Комплексний флюс для металургійного виробництва

Комплексний флюс для металургійного виробництва, який включає відходи, що містять оксид заліза (ІІ), оксид заліза (ІІІ), сполуку кальцію, вуглець і інші домішки, який відрізняється тим, що додатково включає глиноземовмісні відходи виробництва алюмінію, а як сполуку кальцію містить гідрооксид кальцію, при наступному співвідношенні інгредієнтів, мас. %: оксид заліза (ІІІ) 23,0-36,2 оксид заліза (ІІ) 9,0-22,0 гідрооксид кальцію 21,9-45,4 глинозем 2,7-5,1 вуглець і інші домішки решта. Винахід відноситься до металургії і може бути використай в шихті для доменного чи сталеплавильного виробництва. Відома речовина - силікатна зв'язка, що представляє собою комплексний флюс, що має наступне співвідношення інгредієнтів, мас.%: SiO2 - 2934, Fе2О3 - 16-18, Аl2О3 - 5-13, MgO - 5-8, CaO інше (А.с. СРСР № 840172, кл. С 22 В 1/243, 1981, БВ№ 23). Зв'язка має велику міцність за рахунок утворення алюмокальцієвих сполук і, особливо, силікатів кальцію. Однак високий зміст двоокису кремнію у відомій речовині неприпустимо при його використанні в якості основних чи глиноземистих флюсів. Зменшення змісту SiO2 у зв'язці приводить до зниження міцності матеріалу в брикетованому виді. Відомий флюсовий брикет з алюмовмісного матеріалу, змішаного з водою і зміцнюючою добавкою. У якості алюмовмісного матеріалу застосовані сипучі відходи виробництва вторинного алюмінію фракції 0-5 мм, у якості зміцнюючої добавки служить вапно (Патент РФ № 2092589, кл. С 22 В 1/243, 1997, БІПМ № 28). Відсутність у даному флюсі, що включає Аl2О3 і CaO, третього важливого компонента - окислів заліза, перешкоджає швидкому розчиненню флюсу і наведенню шлаку. Заміна дефіцитних відходів виробництва вторинного алюмінію коштовною бокситовою рудою, наприклад, по А.с. СРСР № 1437406 (А.с. СРСР № 1437406, кл. С 22 В 1/24, 1988, БІ № 42), при тисках 5-50МПа не дозволить одержати брикет необхідної міцності. Найбільш близьким технічним рішенням по ефекті, що досягається, до пропонованого винаходу, є комплексний вуглецевий залізофлюс, що виготовляється з відходів металургійного виробництва, при наступному співвідношенні інгредієнтів, мас.%: оксид кремнію 5,0-12,0 оксид кальцію 5,0-30,0 закис заліза 0,8-20,0 вуглець 0,5-4,0 оксид заліза (Fе2О3) інше (Патент України № 23221А, кл. С22В1/00, 1998, Промислова власність, № 4). (19) UA (11) 75154 (13) (21) 2004010141 (22) 09.01.2004 (24) 15.03.2006 (46) 15.03.2006, Бюл. № 3, 2006 р. (72) Ожогін Володимир Володимирович, Носков Валентин Олександрович, Томаш Олександр Анатоліович, Васькєвич Михайло Яковлевич, Чєрнова Світлана Генадіевна, Лозовий Валерій Пантелеймонович, Зотов Олексій Володимирович, Левченко Валерій Іванович, Безменов Володимир Олександрович (73) Приазовський державний технічний університет (56) UA 23221 A, 31.08.1998 UA 18585 C1, 25.12.1997 C2 1 3 75154 4 Відсутність у складі залізофлюса глинозему кальцію, вуглець і інші домішки, відповідно до виАl2О3, що бере участь в утворенні міцних алюмонаходу додатково введені глиноземмісткі відходи кальцієвих з'єднань, перешкоджає одержанню виробництва алюмінію, а велика частина оксиду механічно міцних шматків брикетуванням, а також кальцію використана в виді гидрооксиду, при напогіршує металургійні властивості розплавленого ступному співвідношенні інгредієнтів, мас.%: флюсу. Відомо, що зміст Аl2О3 у кількості до 10оксид заліза Fе2О3 23,0-36,2 12% поліпшує рідинорухливість шлаку і прискорює закис заліза FeO 9,0-22,0 розчинення вапна (Волков Ю.П., Шпарбер Л.Я., гідрооксид кальцію Са(ОН)2 21,9-45,4 Гусарів А.