Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЧУГУНА СИНТЕГАЛЬ ИЗ КРАСНОГО ШЛАМА

Изобретение относится к черной металлургии, а именно к технологии переработки красных шламов с получением синтетического алюминиевого чугуна (синтегаля).

Производство алюминия неизбежно вызывает образование и накопление большого количества красного шлама - побочного продукта процессов получения глинозема. Красный шлам - мелкодисперсное вещество, экологически вредный продукт, содержащий большое количество щелочи NaOH и до 50% влаги. Традиционными методами содержание влаги в красных шламах удается понизить лишь до 25%. Хранение красных шламов в специальных шламохранилищах требует значительных затрат, постоянного мониторинга состояния шламохранилищ и представляет серьезную опасность для окружающих территорий.

Красные шламы содержат значительное количество оксидов железа (до 55%), сопоставимое с содержанием оксидов железа в железных рудах среднего качества. Кроме того, в красных шламах содержится значительное количество оксидов титана, довольно много глинозема Al₂O₃. Поэтому переработка красного шлама с извлечением его полезных компонентов, прежде всего железа и его сплавов, может быть экономически выгодной.

Из уровня техники известно множество технологий переработки красного шлама путем его восстановительной плавки с получением сплавов железа (чугунов, сталей и т.д.) (см., например, патент Китая CN 102503112, патент Великобритании GB 2454231, Патенты RU 2165461, RU 2179590, RU 2245371).

Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является способ получения чугуна из красного шлама, включающий смешивание шлама с отходами производства извести, сушку полученной шихты, плавку шихты в топливокислородной печи в присутствии катализатора в виде чугунной стружки, а также высокоуглеродистого материала в виде графита с обеспечением восстановления оксидов железа и получением чугуна (Патент RU 2479648, 20.04.2013). Сушка шихты осуществляется с помощью уходящих дымовых газов, возникающих при плавке, с обеспечением дополнительного насыщения шихты углеродом.

Известный способ имеет ряд недостатков. В частности, в известном способе шлам смешивается с 3-5% - отходов извести, что полностью не решает проблем связывания NaOH, который оказывает вредное воздействие на футеровку печи. Кроме того, при плавке шихты шламовая смесь подается в один этап, при этом плавка проводится при температуре 1670-1680°С. При таких условиях возникает большая вероятность образования биксикарбидов титана, что снижает качество получаемого расплава и производительность процесса. Кроме того, для плавки шихты в известном способе используется топливно-кислородный горнисажный плавильный аппарат, являющийся дорогостоящим и сложным оборудованием.

Задачей заявленного изобретения является устранение недостатков аналогов и создание простого в реализации и эффективного способа переработки красных шламов с получением высококачественного сплава - синтегаль.

Технический результат изобретения заключается в повышении качества получаемого алюминиевого чугуна, упрощении технологии, увеличении производительности процесса, снижении энергетических затрат.

Указанный технический результат достигается за счет того, что способ получения алюминиевого чугуна из красного шлама включает смешивание шлама с известью в количестве 7-10 мас.% от массы шлама, сушку полученной шихты, плавку шихты в дуговой печи при температуре 1500-1580°С с обеспечением восстановления оксидов железа и введение в полученный расплав алюминия, при этом для проведения плавки шихты в плавильную ванну дуговой печи сначала загружают упомянутый катализатор, а затем по меньшей мере в три этапа частями загружают упомянутую шихту.

Кроме того, указанный технический результат достигается в частных вариантах реализации за счет того, что:

- перед смешиванием красного шлама с известью осуществляют его дробление,

- после введения алюминия полученный расплав дополнительно модифицируют силикокальцием,

- катализатор загружают в количестве 30% от содержания Fe₂O₃ в шихте,

- при проведении плавки шихты в ванну дуговой печи (в случае нехватки углерода (С) в чугунной стружке), дополнительно загружают графитовую стружку в количестве, обеспечивающем получение чугуна с содержанием С - 3-4 мас.% и Si - 3-4 мас.%, а также обеспечивающим недостаток восстановителя по отношению к стехиометрическому количеству,

- плавку шихты осуществляют под флюсом,

- каждая часть загружаемой шихты составляет 30-35% от общей массы шихты,

- плавку каждой части шихты с катализатором осуществляют в течение 3-8 минут,

- сушку шихты осуществляют посредством уходящих дымовых газов, получаемых при плавке с обеспечением дополнительного насыщения шихты углеродом.

