шихта для изготовления брикетов для металлургического производства

Формула изобретения

1. Шихта для изготовления брикетов для сталеплавильного производства, содержащая железоуглеродистые отходы электросталеплавильного производства, карбюризатор и связующий материал, отличающаяся тем, что в качестве связующего материала используют рафинировочный шлак, образующийся в процессе внепечной обработки стали на установке печь-ковш, который включает следующие оксиды, мас.%: SiO ₂ 14-34, Al₂О₃ 1,5-14, CaO 37-64, MgO 3-14, TiO₂ 0,05-0,5, MnO 0,14-2,6, FeO менее 0,5.

2. Шихта по п.1, отличающаяся тем, что она содержит в качестве железоуглеродистых отходов плавильную пыль электросталеплавильного производства и металлургический шлам, а также металлургическую окалину, в том числе прокатную.

3. Шихта по п.1, отличающаяся тем, что в качестве карбюризатора используют твердые углеродосодержащие материалы - коксовую мелочь, пыль и/или их смеси.

4. Шихта по п.1, отличающаяся тем, что используемые углеродосодержащие компоненты применяют с крупностью частиц не более 5 мм, причем доля частиц с размером 1 мм и менее в составе рафинировочного шлака составляет 97-98%.

5. Шихта по п.1, отличающаяся тем, что в качестве компонентов используют рафинировочный шлак, окалину, плавильную пыль и коксовую мелочь, которые смешаны в следующем соотношении, мас.%:

рафинировочный шлак	15-60
окалина	5-60
плавильная пыль	5-70
коксовая мелочь	8-35

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение относится к области строительства и металлургии, а именно к производству брикетов для металлургического производства с использованием сульфатно-шлакового вяжущего.

В настоящее время отходы металлургического производства частично утилизируются путем использования метода динамического горячего прессования чугунной стружки, а частично используются как связующее вещество для получения качественных брикетов из железных руд и концентратов. Способ брикетирования руд с чугунной стружкой предложен Н.А.Ярхо для криворожских гематитовых руд.

Недостатками указанных технических решений являются получение брикетов с относительно невысокими физико-механическими свойствами и недостаточная степень утилизации промышленных отходов, а также обладающих повышенными энергозатратами ввиду необходимости использования при брикетировании большого количества электроэнергии на обжиг, электросушку брикетов.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является получение брикетов для использования в производстве металлургического оборудования с повышенными эксплуатационными характеристиками, в частности длительным сроком службы, надежностью и экономичностью, за счет исключения из процесса дорогостоящих компонентов: «портландцемента» и «активированного торфа», и за счет расширения диапазона использования отходов сталеплавильного производства. При этом технический результат заключается в наделении металлошихты высокой химической стабильностью и повышенным ее насыпным весом, порядка 2,7-2,8 т/м³ при сохранении физико-химических свойств. Другой задачей является охрана окружающей среды за счет утилизации отходов производства, получение шихты на основе вяжущего нормального твердения, обладающего повышенной коррозионной стойкостью.

Поставленная задача достигается за счет того, что в шихте для изготовления брикетов для металлургического производства, содержащей железоуглеродистые отходы электросталеплавильного производства, карбюризатор и связующий материал, в качестве связующего материала применяют рафинировочный шлак, образующийся в процессе внепечной обработки стали на установке печь-ковш, который включает в себя следующие оксиды (мас.%): SiO₂ 14-34, Al ₂О₃ 1,5-14, CaO 37-64, MgO 3-14, TiO₂ 0,05-0,5, MnO 0,14-2,6, FeO - менее 0,5.

Возможны и другие варианты выполнения изобретения, согласно которым необходимо, чтобы:

- в качестве железосодержащих отходов использовали бы различного рода металлургическую окалину, в том числе прокатную, плавильную пыль и металлургический шлам;

- в качестве карбюризатора использовали бы твердые углеродосодержащие материалы - коксовую мелочь и пыль и/или их смеси;

- используемые компоненты применяли бы с крупностью частиц не более 5 мм, причем доля частиц с размером 1 мм и менее в составе рафинировочного шлака составляла бы 97-98%;

- используемые компоненты смешивались бы в следующем соотношении, мас.%:

рафинировочный шлак	15-60
окалина	5-60
плавильная пыль	5-70
коксовая мелочь	8-35

Указанные признаки изобретения являются существенными и взаимосвязанными между собой причинно-следственной связью с образованием совокупности существенных признаков, достаточных для достижения технического результата, а именно сохранение окружающей среды за счет утилизации отходов сталеплавильного производства, используемых для производства металлошихты с высокой химической стабильностью и повышенным ее насыпным весом за счет применения вяжущего нормального твердения с повышенной коррозионной стойкостью.