К. Технолог-доменник: Довідкове і метоглинозем Аl2О3 2,7-5,1 дичне керівництво. - М.: Металургія, 1986. - 263 с.; вуглець і інші домішки інше. Бігєєв A.M. Металургія стали. - М.: Металургія, Огрудковання сумішей вихідних компонентів, 1988. - 480 с.). представлених у табл. 1, здійснюють екологічно Особливим, якщо не головним, є питання одечистим і економічно ефективним способом - бриржання такого залізофлюса у виді шматка відповікетуванням, що дозволяє одержати брикети потрідного розміру і міцності. бної якості з використанням методів оптимізації по Огрудковання агломерацією залізофлюса, витакому факторі, як компонентний склад флюсу, з готовленого з тонкороздроблених відходів, неурахуванням порядку змішування компонентів суприйнятне, оскільки має місце зниження продуктиміші для створення сприятливих умов протікання вності агломашин, погіршення металургійних потрібних реакцій, тисків пресування і способів властивостей флюсового спека за рахунок золи зміцнюваючого сушіння, без використання дорогих палива, що додається, вигоряння залишкового сполучних. вуглецю, що знаходиться у флюсі, і вторинне окиДля одержання з комплексного флюсу брикеслювання закису заліза. тів високої міцності необхідна наявність у суміші Скатування також не ефективно, оскільки затрьох наступних окислів: Fе2О3, СаО і Аl2О3, що безпечити постійний фракційний склад викорисутворять міцні алюмокальцієві сполуки типу танням різних відходів важко, а наявність випалу mСаО.nАl2О3 і браунміллєріт 4СаО.Аl2O3.Fе2O3. істотно здорожує цей процес. Зазначену умову забезпечують трикомпонентним Брикетування залізофлюса навіть із граничним складом шихти, що включає залізовмісні шлами, змістом СаО в кількості 30% під тиском понад відсів вапна або вапновмісний пил і факринт. Так, 50МПа не дозволяє одержати брикет потрібної Fе2О3 містять конвертерний і аглодоменний шламіцності. ми, а також факринт. СаО містять відсіви вапна, В основу винаходу поставлена задача створивапняний пил газоочисток, а також у невеликих ти комплексний флюс для металургійного виробкількостях шлами і факринт. Факринт, а також у ництва, у якому за рахунок уведення нового комнезначних кількостях залізовмісні шлами включапонента досягається висока міцність у ють Аl2О3. брикетованому виді і достатня рухливість й активДалі, наявність у суміші деякої кількості FeO ність у розплавленому стані, що, у кінцевому рахустворює умови для появи щодо міцних, але легконку, дозволить створити недорогий флюс на осноплавких комплексних з'єднань типу ві металургійних відходів при екологічно чистому СаО.FеО.Fе2О3, 3СаО.FеО.7Fе2O3, чи навіть фаявиробництві. літу 2FeO.SiO2, а тому в багатьох випадках, коли Для рішення поставленої задачі в комплексний потрібно флюс для швидкого наведення шлаку, флюс для металургійного виробництва, що вклюприсутність таких сполук дуже бажано. чає відходи, що містять оксид і закис заліза, оксид Таблиця 1 Хімічний склад відходів металургійного виробництва,% Материал Шлам аглодоменний Шлам сталеплавильний Шлам конвертерний (КШ) Відсів вапна гидратирований (ВГ) Вапняний пил (гидратирований) Глиноземистий шлам - факринт (Ф) Шлак виробництва вторинного алюмінію фр. -1 мм Feобщ 47,17 54,28 61,59 0,34 0,94 38,55 Fe2O3 56,80 65,17 39,79 0,49 1,35 54,00 FeO 9,56 11,14 43,38 0,96 SiO2 8,64 7,28 3,81 0,65 4,70 8,10 CaO 8,42 7,00 5,61 69,53 59,90 4,40 Аl2О3 1,20 0,80 0,55 0,45 12,54 MgO 1,18 1,02 0,44 0,81 0,57 0,45 П.п.п. 11,81 5,10 3,88 28,03 32,23 12,00 9,0 83,9 6,0 Таким чином, задача одержання міцних брикетів зводиться до пошуку оптимальних співвідношень головних окислів Fе2О3, CaO і Аl2О3, що містяться в трикомпонентних складах. Відповідно до існуючої теорії планування експерименту для визначення параметрів складу, що володіє заданими характеристиками по міцності, проведений трьохфакторний експеримент із використанням кубічної моделі, задовільно індентифіцируючий досліджуваний об'єкт (Ковшов В.