Металургійна промисловість споживає широку гаму мінерально-сировинних і матеріальних ресурсів, ефективність використання яких визначає рівень собівартості металургійної продукції і ступінь впливу її виробництва на навколишнє середовище.
Виробництво чорних металів пов’язане з утворенням крупнотонажних дисперсних відходів з високим вмістом заліза, уловлених у системах газоочистки у вигляді пилу і шламів.
Проблема утилізації залізовмісних сталеплавильних пилу і шламів чорної металургії зв'язана з підвищенням в них вмісту кольорових металів, зокрема цинку, унаслідок зниження частки чавуна у виробництві сталі і збільшення частки оцинкованого брухту. В теперешній час шлами практично виведені з оборотного циклу головним чином через те, що вони є основним постачальником цинку в доменну піч, а існуюча технологія підготовки сировини до доменної плавки не забезпечує його видалення.
Використання цинковмісних залізорудних матеріалів у шихті доменних печей без попереднього збезцинкования приводить до істотного порушення технології доменної плавки, руйнуванню вогнетривкої кладки, прогару фурм, зниженню продуктивності печей, підвищенню витрат коксу і т.д. Але скидання у відвали шламів із вмістом більш 1 % Zn, приводить до щорічної втрати в Україні до 10 тис.т цинку у випадку роботи сталеплавильних цехів із проектною продуктивністю. Вище зазначені фактори визначають необхідність дослідження поводження кольорових металів і удосконалення технології утилізації сталеплавильних пилу і шламів.
Метою даної роботи є дослідження поводження кольорових металів, зокрема цинку і свинцю, для вивчення можливості утилізації сталеплавильних пилу і шламів шляхом здійснення рециклінгу їх у самому сталеплавильному агрегаті (мартенівській печі, конвертері, ДСП), а також розробка ресурсо- енергозберігаючої технології утилізації пилевиносу сталеплавильних агрегатів.
Для досягнення зазначеної мети поставлені наступні задачі:
Розробка економічно вигідної, бездотаційної технології утилізації сталеплавильних пилу і шламів з повним використанням усіх цінних компонентів, що містяться у пилевиносі сталеплавильних агрегатів.
- Визначено ресурси цинку на металургійних підприємствах
- Запропоновано технологічні схеми підготовки сталеплавильних пилів і шламів для їх окусковання
- Розроблена ресурсо- енергозберігаюча технологія утилізації пилевиносу сталеплавильних агрегатів шляхом здійснення рециклінгу пилевиносу до накоплення вмісту цинку до 12-15 % і подальшої обробки шламів з вологістю 6-8% рідкими сталеплавильними шлаками
- планується розрахувати економічну ефективність отримання цинку зі шламів чорної металургії, а також використання частково металізованого залізовмісного продукту в доменному і сталеплавильному процесах.
Для утилізації цинковмісних сталеплавильних пилу і шламів найбільш поширені пірометалургійні методи обробки залізовмісних відходів. Вони забезпечують високий ступінь видалення шкідливих домішок з одночасною металізацією готового залізовмісного продукту, що визначає їх широке промислове застосування. При цьому, основним напрямком поліпшення техніко-економічних показників пірометаллургійних методів обробки відходів є використання як палива і відновника недефіцитних видів твердого палива замість коксового дріб'язку або електроенергії.
Гідрометалургійні способи видалення цинку основані на обробці шламів кислотами і лугами. Незважаючи на можливість одержання високоякісного цинковмісного продукту, гідрометалургійні способи неприйнятні для широкого промислового впровадження. Це пов'язано з високими експлуатаційними витратами, дефіцитом кислот і лугів, тяжкими умовами праці, забрудненням навколишнього середовища.
В даний час ведуться дослідження з визначення можливостей видалення цинку зі шламів безпосередньо при їх агломерації. Ступінь вилучення цинку з аглошихти підвищується зі створенням у спекаємому шарі визначених термодинамічних умов, одержуваних за рахунок підвищеної витрати твердого палива, добавок хлориду кальцію і меленого магнезитового порошку, підвищення основності, перерозподілу цинковмісних матеріалів у нижні шари аглошихти. У деяких випадках ступінь видалення цинку досягає 80%. Проте, повне видалення цинку з агломераційної шихти при звичайному спіканні неможливо навіть при дуже високих витратах твердого палива. Це пояснюється наявністю кисню в газовій фазі і присутністю в готовому агломераті оксидів заліза і кремнію. Навіть часткове видалення цинку (до 50%) з аглошихти вимагає підвищеної (до 13%) витрати вуглецю.
