные виды глин, известняк, доломитизированный известняк, цемент, доломит, боксит, мел, мергель, кокс, коксик, уголь, угольная пыль, торф, а также их композиции.

Термопластичные материалы (термопласты) – это высокомолекулярные углеводороды, которые при обычной температуре находятся в твёрдом состоянии, однако при нагреве выше температуры их размягчения проявляют свойства связующих и способны обратимо переходить в высокоэластичное и далее в вязкотекучее состояние, что обеспечивает возможность их формования различными методами, в том числе давлением. Среди наиболее широко применяемых термопластов невысокого класса опасности можно выделить полиэтилены низкой плотности (и высокого давления, ПЭНП, ПВД, LDPE), полиэтилены высокой плотности (и низкого давления, ПЭВП, ПНД, HPDE), полипропилены (PP, ПП), полистиролы (PS, ПС) и поливинилхлориды (PVC, ПВХ). При рабочих температурах ведения ваграночной плавки чугуна термопласты в условиях ограниченного доступа кислорода испытывают термодеструкцию, разлагаясь на мономеры и далее на водяной пар и монооксид углерода или сажистый углерод, способствующие восстановлению железа из его окислов, содержащихся в железосодержащих компонентах шихты, например, для полистирола наиболее вероятны химические реакции:

(C₈H₈)_n + 6n O₂ = 8n CO↑ + 4n H₂O↑

(C₈H₈)_n + 2n O₂ = 8n C + 4n H₂O↑

При этом летучие продукты термодеструкции термопластов способствуют разрушению агрегата (компакт, или брикет), увеличению поверхности контакта материалов шихты и тем самым интенсифицируют процесс плавки.

Помимо функции связующего, проявляющейся при агрегировании смеси, термопластичный материал после приобретения агрегатом (компакт, или брикет) в пресс-форме необходимой манипуляторной прочности играет роль своеобразной упаковки, способствующей сохранению его геометрии и предотвращению осыпаемости.

Как показала предварительно проведенная опытная работа, применение термопластичного материала в количестве менее 20 г на килограмм железосодержащего материала не обеспечивает полного покрытия связующим поверхности частиц последнего. Напротив, превышение дозировки связующего над уровнем 100 г на килограмм железосодержащего материала необоснованно снижает содержание железа в агрегате (компакт, или брикет).

Загрузка смеси железосодержащего материала и связующего в закрытую пресс-форму с последующим воздействием на смесь температуры и давления обеспечивает возможность реализовать одновременные формование и упрочнение агрегата (компакт, или брикет) необходимых геометрии и размеров.

Применение в составе смеси железосодержащего материала и связующего, измельченных до фракции не более 2,0 мм, обусловлено тем, что в противном случае поверхность получаемого агрегата (компакт, или брикет) получается неровной, что существенно повышает его осыпаемость и вероятность выкрашивания при хранении и транспортировке к месту использования. Кроме того, как показал опыт, использование в составе смеси компонентов с размерами частиц более 2,0 мм способствует быстрому изнашиванию контактирующих с ней поверхностей технологического оборудования и оснастки, тем самым снижая их эксплуатационный ресурс. В этой связи в случае применения в составе смеси отходов термопластичного материала или дополнительных материалов их требуется предварительно измельчать до указанного размера частиц.

Возможность применения в составе агрегата (компакт, или брикет) дополнительных материалов, в том числе бентонитовых или иных видов глин, известняка, доломитизированного известняка, цемента, доломита, боксита, мела, мергеля, кокса, коксика, угля, угольной пыли, торфа, а также их композиций, подтверждается как прототипом, так и работами [8-10].

Использование отходов при реализации заявленного способа обеспечивает улучшение экологической ситуации, поскольку исключает необходимость их захоронения на специальных полигонах.

Для реализации варианта способа с использованием измельченных отходов термопластичного материала допустимо применять как технологическое оборудование (термопластавтоматы) и оснастку для литья термопластов, так и компакторы отходов, серийно выпускаемые промышленностью.

Особый случай – применение в качестве связующего смеси измельченных отходов пенополистирола. Полистирол относится к группе синтетических полимерных продуктов класса термопластов. Благодаря термопластичности полистирола удается в 10-12 раз увеличить его плотность, не используя для этого значительных деформирующих нагрузок. Пенополистирол – это полистирол, вспененный воздухом. Этот материал не содержит волокон и не является источником вредной пыли. Измельченные отходы пенополистирола, или крошка, имеют размер до 2,0 мм. Насыпная плотность крошки составляет от 550 кг/м³ до 560 кг/м^3.. Температура размягчения пенополистирола – 90-95°С, температура плавления – 240°C.

