Разработка пирометаллургической технологии извлечения железа и цинка из пылей электросталеплавильного производства

Бесплатно
Работа доступна по лицензии Creative Commons:«Attribution» 4.0
Патрушов Алексей Евгеньевич
Бесплатно
Работа доступна по лицензии Creative Commons:«Attribution» 4.0

ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ПЕРЕРАБОТКИ ПЫЛЕЙ ЭЛЕКТРОСТАЛЕПЛАВИЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА……………………………10
1.1. Производство стали в электросталеплавильных печах……………………10 1.2. Формирование и характеристика пыли электросталеплавильного производства
1.3. Существующие методы переработки мелкодисперсного техногенного сырья электросталеплавильного производства
1.3.1. Гидрометаллургические способы переработки
1.3.2. Пирометаллургические способы переработки
1.4. Выводы по главе 1
ГЛАВА 2. ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССА ПЕРЕРАБОТКИ ПЫЛЕЙ ЭЛЕКТРОСТАЛЕПЛАВИЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА МЕТОДОМ МОДЕЛИРОВАНИЯ
2.1 Пыль электросталеплавильного производства как объект исследования
2.2 Теоретические основы переработки пылей пирометаллургическим способом
2.3 Расчет состава шихты для плавки
2.4 Разработка модели процесса переработки пылей электросталеплавильного производства
2.4.1 Обзор применения методов моделирования для изучения металлургических процессов
2.4.2 Формирование модели процесса переработки пылей электросталеплавильного производства на основе физико-химических взаимодействий шихтовых компонентов
2.4.3 Результаты моделирования и их обсуждение
2.5 Выводы по главе 2
3
ГЛАВА 3. ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДЛЯ РАЗРАБОТКИ ТЕХНОЛОГИИ ПЕРЕРАБОТКИ ПЫЛЕЙ ЭЛЕКТРОСТАЛЕПЛАВИЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА С ПОЛУЧЕНИЕМ ГРАНУЛИРОВАННОГО ЧУГУНА И ЦИНКСОДЕРЖАЩЕГО ПРОДУКТА
3.1 Методика лабораторных исследований
3.2 Результаты лабораторных исследований
3.2.1 Получение гранулированного чугуна
3.2.2 Извлечение цинка при плавке с получением конденсата оксида цинка
3.3 Выводы по главе 3
ГЛАВА 4. ОЦЕНКА ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕХНОЛОГИИ ПЕРЕРАБОТКИ ПЫЛЕЙ ЭЛЕКТРОСТАЛЕПЛАВИЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА
4.1 Рекомендуемая технологическая схема
4.2 Расчет технико-экономической эффективности проектируемого завода по переработке пылей электросталеплавильного производства
с получением товарных продуктов
4.3 Выводы по главе 4
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Приложение А. Патентный поиск способов переработки пылей электросталеплавильного производства
Приложение Б. Акт
Приложение В. Акт внедрения модели процесса переработки техногенного сырья
Приложение Г. Патент на изобретение…………………………………………….124 Приложение Д. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ
Приложение Е. Перечень технологического оборудования
Приложение Ж. Материальный баланс переработки пылей с получением гранулированного чугуна и оксида цинка
1

