ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ШЛАКОВ

Переработка шлаков и прекращение вывоза их в отвал, с одной стороны, является природоохранным мероприятием, так как защищает воздушный и водный бассейны от загрязнения, сохраняет для рационального землепользования территории и естественные сырьевые ресурсы, с другой — она, решая вопросы использования вторичных материальных ресурсов, также сопровождается образованием вредных веществ.

Существующие технологические решения для массовой переработки шлаков с экологической точки зрения нельзя признать оптимальными, так как сопровождаются большими выделениями сернистых газов и пыли. Затраты на их обезвреживание соизмеримы или даже превышают расходы на производство продукции. Новые технологические решения предусматривают переработку шлаков экологически чистыми способами.

Сложившаяся практика уборки шлака от до •менных печей с помощью большого количества ковшей вместимостью 11—16 м3 не удовлетворяет современным требованиям доменного и шлакоперерабатывающего производства. В таких ковшах 20—30% шлакового расплава затвердевает в виде корок, что ограничивает возможности увеличения производства гранулированного шлака, требует систематического удаления ковшовых остатков и их переработки. Металл, выносимый со шлаком в ковш, извлекается лишь частично в виде зашлакованного скрапа. Для устранения этйх недостатков отрабатывается технология уборки доменного шлака с помощью шлаковозов закрытого типа повышенной вместимости. На Донецком металлургическом заводе проведены промышленные испытания двух таких шлаковозов вместимостью 36 м3 каждый. Новая конструкция шлаковозов и технология уборки шлака с их применением позволяют увеличить на 20—25% степень переработки шлаков в жидком виде; уменьшить в 2—3 раза количество газов, выделяющихся с открытой поверхности расплава; ускорить внедрение процессов переработки шлаков на компактных экологически чистых установках.

При наиболее массовом способе переработки доменных шлаков — грануляции выделяется значительное количество сероводорода, который, как правило, не улавливается изза отсутствия на грануляционных установках соответствующих газоочистных систем. В связи с этим многие предприятия стоят перед угрозой закрытия грануляционных установок.

Разработанная технология двухстадийной грануляции шлака позволяет одновременно повысить качество гранулированного шлака и решить экологические вопросы. Технология осуществляется в две стадии, предусматривая первоначальное интенсивное охлаждение расплава без контакта с водой. При этом шлак затвердевает в виде тонких пластин стекловидной структуры. Последующее их охлаждение происходит в воде, что приводит к растрескиванию и получению плотного крупнозернистого остеклованного на 90—95 % материала с малой водоудерживающей способностью и влажностью. Испытания проведены на металлургическом заводе им. А.К.Серова, где смонтирована опытнопромышленная установка. Результаты испытаний показали, что общие выбросы сернистых газов снизились с 300—500 до 30—50 мг/м3 пара.

Получаемый продукт имеет плотность до 1300—1400 кг/м3. При доработке технологии ожидается снижение выбросов сероводорода в 50—100 раз, а влажности продукции до 5%. Гидравлическая активность и размалываемость материала такие же, как у обычного гранулированного шлака, поэтому он может успешно использоваться в цементной промышленности. Производство остеклованного материала с пониженной влажностью позволит устранить смерзаемость его в зимнее время и значительно облегчить работу железнодорожного транспорта.

Оборудование установки отличается простотой и надежностью, обладает малой энергоемкостью. К технологии проявлен интерес со стороны многих предприятий. Изготовлена и находится в стадии монтажа установка такого типа производоительностью 1,5 млн. т в год для комбината "Запорожсталь".

Другим техническим решением является усовершенствованная установка бассейновой грануляции шлака, построенная на Кузнецком металлургическом комбинате (КМК). Новым элементом предлагаемой установки является система стальных плит толщиной 80—120 мм, установленных вдоль бассейна и охлаждаемых водой из форсунок. Струя расплава из ковша при соударении с плитами растекается по ним, интенсивно охлаждается без контакта с водой и попадает в бассейн с температурой на ~100 град ниже исходной. Благодаря этому исключается падение в воду сосредоточенных масс шлака и чугуна, способных вызвать взрывы. Крупные корки шлака, ударяясь о плиты, дробятся, что также снижает взрывоопасность.

Установка не имеет системы оборотного водоснабжения, что позволяет поддерживать в бассейне путем подачи извести высокую щелочность (pH = 11—12,5). По данным НПО

"Энергосталь", это сокращает выделение роводорода на 90—95 %. Снижение темпер*. ы расплава, попадающего в воду, способсъ /ет уменьшению образования пор в шлаке, что приводит также к сокращению токсичных выбросов и к снижению влажности продукции. Выгрузка гранулированного шлака из бассейна может быть осуществлена посредством скреперов, экскаваторов, башенных и козловых кранов.

