Закрытое акционерное общество «Урал-Омега»
+7 (499) 704-48-08
+7 (3519) 22-00-49
+7 (499) 704-48-08
+7 (3519) 22-00-49

Перспективы применения центробежно-ударной техники для переработки металлургических шлаков

Шадрунова И. В., Колодежная Е. В.

Перспективы применения центробежно-ударной техники для переработки металлургических шлаков

Металлургические предприятия относятся к числу наиболее крупных народнохозяйственных объектов, в значительной степени определяющих уровень экономического развития России. Из всего многообразия техногенных образований, получаемых в металлургическом производстве, основной объем 80% от общего количества твердых промышленных отходов (ТПО) составляют шлаковые отвалы. Переработка шлаков определяет практическую сущность организации безотходного металлургического производства.

В России, в шлаковых отвалах накоплено 800 млн. т. шлаков черной и цветной металлургии. Ежегодно образуется более 95 млн.т. шлаков в т.ч. около 79 млн.т. шлаков доменного, сталеплавильного, литейного и ферросплавного производств. Расположенные в городской черте шлаковые отвалы нарушают ландшафт территорий, для размещения отвалов отчуждаются земельные угодья, вследствие протекания процессов естественного выщелачивания и выветривания ухудшается экологическая обстановка региона. Средний уровень использования промышленных отходов по стране равен всего лишь 53%. Доля использования отходов производства в качестве вторичного сырья не превышает 11%. В настоящее время в большинстве высокоразвитых стран использование силикатной продукции металлургических предприятий достигает 90%. В строительной индустрии используются главным образом их вяжущие свойства.

Способов извлечения металла из жидких шлаков, опробованных в промышленных условиях, нет, поэтому металл на предприятиях извлекается только из твердых шлаков при первичной переработке их в шлаковых отделениях и при вторичной — на дробильно-сортировочных установках. Переработка жидких шлаков с точки зрения возможности максимального извлечения металла имеет неоспоримые преимущества перед технологией переработки твердых шлаков. Специальное оборудование для переработки шлаков не разработано, поэтому используют стандартное, предназначенное для горнорудной промышленности или производства строительных материалов [1].

Наряду с пуском технологических линий по переработке текущих шлаков необходимо создавать рациональные способы разработки отвалов с максимальным извлечением металла и эффективным использованием силикатной части [2].

На выбор оборудования для механической переработки твердых металлургических шлаков в товарную продукцию основное влияние оказывает способ их специфические свойства, отличающиеся от свойств горных пород. Металлургические шлаки в процессе охлаждения и длительного хранения на открытом воздухе подвержены различного рода структурным превращениям, которые сопровождаются изменением объема, формы, массы и других физических свойств[3].

Отличительной особенностью металлургических шлаков является наличие в них металлических включений в виде сростков металла и шлака, корольков и скардовин. Армированный металлом шлак обладает качественно новыми свойствами по сравнению с его составляющими. Наличие металла в шлаке повышает его объемную массу, изменяет механическую прочность. Вместе с этим в поверхностных слоях шлака происходит стабилизация стекловидной и мелкокристаллической фазы, которая обладает высокой поверхностной твердостью и абразивностью.

Структура техногенных образований зависит от вида и условий складирования шлаков. На крупных металлургических комбинатах, например Магнитогорском, Нижнетагильском, Орско-Халиловском («Носта»), Челябинском («Мечел»), отвалы разделяют по видам производств: Доменные и сталеплавильные шлаки и производственный мусор складируются отдельно. На малых заводах обычно устраивают общие отвалы, часто смешивая шлаки с мусором.

Гранулометрический состав техногенных образований зависит от вида шлака, способа уборки, первичной переработки, условий содержания и сроков хранения отвальной массы. В отвалах, где складируют шлак, минуя первичную переработку, преобладают крайние классы: >120 и < 10 мм. Здесь большое количество включений металла и негабаритного шлака. Учет этих факторов позволяет подобрать соответствующий способ разработки и вторичной переработки[4].

На основных металлургических комбинатах России за многие десятилетия образовались десятки миллионов тонн накоплений доменных, конвертерных и мартеновских шлаков. Отдельные заводы, например, Новолипецкий металлургический комбинат, еще в 70-х гг. прошлого века организовали активную переработку доменного шлака и последующем использование его в производстве цемента, шлакобетонных стройматериалов, а в настоящее время конвертерные шлаки используют для дорожного строительства и изготовления сухой асфальтовой смеси и небольшую часть - в сельском хозяйстве.

