Результат интеллектуальной деятельности: Абразивный материал и способ его изготовления из жидкого шлака доменного производства

Настоящее изобретение относится к металлургической промышленности и может быть использовано для производства материалов, предназначенных для абразивно-струйной (или пескоструйной) обработки поверхности стальных изделий от коррозии, оксидов, краски и других загрязнений.

Существует множество способов производства материалов твердостью 5-7 единиц по Моосу для абразивной обработки поверхностей, изготовленных из металлургических шлаков. Однако известные способы не лишены недостатков.

Известен способ производства абразивного материала из сталеплавильного шлака, описанный в патенте JP 2008045002 A. Данный способ позволяет получать из жидкого сталеплавильного шлака состава Fe не более 5%, 25-35% Si, 10-20% Al, 30-40% Са и 5-15% Mg, аморфный материал шаровидной формы, размерами до 5 мм с высокими абразивными свойствами. Суть способа заключена в том, что вертикальный поток расплавленного сталеплавильного шлака разбивался несколькими воздушными струями на капли размером до 5 мм, а затем резко охлаждался водой для формирования частиц шаровидной формы и аморфной структуры, сформированные гранулы сталеплавильного шлака поступают на вибрирующую сетку, где производится удаление воды, далее шлак отправляется на вылеживание.

Недостатком известного способа является сложность технической реализации устройства грануляции, представляющее собой высокую колонну, где распыление шлакового потока осуществляется потоком воздуха, направленным в сторону движения шлакового потока под углом 30-45°. Это придает распыленным частицам дополнительную скорость и необходимость увеличения зоны охлаждения для формирования гранул. Другим недостатком данного способа является то, что получаемые по данному способу частицы обладают разными размерами и соответственно различным абразивным эффектом.

Известен способ выделения абразивных материалов из металлургических шлаков, описанный в патенте SU1711995A1. Данный способ позволяет разделить предварительно дробленые до фракции 0-10 мм металлургические шлаки в прямолинейном и центробежном воздушных потоках за счет разной кинетической энергии частиц, в том числе выделить крупное 2,5-0,315 мм абразивное зерно.

Недостатком данного способа является необходимость дробления шлака до соответствующих фракций. Другим недостатком данного способа является то, что форма частиц зависит от способа измельчения шлака и при наличии частиц неправильной формы абразивные свойства такого материала будут снижены.

Известен абразивный материал для обработки поверхностей, который состоит из конвертерного шлака металлургического производства, раскрытый в патенте RU 2627413 С1. Данный материал содержит 96-99,9 мас. % смеси соединений: портландит (СаО⋅Н₂О), магнетит (Fe₃O₄), брусит (Mg(OH)₂, кальцит (СаСО₃), сперрит (2Ca₂SiO₄⋅CaCO₃), алюминат кальция (5СаО⋅3Al₂O₃), шпинель (MgAl₂O₄), периклаз (MgO), силикат кальция (Ca₂SiO₄) и 0,1-4 мас. %, прочих элементов, выбранных из ряда S, и/или Mn, и/или Cr, и/или Zn, и/или Ti, и/или V, при этом не менее 95 мас. % частиц порошка имеют изометрическую окатанную форму, а остальные частицы имеют неизометрическую удлиненную форму.

Основным недостатком данного материала является то, что из него не выделяются частицы, обладающие наибольшим абразивным эффектом, по этому такой материал содержит большое количество пылевидной фракции и сильно пылит при обработке поверхностей, затрудняя контроль качества обработки. К тому же возможное содержание оксидов железа более 30% делает применение этого материала экономически нецелесообразным.

Наиболее близким способом к раскрытому в настоящем изобретении является способ производства абразивных материалов с использованием жидкого сталеплавильного шлака раскрытый в патенте WO2006085712A1. Данный способ позволяет перерабатывать жидкий сталеплавильный шлак состава СаО 9-18 масс. %, Fe₂O₃ 38-62 масс. %, SiO₂ 17-28 масс. %, MgO 6-10 масс. %, Al₂O₃ 5-9 масс. %. в аморфный абразивный материал шаровидной формы. Суть способа заключена в том, что при разливке шлака из шлакового ковша, поток шлака распыляется мощным воздушным потоком, который направлен под углом 0-45° к нормали против движения потока шлака, в процессе распыления поток шлака разбивается на отдельные шарообразные частицы размером 0-5 мм, в воздушном потоке частицы частично охлаждаются и переносятся на специальную площадку для охлаждения водой. После охлаждения водой, частицы шлака загружаются ковшом в просеивающее устройство для отделения пыли и выделения абразивной фракции 0,315-5 мм.