М. Постановка інженерного експерименту. - Київ Донецьк, Вища школа, 1982. - 120 с.). Реалізацію експерименту здійснювали за стандартним планом Г. Шеффе для потрійних діаграм 5 75154 6 з обробкою даних на персональному комп'ютері з Визначення ударної міцності скиданням більш використанням прикладної програми "Склад – переважно, тому що, по-перше, для проведення властивість", див. табл. 2. іспиту на ударну міцність у барабані за ДСТ 15137Як значимі фактори в опорних крапках, обумо77 потрібно 15 кг брикетів, що при великій кількості влених планом Шеффе, були обрані окремі види іспитів і масі брикету 30-35 г на ручному пресі одевідходів, що містять переважний інгредієнт: окисли ржати важко. Для проведення репрезентативних заліза - для залізовмісних шламів; вапно - для відіспитів на скидання і роздавлювання досить 5-7 сівів вапна; глинозем - для глиноземлевмісних брикетів (Лур'є Л.А. Брикетування в чорній і кольовідходів (червоні шлами, факринт). Як шукані фунровій металургії. - М.: Металургвидат, 1963. - 324 кції - основні механічні характеристики брикету: с.; Равич Б.М. Брикетування в кольоровій і чорній металургії. - М.: Металургія, 1975. - 232 с.). Поударна міцність уд ,%, яка обумовлена по виходу друге, барабанна проба менш представницька, придатної фракції +5 мм після 20 скидань на стаоскільки по ступені ударного руйнування, що досялеву плиту з висоти 2 м, рівного по загальній висогається, вона відповідає 12-кратному падінню бриті падіння брикету при перевантаженнях у реалькетів з висоти 2м. У третіх, дослідження кореляному процесі, що складає 40м, а також міцність ційності характеру ударного руйнування брикету на роздавлювання (тимчасовий опір руйзалізорудних матеріалів у барабані і при скиданні з нуванню) р , МПа. Міцність на роздавлювання р висоти 2 м дає коефіцієнт кореляції від 0,905 (для агломерату) до 0,998 (для окатишів), що допускає брикетів із плоскими підставами робили на універвзаємозаміну цих способів для оцінки ударної міцсальній іспитовій машині типу EU-40 (Німеччина) із ності. припустимою погрішністю - 1%. Таблиця 2 Матриця планування експерименту для визначення механічних характеристик брикетів № опыта 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 х1 100,0 0 0 33,33 66,67 33,33 66,67 0 0 33,33 Фактор х2 0 100,0 0 66,67 33,33 0 0 33,33 66,67 33,33 Значення функції Y х3 0 0 100,0 0 0 66,67 33,33 66,67 33,33 33,33 уд 7,19 80,24 30,23 83,54 82,80 81,61 47,73 67,12 83,98 81,12 р 17,20 26,28 9,71 36,92 28,44 63,51 43,60 35,78 32,88 31,88 Позначення в таблиці: х1 - глиноземистий шлам (факринт),%; х2 - відсіви вапна, вапно чи вапняний пил гидратировані,%; х3 - конвертерний шлам,% ; уд - ударна міцність брикетів відповідного складу,%; р - міцність на роздавлювання брикетів відповідного складу, МПа. Для доменних брикетів необхідно, щоб вихід фракції +5мм при 20 скиданнях складав більш 80%, а міцність на роздавлювання - більш 27МПа. Іспит брикетів на стиранність не робили, оскільки вибіркові дослідження механічно міцних брикетів дали результати, що перевершують стиранність агломерату високої якості. Змішування компонентів здійснювали в циліндричній ємкості, моделюючи змішування в лопатевому змішувачі, у наступному порядку, що забезпечує утворення максимально можливої кількості міцних алюмінатно-кальцієвих з'єднань: спочатку змішували компоненти, що містять переважно гідрооксид кальцію і глинозем, а потім в отриману суміш подавали залізовмісні компоненти. Загальна тривалість змішування - 6хв. Для досліджень механічних характеристик із зазначених у таблиці 2 сумішей виготовляли брикети циліндричної форми з плоскопаралельними підставами діаметром 30 мм і висотою 16-17 мм. Вибір такого розміру брикету викликаний наступними