В 90-х гг. активная работа по утилизации шлаков была начата на металлургическом комбинате "Северсталь". В сотрудничестве с финской компанией "СК-1" были установлены 5 комплексно-механизированных линий по переработке шлака и его последующем использовании в дорожном строительстве, изготовлении цемента. Приступили к переработке шлака и на уральских металлургических комбинатах: Челябинском и Магнитогорском, где также задействованы крупные перерабатывающие комплексы [2]. Капитальные вложения, обеспечивающие рациональную переработку шлаков, во многих случаях значительно эффективнее в сравнении с вложениями в добывающие предприятия.

Выбор аппаратов и способов механической дезинтеграции (дробления и измельчения) шлаков необходимо осуществлять учитывая сложность процесса раскрытия металлических включений и особенности физико-механических свойств шлаков. Данные о дробимости, хрупкости, крупности минералов, форме и пространственном распределении минеральных включений и их агрегатов определяют их поведение под влиянием вешних усилий – нагрузок и позволяют оценить возможность эффективной переработки в тех или иных аппаратах.

С целью снижения затрат на перевозку исходного материала стационарные комплексы для переработки текущих шлаков располагаются вблизи отделений первичной переработки. Установки открытого типа размещают обычно в зоне отвалов.

Выбор дробильного оборудования производится из расчета крупности шлака, необходимой производительности, качества товарной продукции и наличия металлических включений. В настоящее время наиболее широкое распространение при переработке твердых шлаков получили щековые дробилки со сложным качанием щеки типа СМ16 (ЩДС 6x9) на первой стадии дробления и СМ741 (ЩДС 4X9) —на второй. Однако особенность сложного качания играет и негативную роль в процессах дробления. Дробящие усилия у этих дробилок полностью передаются на эксцентрик коленчатого вала и при попадании в дробилку металла валы ломаются. При таком движении щеки в дробимом материале возникают не только раздавливающие, но и истирающие усилия, которые передаются материалу щеки и приводят к более быстрому износу оборудования.

Как уже было отмечено, применение операции термодробления приводит к образованию большой поверхности мелкокристаллических зерен, обладающих повышенной абразивностью. По методике ВНЙИСтройдормаша конвертерные шлаки после термодробления относятся к 10 категории абразивности. Из сказанного можно сделать вывод, что на первой стадии дробления при переработке текущих шлаков, прошедших операцию термодробления, использовать щековые дробилки не целесообразно.

Отличительной особенностью отвальных шлаков являются меньшие значения абразивности по сравнению со шлаками текущего выхода. По-видимому, острые кромки, которые имел материал после термодробления или охлаждения в ковше или коробке со временем под действием атмосферных условий распадаются и сглаживаются. Показатель абразивности у отвальных шлаков в 1,5—2 раза ниже, чем у шлаков текущего выхода. Однако при попадании недробимых металлических включений в камеру дробления происходит простой оборудования[5]. Безаварийная работа стандартных дробилок, особенно щековых и конусных, при дроблении сталеплавильных шлаков возможна в условиях тщательно организованной системы удаления металла. При этом основная часть металла должна быть извлечена во время первичной обработки шлака, а оставшаяся — магнитными сепараторами, установленными перед дробилкой, что значительно удорожает переработку шлаков.

Распад шлаков текущего выхода, их высокая абразивность и высыхание поверхности кусков шлака после операции термодробления приводит к образованию большого количества пыли в процессе переработки. Известные способы аспирации не обеспечивают требуемых санитарных условий в основных технологических узлах шлакоперерабатывающих установок.

Для предприятий с относительно небольшим выходом шлака (до 200 тыс. т) наиболее целесообразно получать фракционированный щебень. Шлак после первичной переработки через приемный бункер с решеткой поступает в узлы дробления и сортировки по фракциям. При этом он трижды подвергается магнитной сепарации. Схемой предусмотрено осуществлять дробление роторной дробилкой. Опыт эксплуатации показал, что она неплохо работает при попадании металла, однако требует больших затрат на восстановление бил ротора. Роторные дробилки менее чувствительны к попаданию недробимых кусков, но при этом не приспособлены к дроблению абразивных материалов, а металлургические шлаки в 4 – 5 раз абразивнее гранита.

