В прокатном производстве металлургических предприятий образуются большие количества замасленной окалины, которая находит ограниченное применение и сбрасывается в шламонакопители. Примером могут служить Златоустовский металлургический и Челябинский трубопрокатный заводы, на которых образуется около 5 тыс.т в год таких отходов, а на Челябинском металлургическом комбинате – свыше 50 тыс. т. Шламонакопители крупнейших заводов содержат сотни тысяч т замасленной окалины.

       Шламы неоднородны по составу и могут содержать от 10 до 95 % окалины, от 10 до 50 % масел и от 3 до 80 % воды. Отходы относятся к IV категории экологической опасности, загрязняют почву, грунтовые воды и атмосферу нефтепродуктами, а также веществами, образующимися в результате солнечного облучения, окисления и т.п. Окалина содержит до 70 % железа, что делает ее использование выгодным.

       Поэтому создание нового вида продукции на основе замасленной окалины и определение технической и экономической целесообразности ее использования на разных стадиях металлургического передела является актуальной проблемой.

       Проблема, на решение которой направлена работа: Работа связана с проблемами утилизации замасленной окалины прокатного производства.

        Цель работы: Разработка технологии утилизации такого ценного вторичного материала как замасленная окалина, которая позволит перерабатывать не только окалину текущего металлургического производства, но и накопленную в отвалах и накопителях.

       Предмет и объект исследований: Предметом исследования является технология утилизации замасленной окалины прокатного производства.

       Объект исследования – прокатное производство.

       Задачи работы:

       1. Сбор информационных и экспериментальных данных по вопросам, касающихся подготовки и утилизации замасленной окалины прокатного производства.

       2. Анализ данных и разработка наиболее рациональной схемы утилизации замасленной окалины.

       3. Проведение промышленных опытов, позволяющих определить состав окалины, ее свойства, температуру конденсации масла и т.д.

       4. Разработка информационно-аналитической системы для анализа и оценки экологической и экономической эффективности от внедрения данной технологии.

       На сегодняшний день проблема утилизации замасленной окалины стоит остро, а решается слабо или не решается вообще. Поэтому само направление является новым и перспективным.

       Т.к. идея работы состоит в разработке новой совершенной технологии, которая сможет сделать возможным комбинированное использование замасленной окалины вторичных отстойников и незначительных количеств термически обезжиренной окалины, то планируется, что данная технология сможет быть применена на любом заводе. Более того, она должна быстро окупаться и быть экономически и экологически выгодной.

       На металлургических предприятиях ежегодно образуется около 9 млн.т железосодержащих отходов (шламы, пыль, отсевы агломерата и окатышей, окалина, варочный шлак и др.). Общие безвозвратные потери металла составляют примерно 0,9 % в год, в т.ч. от коррозии – 0,5 %, истирания - 0,01 %, неполноты сбора отслужившего металла при его повторном переделе и использования – 0,3 %. В результате от первичного, т.е. выплавленного в каком-либо году из железной руды железа, сохраняется в материальной культуре страны: через 50 лет – 64 %, через 150 лет – 26 %, через 200 лет – 16 %. Поэтому и теперь еще продолжает служить около четверти металла, впервые выплавленного еще в начале прошлого века.[1]

       Считается, что отходы производства – признак несовершенства технологии. Поэтому разработка малоотходных технологий в черной металлургии на всех стадиях ее переделов становится главной целью технической политики.

        Следовательно, необходима концентрация научных сил на выполнение теоретических, экспериментальных и прикладных работ в области управления отходами производства в Донбассе. Это позволит обеспечить организацию в едином комплексе всех аспектов повышения экологической безопасности и создать опережающий задел знаний в направлении создания малоотходных и безотходных технологий и экологии.[2]

        Как уже было сказано выше, идеей магистерской работы является разработка новой совершенной технологии по утилизации замасленной окалины, которая является отходом металлургического производства и его ценным вторичным сырьем одновременно. Содержание железа в ней составляет около 70 %.

        Перейдем непосредственно к данной проблеме.

        Существует два пути утилизации окалины: возврат ее в металлургическое производство или использование ее в других производствах (например, в лакокрасочном).

        Замасленную окалину трудно подготовить к утилизации из-за повышенного содержания в ней масел, а в прокатных цехах металлургических предприятий образуются большие количества замасленной окалины, которая находит ограниченное применение и сбрасывается в шламонакопители.