Найбільш відомі і традиційні протягом багатьох років за рубежем є велц-процеси переробки шламів у трубчастих обертових печах. Цинковмісні відходи з твердим відновлювачем завантажуються в трубчасту обертову піч із противотоком димових газів. Одночасно з відновленням оксидів заліза відновлюється і віддаляється цинк і свинець. З печі вивантажується металізований продукт, а цинк уловлюється з газів, що відходять, у відповідних фільтрах. При цьому очищення великої кількості газів, що відходять, вимагає значних капітальних і експлуатаційних витрат.
Усі пірометалургійні процеси переробки шламів в обертових і шахтних печах відрізняються високими технологічними показниками – високими ступенями металізації і видалення цинку, великою продуктивністю, високою якістю металізованого продукту. Однак усі ці процеси вимагають високих капітальних і эксплутационных витрат. Багато з них нерентабельні й існують за рахунок дотацій, що виділяються на захист навколишнього середовища.
Перспективним способом переробки відходів, що містять цінні елементи, є застосування плазми. У Швеції фірмою "SKF Steel" розроблені способи застосування плазмотехники для металургійних процесів і доведені до промислового використання. Застосування плазменой техніки може істотно підвищити питому продуктивність відбудовних агрегатів, однак у даних процесах має місце дуже висока витрата дефіцитної електроенергії.Одним зі способів утилізації залізовмісних відходів є їх переробка в низькочастотній індукційній печі. Гранули зі шламу з високим вмістом цинку після сушіння разом із твердим відновлювачем направляють в індукційну піч. Через льотки випускають розплавлений метал і шлак, а з газів, що відходять, у фільтрах уловлюють возгони цинку. Рідка ванна в індукційній печі може бути утворена шляхом розплавлювання залізного брухту. Такі процеси дозволяють одержати досить низькі енерговитрати.
Інститут "Уралмеханобр" і Уральський державний технічний університет розробили спосіб вилучення цинку з доменних і мартенівських шламів на основі нагрівання матеріалів у полях надвисоких частот (СВЧ). У полях СВЧ можливо видалити до 85% Zn при наявності в них 9 – 10% твердого вуглецю і нагрівання до 1200 – 1220°C. Однак цей спосіб супроводжується високою витратою електроенергії. Процес «КОНТОП» спочатку був упроваджений на підприємстві чорної металургії АТ «Хумбольдт Ведаг» (Кельн, Німеччина). У 1998 р. «Фест-Альпине Индустрианлагенбау» придбала усі права і ноу-хау на цю технологію з метою застосування її в першу чергу для переробки цинковмісних відходів чорної металургії, а також легкої фракції автомобільного брухту. З застосуванням даної технології цинк вилучають з пилу і шламів у реакторах продуктивністю 5-100 тис. т/ч і вище. На ВАТ «НЛМК» утилізація цинковмісних відходів здійснюється в спеціально відведеній для цієї мети доменній печі, де крім шламококсових брикетів протягом двох років проплавляли агломерат, отриманий із шихти, що включає до 40% цинковмісних сталеплавильних і доменних шламів. При цьому рівень цинкового навантаження не перевищував 2,0-2,2 кг/т чавуну. Досвід проплавления цинковмісних матеріалів не виявив їхнього негативного впливу на стан печі. Фахівцями ДонНТУ запропонована технологія утилізації залізо- цинковмісних доменних і сталеплавильних шламів шляхом їхньої обробки рідкими сталеплавильними шлаками. При цьому в залежності від вмісту вуглецю, витрата шламу може змінюватися від 500 до 1000 (і більш) кг/т рідкого шлаку. Кінцевими продуктами запропонованої технології є кусковий залізовмісний матеріал, придатний для використання в доменній печі, і цинкові возгони із вмістом до 30-35% цинку.