Установка проста и надежна в эксплуатации, малоэнергоемка. В настоящее время ведется проектирование установок такого типа на ММК и Липецком металлургическом заводе "Свободный сокол".

Производство шлаковой пемзы, как и гранулированного шлака, сопровождается образованием и накоплением в парогазовой смеси сернистых соединений. Однако скорость охлаждения поризованной массы при гидроэкранном способе получения пемзы значительно ниже, чем гранулированного шлака. В этих условиях десульфурация шлака достигает 40 % (по сравнению с 10 % при грануляции), что обусловливает увеличение сернистых выбросов в 4 раза. В составе парогазовой смеси над источником выбросов обнаруживаются сернистый газ и сероводород, причем по количественному соотношению этих компонентов имеются противоречивые мнения.

Наряду с сернистыми соединениями в парогазовой смеси, особенно в период охлаждения вспученной массы, имеется льшь, содержание которой доходит до 3—4г/м3.

По экологическим соображениям и изза высокой объемнонасыпной массы в 1990 г. прекращено производство шлаковой пемзы на комбинате "Азовсталь" траншейнобрызгальным способом, и до последнего времени она производилась гидроэкранным способом на Новолипецком, Череповецком, Челябинском и Криворожском металлургических предприятиях. В настоящее время изза больших парогазовых выбросов прекращается производство пемзы этим способом на НЛМК.

УралНИИчерметом разработана технология производства нового вида легкого заполнителя — шлакопемзового гравия с использованием вибропоризатора для вспучивания расплава и последующим дроблением поризованной массы на гранулы лопастным барабаном. Отработка и внедрение технологии осуществлялись на Карагандинском металлургическом комбинате.

Экологическая оценка новой 4 технологии показала, что количество сернистых выбросов в атмосферу сокращается более чем в 6 раз по сравнению с действующей гидроэкранной технологией. Общее количество парогазовой смеси снижается в 5—8 раз, а также предотвращается пы левы деление, что значительно улучшает экологическую обстановку.

Кроме того, конструкция установки позволяет укрыть основной источник выделения парогазовых образований и осуществить операции, обеспечивающие нейтрализацию сернистых соединений.

Получаемая продукция по свойствам приближается к керамзиту, но при этом имеет более низкую теплопроводность. Формирование определенного фазового состава гранул и округлой формы частиц, что обеспечивает их плотную упаковку, позволяет на 30% (и более) уменьшить расход цемента при использовании шлакопемзового гравия для производства бетонов.

В условиях КМК отлита опытная партця тюбингов для метро. Физикомеханические свойства полученных изделий позволяют заключить о возможности использования литых шлаковых тюбингов вместо чугунных. Наряду с созданием технологии литья крупногабаритных изделий разработан регламент на производство фундаментных блоков с наполнителем из плотного и поризованного кускового доменного шлака. В настоящее время готовятся к выпуску первые партии пригрузов для балластировки магистральных трубопроводов и фундаментных блоков.

Установлена возможность получения за счет газохимической обработки отливок со спутанноволокнистой структурой, обладающих высокой прочностью. В перспективе намечено организовать производство стеновых бесце ментных блоков с ячеистой структурой. В опытнопромышленных условиях получены образцы с прочностью 10 МПа и средней плотностью 800—1000 кг/м3. Благодаря низкой теплопроводности блоков толщина стен зданий с кирпичной кладкой может быть уменьшена от 600 до 200 мм.

Переработка сталеплавильных шлаков в настоящее время осуществляется в две стадии. На первой стадии шлак охлаждают в шлаковых отделениях с помощью термодробления, что резко снижает тепловую радиацию, позволяет в 50—100 раз сократить выделение пыли. По данным исследований НПО "Энергосталь", выполненных на Новолипецком металлургическом комбинате и Таганрогском металлургическом заводе, образующийся пар не содержит вредных компонентов в дозах, превышающих предельно допустимые концентрации. Для последующей переработки такого шлака разработаны типовые схемы установок производительностью 200—300, 500, 1000 и 1500 тыс. т шлака в .год, предусматривающие возможность использования как отечественного, так и импортного оборудования. Наряду с аспирацией узлов, где происходит максимальное пылевы деление, предусматривается организовать мелкодисперсное орошение, которое является наиболее эффективным при осаждении мелких фракций пыли.

Наряду с получением наиболее массового, но относительно дешевого вида продукции — щебня, предлагается получать абразив — дефицитный высокоэффективный материал, приобретаемый в настоящее время По импорту. Обеспыливание материала осуществляется в агрегатах, работающих под разрежением, поэтому выбросов пыли на этих участках практически нет. Дальнейшая очистка воздуха проводится в циклонах и фильтрах. Потенциальными потребителями шлаковых абразивов являются предприятия морского и речного флотов, машиностроительного и энергетического комплексов и др. Институт разработал технологию и техническую документацию на получение абразивов в условиях шлакоперерабатывающих цехов ряда металлургических предприятий.

