Способ получения комплексных синтетических флюсов для черной металлургии

Способ получения комплексных синтетических флюсов для черной металлургии

Реферат

Изобретение относится к черной металлургии.

Задачей изобретения является получение флюсов для металлургических процессов выплавки чугуна и стали, обладающих высокой рафинирующей и шлакообразующей способностью, высокой скоростью растворения в шлаковых расплавах основного типа, безопасностью для окружающей среды в процессе хранения, транспортирования и использования. Предлагаемый способ получения позволяет производить флюсы с высоким содержанием рафинирующих и разжижающих шлак компонентов (соединения кальция и натрия) и углерода, обеспечивающего необходимый температурный режим процесса растворения флюсов в шлаке и шлакообразования, безопасные для окружающей среды.

Осуществление изобретения

Задача решается следующим образом.

В качестве добавок используют известь, фторуглеродистые отходы электролитического производства алюминия дробят и/или сортируют, и смешивают с водой и известью при следующем содержании компонентов, мас.%:

- фторуглеродистые отходы электролитического производства алюминия - 50-90;

- известь - 4-20;

- вода - 6-30.

В качестве фторуглеродсодержащих отходов электролитического производства алюминия используют отработанную углеродистую футеровку электролизеров, пыли и шламы системы газоочистки электролизеров и аспирационных устройств.

В качестве извести используют известьсодержащие отходы крупностью 0,01-0,2 мм с содержанием СаО_акт 60-96%.

Заданное содержание компонентов шихты обуславливает оптимальное качество комплексных синтетических флюсов по содержанию рафинирующих и шлакообразующих компонентов, оптимальное количество углерода для обеспечения теплового режима растворения флюса в шлаковом расплаве и максимальную степень обезвреживания содержащихся в отходах токсичных соединений при взаимодействии с известью.

При содержании в шихте фторуглеродистых отходов менее 50% количество тепла, выделяющегося в процессе окисления углерода в металлургическом агрегате, недостаточно для обеспечения быстрого растворения флюсов в шлаковом расплаве. При содержании фторуглеродистых отходов свыше 90% снижается количество образующегося флюорита, что приводит к снижению рафинирующей способности флюсов, и уменьшается степень обезвреживания содержащихся в отходах токсичных соединений вследствие недостатка извести.

При содержании в шихте извести (в пересчете на СаО) менее 4% не обеспечивается достаточная степень обезвреживания токсичных компонентов отходов, а полученные флюсы характеризуются низким содержанием флюорита и недостаточной рафинирующей способностью. При содержании извести более 20% возрастает температура плавления флюсов и не обеспечивается достаточная жидкотекучесть и рафинирующая способность металлургических шлаков.

Содержание воды менее 6% недостаточно для связывания содержащейся в шихте извести в гидроксид кальция Ca(OH)₂ и последующего его взаимодействия с содержащимися в отходах токсичными соединениями с учетом неизбежных потерь воды, испаряющейся в процессе гашения извести. При содержании воды свыше 30% в шихте образуется ее излишек, не прореагировавший с известью, что ухудшает качество флюсов.

Фторуглеродсодержащие отходы электролитического производства алюминия представляют собой смесь фтористых компонентов электролитического расплава (фториды натрия и алюминия в составе криолита) и углерода анода и/или катода. В таблице представлены данные о количественном и качественном составе фторуглеродсодержащих отходов электролитического производства алюминия.

Таблица - Количественный и качественный состав фторуглеродсодержащих отходов электролитического производства алюминия
Наименование отхода	Содержание, % масс.
С	NaF	AlF3	CaF2	MgF2	Al3O3	SiO2	Fe2O3	S
Отработанная углеродистая футеровка электролизеров	30-70	9-16	10-15	0,5-2,5	0,6-2,0	16-30	0,2-0,9	1,4-3,0	0,05-0,3
Пыли и шламы системы газоочистки электролизеров	40-65	9-17	7-15	0,2-1,2	0,9-1,7	10-25	0,5-1,2	0,4-2,5	1,4-2,0
Пыли и шламы аспирационных устройств	55-85	0,5-5,0	0,3-3,5	0,2-0,5	0,1-0,3	7-25	0,6-3,6	0,4-3,9	1,2-1,8

Исследования показали, что при перемешивании фторуглеродсодержащих отходов с известью и водой происходит взаимодействие фторидов натрия и алюминия с гидроксидом кальция по реакции:

2[3NaF·AlF₃]+6 Са(ОН)₃ → 6CaF₂+6NaOH+Al₂О₃+3Н₂O.