Пенополистирол широко применяется в практике литья по газифицируемым моделям [11]. В частности, из пенополистирола методом внутреннего теплового удара успешно изготавливаются разовые термоудаляемые литейные модели. Для этого во внутреннюю полость закрытой пресс-формы, предварительно заполненную гранулами пенополистирола, через инжектор подается острый перегретый водяной пар под избыточным давлением 0,2-0,25 МПа. Особенность такого пара заключается в том, что изначально он имеет температуру 100°C и конденсируется непосредственно на поверхности частиц нагреваемого материала.

В заявляемом изобретении принципиальная схема сохраняется с той лишь разницей, что внутренняя полость пресс-формы заполняется предварительно подготовленной смесью мелкодисперсного металлосодержащего материала и крошки пенополистирола, а верхний предел избыточного давления острого водяного пара с учетом этого обстоятельства повышают до уровня 0,3 МПа.

Агрегирование и упрочнение агрегата (компакт, или брикет) происходит в результате фильтрации пара через поры, его расширения, передачи тепла частицам смеси, обволакивания связующим частиц металлосодержащего материала и спекания. Образующийся конденсат оттесняется частицами смеси к периферии и удаляется через венты в стенках пресс-формы. Поскольку процесс саморегулируемый, по мере формования и упрочнения агрегата (компакт, или брикет) выход пара через венты пресс-формы прекращается, что можно наблюдать визуально. Это упрощает управление процессом, по окончании которого пресс-форма охлаждается водой или воздушным потоком, делается небольшая выдержка и агрегат (компакт, или брикет) извлекается из нее. Геометрия и размеры агрегата (компакт, или брикет) определяются конфигурацией внутренней полости пресс-формы.

Проводили опытно-промышленное опробование эффективности заявляемого решения на площадке одного из промышленных предприятий. Изготавливали агрегаты (компакт, или брикет) размерами 150х100х60 мм.

Вариант 1. В качестве металлосодержащего материала брали стальную прокатную окалину незамасленную размером до 2,0 мм, содержащую до 70% железа, из отвалов АО «Выксунский металлургический завод» (г. Выкса, Нижегородская обл.), в качестве связующего – полипропилен низкого давления марки 21020-02, сорт 1, ГОСТ 26996-86, имеющий температуру размягчения 140°C и температуру плавления 175°C, в гранулах размером 2,0 мм. Для изготовления агрегатов применяли термопластавтомат MIR RMP 135-360 (Италия). Металлосодержащий материал вместе со связующим через воронку загружали в экструдер машины в соотношении 40 г связующего на килограмм железосодержащего материала, где проходило их смешивание шнековым смесителем и нагрев до температуры 190-200°C, при которой в течение короткого времени образовывался текучий полимерный расплав и проходило перемещение расплава к соплу машины для впрыска в пресс-форму. После выдержки в пресс-форме для завершения пенообразования и окончательного затвердевания готовый агрегат (компакт, или брикет) извлекался и цикл повторялся. При этом продолжительность производственного цикла не превышала 1,5-2,0 мин.

Вариант 2. В отличие от варианта 1 в качестве связующего брали измельченные до размера менее 2,0 мм отходы полиэтилена высокой плотности, имеющего температуру размягчения до 110°C и температуру плавления около 135°C, которые смешивали с тем же металлосодержащим материалом в экструдере машины при температуре 150°C в соотношении 80 г связующего на килограмм железосодержащего материала.

Вариант 3. В сочетании с тем же металлосодержащим материалом, как в варианте 1, в качестве связующего брали крошку пенополистирола размером фракции до 2,0 мм. Смесь металлосодержащего материала и связующего в соотношении 30 г связующего на килограмм железосодержащего материала загружали в пресс-форму и закрывали, после чего устанавливали ее в стерилизатор конструкции завода «АКС» (г. Санкт-Петербург) и через инжектор подавали во внутреннюю полость пресс-формы острый водяной пар с избыточным давлением 0,3 МПа. После прекращения выхода пара через венты в стенках пресс-формы процесс останавливали, пресс-форму охлаждали водой, а по окончании выдержки в течение 2-3 мин агрегат (компакт, или брикет) извлекали.

Контролировали осыпаемость, компактность (стабильность геометрии при транспортировке и выполнении разгрузочно-погрузочных операций), и влагосодержание агрегатов (компакт, или брикет), полученных по всем трем вариантам по 3 шт. для каждого варианта.

Компактность агрегата оценивалась по специальной шкале, действующей на предприятии. Ударные нагрузки на агрегат (компакт, или брикет) при проведении испытаний на осыпаемость имитировались падением агрегата с высоты 50 см на стальную плиту. Влагосодержание контролировалось весовым методом после погружения агрегата на 1 мин в емкость с водой комнатной температуры.

