Особенности переработки сталеплавильной пыли

На состав выносимой пыли суще­ственное влияние оказывает состав шихты; это влияние особенно заметно при выплавке стали в дуговых стале­плавильных печах. При производстве высоколегированных марок стали в составе пыли заметна доля ценных ле­гирующих элементов (Cr, Ni и т. д.). При переплаве обычной, неотобран­ной шихты (в основном покупного металлолома с большой долей бытово­го и амортизационного лома) в соста­ве пыли высока доля цветных метал­лов, прежде всего Zn, РЬ, иногда так­же и Cd.

Переработка такой пыли требует особого внимания, так как, во-пер­вых, просто использовать эти пыли в качестве добавки в шихту нельзя (это ухудшит качество стали); во-вторых, эта пыль не подлежит захоронению в земле, так как возможно отравление почвы (захоронение в земле сталепла­вильной пыли в ряде стран запрещено); в-третьих, из такой пыли целесообраз­но извлекать содержащиеся в ней цен­ные (кроме железа) компоненты.

Современная промышленность ис­пользует ряд технологий, обеспечива­ющих переработку сталеплавильных пылей. Один из вариантов приведен на рис. 25.10.

25.15.1. Переработка плавильной пыли, содержащей цинк и свинец.Ме­таллолом является главным источни­ком поступления в сталеплавильные агрегаты таких примесей, как Zn и РЬ (попадающее в шихту оцинкован­ное железо, латунные и бронзовые детали, оболочки электрокабелей и т. п.). Цинк — температура плавле­ния 419,5 ºС и температура кипения 906 °С, свинец — температура плавле­ния 327,4 °С и температура кипения 1725 "С.

Попадая в зону высокотемператур­ных металлургических реакций, сви­нец и особенно интенсивно цинк ис­паряются, окисляются и удаляются вместе с отходящими газами. Основ­ная доля попавших с шихтой в агрегат цинка и свинца улавливается пыле­улавливающими установками. И цинк, и свинец являются дорогими

Рис. 25.10.Рециклинг конвертерных газов и пыли по схеме VOEST-ALPINE

(Австрия):

/—конвертер; 2 — бункер; 3 — пылевой котел; 4 — испарительный охладитель; 5—вода; 6— грубая пыль; 7— электростатический осадитель; 8— тонкая пыль; 9— свеча; 10— ро­торная печь для обжига; 11— отделение газа; 12— газгольдер; 13— пресс для брикетиро­вания; 14— возврат пыли; 15— выгрузка; 16— брикеты

материалами, поэтому непрерывно разрабатываются все новые техноло­гии по утилизации плавильных пылей, содержащих Zn и РЬ.

Около половины производимого цинка расходуется на защиту стали от коррозии (процесс цинкования), т. е. попадание цинксодержащих компо­нентов вместе с металлошихтой в ста­леплавильные агрегаты неизбежно.

В связи с этим особо отметим значе­ние так называемого автомобильного лома. Так, автопарк стран Западной Европы насчитывает более 140 млн. ав­томашин; ежегодно из строя выбывает около 10 млн. штук. После измельче­ния частей автомобиля сталь легко от­деляется путем магнитной сепарации, полученный металлолом обычно ис­пользуется в качестве шихты в дуговых печах. При переплаве такой шихты улавливается 10-25 кг/т дисперсной пыли, содержащей 10—35 % Zn, а также РЬ и Cd. По прогнозам, в начале XXI в. в электросталеплавильных цехах За­падной Европы будет улавливаться бо­лее 700 тыс. т такой пыли.

Объем амортизационного лома в мире в 1994 г. достиг 272 млн. т, и он непрерывно возрастает (в настоящее время амортизационный лом — это единственный вид лома, количество которого возрастает). Такие же про­цессы и тенденции характерны теперь и для нашей страны.