       Проблема утилизации замасленной окалины в настоящее время решается в основном в одном направлении — обезмасливание ее с получением чистой, обезжиренной, легко утилизируемой окалины. Однако и химическое и термическое обезмасливание - дорогостоящие процессы, создающие дополнительные экологические осложнения. В настоящее время практически все образующиеся мелкодисперсные железосодержащие отходы утилизируют в составе аглошихты.

       Кафедрой РТП ДонНТУ были предложены следующие два способа использования замасленной окалины в аглопроизводстве:

       а) Окалина слоем в 10 мм укладывается поверх слоя аглошихты перед зажигательным горном. Температура горения аглошихты 1250-1300^оС. При зажигании масла сгорают (масла сгорают при температуре 900^оС), а продукты горения удаляются вместе с отходящими газами. Главный недостаток этого способа: возникает запирающий слой на верхнем слое аглошихты в результате стекания окалины. Поэтому процесс зажигания аглошихты замедляется и часть масла не успевает сгореть и втягивается в слой шихты.[3]

       б) Более эффективным является способ утилизации, когда окалина вторичных отстойников предварительно смешивается с колошниковой пылью и ошлаковывается. Окомкованная смесь укладывается аналогично предыдущему способу, при этом не происходит понижения газопроницаемости аглошихты и практически все нефтепродукты выгорают в зажигательном горне.[4]

       Использование окалины первичных и вторичных отстойников при агломерации приводит к повышению насыпной массы аглошихты, повышает содержание железа в агломерате.

       Наиболее успешно используется утилизация окалины путем брикетирования в металлургическом производстве США, Великобритании, Германии, Польши, Южной Кореи, Японии, Франции. Проявляют интерес к этой проблеме Китай, Индия, Турция. В последние годы и в Украине брикетирование обрело особую актуальность.

       Фирмой "Искатель" (г. Алчевск Донецкой обл.) разработана технология изготовления брикетов для металлургического передела.[5] Шихта для изготовления брикетов состояла из чугунной стружки, прокатной окалины, пыли газоочисток сталеплавильного производства с добавкой 1,5-2 % связующих материалов, обеспечивающих сохранение прочностных свойств брикетов при нагреве до температуры 1200-1280^оС. Широкие возможности для брикетирования металлургических отходов дает использование мощностей брикетной фабрики "Донецкая" - крупнейшей в Украине.

       Разработан рациональный способ утилизации маслосодержащей окалины путем ее вдувания в доменную печь вместе с шреддинг-пылью. Пыль шреддинг-установок по гранулометрическому составу представляет собой фракцию от долей до 3 миллиметров, т.е. соответствует параметрам опытно-промышленных исследований по вдуванию мелкодисперсных материалов в шахтные печи. Промышленные опыты проводились в 1996 году, в них принимали участие Институт технологии чугуна и стали Технического университета Горной академии Фрайберга, фирма «Eko Stahl GmbH» в Айзенхюттенштадте, фирма «Stein Injection Technology» в Гевельсберге и фирма «Carbofer Verfahrenstechnik» в Меербуше. [6]

       Существуют другие способы утилизации замасленной окалины, такие как: вдувание в электродуговую печь; вдувание комбинированного жидкого топлива из маслоотходов и замасленной окалины в доменную печь. [7] Одним из интересных вариантов переработки замасленной окалины является получение из нее красного железоокисного пигмента. [8, 9]

       Нижеприведенная технология позволяет проводить комбинированное использование замасленной окалины вторичных отстойников и термически обезжиренной окалины. Данная схема разработана для условий ОАО «Макеевский металлургический завод» на основе идей, предложенных Уральским государственным экономическим университетом и научно-проектной фирмой «Эко-проект». [10, 11, 12]

       В схеме предусматривается утилизация практически всех железосодержащих отходов прокатного производств, в том числе и тех, которые предлагается улавливать. В прокатных цехах №1 и №2 завода выделяются такие отходы как пыль прокатных станов и вальцетокарной мастерской. Предлагается их улавливать, увлажнять, накапливать в специальном бункере и затем направлять для дальнейшей переработки.