Применение брикетов в шихтовке электросталеплавильного процесса (в составе завалки и подвалки металлошихты) в 120 тонной дуговой печи, в количестве до 5% от общей массы шихтовки (6 тонн) позволяет увеличить выход жидкой стали от 85 до 88%, т.е. на 1,7-2,0%. Это обусловлено наличием в составе брикета до 55% окислов железа, что в целом на одну тонну позволяет вносить в печь около 0,3 т металла.

При таком процессе плавки электропечь работает в более "мягком" режиме в период расплавления, т.к. при этом активизируется процесс вспенивания шлака, что способствует более раннему и полному экранированию электрической дуги. Показатели удельного расхода электроэнергии поддерживаются на неизменном уровне около 455-457 кВт/т, также как и длительность плавки 53-64 мин, по при этом обеспечивается возможность сокращения электроэнергии и длительности плавления.

При этом установлено снижение удельного расхода шлакообразующихся материалов (извести, доломита) на 2,0-3,0 кг/т, которые присаживают в печь по ходу технологического процесса. Это объясняется высоким их содержанием (до 40%) в рафинированном шлаке. Пониженный расход шлакообразующих материалов против штатных показателей позволил обеспечить стандартные показатели фосфора и серы при расплавлении металла в печи. При использовании брикетов пылевыделение с технологическими газами соответствует штатной (традиционной) экологической ситуации, негативного влияния нет на атмосферные показатели.

Сущность настоящего изобретения заключается в следующем.

Согласно изобретению шихта, предназначенная для изготовления брикетов или плитки для применения в металлургическом производстве, например, в шихтовке электросталеплавильного процесса, содержит железоуглеродистые отходы электросталеплавильного производства, карбюризатор и связующий материал, при этом в качестве связующего материала применяют рафинировочный шлак, образующийся в процессе внепечной обработки стали на установке печь-ковш, которая имеет следующий химический состав (мас.%): SiO₂ 14-34, Al ₂О₃ 1,5-14, CaO 37-64, MgO 3-14, TiO₂ 0,05-0,5, MnO 0,14-2,6, FeO - менее 0,5.

Дополнительно при получении брикетов в качестве железосодержащих отходов используют прокатную окалину, коксовую мелочь и плавильную пыль электросталеплавильного процесса, а используемые компоненты выбирают с размером частиц в основном менее 1 мм, где-то 97,0-98,0 мас.%.

Для получения качественного брикета с высокими физико-химическими свойствами, целесообразно чтобы компоненты смешивались бы в следующем соотношении, мас.%:

рафинировочный шлак	15-60
окалина	5-60
плавильная пыль	5-70
коксовая мелочь	8-35

Химический состав шихты, включающей в качестве компонентов плавильную пыль 23-27%, рафинировочный шлак 33-37%, окалину 28-32% и кокс 8,0-12,0%, представлен в таблице № 1. (Массовая доля, %)

Таблица № 1
CaO	P	Feобщ	Fмет	FeO	Fe2 О3	CaO+MgO	С	S	влага
24	0,053	32,2	0,77	20,0	23,0	9,2	7,8	0,73	4,1

Химический состав обожженного готового брикета, полученного из шихты, включающей в качестве компонентов плавильную пыль 23-27%, рафинировочный шлак 33-37%, окалину 28-32% и кокс 8,0-12,0%, представлен в таблице № 2 (Т обж.=1180°С в течение 120 мин).

Таблица № 2
CaO	Р	Feобщ	Fмет.	FeO	Fe2 О3	С	S
31,0	0,020	40,8	27	30,9	1,3	2,1	1,2

В экспериментальных условиях установлено (по данным табл.1 и 2), что при термической обработке брикетов в ограниченных пределах рассматриваемого состава (до Т=1180°С) степень металлизации (содержание в них Fe мет) возрастает от 0,8 до 27-36%. О эффективном развитии процесса металлизации свидетельствует появление на поверхности брикетов ярко выраженною металлического блеска. Снижение содержания в брикете углерода (%, С менее 5-8%) ограничивает активность восстановления железа.