Була вивчена схема циркуляції кольорових металів у сталеплавильних процесах. Будь-яка замкнена система приводить до накоплення циркулюючого елементу і до стабілізації на більш високому рівні. Маса цинку, що надходить у сталеплавильний агрегат у кожен наступний цикл, буде розраховуватися за наступною формулою:
A – постійна маса цинку, що надходить кг/т чугуна
k – коэфіцієнт переходу цинку в сталеплавильний пил або шлам
Сума перших n членів розраховується за формулою:
Через певне число циклів відбувається насичення пилевиносу кольоровими металами і його необхідно виводити з циклу для подальшої переробки і вилучення кольорових металів.
При даному коефіцієнті рециркуляції насичення по цинку складе п'ять його первісних значень, а при коефіцієнті 0,9 – 10 Ао. Звичайно, приблизно після п'ятого-шостого циклу послідовного використання питлевиносу в шихті сталеплавильних печей настає насичення.
Тривалість циклу буде залежати від технологічної схеми підготовки пилевиносу і його введення в сталеплавильний агрегат.
Коефіцієнт рециркуляції цинку для сталеплавильних процесів по дослідно-промислових дослідженнях склав 0,8, тобто 20% цинку віддаляється з агрегату з продуктами плавки. При їхньому випуску цинк, в основному, випаровується і видаляється з фоновими викидами.
Нами був проведений розрахунок накоплення цинку і свинцю в пилевиносі при його рециклінгу при різному вихідному вмісті цинку в шламі. Результати цього розрахунку представлені на рисунку.
Результати теоретичних розрахунків підтверджуються даними експериментальних досліджень. При рециклінгу шламу, що містить 3,39% Zn і 1,17% Pb у мартенівських печах спостерігався гарний збіг теоретичних і практичних даних по цинку. У той же час практичні дані по рециклингу свинцю не збігаються. Це можна пояснити ймовірним скопленням свинцю на подині печі і випуском його з продуктами плавки, де він випаровується і переходить у газовий фон. У швидкоплинних конвертерному і электросталеплавильному процесах свинець, можливо, буде возгонятися і переходити в пилевинос аналогічно цинку.
Для переробки збагаченого пилевиносу на заводах кольорової металургії досить мати вміст 12 – 15% цинку. Однак при цьому не вирішується проблема використання залізовмісної частини. Тому пропонується здійснювати рециклінг пилевиносу до накоплення вмісту цинку до 12-15 %, далі робити обробку шламів з вологістю 6-8% рідкими мартенівськими шлаками. При цьому будемо одержувати возгони цинку – сировина для кольорової металургії і збагачені залізом шлаки, які можна направляти в доменну піч. При використанні такого кускового продукту в доменній печі будуть заощаджуватися агломерат, вапняк, марганцева руда, кокс (не потрібно затрачати енергію для розкладання вапняку на CaО і СО2) . Згідно проведеного розрахунку загальна економія вищенаведених шихтових матеріалів при використанні 1 т такого продукту складе більш 300 грн.
Надалі планується оцінити величину інвестицій для реалізації запропонованої технології на конкретному підприємстві (у даному випадку ММК ім.Ілліча) і розрахувати показники економічної ефективності реалізації даного проекту.
Таким чином, для рішення проблеми утилізації цинковмісних сталеплавильних пилу і шламів існує потенціал у самому сталеплавильному виробництві. У даній роботі зроблена спроба удосконалення технології утилізації пилевиносу сталеплавильних агрегатів з метою досягнення повного використання всіх цінних компонентів, що містяться в ньому, а також істотного поліпшення стану навколишнього середовища.
1. Степин Г.М., Мкртчан Л.С., Довлядов И.В., Борщевский И.К. Проблемы цинка в доменном производстве России и пути их решения. Металлург. – 2001, № 10. – С. 39 – 42.
2. Проблемы цинка в доменном производстве / Капорулин В.В., Урбанович Г.И., Невмержщкий Е.В. и др. // Сталь. – 1984, № 11. – С. 9 – 15.
3. Троянский А.А., Клягин Г.С., Ростовский В.И. Технология рециклинга пылевыноса сталеплавильных агрегатов с извлечением цветных металлов // Сталь. – 2002, № 8. – С. 119 – 122.