В отличие от ближайшего аналога при подготовке шлама его смешивают с известью в количестве 7-10 мас.% от массы шлама, что обеспечивает связывание NaOH, который оказывает вредное воздействие на футеровку печи. Кроме этого, содержания извести до 7-10% благоприятно сказывается на качестве шлака, как сырья для будущего получения цементов. Добавление извести в количестве менее 7% не решает проблему связывания NaOH, а количество извести более 10% приведет к увеличению количества шихты, что увеличивает расходы на получение синтегаля, при этом не улучшая условия связывания NaOH.

В качестве плавильного агрегата в заявленном способе используют дуговую печь, которая обеспечивает повышение производительности и экономичности плавки ПДППТ-0,16А (ООО «АТМ»).

Кроме того, в отличие от аналога, плавку осуществляют при температуре 1500-1580°С в присутствии низкокремнистого катализатора и необязательном присутствии углеродистого восстановителя. При температуре ниже 1500°С будет возникать неоднородность сплава, а при температуре более 1580°С - увеличение качества получаемого сплава не наблюдается, но увеличиваются затраты на плавку.

В пределах t 1500-1580°С и продолжительности выдержки (1-30 мин) при наличии алюминия (1,5-2,5%) обеспечивает однородная твердость и структура даже в особых тонкостенных отливках и заготовках.

Причем процесс осуществляют при недостатке восстановителя (92-95% от необходимого), что позволяет биксикарбиды титана перевести в литейный шлак и сделать расплав качественным и однородным.

Также, в отличие от аналога, в заявленном способе при проведении процесса восстановительной плавки в печь сначала загружают катализатор, а затем по частям (примерно по 1/3) - шихту, что позволяет наладить устойчивое горение дуги и избежать больших колебаний крышки дуговой печи и выбросов щелочной пыли при плавке шламов. Подача большей части шихты на шлак способствует масообмену между шлаками и металлическим расплавом в противотоке шлака и металла, что способствует эффективному рафинированию металлического расплава от некоторых примесей и восстановлению оксидов металла из шлаковой фазы.

В процессе нагревания опускающего материала происходит удаление влаги, летучих веществ, разложению карбонатов. Оксиды железа под действием восстановительных газов постепенно переходят от высшей степени окислов к низшим, а затем в металлическое железо по схеме Fe₂O₃→Fe₃O₄→FeO→Fe.

Наличие сверху мелких фракций обеспечивает вплавление, быстрое нагревание электродов и исключает прямое воздействие излучения дуг на футеровку, поэтому 1/3 шихты загружается вниз, а 2/3 - поверх шлака.

Заявленный способ реализует следующим образом.

Слежалые куски исходного красного шлама подвергают дроблению (при необходимости).

Затем в шлам добавляют известь в количестве 7-10% от массы шлама. Это необходимо для нейтрализации Na₂O путем связывания NaOH.

Полученную шихту подогревают уходящими дымовыми газами до температуры 600-800°С с целью удаления поверхностной и гидратной влаги (сушки) и частичного насыщения углеродом.

После этого полученную шихту подвергают восстановительной плавке в дуговой печи. Для устойчивой и качественной работы рекомендуется использовать печь с плавильной ванной, имеющей переклазовую футеровку, например марки ППД-93, с массовой долей оксида магния не менее 93%. Это позволит полностью исключить вредоносное воздействие на футеровку Na₂O.