В промышленно развитых странах доля листов с покрытиями составляет более 40 % от выпуска и в перспективе возрастет до 60-80 %. Задача заключа­ется в том, как организовать утилиза­цию отходов (плавильной пыли), со­держащих Zn. С точки зрения потре­бителя (и переработчика) этих отхо­дов, чем выше в них концентрация Zn и РЬ, тем рентабельнее их утилизация. Для удовлетворения этих запросов ис­пользуют: а) специальный предвари­тельный отбор металлошихты с высо­ким содержанием цветных металлов; б) многократное использование пыли с целью повышения в ней концентра­ции этих элементов. На некоторых за­водах Западной Европы используют технологию, сущность которой заклю­чается в следующем. Технологические газы проходят через газоочистки с ру­кавными фильтрами; уловленная пыль собирается в специальном бункере и используется вновь: вскоре после рас­плавления лома ее вдувают в зону раз­дела металл—шлак. Для улучшения процесса пневмотранспорта использу-

Рис. 25.11.Схема установки для вдувания цинксодержащей пыли в ванну 140-т дуговой печи: / — пыль; 2—уголь; 3 — смесь пыли и угля; 4 — дозатор; 5—пигатель; 6— ДСП

ют смесь пыли и угля (рис. 25.11). Операция вдувания продолжается около 10 мин. Учитывая, что образует­ся 15-20 кг пыли на 1 т стали, для 140-т печи за это время необходимо вдуть примерно 2,5т пыли. Практи­чески весь цинк, содержащийся во вдуваемой пыли, испаряется и перехо­дит во вновь образующуюся пыль. Та­ким приемом удается повысить кон­центрацию цинка в отходах примерно в 1,5 раза.

На ряде предприятий используют методы двустадийного или односта­дийного вельцевания ¹; в результате получают полупродукт («грязный» ок­сид цинка), из которого при повтор­ной обработке можно получать чис­тый цинк.

Процесс вельцевания обеспечивает извлечение из пыли цинка и других металлов, предназначенных на прода­жу. Остаток с железом возвращают в печь. В системах переработки с пла­менным реактором извлекают оксид цинка, а железо остается в виде окси­дов в шлаке.

В конвертерном производстве доля металлолома (в том числе содержащего примеси цветных металлов) обычно невелика; соответственно меньше шансов улавливать пыль с высоким содержанием цинка.

См. сноску 1 на с. 431.

На ряде заводов практикуется та­кая система: отходы с низким содер­жанием цинка (менее 0,5 %) использу­ются в доменном производстве, а от­ходы, содержащие цинка более 0,5 %, — в конвертерном, где цинк можно концентрировать во вновь об­разующейся пыли и потом эту «обога­щенную» цинком пыль направлять для последующей переработки.

25.15.2. Переработка пыли, содер­жащей хром и никель.При производ­стве в электропечах высоколегирован­ных марок стали (например, нержаве­ющих) уловленная пыль помимо цин­ка, свинца, кадмия и т. п. содержит такие ценные компоненты, как хром, никель и др. Для утилизации такой пыли разрабатываются специальные технологии.

Так, на одном из итальянских заво­дов для переработки отходов (пыли и шлама), образующихся при выплавке нержавеющих марок стали, установи­ли переплавную плазменную печь по­стоянного тока, которая ежегодно пе­рерабатывает около 20 тыс. т отходов.

Получают сплав (в зависимости от со­става отходов), содержащий, %: Сг 8— 16; Ni 2-8; Мп 2-4; С 3-5. Состав шлака при переплаве, %: СаО 40—45; SiO₂ 25-30; Сг₂О₃ около 2. Улавливае­мая в процессе переплава плавильная пыль содержит более 50 % ZnO и око­ло 6 % РЬО.

25.15.3. Переработка пыли при ее нагреве в вакууме.В Японии разрабо­тан процесс, названный VHR-npoцесс '.