Во введении сформулированы цели работы, ее актуальность, научная но-
визна и практическая значимость.
В главе 1 представлен обзор современного состояния переработки пылей,
образующихся в результате получения стали электрометаллургическим спосо- бом.
В России ежегодно производят более 70 млн т стали, из них 22 млн т по- лучают электротермическим способом. В результате работы электросталепла- вильных предприятий образуется около 650 тыс. т в год техногенной пыли, ко- торая в настоящее время не перерабатывается и почти полностью складируется в отвалах. Содержание цинка в такой пыли колеблется в диапазоне 2–20%; также существуют пыли, содержание цинка в которых достигает 30–35%. Кроме того, в данном техногенном сырье содержится значительное количество оксидов же- леза (30–60%) и до 20% оксидов других элементов (кремния, кальция, магния). Следствием складирования данного техногенного сырья вблизи промышленных предприятий являются потери ценных компонентов (железа, цинка и др.) и за- грязнение окружающей среды.
Истощение месторождений высококачественных железосодержащих руд требует по-новому оценить перспективы переработки техногенного сырья, име- ющего в своем составе соединения на основе железа. В связи с этим разработка технологий переработки пылей ЭСПП с целью извлечения ценных компонентов (в частности, Fe и Zn) с получением товарных продуктов является актуальной.
Глава 2 посвящена изучению химического состава и характеристик объ- екта исследований – образцов пыли ЭСПП ПАО «Магнитогорский металлурги- ческий комбинат», теоретическим основам пирометаллургического процесса пе- реработки данного техногенного сырья, формированию с помощью ПК «Селек- тор» модели восстановительного процесса переработки пылей, основанной на физико-химических взаимодействиях компонентов шихты при плавке. В каче- стве основного металлургического агрегата для изучаемого процесса предложе- на кольцевая печь с вращающимся подом.
Исследуемый материал представляет собой порошок красно-коричневого цвета с крупностью частиц 0,06 мм, гранулометрический анализ которого был выполнен на лазерном анализаторе размера частиц Analysette 22 NanoTecPlus (Fritsch, Германия). Химический анализ образцов осуществляли с помощью рентгеновского спектрометра с волновой дисперсией S8 TIGER (Bruker, Герма- ния), таблица 1; также были проведены исследования пробы пыли методом СЭМ на рентгеновском дифрактометре XRD-7000 (Shimadzu, Япония), рисунок 1.
Таблица 1 – Химический состав пыли ЭСПП Наименование компонентов
ZnO Fe2O3 Na2O K2O CaO Cl P2O5 SO3 SiO2 Al2O3 MgO MnO PbO Содержание, % мас.
26,02 37,7 5,975 2,98 10,43 3,755 0,34 1,04 4,79 0,66 1,31 2,885 2,11
аб
Рисунок 1 – Электронное изображение образца пыли ЭСПП ПАО «Магнитогорский металлургический комбинат»: а – увеличение х500; б – увеличение х2000
Исследование распределения железа по железосодержащим фазам в об- разцах исследуемой пыли ЭСПП проводили методом рентгенофазового анализа при помощи дифрактометра ДРОН–3.0 (Россия). Установлено, что ценные ком- поненты пыли содержатся в виде ZnO·Fe2O3 и ZnO (рисунок 2).
Процесс пирометаллургической переработки пылей ЭСПП заключается в восстановлении железа и цинка из их кислородосодержащих форм в шихте ак- тивными реагентами (C и CO) с получением гранулированного чугуна и цинко- содержащего продукта.
В основе процессов восстановления оксидов металлов монооксидом угле- рода лежит обратимая реакция:
MeO + CO ⇆ Me + CO2. (1) Реакция (1) протекает слева направо, когда энергия Гиббса уменьшается
при переходе из исходного состояния в равновесное.
Из диаграммы температурной зависимости равновесных концентраций СО
в смеси с СО2 для реакций восстановления оксидов металлов монооксидом угле- рода известно, что газ, в составе которого CO ≥ 50%, при температуре 600oС яв- ляется восстановителем для FeO и окислителем для ZnO, т.е. для восстановления ZnO требуется избыток углерода для обеспечения протекание реакции:
С + СО2 = 2СО. (2) С повышением температуры равновесие реакции образования СО сдвига-

ется в сторону повышения содержания СО в газовой смеси, что следует из пра- вила Ле-Шателье, так как эта реакция протекает с поглощением тепла.
Рисунок 2 – Рентгенограмма образца пыли ЭСПП
Оксид цинка восстанавливается монооксидом углерода по реакции:
ZnO + CO = Zn↑ + CO2. (3) Восстановление цинка из его оксида начинается при температуре ~1000°С. Скорость восстановления Zn является функцией реакции раскисления
диоксида углерода, по которой СО непрерывно регенерируется.
Процесс восстановления железа из оксидов, согласно принципу Байкова о последовательности превращений, происходит ступенчато от высших оксидов к
низшим по схеме:
Fe2O3→Fe3O4→FeO→Fe.
В качестве восстановителя при проведении металлизации во вращающей-
ся кольцевой подовой печи выступает СО:
3Fe2O3 + СО = 2Fe3O4 + СО2, (4)
Fe3O4 + СО = 3FeO + СО2, (5) FeO + СО = Fe + СО2. (6) Помимо описанных выше реакций в системе протекает реакция науглеро- живания металлического железа, которая приводит к образованию карбида же-
леза:
3Fe + C = Fe3C. (7) В отличие от чистого железа науглероженное железо имеет более низкую температуру плавления. Так, если у чистого железа температура плавления со- ставляет 1539°С, то при содержании углерода в количестве 2 и 4% эта темпера- тура снижается до 1380 и 1170°С, соответственно. В результате расплавления науглероженное железо переходит в жидкое состояние, и вследствие когезион- ных сил мелкие частички соединяются в более крупные, образуя капли расплав- ленного железа. Процесс когезии восстановленного железа протекает в услови-