Анализ переработки сталеплавильных шлаков показывает, что экономически целесообразно сочетать дробление с помолом, причем на помол отправлять только фракцию 5 или 10 мм, неизбежно образующуюся в процессе дробления и сортировки шлака.

Переработка отвальных сталеплавильных шлаков имеет свои особенности. В отличие от доменных сталеплавильные шлаки содержат значительное количество металла в виде скрапа различной величины, корольков и окислов. Переработку этих шлаков на щебень приходится осуществлять в 2—3 стадии в сочетании с магнитной сепарацией. Поэтому при разработке технологической схемы и выборе дробильно-сепарационного оборудования необходимо особо учитывать не только прочность и абразивность шлака, но и содержание в нем металла.

На большинстве предприятий переработка производится комплексно с максимальным извлечением металла и использованием силикатной части.

Вместе с интенсивным развитием шлакоперерабатывающего производства необходимо усиленно развивать его теоретические и технологические основы. Это потребует большого объема работ в научном поиске, поскольку далеко не все элементы физико-химической природы шлаков изучены.

Интенсификация дезинтеграции, по нашему мнению, может быть обеспечена при использовании аппаратов, работающих на принципе свободного удара. При таком воздействии на материал, его разрушение происходит по микротрещинам, граням спаянности, то есть происходит селективное разрушение компонентов, обладающих различным сопротивлением удару. При этом достигается лучшее раскрытие зерен, при более крупном помоле, что подтверждается многократными сравнительными испытаниями при измельчении шлаков различного генезиса.

Дезинтеграция на основе свободного удара куска о материал или металл реализована в центробежно-ударных дробилках и мельницах НПА «Урал Центр». Материал разгоняется внутри вращающегося ротора и ударяется об отражательные плиты и/или слой материала в корпусе дробилки. Доля сростков, резко снижающих эффективность процессов обогащения, при этом минимальна. Центробежно-ударная дробилка комплектуется различными вариантами сменных технологических узлов, оптимизированных для дробления шлаков различных видов. Оснащение дробилки частотным преобразователем позволяет в оперативном порядке регулировать крупность и гранулометрический состав готового продукта без остановки работы и проведения дополнительных работ. Низкая метало- и энергоемкость дробилки, отсутствие элементов трения, контакта рабочих органов в процессе дробления, использование в конструкции дробилок воздушного опорного узла и высококачественных твердосплавных элементов позволяет значительно снизить затраты на износ и обслуживание оборудования.

Всестороннее изучение шлаков ОАО ММК, шлаков черновой медной плавки ЗАО «Карабашмедь» и отвальных и гранулированных никельсодержащих шлаков комбинатов «Североникель» (г. Мончегорск) и «Печенганикель» (г. Никель) комплексом минералого-аналитических методов исследования (рисунок 1) позволило установить, что во всех изученных шлаках близкое соотношение морфометрических параметров:

- круглый фактор формы металлических включений составляет 0.8…0.9 а неметаллических включений – 0.13…0.22;

- соотношение размеров металлических и неметаллических включений по их средним значениям находится в пределах 0.08…….0.23

- объемная доля металлических включений находится в диапазоне от 0.3-1.1.

а б в

Рисунок 1 – Микрофотографии шлаков:

а – сталеплавильных; б – никелевых; в – медных.

В «Центре изучения вещества» (ИПКОН РАН, г. Москва) с помощью сканирующего электронного микроскопа Leo 1420 VP проведены исследования образцов шлаков ОАО «ММК», никелевых шлаков. Качественный элементный анализ состава образца осуществляется установленным на микроскопе рентгеновским энергодисперсионным спектрометром INCA – 300 (Oxford Instruments, Великобритания), позволяющим осуществлять анализ как в точке размером 2—5 мкм, так и по произвольно задаваемой площади. Исследуемые шлаки близки по составу и содержат, в %: 20-30 % железа, 35-40 диоксида кремния, 3-11 оксида магния, 0,1-0,2 меди, 0,2-0,3 никеля и 0,03-0,08 кобальта. В обоих шлаках железо-никелевые сульфиды по своему составу близки к никеленосному пирротину и образуют шаровидные выделения. Гранулированный никельсодержащий шлак представляет собой стекловидное вещество, в различной степени насыщенным рудными техногенными фазами. Отвальный никелевый шлак имеют дендритовую структуру. Основная матрица шлака состоит из алюмосиликата. Также присутствуют включения железо-марганцевого силиката в виде кристаллов с четкими гранями.