В результате этой реакции образуется фторид кальция (флюорит), являющийся основным компонентом традиционно используемого в металлургии легкоплавкого флюса - плавикового шпата, обеспечивающего образование активных основных шлаков с высокой рафинирующей способностью. Наличие в фторуглеродсодержащих отходах углерода способствует высокой скорости растворения флюса в шлаковых расплавах, повышению их жидкотекучести и активности. Кроме этого, при взаимодействии отходов с известью обеспечивается их обезвреживание в результате перевода фторидов из водорастворимой формы (фториды натрия) в нерастворимую (фториды кальция), а также взаимодействия с известью водорастворимых соединений, содержащихся в отходах тяжелых металлов с образованием нерастворимых гидроксидов и интенсификации разложения полициклических ароматических углеводородов. В результате указанных взаимодействий полученные комплексные синтетические флюсы являются безопасными для окружающей среды.

При использовании известковых отходов крупностью менее 0,01 мм в них уменьшается содержание активного оксида кальция СаО вследствие быстрого взаимодействия с влагой и углекислотой атмосферного воздуха и кристаллизации извести с образованием СаСО₃, что приводит к снижению количества образующегося флюорита, уменьшению рафинирующей способности флюсов и возрастанию его экологической опасности. При использовании известковых отходов крупностью более 0,2 мм снижается производительность технологического процесса производства синтетических флюсов вследствие увеличения времени реагирования с водой крупных частиц.

При использовании известковых отходов с содержанием СаО_акт менее 60% уменьшается количество образующегося флюорита, что приводит к снижению рафинирующей способности флюсов, а также уменьшается степень обезвреживания содержащихся в фторуглеродистых отходах токсичных компонентов. При использовании известковых отходов с содержанием СаО_акт свыше 96% происходит активная гидратация и кристаллизация извести влагой и углекислотой атмосферного воздуха в процессе транспортирования, хранения и подготовки отходов, снижается количество образующегося флюорита, уменьшается рафинирующая способность флюсов и степень обезвреживания фторуглеродистых отходов.

Примеры конкретного выполнения.

Пример 1: Отработанную углеродистую футеровку электролизеров ОАО «Новокузнецкий алюминиевый завод» в количестве 72 кг смешали с 12 кг известьсодержащих отходов цеха обжига известняка ОАО «Западно-Сибирский металлургический комбинат» крупностью 0,05-0,15 мм с содержанием СаО_акт 80% и 16 кг воды. Получили синтетический флюс следующего состава, %: флюорит CaF₂ - 22,5%; фторид натрия NaF - 8,7%; фторид алюминия AlF₂ - 4,1%; MgF₂ - 1,2%; CaO - 6%, С - 55%, примеси - 2,5%, в том числе Fe₂О₃ - 1,0%; Al₂О₃ - 1,3%; SiO₂ - 0,1%, S - 0,1%. Температура плавления флюса составила 970°С.

В исходной отработанной углеродистой футеровки электролизеров содержались следующие токсичные компоненты, мг/кг: фториды растворимые - 27 627, цианиды растворимые - 134,7, марганец подвижный - 10,0, свинец подвижный - 7,0, цинк подвижный - 11,0. В полученном синтетическом флюсе содержание токсичных компонентов составило: фториды растворимые - 14642, цианиды растворимые 40,4, марганец подвижный - 2,8, свинец подвижный - 1,7, цинк подвижный - 3,6. Таким образом, в результате взаимодействия извести с токсичными компонентами отработанной углеродистой футеровки электролизеров их содержание снизилось следующим образом: фториды растворимые - на 47%, цианиды - на 70%, марганец подвижный - на 78%, свинец подвижный - на 75%, цинк подвижный - на 67%.

Полученный синтетический легкоплавкий флюс вводили в шихту доменной печи №4 ОАО «Новокузнецкий металлургический комбинат» для проплавки тугоплавких титаносодержащих окатышей, содержание которых в металлизованной доменной шихте составило 20%. Расход флюса составил 5 кг/т жидкого чугуна. Состав полученного чугуна, %: Si - 0,63; Ti - 0,19; Mn - 0,53; V - 0,10; S - 0,016. Состав полученного шлака, %: SiO₂ - 30,14; Al₂O₃ - 17,87; CaO - 39,38; MgO - 10,17; FeO 0,26; S - 0,47. Основность шлака составила 1,31. Достигнуто значительное улучшение жидкотекучести и обессеривающей способности доменных шлаков, в результате чего содержание серы в чугуне снизилось с 0,038% (базовый период) до 0,018% (опытный период). Применение флюса обеспечило также хорошую дренажную способность горна.