Таким образом, установлена перспективность использования брикетов, скомпонованных без специальной предварительной термической подготовки (в сыром виде), в составе металлошихты электросталеплавильного процесса, т.к. конечная температура выплавляемой стали (1600-1620°С) и длительность цикла плавки позволяют обеспечить максимальную степень восстановления Fe из брикетов (степень его металлизации).

В одном из вариантов выполнения изобретения количество рафинировочного шлака в смеси максимально увеличивается с уменьшением в составе смеси плавильной пыли.

Предлагаемая к патентованию шихтовка компонентного состава железоуглеродистых брикетов предусматривает использование широкого диапазона металлургических отходов, включая шлак и плавильную пыль, особенностью брикетирования является использование в его составе в качестве связующего материала также вторичного продукта электросталеплавильного производства - рафинировочного шлака, образующегося в процессе внепечной обработки стали на установке печь-ковш в результате использования шлакообразующих и окисляющих материалов: извести (СаО), плавикового шпата (CaF₂ ), магнезита (MgO), соединений алюминия и др. По своему химическому составу рафинировочный шлак приближается к составу белитового портландцементного клинкера, широко используемого в качестве связующего вещества, и относится к основным шлакам с модулем основности Мо=2,2-2,3, величина которого характеризует этот вид шлака как самораспадающегося. При естественном охлаждении от технологической температуры, порядка 1560-1620°С до 20-30°С. шлак практически полностью подлежит разложению в порошок - до 98%, чему способствует полиформизм двухкальциевого силиката 2CaO*SiO ₂, содержание которого в рафинировочном шлаке сталеплавильного производства Молдавского металлургического завода составляет 64-68%. Его разложению способствует переход более плотной модификации - 2СаО*SiO₂ в устойчивую низкотемпературную - 2CaO*SiO₂ с плотностью 2,85-3,0, сопровождающийся существенным увеличением объема шлака.

Степень механического распада шлака достаточно высокая. Основная его фракция - частицы размером менее 1 мм составляют 97-98% от общей массы. Содержание металлических включений в виде шариков и пластинок до 1,5 мм составляют 1,5%. Основу рафинировочного шлака составляют оксиды, которые образуют четыре основных минерала под собирательным названием «клинкерные». При контакте с водой они образуют кристаллические и коллоидные гидраты, т.е. способствуют гидравлической активности шлака и соответственно прочности взаимосвязи компонентов брикета. Именно гидратные соединения способствуют превращению порошкового материала в твердое тело. Гидравлическая активность (Ма), определяемая как процентное отношение AL₂О ₃ к SiO₂, у основных шлаков колеблется от 0,1 до 0,5.

Естественное разложение шлака позволяет исключить операцию по размолу шлака, что существенно упрощает и удешевляет технологию изготовления брикетов.

В качестве примера рассмотрим получение брикетов, используемых в производстве марок стали, типа сталь 20. Брикет представляет собой прессованный холодным методом объем, в качестве связующего материала в котором применен рафинировочный шлак, образующийся в процессе внепечной обработки стали на установке печь-ковш. Шлак включает в себя следующие оксиды: SiO₂=21 мас.%, Al₂О₃=7,5 мас.%, СаО=51 мас.%, MgO=11 мас.%, MnO=0,9 мас.%, FeO - менее 0,5 мас.%, TiO₂=0,07 мас.%, при этом в качестве карбюризатора используют твердые углеродосодержащие материалы - коксовую мелочь и пыль.

Перед прессованием компоненты с размером частиц около 1 мм механически смешиваются при помощи смесителя в следующем соотношении, мас.%:

рафинировочный шлак	45
окалина	51
плавильная пыль	19
коксовая мелочь	27

По своему химическому составу полученные брикеты являются первородной шихтой. Имеют правильную форму (100×100×100 мм). Вес каждого 26-30 кг. Брикеты обладают высокой прочностью при сжатии около 5 МПа и транспортабельностью. Их использование - реальный путь ресурсосбережения производства.

В основном получаемые из патентуемой шихты брикеты предназначены для выплавки низко и среднеуглеродистых марок стали. При уменьшении содержания в шихте «вредных» цветных примесей появляется возможность их использования при производстве высококачественных марок стали. Использование брикетов позволяет весь шлак и пыль металлургического производства не складировать, а утилизировать в сталеплавильном процессе.

Применение мелких порошкообразных материалов в брикетированном виде в значительной степени снижает их потери при хранении и использовании, придаст материалам ряд свойств, присущих только брикетированному сырью - повышенную активность, оптимальное усвоение в процессе использования.