Недостатком этого способа является высокое содержание оксида железа в шлаке Fe₂O₃ 38-62 масс. %, поскольку при таком содержании оксида железа, экономически более эффективно его извлечение из шлака и возврат в процессы выплавки стали.

Техническим результатом настоящего изобретения является разработка абразивного материала и экономически целесообразного способа его производства из доменного шлака, при этом абразивный материал должен обладать твердостью 5-7 единиц по Моосу, меньшим пылением при использовании и низким содержанием оксидов железа (Fe₂O₃, FeO) до 1%.

Технический результат настоящего изобретения достигается путем использования расплава шлака доменного производства состава Fe₂O₃ и FeO 0,2-1 масс. %, СаО 35-45 масс. %, SiO₂ 35-45 масс. %, MgO не более 15 масс. %, Al₂O₃ не менее 7 масс. %, Na₂O 0,5-1 масс. %, K₂O 1-1,5 масс. %, TiO₂ не более 4 масс. %, MnO не более 2 масс. %, S не более 1 масс. %. при изготовлении абразивного материала путем следующих технологических операций:

1. Расплавленный шлак доменного производства, имеющий химический состав Fe₂O₃ и FeO 0,2-1 масс. %, СаО 35-45 масс. %, SiO₂ 35-45 масс. %, MgO не более 15 масс. %, Al₂O₃ не менее 7 масс. %, Na₂O 0,5-1 масс. %, K₂O 1-1,5 масс. %, TiO₂ не более 4 масс. %, MnO не более 2 масс. %, S не более 1 масс. %., Жидкий шлак из доменной печи по желобу поступает на грануляцию в бункер-отстойник, где под желобом установлен водо-воздушный гранулятор. За счет механического воздействия водо-воздушной струи гранулятора расплав шлака раздрабливается и в виде трех фаз (паровоздушной смеси, воды и частиц граншлака) поступает в заполненный водой бункер-отстойник. При погружении в воду, частицы граншлака, приобретают округлую форму, резко охлаждаются и затвердевают в состоянии стеклофазы, а образовавшаяся при этом паровоздушная смесь выбрасывается в атмосферу.

2. Под воздействием вводимого в насадку шлакового эрлифта воздуха, смесь воды с граншлаком поднимается из бункера-отстойника в сепаратор, откуда самотеком поступает в обезвоживатель (карусельного или иного типа).

3. В обезвоживателе влажность гранулированного шлака доводят до значения менее 15% при температуре не более 70°С. Далее обезвоженный и охлажденный шлак через узел выгрузки подают на конвейеры и транспортируют на склад.

4. На складе проводят оценку качественных показателей шлака по ГОСТ 3476-74. Для выделения абразивных фракций используют гранулированный шлак 1-го или 2-го сорта с коэффициентом качества не ниже 1,45.

5. Со склада шлаки 1-го или 2-го сорта направляют на просеивающее устройство для отделения абразивной фракции. Абразивная фракция содержит не менее 95% частиц округлой формы размером 0,3-5 мм.

Для получения определенной зернистости абразивного материала по ГОСТ Р 52381-2005 «Материалы абразивные. Зернистость и зерновой состав шлифовальных порошков. Контроль зернистого состава.» возможен дальнейший рассев на отдельные фракции.

Химический состав произведенных абразивных материалов идентичен химическому составу исходного шлака состава Fе₂О₃ и FeO 0,2-1 масс. %, СаО 35-45 масс. %, SiO₂ 35-45 масс. %, MgO не более 15 масс. %, Аl₂О₃ не менее 7 масс. %, Na₂O 0,5-1 масс. %, K₂O 1-1,5 масс. %, ТiO₂ не более 4 масс. %, МnО не более 2 масс. %, S не более 1 масс. %.