Пример 2: Пыль электрофильтров системы газоочистки электролизеров ОАО «Новокузнецкий алюминиевый завод» в количестве 64 кг смешали с водой в количестве 20 кг и известьсодержащими отходами ОАО «Западно-Сибирский металлургический комбинат крупностью 0,02-0,1 мм с содержанием СаО_акт 90% в количестве 16 кг. Получили синтетический флюс следующего состава, %: флюорит CaF₂ - 26,0%; криолит 3NaF·AlF₃ - 12,7%; CaO - 8%, С - 50%, примеси - 2,8%, в том числе Fe₂O₃ - 1,2%; Al₂О₃ - 1,4%; SiO₂ - 0,1%, S - 0,1%. Температура плавления флюса составила 980°С.

В исходной пыли электрофильтров системы газоочистки электролизеров содержались следующие токсичные компоненты, мг/кг: фториды растворимые - 755, марганец подвижный - 10,0, кадмий подвижный - 2,0, мышьяк - 10,0, бензапирен - 316. В полученном синтетическом флюсе содержание токсичных компонентов составило: фториды растворимые - 264, марганец подвижный - 3,2, кадмий подвижный 0,8, мышьяк - 0,1, бензапирен - 132,7. Таким образом, в результате взаимодействия извести с токсичными компонентами пыли электрофильтров их содержание снизилось следующим образом: фториды растворимые - на 65%, марганец подвижный - на 68%, кадмий подвижный - на 60%, мышьяк - на 99%, бензапирен - на 58%.

Полученный синтетический флюс был опробован в 350-тонном конвертере №5 кислородно-конвертерного цеха №2 ОАО «Западно-Сибирский металлургический комбинат» с верхним кислородным дутьем. На дно конвертера загружали металлолом, известь и часть синтетического флюса указанного состава. Затем заливали жидкий чугун. Температура заливаемого чугуна 1396°С, химический состав, %: Si - 0,62; Mn 0,41; S - 0,024; P - 0,25. Далее опускали кислородную фурму и вели кислородную продувку, присаживая по ходу продувки известь и синтетический флюс. Общий расход флюса составил 6,5 кг/т стали. Продолжительность продувки - 18 мин. Температура металла на повалке 1639°С. Химсостав металла на повалке, %: С - 0,12; Mn - 0,14; S 0,016; P - 0,018. Температура металла перед сливом - 1634°С. Химический состав металла перед сливом, %: С - 0,08; Mn - 0,10; S - 0,014; P - 0,012. Химический состав шлака, %: СаО - 53,2; SiO₂ - 12,7; FeO - 19,8. Основность шлака - 4,2. Присадка флюса обеспечила формирование жидкотекучего шлакового расплава и получение высокоактивного шлака, обладающего высокой рафинирующей способностью. Степень десульфурации металла составила 26,4%. Подтверждением высокой активности и рафинирующей способности шлака является повышение степени десульфурации с 12,0% (сравнительные плавки) до 24,5% (опытные плавки).

Таким образом, предлагаемый способ получения позволил получить синтетические легкоплавкие флюсы с высоким содержанием рафинирующих и разжижающих шлак компонентов (фториды кальция и натрия) и углерода, обеспечивающего оптимальный температурный режим процесса растворения флюса в шлаке и шлакообразования, с низким содержанием водорастворимых и подвижных соединений фтора, тяжелых металлов, цианистых соединений и бензапирена.

1. Способ получения комплексных синтетических флюсов для металлургических процессов выплавки чугуна и стали, включающий смешивание фторуглеродсодержащих отходов электролитического производства алюминия, добавок и воды, отличающийся тем, что в качестве добавок используют известь, фторуглеродистые отходы электролитического производства алюминия дробят и/или сортируют, смешивают с водой и известью при следующем содержании компонентов, мас.%:

фторуглеродистые отходы электролитического
производства алюминия	50-90
известь	4-20
вода	6-30

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве фторуглеродсодержащих отходов электролитического производства алюминия используют отработанную углеродистую футеровку электролизеров, пыли и шламы системы газоочистки электролизеров и аспирационных устройств.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в используют известь в виде известьсодержащих отходов крупностью 0,01-0,2 мм с содержанием активного оксида кальция (СаО_акт) 60-96%.