Результаты проверки приведены в таблице 1. В таблице приведены усредненные значения показателей для каждого из трех вариантов реализации заявленного способа. Для сравнения ориентировались на эталонный уровень характеристик агрегата, принятые ОАО «Литейно-механический завод» (г. Семенов, Нижегородская обл.). Как видно из таблицы, все характеристики полученных агрегатов (компакт, или брикет) по всем трем вариантам соответствуют эталонному уровню

В условиях действующего производства проводили серию плавок чугуна марки СЧ20 ГОСТ 1412 в газовой вагранке с содержанием в шихте 20% масс. агрегатов (компакт, или брикет), полученных по каждому из трех вариантов.

По результатам проведенного химического анализа полученного чугуна содержание примесей серы в металле оказалось равным соответственно 0,07, 0,10 и 0,08% при использовании агрегатов (компакт, или брикет), полученных по первому, второму и третьему вариантам реализации заявленного способа при допустимом содержании примесей серы до 0,15% согласно требованиям стандарта.

Таким образом, практическая проверка подтвердила эффективность заявленного способа.

Источники информации:

1. Патент на изобретение РФ №2352648, кл. C22 B1/243, 2009.

2. Патент на изобретение РФ №2441925, кл. C22B 1/243, C22B 1/248, 2011.

3. Патент на изобретение РФ №2321647, кл. C22B 1/242, C22B 1/245, 2008.

4. Патент на изобретение РФ №2228377, кл. C22 B1/242, 2004.

5. Патент на изобретение РФ №2083681, кл. C21 C5/06, C22 B1/24, C22 B1/242, 1997.

6. Заявка на изобретение: 2012143444/02, кл. C22B 1/243, 2014.

7. Патент на изобретение РФ №2272848, кл. C22B 1/244, 2006 – прототип.

8. Добровольский, И.П. Переработка и утилизация промышленных отходов Челябинской области / И.П. Добровольский, И.Я. Чернявский, А.Н. Абызов, Ю.Е. Козлов. – Челябинск, 2000. – 256 с.

9. Катинев, В.И. Брикеты из мелкодисперсных отходов металлургического и коксохимического производств – экономически выгодная замена традиционной шихты металлургических переделов / В.И. Катинев, Е.Ю. Барсукова [и др.] // Металлург. – 2002. – №10.

10. Белкин, А.С. Использование железококсовых брикетов на цементной связке / А.С. Белкин, Ю.С. Юсфин, И.Ф. Курунов [и др.] // Металлург. – 2003. – №4.

11. Шуляк, В.С. Литье по газифицируемым моделям / В.С. Шуляк. – СПб.: Профессионал, 2007. – 408 c.

Таблица 1

Результаты испытаний агрегатов (компакт, или брикет)

Номер варианта 1 2 3 Эталонный уровень, установленный предприятием Осыпаемость, % масс. 3 3 8 10 Компактность^* хорошая хорошая удовлетворительная удовлетворительная Влагосодержание, % масс. 0 0 3 8

Примечание: использовали следующую шкалу отклонений от исходной геометрии после транспортировки и проведения разгрузочно-погрузочных операций при оценке компактности агрегатов

менее 5,0% – отличная

менее 10,0% – хорошая

менее 20,0% – удовлетворительная

20,0% и более – неудовлетворительная.

Изобретение относится к окускованию измельченного железорудного сырья с целью его подготовки к металлургическому переделу и утилизации железосодержащих отходов, таких как шламы, окалина, колошниковая пыль и другие. Смешивают частицы железосодержащего материала и связующего, осуществляют агрегирование смеси и упрочнение полученных агрегатов. В качестве связующего применяют термопластичный материал, измельченный до фракции не более 2,0 мм, в количестве от 20 до 100 г на килограмм железосодержащего материала. Агрегирование смеси и упрочнение полученных агрегатов проводят одновременно в закрытой пресс-форме под воздействием давления и температуры не ниже температуры размягчения термопластичного материала методом внутреннего теплового удара подачей острого перегретого водяного пара под избыточным давлением 0,2-0,3 МПа. Обеспечивается компактность, минимальные осыпаемость и влагосодержание агрегата, экологичность применения. 2 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Способ компактирования мелкодисперсных железосодержащих материалов для металлургического передела, включающий смешивание частиц, по крайней мере, одного железосодержащего материала и связующего, агрегирование смеси и упрочнение полученных агрегатов, отличающийся тем, что в качестве связующего применяют термопластичный материал, измельченный до фракции не более 2,0 мм, в количестве от 20 до 100 г на килограмм железосодержащего материала, а агрегирование смеси и упрочнение полученных агрегатов проводят одновременно в закрытой пресс-форме под воздействием давления и температуры не ниже температуры размягчения термопластичного материала.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в составе смеси используют дополнительный материал, выбранный из бентонитовых или иных видов глин, известняка, доломитизированного известняка, цемента, доломита, боксита, мела, мергеля, кокса, коксика, угля, угольной пыли, торфа или их композиции.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что агрегирование и упрочнение смеси осуществляют методом внутреннего теплового удара подачей острого перегретого водяного пара под избыточным давлением 0,2-0,3 МПа.