умовами. Фракція брикетів 30 мм є близької до оптимальних розмірів металургійної шихти. Співвідношення «діаметр : висота» =2:1 відповідає брикету, близькому до рівноміцного, при однобічному пресуванні. До того ж, чим менше брикет, тим більшою ударною міцністю він володіє, у тому числі за рахунок того, що поверхневі шари брикету більш міцні в порівнянні з внутрішніми, а співвідношення «обсяг : поверхня» убуває зі зменшенням обсягу. Брикетування здійснювали на ручному гвинтовому пресі в циліндричній прес-формі з плоскими знімними штемпелями, що забезпечує зусилля пресування 50,5МПа. Вибір мінімального тиску пресування більш 50МПа визначався наступними розуміннями. 1) Досвідчена перевірка показала, що залізо 7 75154 8 флюсові брикети більшості складів, спресовані під ся незначна кількість пари, що встигає через пори тиском понад 50 і до 165МПа і сушені 0,5ч при залишити брикет, не викликаючи його руйнування, 250°С, мають більш високі темпи росту міцності, у т.ч. і через напруги, що виникають у результаті чим при тисках 10-50МПа, що вказує на значне нерівномірного нагрівання. збільшення кількості міцних сполук, викликаних Тривалість сушіння 30 хв визначали з умов тобільш тісним контактом часток. го, що протягом перших 20хв. брикет цілком утра2) Тиску пресування від 50 до 90МПа досяжні чає вологу і розігрівається до 250 °С, а потім провальцьовими пресами, що випускаються в Україні, тягом 10хв. у ньому відбуваються зокрема НКМЗ. низькотемпературні перетворення, зв'язані з переСушіння брикетів здійснювали в попередньо кристалізацією і видаленням гідратної вологи бінагрітій сушильній шафі при температурі 250°С льшості кристалогідратів, крім Са(ОН)2. протягом 30хв. Такий режим сушіння не є оптимаМатриці розрахованих значень для уд і для р льним, однак прийнятий з наступних розумінь. представлені в табл. 3, 4. 1) Незважаючи на те, що сушіння в природних Перевірка отриманих моделей за допомогою умовах при 20-25 °С протягом 7 доби дає виняткокритерію Стьюдента підтвердила їхню адекватво високу ударну міцність (так, склад 10Ф ЗОВГ ність. 60КШ забезпечує уд=0,98%, а склад 50Ф 30ВГ З метою розширення сировинної бази і залучення у виробництво нових видів відходів, прово20КШ має уд=99,2%), обране інтенсивне сушіння дили дослідження для вапняно-глиноземистих при 250 °С протягом 30 хв, що, незважаючи на сумішей, у яких замість факринта в якості глиноменшу міцність готових брикетів, більш продуктивземвмісного компонента використовували відсіна і не залежить від погодних умов. вання дробленого шлаку плавки алюмінієвого бру2) Температуру 250 °С і вище мають більшість хту фракції -1 мм, висока міцність яких цілком газів металургійних агрегатів, що відходять, що підтвердила можливість заміни факринта еквівадозволяє їх використовувати як теплоносія при лентним по алюмінії кількістю шлаку. сушінні брикетів. 3) При температурі 250 °С у брикеті утворитьТаблиця 3 Матриця значень для ударної міцності х2 ИГ, ч.од. 0 0,10,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 0 30,23 43,37 54,74 64,32 72,11 78,09 82,24 84,54 84,99 83,56 80,24 0,1 59,27 66,02 71,63 76,07 79,33 81,40 82,26 81,90 80,30 77,44 0,2 75,69 78,03 79,84 81,10 81,81 81,94 81,48 80,42 78,74 0,3 81,61 81,50 81,48 81,54 81,66 81,82 82,01 82,22 уд,% Значення х1Ф, ч. од. 0,4 0,5 0,6 79,14 70,42 57,55 78,55 71,32 61,92 78,68 73,56 68,24 79,50 77,11 76,50 81,00 81,97 86,67 83,17 88,10 85,98 0,7 42,68 52,48 64,85 79,78 0,8 27,91 45,12 65,51 0,9 15,37 41,95 1,0 7,19 Таблиця 4 Матриця значень для міцності на роздавлювання х2 ИГ, ч. од. 