1 – вторичный отстойник; 2 – сгуститель; 3 – ленточный вакуум-фильтр; 4 – печь КС; 5 – бункер обезмасленной окалины; 6 – смеситель; 7 – активатор; 8 – гранулятор; 9 – непрерывный шахтный агрегат для пропарки и сушки окатышей; 10 – бункер-накопитель; 11 – бункер доменного или измельченного ваграночного шлака; 12 – бункер измельченной негашеной извести; 13 – бункер окалины и фильтрующего материала; 14 – бункер измельченного ваграночного шлака; 15 – смесители; 16 – котел-утилизатор; 17 – электрофильтр; 18 – дымосос; 19 – насос; 20 – дымовая труба; 21 – виброувлажнитель конструкции ДонНТУ; 22 – бункер-накопитель. 23 - бункер-накопитель увлажненной пыли вальцетокарной мастерской "ММЗ" и пыли от прокатных станов

       Технология предусматривает стадии сгущения, механического обезвоживания на ленточном фильтре с намывным слоем фильтровального материала одноразового использования, технического обезмасливания в барабанной печи, механической активации (смешивание с порошкообразными вяжущими), грануляции на тарельчатом окомкователе, а также цикличный процесс упрочнения окатышей-сырцов в пропарочной камере и разгрузку окатышей в бункера-накопители (на аннимированной схеме данные стадии показываются поочередно). Процесс очистки отходящих газов и возврата уловленной пыли обратно в процесс показано сиреневым цветом. Бункер-накопитель уже увлажненной пыли вальцетокарной мастерской "ММЗ" и пыли от прокатных станов, которые предлагается улавливать и утилизировать в данной схеме, показан синим цветом.

       Принципиальная технологическая схема утилизации (рисунок 1) сводится к следующему. Осадок из вторичных отстойников уплотняется в сгустителях и фильтруется через слой фильтрующего материала на ленточном вакуум-фильтре. В качестве фильтрующего материала применена смесь из обезмасленной окалины и одного из компонентов вяжущего, т.е фильтрующим материалом служат отдельные составляющие шихты. Количество его составляет 25-30 % от массы фильтруемого осадка при доле шлака в смеси около 20 %. Фильтрат содержит не более 3-5 мг/л взвешенных веществ и масел, отвечает требованиям к технической воде. Обезвоженная смесь замасленной окалины и фильтровального материала подается на обжиг при 700 ^оС, например, в две печи кипящего слоя. Обожженный осадок, содержащий 80-85 % частиц класса меньше 53 мкм, смешиваются с 4 % извести и 4 % измельченного шлака и окомковывается. Известь также предварительно дробится (до фракции 13-0 мм) и измельчается. Исследованиями установлена равная пригодность доменного и ваграночного шлака, однако ваграночный шлак содержит значительно меньше серы, чем доменный (соответственно 0,20 и 0,80 %), имеет повышенную массовую долю железа металлического (до 5 %) и поэтому более предпочтителен. Упрочнение окатышей осуществляется в две стадии. На первой производится термовлажностная обработка при 70-100^оС (пропарка). Теплоносителем является пар низкого давления (при входе в зону пропарки давление может быть не более 0,3 МПа) в количестве 80-100 кг/т окатышей. Продолжительность пропарки составляет 10 часов, влажность окатышей 2-5 %. На второй стадии твердения (сушка) температура поднимается до 200-300^оС, а влажность среды снижается менее чем до 70 %. Продолжительность сушки равна 0,5-1 час. Источником пара служит котел-утилизатор, работающий на отходящих газах стадии обжига замасленного шлама. Другая часть обжиговых газов направляется для сушки пропаренных окатышей. Готовая продукция разгружается в бункер-накопитель.

       Рассмотренная выше технология ускоренного твердения безобжиговых окатышей реализуется в шахтном пропарочно-сушильном агрегате непрерывного действия. Он имеет верхнюю загрузочную горловину, нижнее загрузочное устройство и шахту, конструктивно разделенную на две зоны. В верхней из них выдерживается режим пропарки, а в нижней – сушки.

       Упрочненные окатыши по химическому составу не уступают обожженным металлургическим окатышам для доменного производства. Совокупность их механических (прочность на удар и истирание соответственно более 90 и 5-8 %) и термических (восстановимость 20 %, выход класса больше 10 мм и меньше 0,5 мм на уровне 90 и менее 2 %) характеристик также квалифицируют безобжиговый окускованный продукт как не уступающий по качеству лучшим обжиговым окатышам.

       Следует отметить, что все оборудование, необходимое для реализации технологии, серийно выпускается промышленностью.

       Кроме того, циклом исследований показаны и официально признаны существенные преимущества безобжигового окускования, выразившегося в трех-, пятикратном снижении технологических топливных чисел (суммарных энергетических затрат). В соответствии с этим во столько же раз сокращается загрязнение окружающей среды выбросами пыли и газов.

       Использования этой схемы позволяет полностью утилизировать практически всю пыль, образующуюся в прокатном производстве, что приводит к увеличению выхода металла, к снижению платы за загрязнение окружающей среды. Данная схема позволяет повысить экономический и экологический эффект касательно прокатного производства.