брикет для металлургического производства и способ его получения

Формула изобретения

1. Брикет для металлургического производства, включающий железосодержащие мелкодисперсные отходы, углеродсодержащую мелочь и связующее, отличающийся тем, что в качестве железосодержащих мелкодисперсных отходов используют смесь пыли газоочисток сталеплавильного производства и мелкого магнитного продукта, извлеченного из сталеплавильных шлаков, в соотношении 1:12, а в качестве связующего замасленную окалину и известь при следующем соотношении, мас.%:

замасленная окалина	15-35
известь	5-10
углеродсодержащая мелочь	5-15
железосодержащие мелкозернистые отходы	40-75

2. Способ получения брикетов для металлургического производства, включающий смешивание железосодержащих мелкодисперсных отходов, углеродсодержащей мелочи и связующего, в качестве которых использованы компоненты по п.1, последующее прессование и выдержку брикетов, при этом после прессования брикеты выдерживают во влажной среде в течение 20-25 ч.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к подготовке шихтовых композиций на основе железосодержащих мелкодисперсных металлургических отходов для выплавки чугуна, стали и ферросплавов.

Известны способы утилизации железо- и углеродсодержащих мелкодисперсных металлургических отходов путем их окускования за счет агломерации, окатывания и брикетирования с последующей плавкой в доменных, сталеплавильных и других агрегатах взамен традиционных шихтовых материалов - руды, кокса, агломерата и т.д. [1, 2].

Известны брикеты на основе железо- и углеродсодержащих мелкодисперсных металлургических отходов, в которых в качестве связующего используются органические смеси: пек, гудрон, смолы, ПВА-клеи [3].

Признаками, совпадающими с признаками заявляемого изобретения, являются:

- наличие железосодержащей составляющей в брикете;

- наличие углеродсодержащей составляющей в брикете;

- наличие связующего в брикете;

- назначение брикетов в качестве шихтовой добавки для выплавки чугуна, стали и ферросплавов.

Причины, препятствующие достижению ожидаемого технического результата:

- при выгорании органических примесей брикеты теряют прочность, рассыпаются и становятся непригодны для участия в металлургическом процессе;

- наличие органической связки требует термической обработки брикета для набора технологической прочности.

Известны также способы брикетирования, в которых в качестве связующего используются неорганические материалы: известь, цемент, жидкое стекло [4].

Признаками, совпадающими с признаками заявляемого изобретения, являются:

- наличие железосодержащей составляющей в брикете;

- наличие углеродсодержащей составляющей в брикете;

- наличие неорганического связующего в брикете.

Причины, препятствующие достижению технического результата:

- повышенное шлакообразование и невысокая восстановимось металлической фазы из-за наличия гидратной влаги, препятствующей проникновению в брикет восстановителя;

- брикетирование с неорганическими связующими приводит к увеличению количества шлака и соответственно к повышению расхода кокса.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, в части состава брикета является способ получения брикетов из мелкодисперсных оксидов металлов [5], суть которого заключается в том, что мелкодисперсную окалину смешивали с отработанными индустриальными и моторными маслами и с 60% раствором жидкого стекла и проводили прессование.

Признаками, совпадающими с признаками заявляемого изобретения, являются:

- наличие железосодержащей составляющей в брикете;

- наличие углеродсодержащей добавки в составе брикета;

- наличие органического и неорганического связующих в брикете.

Причины, препятствующие достижению технического результата:

- наличие в составе брикета жидкого стекла ограничивает возможности использования брикетов из-за разъедания огнеупорной футеровки плавильных агрегатов;

- жидкое стекло является относительно дорогостоящим компонентом брикета.

Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в утилизации мелкодисперсных железо- и углеродсодержащих металлургических отходов, замасленной окалины и отходов извести, использование которых сдерживается их физическими свойствами.

Поставленная задача решается за счет того, что в качестве железосодержащих мелкодисперсных отходов используют смесь пыли газоочисток сталеплавильного производства и мелкого магнитного продукта, извлеченного из сталеплавильных шлаков, в соотношении 1:12, а в качестве связующего замасленную окалину и известь при следующем соотношении, мас.%:

Железосодержащие мелкозернистые отходы	40-75
Углеродсодержащая мелочь	5-15
Замасленная окалина	15-35
Известь	5-10

Решение задачи возможно потому, что компоненты шихты брикета при развитой поверхности и относительном сближении частиц проявляют вяжущие и тиксотропные (клеящие) свойства. Это связано с наличием в сталеплавильных шлаках ортосиликатов кальция и магния, трехкальциевого силиката, алюмоферритов кальция и др. Введение в состав брикета извести способствует связыванию влаги, присутствующей в составе замасленной окалины, и мелкодисперсного магнитного продукта, извлеченного из сталеплавильного шлака, увеличивает концентрацию кристаллических новообразований в брикете. Одновременно происходит взаимодействие извести и ортосиликатов кальция, входящих в состав шлаковой составляющей магнитного продукта и пыли газоочисток. В результате образуются субмикрокристаллические низкоосновные гидросиликаты кальция, обеспечивающие быстрое нарастание прочности образцов [6]. Взаимодействие органической составляющей в виде минерального масла замасленной окалины с частицами пыли и шлака проявляется в виде физической адгезии, причем наиболее прочное сцепление наблюдается между маслом и частицами, имеющими повышенную основность. Наряду с адсорбционными процессами при взаимодействии масла с пористыми частицами пыли происходит избирательная диффузия масла в микрокапиляры наполнителя. В результате повышается прочность брикета без термической обработки.