4. Борисов В.М., Казьмин А.А. Удаление вредных примесей из железосодержащих отходов за рубежом // Бюл. НТИ: Черн. металлургия. – 1981, № 17. – С.15 – 24.
5. Заявка 53 – 135803 Япония, МКИ С 22 В 1/100. Обработка шламов доменного и сталеплавильного производства / Ханада Мицуо, Фукуро коити – № 52 – 49998; Заявлено 02.05.77; Опубл. 27.11.78; МКИ 10 А1. – 3 с.
6. Термическая переработка цинксодержащих отходов производством / В.П. Ульянов, В.Г. Братчиков, В.Я. Дмитриев и др. // Бюл. НТИ: Черная металлургия. – 1991, № 9. – С. 58 – 59.
7. Валавин В.С., Юсфин Ю. С., Подгородецкий Г. С. Поведение цинка в агломерационном процессе // Сталь. – 1988, № 4. – С.12 – 17.
8. Ивянский В. А., Довлядов И. В., Михалевич А. Г. Пути повышения степени обесцинкования железорудных материалов в процессе их агломерации // Черная металлургия. – 1988, № 2. – С. 13 – 14.
9. Высокотемпературные процессы переработки шламов металлургического производства / Н.И. Иванов, В.К. Литвинов, В.Ф. Шутикова, Е.Б. Агапитов // Бюл. НТИ: Черная металлургия. – 1989, № 6. – С. 20 – 28.
10. Сучасава К., Ямада Я., Ватакабе В. Прямое восстановление пылей металлургического производства // Черные металлы. – 1976, № 24. – С. 8 – 13.
12. Herlits News, Eriksson Sune, Skogbolg Johny New generation of reduction process based on plasma technology // Rev. Metall. – 1983, № 3. – P. 511 – 520.
13. Кармазин В.И., Горда В.И. Влияние природы индукционного нагрева на характер восстановительных реакций в слое рудно-угольной смеси //Черная металлургия: Известия вузов. - 1988,№2.- С.14-16
14. Роменец В.А. Ромелт – полностью жидкофазный процесс получения металла // Изв. вузов. Черн. металлургия. – 1999, № 11. – С. 13 – 23.
15. Herlits news, Priksson, Skogbelg Johny Recovery of metal from dust smelter // Metall Bull. – 1986, № 185. – P. 67 – 69.
16. Заявка № 60-251234, Япония, МКС С22В 19/30. Способ извлечения цветных металлов из шламов. Опубл. 13.07.85.
17. Пат. 4612041 США, МКИ С22В 4/00. Способ извлечения ценных металлов из железной пыли с высоким содержанием цинка. – Опубл. 16.09.86.
18. Технология переработки пылевидного металлургического сырья и отходов / В.И. Горда, В.И. Ростовский, А.В. Ростовский, М.В. Ушакова // Национальная металлургия. – 2001, № 2. – С. 12 – 15.
19. Маламуд С.Г., Колесник В.Г., Юрьев Б.П. Разработка способ окускования доменных шламов и мартеновских пылей с извлечением цинка при нагреве в полях СВЧ // Сталь. – 2000, № 1. – С. 3 – 7.
20. Ф.Зауэрт «КОНТОП» - экономичная технология переработки отходов черной металлургии и утилизации отслуживших автомобилей // Сталь.- 2002, №8. – С.123-127.
21. Карабасов Ю.А., Юсфин Ю.,С., Курунов И.Ф. Проблемы экологии и утилизации техногенного сырья в металлургическом производстве // Металлург.- 2004, №8. – С.27-33
22. Krishnan E.Radha, Kemner William F. Recycling of dust from electric arc furnaces – an experimental evaluation // 44ht Elec. Furnace Conf. Proc. Vol. 44 Dallas Meet.,Dec. 9-12,1986. – Warrendale, 1987.- C.335-365
23. Evans Larry G., Hogan John C. Recycling ofEAF dust by direct injection // 44th Elec. Furnace Conf. Proc. Vol. 44 Dallas Meet.,Dec. 9-12,1986. – Warrendale, 1987.- C.367-372
24. Melecky Jan Gtuetn, Nova hut, Alois C. Технологическая проверка возможностей гидрометаллургической обработки пыли-уноса из сталеплавильных печей // Hutnik. –1989, № 5. – C. 166 – 176