С целью повышения потребительских свойств удобрений из сталеплавильных шлаков, а также улучшения экологических условий внесения их в почву, разработана технология получения гранул фосфатшлаковых удобрений на водкой основе с необходимыми для растений солевыми добавками. Технология выгодно отличается от известных зарубежных аналогов и позволяет получать гранулы, близкие по форме к сферическим с минимальным разбегом по крупности. Технология отработана на конвертерных фосфатшлаках Карагандинского металлургического комбината, однако при соответствующей корректировке режима, учитывающего специфику состава шлака, может быть рекомендована и для других предприятий. Гранулированные металлургические шлаковые удобрения не пылят при перевозках, пересылках и внесении в почву.

Более экономичными по сравнению с переработкой шлака в твердом виде являются способы получения продукции непосредственно из расплава. В связи с этим разработана технология сухой грануляции сталеплавильных шлаков компримируемым и низконапорным воздухом, которая в 23 раза снижает затраты на дробление. Особый интерес эта технология представляет для переработки самораспадающихся высокоосновных шлаков, которые при традиционных способах сильно пылят. После грануляции таких шлаков образуются практически сферические гранулы, которые термо стабилизируются и не распадаются. Технология опробована на конвертерных шлаках Череповецкого металлургического комбината, на распадающихся электросталеплавильных шлаках Оскольского электрометаллургического комбината и на мартеновских шлаках Сулинского завода. Исследования показали, что шлаки после грануляции обладают активностью и могут использоваться в качестве шлаковых и шлакощелочных вяжущих. Предлагаемая технология предусматривает утилизацию теплоты расплава и попутное получение пара и горячей воды. Реализация технологии предусмотрена при строительстве кислородно коквертерных цехов Кузнецкого и Запорожского; металлургических комбинатов.

Особый интерес представляет технология переработки шлаков в жидком, гетерогенном и твёрдом состояниях в малогабаритном агрегате барабанного типа со специальными телами. Принцип действия установки заключается в приемке шлака и охлаждении его в объеме перемещающихся взаимодействующих друг с другом и барабаном специальных тел.

Разработана конструкторская документация на ряд типоразмеров агрегатов, обеспечивающих переработку шлака с интенсивностью подачи 0,5; 1,0 и 4,5 т/мин и получением из расплава щебня, щебеночнопесчаных смесей плотной и пористой структуры с различной степенью остеклованности.

Установка включает тепло и звукоизолирующий кожух, позволяющий организовать сбор и локализацию парогазовых выбросов и пыли.

Технология прошла опытнопромышленные испытания при переработке доменных шлаков на Алапаевском металлургическом и Пашийском цементнометаллургическом заводах, а т^кже конвертерных, мартеновских, электросталеплавильных и ферросплавных шлаков и показала высокую эффективность. Создана первая серия таких установок мощностью 0,5 и 1т/мин. Изготовляются образцы агрегатов больших типоразмеров.

Технология и оборудование не имеют аналогов в отечественной и зарубежной практике шлакопереработки. По сравнению с существующей технологией производства щебня резко снижаются энергозатраты (в 5—8 раз) и производственные площади, снижается на 80—90% образование пылевидной фракции. Габаритные размеры установок невелики, поэтому их можно монтировать как в цехе, так и за его пределами.

Технология позволяет совместить в одном агрегате процесс измельчения шлака с нейтрализацией токсичных составляющих, что важно для переработки шлака, образующегося при производстве высококачественной электростали и ферросплавов. Переработка таких шлаков на предприятиях Германии предусматривает их измельчение на шлаковых1 дворах и дробильносортировочных установках до фракции менее 20 мм с последующей обработкой хлорным железом. Расчеты показывают, что себестоимость переработки шлаков на барабанных установках на порядок ниже, чем на предприятиях Германии. Переработка шлаков позволяет иногда одновременно решить отдельные экологические проблемы, возникшие на других переделах металлургического производства, в частности обезвреживание химически загрязненных стоков. При этом значительно сокращаются капитальные и эксплуатационные затраты на их выпаривание за счет использования теплоты шлакового расплава, снижается расход технической воды на шлакопереработку и концентрация сернистых соединений в парогазовых выбросах.

Сравнение новых отечественных разработок в области шлакопереработки с зарубежными показывает, что отечественные решения в технологических, экологических и экономических аспектах превосходят зарубежные. Однако за рубежом внедрение разработок осуществляется значительно быстрее за счет больших инвестиций в эту подотрасль, а также значительных размеров штрафов за вывоз шлаков в отвалы.

СБОРНИК НАУЧНЫХ ТРУДОВ Черная металлургия России и стран СНГ в XXI веке. Т о м I, Москва 1994