Ежегодно только в дуговых печах Японии образуется около 450 тыс. т пыли. Пыль электропечей, основная составляющая шихты которых — ме­таллолом, содержит в среднем 32 % Fe и 23 % Zn. Кроме этого в печной пыли в значительных количествах со­держатся опасные для окружающей среды компоненты, в числе которых свинец (2,2 %), хром (0,36 %), кадмий (0,024%), хлор (3,14%). VHR-npo-цесс проводят в несколько этапов:

1) сухую пыль выдерживают при тем­пературе 500-900 °С в течение 3 мин в вакууме при давлении 133 Па (1ммрт. ст.); на этом этапе из пыли удаляются натрий, калий, свинец и его соединения (РЬО, РЬС1₂, PbF₂);

2) ведут восстановление цинка; в ка­честве восстановителя выступают Fe и FeO; 3) испарившийся восстанов­ленный цинк конденсируют в кон­денсаторе при температуре, превы­шающей температуру кипения цинка (при том же низком давлении); 4) ос­тавшийся после удаления из пыли цинка железистый продукт брикети­руют и используют в составе металло-шихты при выплавке стали.

Степень удаления цинка из пыли при такой технологии приближается к 100%.

¹ От англ. Vacuum Heating Reduction (ваку­ум, нагрев, восстановление).

25.15.4. Переработка пыли в процес­сах ПЖВ.Существует несколько ва­риантов организации процесса жидко-фазного восстановления железа из же­лезорудных материалов. В некоторых из них предусмотрена возможность использования в шихте плавильной пыли.

При разработке технологии ROMELT на Новолипецком металлургическом комбинате проводились спе­циальные плавки по переработке цинк-содержащих шламов из газоочисток конвертерных цехов. Шихта содержа­ла 24 % Fe, 7,6 % ZnO, 0,85 % РЬО, а также щелочные элементы в виде ок­сидов калия и натрия в пределах 1,0— 1,1%. Получался нормальный чугун, в котором содержание цинка было ме­нее 0,02 %. Содержание цинка' в тон­кой фракции пылей газоочистки пре­вышало 70 %.

Японской фирмой Kawasaki Steel Corp. разработан процесс жидкофаз-ного восстановления, специально предназначенный для переработки пыли и шламов конвертерного произ­водства (рис. 25.12). Печь содержит два ряда фурм: нижний — для перегре­ва жидкой ванны до температуры бо­лее 1500°С, верхний —для вдувания пыли. Между фурмами находится зона интенсивного восстановления трудно­восстановимых оксидов.

При переработке хром- и никель-содержащих пыли и шлама достигнута степень извлечения хрома 98 % и ни­келя 100 % (табл. 25.3).

Рис. 25.12.Схема процесса жидкофазного

восстановления для переработки пыли и

шламов конвертерного производства:

1 — пыль; 2 — горячее дутье; 3 — воздух для дожига­ния; 4— кокс; 5—брызгала; 6— коксовый пирог; 7—жидкий шлак; 8— жидкий металл; 9— газ для использования; 10— цинк на утилизацию; 11 — шлак; 12— металл; 13 — восстановление и испаре­ние цинка

Таблица 25.3.Состав пыли и продукта, ' в процессе Kawasaki Steel Corp.

. Материал	**,	СГ„5Ш	nu.	С
Перерабаты­ваемая пыль	63,5	7,1	0,5	—
Жидкий продукт	Ос­нова	7,7-8,5	1,4-1,8	3,9-4,2

Состав выпускаемого из печи шла­ка, %: СаО 37-38; SiO₂ 36-37; А1₂О₃ 14; Ре_общ 0,18-0,27; Сг_общ 0,12-0,18.

25.15.5. Использование методов гид­рометаллургии.Извлечение цинка, свинца и других примесей цветных металлов из сталеплавильных пылей может быть осуществлено и с исполь­зованием методов гидрометаллургии. По одному из вариантов технология включает в себя выщелачивание цин­ка, свинца, меди, кадмия и кальция раствором уксусной кислоты с образо­ванием соответствующих растворимых комплексов металлов и последующее сульфидное осаждение тяжелых ме­таллов сероводородом H₂S. Перера­ботка цинксодержащей пыли метода­ми гидрометаллургии реализована на некоторых заводах Италии и США.