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 0 9,71 22,08 30,24 34,89 36,71 36,37 34,56 31,97 29,27 27,14 26,28 0,1 37,59 40,36 40,70 39,30 36,83 33,99 31,45 29,89 30,00 32,45 0,2 54,60 49,77 44,29 38,84 34,10 30,75 29,47 30,95 35,87 0,3 62,56 52,14 42,84 35,34 30,32 28,47 30,46 36,99 Значення х1Ф, ч. од. 0,4 0,5 0,6 63,27 58,57 50,25 49,27 42,97 35,08 38,15 32,04 26,33 30,61 26,46 24,71 27,32 26,90 30,88 28,96 34,05 36,23 р, МПа 0,7 40,14 27,38 22,83 27,17 0,8 30,05 21,72 23,36 0,9 21,80 19,89 1,0 17,20 9 75154 По матрицях розрахованих параметрів складали тривісні діаграми механічної міцності припустимих значень, див. фіг.1. Зіставлення цих діаграм «а» - для уд і «б» - для р з обліком додаткових обмежувальних умов - збалансованості основних компонентів, що характеризують комплексний флюс, максимізації споживання залізовмісних шламів, помірної витрати вапняних відходів, і мінімізації витрати глиноземвмісних шламів, дозволяє виділити деяку досить велику область 1-2-3-4-5-6 складів, що задовольняють вимогам по механічній міцності ( уд>80%, р>27МПа). Компонентний склад комплексного флюсу характеризується наступними граничними значеннями, мас.%: глиноземистий шлам (факринт) 20-40 відсів вапна гідратований 20-50 10 шлам сталеплавильний (конвертерний) 20-50 Цим граничним складам відповідають наступні суміші: 1 - 20Ф 30ВГ 50КШ, 2 - 20Ф 50ВГ 30КШ, 3 30Ф 50ВГ 20КШ, 4 - 40Ф 40ВГ 20КШ, 5 - 30Ф 30ВГ 40КШ і 6 - 30Ф 20ВГ 50КШ. Вплив хімічного складу цих сумішей на механічні характеристики комплексного флюсу приведені в табл. 5, з якої випливає, що добавки в комплексний флюс оксиду алюмінію в кількості менш 2,7% і більш 5,1% не дозволяють цілком вирішити задачу, що коштує перед винаходом. Уведення до складу комплексного флюсу Аl2О3 у кількості 2,75,1% цілком вирішує задачу, що стоїть перед винаходом. Таблиця 5 Залежність міцністних характеристик брикетів з комплексного флюсу від його хімічного складу Fе2О3 Хімічний склад,% FeO Ca(OH)2 АІ2O3 40ВГ 60КШ 24,07 26,02 37,91 0,33 72,11 36,71 1. 20Ф ЗОВГ 50КШ 2. 20Ф 50ВГ ЗОКШ 3. 30Ф 50ВГ 20КШ 4. 40Ф 40ВГ 20КШ 5. 30Ф ЗОВГ 40КШ 6. 30Ф 20ВГ 50КШ 30,84 23,00 24,40 29,75 32,26 36,20 21,88 13,21 9,00 9,06 17,64 22,00 29,83 45,40 45,24 37,31 29,68 21,90 2,78 2,70 3,87 5,10 3,98 4,04 81,10 81,94 81,82 81,00 81,54 81,48 38,84 30,75 28,47 27,32 35,34 42,84 50Ф 30ВГ 20КШ 35,10 9,16 29,40 6,38 77,11 26,46 Компонентний склад Механічна міцність уд,% р, МПа Рівень міцності менш допустимого допустимий так само -«-«-«оптимальний менш допустимого Позначення в таблиці: 20, 30, 40, 50 - зміст компонентів Ф, ВГ, КШ у суміші,%. Підкреслені значення є екстремальними. Річний економічний ефект, що досягається в доменному виробництві за рахунок використання пропонованого винаходу - брикетів комплексного флюсу в кількості 100,0 кг/т чавуна при заміні еквівалентної кількості вапняку 45,6кг/т, концентрату 47,1кг/т і інших матеріалів, зокрема, марганцевої руди 1,23 кг/т і коксу 17,57 кг/т, а також поліпшення технологічних параметрів процесу складає: (10,32-2,38-42,00.0,1.1,25+0,65+0,6395,0.0,1.1,25.0,20) грн/т чавуна . 1,00 млн. т чавуна = 1,59 млн. грн. де 10,32 - економія на первинній сировині, грн/т чавуна; 2,38 - вартість використаних відходів, грн/т чавуна; 42,00 - експлуатаційні витрати на виготовлення брикетів, грн/т; 0,1 - витрата брикетів, т/т чавуна; 1,25 - коефіцієнт, що враховує відсівання бою брикетів фракції -5 мм понад 100%, ч. од.; 0,65 - економія на витратах по переділі 47,1 кг концентрату в агломерат, грн/т чавуна; 0,63 - економія коксу на технологічних факторах, грн/т чавуна; 95,0 - питомі капітальні вкладення в будівництво установки, грн/т брикетів; 0,20 - норма дисконту (Е), рівна прийнятної для інвестора нормі доходу на інвестируємий капітал, яка відповідає терміну окупності 5 років, грн/грн. 11 Комп’ютерна верстка M. Клюкін 75154 Підписне 12 Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601