Ведение в состав брикета углеродсодержащей добавки обусловлено необходимостью создания восстановительной среды для восстановления оксидов металлов, вносимых в плавку с компонентами брикета, в агрегатах с окислительной атмосферой типа мартеновской печи.

Подбор составов брикета осуществляли на основании серии экспериментов, в которых наряду с металлургическими свойствами брикета оценивали возможность формирования и прессования компонентов шихты. Результаты подбора содержания железосодержащих мелкодисперсных отходов в составе брикетов приведены в таблице 1.

Таблица 1
Результаты подбора содержания железосодержащих мелкодисперсных отходов в составе брикетов
Наименование компонента брикета	Состав и свойства брикетов
Содержание в составе брикета железосодержащих мелкодисперсных отходов всего, %, в том числе:	40-75
пыли газоочисток, частей мелкого магнитного продукта, частей	1		1			1		1
	10		12		8			15
Углеродсодержащей мелочи, %	5-15
Замасленной окалины, %	15-35
Извести, %	5-10
Формовочные свойства смеси	Хорошие	Хорошие		Удовлетворительные			Неудовлетворительные
Содержание железа общего, %	Удовлетворительные	Удовлетворительные		Неудовлетворительные			Удовлетворительные
Прочность брикета после прессования, кг/брикет	60-80	50-70		70-100			30-50
Прочность брикета после выдержки, кг/брикет	500-800	400-600		600-900			400-600

Повышение содержания извести в составе брикета свыше 10% приводило к разрушению брикета после 3...10-часовой выдержки после прессования. Снижение содержания извести в составе брикета менее 5% снижало прочность брикетов, они не выдерживали испытание на динамическую прочность при сбрасывании с высоты 1 м. Ограничение содержания извести в составе брикета менее 5% вызывало повышение продолжительности расплавления брикетов в мартеновской плавке.

Снижение содержания замасленной окалины в составе брикета ниже 15% приводило к увеличению продолжительности формирования брикета, снижению его прочности после прессования и неудовлетворительной прочности после выдержки. Количество углеродсодержащей мелочи (УСМ) в выбранном диапазоне практически не оказывает влияния на формовочные и прочностные свойства брикетов, однако при снижении УСМ ниже 5% наблюдали повышенный выход шлака в процессе плавления брикетов и низкую степень восстановления оксидов железа, внесенных в шихту плавки. Содержание УСМ в составе брикета выше 15% приводило к снижению плотности брикета без улучшения показателей плавки.

Таким образом, заявляемый состав брикета позволяет утилизировать железосодержащие мелкодисперсные отходы, замасленную окалину и отходы извести в виде шихтовой добавки в металлургическом производстве.

Известны способы получения брикетов [7] из различных видов сырья и отходов, сущность которых заключается в брикетировании без связующих материалов при высоком давлении (>100 МПа) и сравнительно низких температурах; с различными связующими при низких и средних давлениях (20-80 МПа) и температурах, несколько превышающих температуры размягчения (плавления) связующих (<100-140°С); без связующих материалов при средних и высоких температурах (<300-1000°С) и средних давлениях (50-80 МПа).

Признаками, совпадающими с признаками заявляемого изобретения, являются:

- смешивание составляющих компонентов брикета;

- прессование, придание формы брикету;

- набор прочности брикета после прессования.

Причины, препятствующие достижению ожидаемого технического результата:

- применение в качестве органического или неорганического связующего брикета материалов, оказывающих негативное воздействие на металлургический передел брикетов;

- для набора прочности брикета применяют различные виды обработки, связанные с затратами электроэнергии, применением дорогостоящего оборудования и материалов.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является способ подготовки шихтового материала в виде брикетов к плавке [8].

Признаками, совпадающими с признаками заявляемого изобретения, являются:

- смешивание железосодержащих мелкодисперсных отходов с углеродсодержащими материалами и связующим;

- прессование брикета;

- обработка брикета после прессования.

Причины, препятствующие достижению ожидаемого технического результата:

- обработка брикетов водным раствором Na ₂O·nSiO₂, которая включает дополнительные расходы на подготовку жидкого стекла заданной вязкости, обработку брикетов, подготовку площадей для обработки и т.д.;

- негативное воздействие щелочного металла, входящего в состав жидкого стекла на стойкость футеровки плавильных агрегатов;

- повышенное шлакообразование и снижение основности шлака за счет дополнительного введения оксидов кремния;

- высокий расход жидкого стекла, связанный с тем, что после прессования брикеты плохо впитывают жидкое стекло и медленно высыхают;

- появляется необходимость дополнительной сушки брикетов после обработки их жидким стеклом;

- в процессе транспортирования и перегрузок поверхность брикетов осыпается, что приводит к образованию мелкозернистого пылевидного материала, непригодного для дачи в плавку.

Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в сокращении затрат на получение брикета и утилизации отходов металлургического производства.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе получения брикетов, включающем смешивание железосодержащих мелкодисперсных отходов, углеродсодержащей мелочи и связующего, в качестве которых использованы компоненты заявляемого брикета, а именно: замасленная окалина - 15-35%, известь - 5-10%; углеродсодержащая мелочь - 5-15%; железосодержащие мелкозернистые отходы (смесь пыли газоочисток сталеплавильного производства и мелкого магнитного продукта, извлеченного из сталеплавильных шлаков, в соотношении 1:12) - 40-75%, последующее прессование и выдержку брикетов, а после прессования брикеты выдерживают во влажной среде в течение 20-25 часов.

Решение поставленной задачи возможно исходя из условий взаимодействия извести и минерального масла с минералами, входящими в состав железосодержащих мелкодисперсных отходов. Взаимодействие извести с минералами шлака, пыли газоочисток и влагой замасленной окалины способствует образованию кристаллических гидросиликатов кальция. При этом создается слабощелочная среда, способствующая растворимости кварцитов, что, в свою очередь, облегчает гидратацию -двухкальциевого силиката, т.е реализуется механизм щелочного пробуждения вяжущих свойств минералов, входящих в состав железосодержащих мелкодисперсных отходов.

Минеральные масла, входящие в состав замасленной окалины, при взаимодействии с минералами шлака и пыли железосодержащей мелкодисперсной составляющей образуют масляно-минеральные композиции за счет процессов физической адсорбции и избирательной диффузии минеральных масел в микрокапилляры твердых минеральных частиц. Взаимодействуя с влагой, минеральные масла эмульгируют. В процессе прессования пустоты между частицами заполняются эмульсией, это способствует повышению исходной прочности брикета после прессования. После прессования брикеты должны находиться во влажной среде для поддержания процессов образования гидросиликатов кальция и повышения прочности спрессованных брикетов. Продолжительность нахождения брикетов во влажной среде определяли опытным путем. Помещение брикетов во влажную среду является наиболее щадящей операцией тепловлажностной обработки брикета. Повышение давления до 1...3 ати в процессе выдержки брикетов во влажной среде не способствовало повышению их прочности за более короткий промежуток времени, не дало положительных результатов в наборе прочности брикетов и повышение температуры до 80...95°С. Интенсивно набирают прочность брикеты в течение первых 20-25 часов, затем увеличение прочности брикетов сокращается, но не заканчивается, а медленно нарастает. Результаты подбора продолжительности выдержки брикетов во влажной среде приведены в таблице 2.

Таблица 2
Результаты подбора продолжительности выдержки брикетов во влажной среде
Состав брикета*, мас.%				Прочность брикета, кг/брикет после выдержки в течение, час
ЖСО	УСМ	ЗО	Известь	1	15	20	25	48	60	72
65	10	15	10	110	380	550	620	635	682	715
55	10	25	10	158	423	541	586	612	630	684
50	10	30	10	182	483	550	573	594	602	622
75	5	15	5	85	322	485	529	574	588	592
*ЖСО - железосодержащие мелкодисперсные отходы; УСМ - углеродсодержащие материалы; ЗО - замасленная окалина

Таким образом, прочность брикетов на основе железосодержащих мелкодисперсных отходов, углеродсодержащей мелочи и связующего в виде замасленной окалины и извести после прессования возрастает во влажной среде интенсивно в течение первых 20-25 часов, затем интенсивность нарастания прочности снижается, прочность брикетов медленно, но продолжает возрастать и после извлечения их из влажной среды.

Предложенный способ получения брикетов может быть использован для переработки и утилизации отходов металлургического производства, в частности мелкого магнитного продукта, извлеченного из сталеплавильных шлаков, пыли газоочисток, замасленной окалины, коксовой мелочи и отходов извести.

Источники информации

1. Л.А.Лурье. Брикетирование в черной и цветной металлургии. - М.: Металлургия 1963, 324 с.

2. Б.Л.Раввич. Брикетирование в цветной и черной металлургии. - М.: Металлургия, 1975, 232 с.

3. Физико-химические процессы в электрохимии ферросплавов. Сб. Статей. - М.: 1991, с.56.

4. Б.Ф.Гончаров, И.С.Соломахин. Производство чугуна. - М.: Металлургия, 1965, с.56.

5. Способ получения брикетов из мелкодисперсных отходов металлов, RU 2198940 С1, 20.02.2003, БИ № 5.

6. А.В.Волженский, Ю.С.Буров, Б.Н.Виноградов и др. Бетоны и изделия из шлаковых материалов. - М.: Стройиздат, 1969, 396 с.

7. Ю.И.Кожевников, Б.Л.Раввич. Окускование и основы металлургии. - М.: Металлургия, 1991, 303 с.

8. Способ подготовки шихтового материала в виде брикетов к плавке, RU 2095436 6 С22В 1/245, 10.11.97, БИ № 31.