В шлаках черновой медной плавки ОАО «Карабашмедь» основная матрица представлена силикатом железа. Практически во всех металлических включениях наблюдается сосредоточение внутри халькопирита смешанной металлической фазы. Также были обнаружены точечные включения оксидов железа, собранные в сферу.

Отвальные шлаки ОАО «ММК» представляют собой кальциево - силикатную матрицу 2CaO*SiO2 (ларнит), имеющую многочисленные трещины. Зерна оксида железа неправильной формы соединяются друг с другом перешейками более темного цвета, состоящими из кальциево-титанового оксида (перовскита). Также была установлена граничная фаза, состоящая из силикатной матрицы в которой кремний частично замещен на алюминий. При замещении кремния на алюминий, имеющий больший ионный радиус, в силикатные тетраэдры, происходит разупрочнение кристаллической решетки. Наличие тяжелых элементов замещения (алюминий) делает фазу более хрупкой и уменьшает ее сопротивление удару. Также было установлено отсутствие данной фазы в образце изготовленном из дробленного шлака ОАО «ММК».

Для оценки перспективности применения аппаратов центробежно-ударного дробления шлаков проведены измерения микротвердости установленных фаз. Установлено что во всех изученных шлаках соотношение микротвердости основных фаз находится в пределах 2 – 5, что подтверждает возможность эффективного применения центробежно-ударного дробления.

Изучение физико-механических свойств металлургических шлаков позволило сделать вывод, что интенсификация дезинтеграции может быть обеспечена при использовании аппаратов, работающих на принципе свободного удара (центробежно-ударные дробилки типа ДЦ ). При таком воздействии на материал, его разрушение происходит по микротрещинам, граням спаянности, то есть происходит селективное разрушение компонентов, обладающих различным сопротивлением удару. При этом достигается лучшее раскрытие без переизмельчения, что подтверждается многократными сравнительными испытаниями при дезинтеграции шлаков различного генезиса.

Опыт внедрения аппаратов центробежно-ударного дробления на участке переработки металлургических шлаков ОАО ММК позволил увеличить полноту извлечения железа в магнитный продукт с 33,4% до 59% и увеличить массовую долю железа в магнитном продукте крупностью 10-0 мм с 40% до 58%. При этом ежегодный выпуск магнитного продукта крупностью 10-0 мм увеличился с 120000 т до 290020 т, а продукта крупностью 90-10 мм с 60000 т до 80380 т.

Замена конусно-инерционной дробилки третьей стадии дробления алюминиевых шлаков на центробежно-ударную дробилку ДЦ в условиях ООО «Реметал-С» (г. Самара) обеспечило увеличение содержания алюминия в готовом продукте с 15% до 25%. Повторные додрабливание и плавка повышают содержание алюминия в готовом продукте до 55% без снижения извлечения.

Из однородной силикатной массы тонкого, сливного, стекловатого строения шлаков медной плавки с содержанием меди 0,31% (смотри рисунок 1а) при помоле на центробежно-ударной мельнице был получен продукт крупностью -60 мкм с обособленными зернами вторичных сульфидов меди и магнетита. Отсев на сите 40 мкм позволил выделить продукт, выход которого составил 4.5%. Сухим магнитным способом выделены магнетитовые продукты с содержанием железа 9-11%, хвосты магнитной сепарации содержат до 3,71% меди. Кроме того, центробежно-ударное измельчение способствует обнажению силикатных связей медного шлака, что обеспечивает его вяжущие свойства и расширяет возможности применения в стройиндустрии.

Список литературы:

  • Зимин А. И. Выбор дробилок для переработки металлургических шлаков. Металлург, 1978, №9, с. 40-42.

  • Довгопол В.И. Использование шлаков черной металлургии. – М., Металлургия, 1978, с 289.

  • Купряков Ю.П. Шлаки медеплавильного производства и их переработка. М – Металлургия, 1987, 201 с.

  • Колобов Г.А. Сбор и обработка вторичного сырья цветных металлов. М – Металлургия, 1993, 201 с.

  • Лакер М.М., Мазурчук Э.Н. Переработка шлаков цветной металлургии. - М.: Металлургия, 1977, 257 с.
Скачать статью () в PDF