Для осуществления плавки в ванну печи сначала закладывают катализатор, в качестве которого служит, например, высокоуглеродистая чугунная стружка. Масса загружаемого катализатора составляет примерно 30% от содержания Fe₂O₃ в шихте. В зависимости от содержания С в стружке (катализаторе) и количества Fe₂O в шламе возможна добавка в катализатор высокоуглеродистого материала в виде стружки от отходов графитовых электродов, с расчетом суммарного содержания С и Si 3,0-4,0%. В качестве катализатора можно также использовать стальную стружку и окалину при этом необходимо увеличить добавку углерода в виде графитовой стружки, для достижения в шихте указанного содержания С и Si. Шихта должна быть низкокремнистая из расчета содержания в сплаве С и Si 3,0-4,0%.

После загрузки катализатора в ванну печи по частям загружается шихта.

Сначала подают 30-35% шихтового материала в виде смеси красного шлама и извести и проводят расплавление загрузки под шлакообразующим материалом-флюсом в количестве 0,1-0,5% от массы шихты, при температуре 1500-1580°С в течение 3-8 мин.

Затем подается вторая порция шихты в объеме 30-35%, вводится флюс и происходит плавка в течение 3-8 минут при той же температуре. В завершении подается последняя треть шихты и операция повторяется до получения сплава с содержанием С и Si 3,0-4,0 мас.%. Полученный литейный шлак скачивают, после чего в расплав вводят алюминий в виде металлолома или чушек в количестве от 1,5 до 4% и затем плавку продолжают при температуре 1500-1580°С еще 8 мин.

После этого снижают температуру до 1450-1500°С и производят термовыдержку до 30 мин.

При выпуске металла из печи производят модифицирование силикокальцием (СК-30) в количестве 0,3-0,5% от массы плавильной смеси (шихта + катализатор) для улучшения процесса графитизации.

После модификации металл сливается в литейный ковш и подается на участок разлива, в частности на центробежно-литьевую машину.

Шлак после плавки, а также шлак после модифицикации гранулируют и подвергают дроблению и отделению металлической части («королька»), которая возвращается в литейное производство. Остальная часть шлака используется для получения высококачественных цементов.

Пример реализации способа

Для подготовки шихты в красный шлам 96,5 кг добавляли 6,7 кг извести. Перемешивали шихту в течение 5 мин в растворомешальне. Смесь прогревали на жаровне пропан-бутановыми горелками. При замере - W₁=10,7% вес шихты 103,2 кг.

Плавку красного шлама осуществляли на печи ПДППТ-0,16А (ООО «АТМ») следующим образом.

Загружали в плавильную ванну дуговой печи 21 кг - катализатора - чугунной стружки (состав: С=3,4%; Si=0,9%; Mn=0,6%; S=0,08%; Р=0,11%).

Осуществляли плавку в течение 6 мин при t=1550°С.

Загружали 22,3 кг шихты и добавляли 9 кг катализатора.

Осуществляли плавку в течение 5 мин при t=1550°С.

Загружали 17 кг шихты, у осуществляли плавку при t=1550°С в течение 8 мин.

Загружали 36,8 кг шихты.

Осуществляли плавку в течение 8 минут при t=1550°С.

Загружали 23,2 кг шихты и осуществляли плавку 2 мин, и далее дозагрузку шихты 11 кг и плавку в течение 7 мин при t=1550°-1580°С.

Затем шлак скачивали и вводят Al в виде отходов алюминиевого провода в количестве 2 кг на зеркало металлического расплава.

После ввода Al производили термовыдержку 20 мин. Перед выпуском металла для лучшей графитизации проводили модифицирование расплава силикокальцием СК-30 в количестве 0,8 кг.

Затем сливали расплав в разливочный ковш.

Общее время процесса плавки 54 минуты.

В результате получили синтегаль состава: Fe=93,893%; С=2,95%; Si=0,69%; Mn=0,387%; S=0,013; Р=0,11%; Al=1,8%, а также шлак состава: Al₂O₃=24%; Fe₂O₃=9,8%; SiO₂=23,9%; СаО=35%; TiO₂=3,4%; Na₂O=1,76%; SO₃=0,l%.

Таким образом, заявленный способ позволяет упростить технологию переработки шлама, повысить качество получаемого алюминиевого чугуна - синтегаля, увеличить производительность и снизить энергетические, сырьевые и трудовые затраты на производство.