Абразивные свойства полученного материала соответствуют степени очистки Sa 2, Sa 2 ¹/₂ по ГОСТ Р ИСО 8501-1-2014 «Подготовка стальной поверхности перед нанесением лакокрасочных материалов и относящихся к ним продуктов. Визуальная оценка чистоты поверхности. Часть 1. Степень окисления и степени подготовки непокрытой стальной поверхности и стальной поверхности после полного удаления прежних покрытий»

Способ и абразивный материал, получаемый данным способом, раскрытые в заявляемом техническом решении, имеют ряд преимуществ:

- способ обеспечивает низкую влажность получаемого абразивного материала, что препятствует его смерзанию при отрицательных температурах;

- абразивный материал, полученный данным способом отделен от пылевидных фракций, что позволяет легче контролировать качество абразивной обработки;

- способ позволяет получать материал, обладающий абразивными свойствами, из доменного шлака за счет образования более твердой стекловидной фазы.

- для реализации способа не требуется изготовления дорогостоящего или нестандартного оборудования.

- полученный данным способом абразивный материал содержит минимальное количество железа и его оксидов.

Сравнительный анализ научно-технической и патентной литературы показывает отсутствие совпадения отличительных признаков заявляемого способа с признаками известных технических решений. На основе этого делается вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию "изобретательский уровень".

Заявляемое техническое решение соответствует критерию изобретения «Новизна».

Изобретение иллюстрируется следующим примером:

Пример

На производственной площадке Группы «НЛМК» проводился выпуск опытно-промышленной партии абразивного шлакового материала из жидкого доменного шлака состава Fe₂O₃ и FeO 0,5 масс. %, СаО 40 масс. %, SiO₂ 39 масс. %, MgO 10,5 масс. %, Al₂O₃ 7,5 масс. %, полученного в процессе выплавки чугуна доменной печи №6.

В качестве устройства грануляции использовалась стандартная установка грануляции доменного шлака, изображенная на рис. 1

Жидкий шлак из доменной печи по желобу 1 поступает на грануляцию в бункер-отстойник 2, где под желобом установлен водо-воздушный гранулятор 3. За счет механического воздействия водо-воздушной струи расплав шлака раздрабливается и в виде трех фаз (паровоздушной смеси, воды и частиц граншлака) поступает в бункер-отстойник 2 заполненный водой.

При погружении в воду, частицы граншлака охлаждаются и затвердевают, а образовавшаяся при этом паровоздушная смесь по трубе 4 за счет самотяги выбрасывается в атмосферу.

Вода из бункера-отстойника 2 через нижнее окно в бункере-отстойнике переливается в камеру шлакового эрлифта и через окно 5, и вертикальный канал 6. Из камеры шлакового эрлифта в камеру осветленной воды - через водослив 7.

В случае переполнения бункера-отстойника и завала граншлаком нижнего окна и вертикального канала перелив осуществляется через аварийный канал 8.

Из камеры осветленной воды 9 вода забирается эрлифтом, состоящим из воздушной трубы 10, насадки 11, подъемной трубы 12, сепаратора 13, трубы отработавшего воздуха 4 и подается по трубе 14 в гранулятор. Воздух к гранулятору подается от воздуховода водяного эрлифта по трубопроводу 15.

В нижней части бункер-отстойник 2 сообщается с колодцем 16, в котором устанавливается шлаковый эрлифт, состоящий из воздуховода 17, воздухоподводящей насадки 18, подъемной трубы эрлифта 19, сепаратора 20 и сливной трубы 21.

Для подачи взмучивающей воды от шламового эрлифта используется опускная труба 22. В камере осветленной воды 9 для непрерывного удаления осадка установлен шламовый эрлифт, состоящий из воздуховода 18, воздухоподводящей насадки 23, подъемной трубы 24, сепаратора 25 и трубопровода 26 для сброса парогазовой смеси. Для избежания забивания шлакового эрлифта случайными негабаритными предметами бункер-отстойник 2 перекрывается решеткой 27 с ячейками 200×200 мм.