Пыль подвергают выщелачиванию в растворе хлорида аммония. Для цин­ка реакция имеет вид

ZnO + 2NH₄C1 = Zn(NH₃)₂Cl₂ + Н₂О.

Другие металлы (свинец, кадмий, медь) реагируют с хлоридом аммония аналогично. Степень экстракции цин­ка составляет 60—80 %. Твердый оста­ток (состоящий в основном из окси­дов железа и ферритов цинка) высу­шивают, окомковывают с углем и вво­дят в шихту дуговой печи, при плавке в которой ферриты цинка диссоции­руют, цинк испаряется и удаляется вместе с технологическими газами в систему газоочистки (где цинксодер-жащая пыль опять улавливается).

Выщелачивающий раствор, в свою очередь, поступает в электролизные ванны, где цинк осаждается на тита­новых катодах:

Zn(NH₃)₂Cl₂ + 2/3NH₃ →Zn + 2NH₄C1 + 1/3N₂.

В названиях ряда процессов по из­влечению цинка используется аббревиатура ZINCEX (от англ. &пс + extract— извлекать).

По мнению многих специалистов, наиболее экономичный процесс ути­лизации цинка из отходов должен включать предварительный отбор оцинкованных изделий, обработку их в растворе горячей щелочи и проведе­ние последующей электрохимической обработки.

25.15.6. Получение стекол.Утили­зация сталеплавильной пыли может быть организована совершенно поиному. Так, в 1991 г. в США органи­зована фирма по производству стекла и стеклянных изделий. Используе­мый в данном производстве процесс заключается в том, что отходы стале­плавильных цехов (пыль, шлаки, от­ходы огнеупоров) дробят, перемеши­вают и затем расплавляют в пламен­ных печах, в которых получают рас­плавы, идущие на изготовление цветных стеклянных изделий, ис­пользуемых в декоративных целях, а также цветного кирпича, стеклянных фильтров и др.

В зависимости от состава шихты получаемый материал содержит раз­личное количество таких примесей, как медь, кобальт, хром, никель, сурь­ма, цинк, ванадий и т. д.

ПРЯМОЕ ЛЕГИРОВАНИЕ СТАЛИ

Одним из вариантов ресурсосберегаю­щей и природоохранной технологии, позволяющей эффективно использо­вать отходы, является так называемое прямое легирование, при котором ле­гирование стали проводится непос­редственно из сырых (природных) ма­териалов или отходов некоторых про­изводств, минуя стадии производства ферросплавов.

В настоящее время для прямого ле­гирования используется много техно­логий. Для прямого легирования при­годны такие материалы, как конвер­терный ванадиевый шлак (18—10% V₂O₅), молибденовый концентрат (82— 90 % МоО₂), хромовая руда (45-53 % Сг₂О₃), ниобиевый концентрат (38— 43 % Nb₂O₅) и др. Эти материалы вво­дят в металл различными способами (на дно ковша, на шлак в печь, путем вдувания в глубь металла в печи или в ковше и т. п.). Материалы вводят обычно или в виде порошка, или в виде брикетов, в состав которых кро­ме основного материала вводят силь­ные восстановители (алюминий, кальций и т. п.) с тем, чтобы в момент контакта материала с расплавленным металлом протекали реакции восста­новления.

Внедрение современных методов внепечной обработки позволяет про­изводить высококачественные легиро­ванные марки стали либо при исполь­зовании более простых и более деше­вых ферросплавов, либо путем прямо­го легирования.

Аргоно-кислородный и вакуумно-кислородный методы обработки обес­печивают эффективное использование углерода для восстановления содержа­ния в этих отходах ценных металлов, сдвигая вправо равновесие реакции МеО + С = Me + СО.