Под воздействием вводимого в насадку шлакового эрлифта воздуха смесь воды с граншлаком поднимается в сепаратор 20, откуда самотеком по трубе 21 поступает в обезвоживатель 28 карусельного типа, выполненный в виде кольца, разделенного на шестнадцать отсеков. В каждый отсек вставляется отдельная сменная коробка 29. Снизу коробки 29 перекрываются перфорированными (сетчатыми) днищами 30, одна сторона которых шарнирно подвешивается к радиальной стенке коробки, а другая сторона, снабженная роликом 31, опирается на стационарный кольцевой рельс 32. Соответствующий профиль укладки этого рельса при вращении обезвоживателя 28 обеспечивает поддержание в закрытом положении днищ 30 в секторе загрузки и обезвоживания, а также открывание и закрывание их в секторе выгрузки обезвоженного шлака в бункер 33.

К наружной поверхности обезвоживателя приварен кольцевой рельс 34, посредством которого обезвоживатель опирается на катки 35. Вращение обезвоживателя осуществляется электроприводом 36 через редуктор и зубчатую передачу с частотой вращения 0,5-1,5 оборота в час. Частота вращения обезвоживателя регулируется в зависимости от степени наполнения коробок 29 граншлаком.

При вращении обезвоживателя каждый отсек последовательно проходит периоды: заполнение пульпой, стекающей из сепаратора 31, отфильтровывания воды из шлака через перфорацию днищ 30, выгрузки обезвоженного шлака в бункер 33.

С целью дополнительного обезвоживания производится продувка сжатым воздухом столба граншлака через перфорированные днища.

При заполнении пульпой вода из коробки 29 через переливное окно 37 сливается в водосборник 38.

В этот же водосборник стекает отфильтровывающаяся вода из обезвоживателя через сетчатые днища 30 и по трубе 39 поступает обратно в бункер-отстойник.

Компенсация расхода воды на парообразование и остаточную влажность граншлака осуществляется водой промывки сеток обезвоживателя и подпиткой через сливную трубу 39 водосборника обезвоживателя. Дополнительное увеличение расхода воды для поддержания рабочего уровня в камере осветленной воды и заполнение технологической линии после ремонта осуществляется через водовод 40 задвижкой 41.

Для предотвращения попадания загрязненной воды в водный бассейн и обеспечения стабильности режимных параметров грануляции технологические линии каждой установки (рабочая и резервная) попарно соединены. Общим является приямок сточных вод с установленным в нем эрлифтом, соединенным с приемными бункерами обеих технологических линий, а камеры осветленной воды соединены между собой и приямком сточных вод трубопроводами с размещенными в них переключающими задвижками 42.

Выгруженный из обезвоживателя гранулированный шлак имеет влажность не более 15% и температуру около 70°С. Обезвоженный и охлажденный шлак через узел выгрузки 43 подается на конвейеры 44 и транспортируется на склад для выделения абразивной фракции. При транспортировке и хранении на складе гранулированный шлак дополнительно высушивается до достижения влажности не более 10%.

Показатели доменного шлака перед рассеиванием, оцененные по ГОСТ 3476-74, приведены в таблице 1.

Просушенные шлаковые частицы при помощи карьерной техники перегружались в просеивающее устройство барабанного типа, где происходило отделение пылевидных частиц, не обладающих абразивными свойствами, размером не более 0,3 мм и крупных частиц размером более 5 мм. Абразивные частицы 0,3-5 мм были дополнительно рассеяны на 3 фракции абразивного материала для проверки абразивных свойств: 0,5-2,5 мм, 0,3-2,5 мм, 0,3-1,5 мм.

Абразивные характеристики материала оценивались как степень очистки поверхности по ISO 8501-1 и остаточной шероховатости обрабатываемых образцов. Результаты испытаний показали следующее:

1. Фракция абразива 0,5 - 2,5 мм. Степень очистки поверхности соответствует степени А Sa 2 l/2(ISO 8501-1). Шероховатость по прибору составляет: 94-120 μm (средн. = 111 μm).

2. Фракция абразива 0,3 - 2,5 мм. Степень очистки поверхности соответствует степени А Sa 2 l/2(ISO 8501-1). Шероховатость по прибору составляет: 79-105 μm (средн. = 91 μm).

3. Фракция абразива 0,3 - 1,5 мм. Степень очистки поверхности соответствует степени A Sa 2 l/2(ISO 8501-1). Шероховатость по прибору составляет: 30-б0 μm (средн. = 41 μm).