ях, когда шлакообразующие компоненты шихты в силу тугоплавкости находятся
в твердом состоянии.
Температура плавления образующегося шлака должна находиться в ин- тервале температур 1300–1380°С. Состав шлака рассчитывается на основе си- стемы CaO-MgO-SiO2, расплавление в данном диапазоне температур обеспечи- вается в области псевдоволластонита.
В расплавленном состоянии металл и шлак представляют собой несмеши- вающиеся жидкости, разделяющиеся на самостоятельные фазы в связи с разли- чием в плотностях, и имеющие границу раздела с разной поверхностной энерги- ей (межфазным натяжением). При охлаждении расплав кристаллизуется с обра- зованием чугуна и шлака. В общем виде стадии процесса получения гранулиро- ванного чугуна представлены на рисунке 3.
Рисунок 3 – Стадии процесса получения гранулированного чугуна
Количество содержащегося в пыли ЭСПП железа составляет 25,8%, одна- ко для получения чугуна в виде гранул содержание железа в сырье должно со- ставлять не менее 50% (согласно данным проведенных предварительных лабора- торных исследований). С целью увеличения содержания железа в исходном же- лезо-цинксодержащем сырье до требуемых показателей было предложено к пы- ли ЭСПП добавлять окалину с общим содержанием железа 63,64% (таблица 2 – результаты РФА).
Расчет количества углеродистого восстановителя в шихте производили по реакции восстановления железа и цинка из их оксидов с избытком от стехиомет- рического до 10%. В качестве углеродистого восстановителя используется ка- менный уголь марки ДОМ. Количество вводимых в шихту флюсов рассчитывали с учетом наличия этих компонентов в железо-цинксодержащем сырье и восста-

новителе на формирование шлака с температурой плавления 1300–1380°С на ос- нове системы CaO-MgO-SiO2.
Таблица 2 – Химический состав окалины Наименование компонентов
Fe2O3 FeO SiO2 MgO MnO Cu Ni S Cr P2O5 K2O TiO2 Zn С CaO Аl2О3 Содержание, % мас.
73,39 15,73 4,55 0,26 0,94 0,44 0,39 0,2 0,18 0,13 0,02 0,02 0,02 1,6 1,58 0,55
В результате расчетов было определено содержание компонентов в шихте, %, соответственно: пыль ЭСПП – 17,44; окалина – 51,33; уголь марки ДОМ – 20,61; кварцевый песок – 4,71; известь – 5,91. С помощью ПК «Селектор» нами была сформирована модель процесса переработки пылей ЭСПП, позволяющая провести термодинамический анализ взаимодействий компонентов шихты при восстановительной плавке в кольцевой печи с вращающимся подом и спрогно- зировать химический состав получаемых продуктов плавки.
С учетом данных химического состава компонентов шихты нами был определен набор из 21 независимого компонента, вводимых в модель: Al, C, Ca, Fe, K, Mg, N, Na, P, S, Si, Ti, Mn, Cu, Pb, Ni, Cl, Cr, Zn, H, O. Разработанная мо- дель представлена семью резервуарами, каждый из которых воспроизводит определенную температурную зону технологического процесса, что позволяет сделать вывод о результатах физико-химических взаимодействий, фазовом и элементном составах продуктов плавки (рисунок 4).
Рисунок 4 – Схема печи для переработки пыли ЭСПП с указанием температурных зон (резервуаров): 1 – кольцевая печь, 2 – загрузчик шихты, 3 – разгрузчик продуктов плавки, 4 – газоочистка, 5 – дымовая труба.

1-ый резервуар – это зона кольцевой подовой печи, где происходит полное восстановление железа и цинка (температура 1200°С). 2-ой резервуар – это зона плавления железа и шлака (с температурой 1400°С). 3-ий резервуар – зона вы- грузки продуктов плавки (температура 1000°С). После 3-го резервуара получен- ные продукты – шлак и чугун – разделяются и образуют самостоятельные фазы, охлаждаемые до температуры 25°С (резервуары 4 и 5, соответственно). Газы, образовавшиеся в зоне восстановления железа и цинка (1-ый резервуар) и зоне плавления (2-ой резервуар), переходят в 6-ой резервуар, имитирующий систему газоочистки, где охлаждаются до температуры 600°С. Легколетучие компоненты конденсируются с образованием пыли. Газы, очищенные от пыли, переходят в 7- ой резервуар, где охлаждаются до 100°С.
Результаты моделирования показали принципиальную воз- можность получения чугуна и цинксодержащего продукта при переработке пылей ЭСПП. Со- гласно решению модели чугун со- держит, % мас.: Fe – 95,1; C – 4,89; S – 0,01 (рисунок 5), основ- ными соединениями в чугуне яв- ляются Fe3C, Fe и FeS.
Конденсат оксида цинка,
согласно модели, представлен следующими соединениями: ZnO, KCl, NaCl, Na2O, Zn3(PO4)2. Также
в продукте содержится элементные Pb и Cu. Содержание оксида цинка в продук- те составило 65,43% мас. (рисунок 6).
В главе 3 представлены результаты лабораторных испытаний по получе- нию гранулированного чугуна и цинксодержащего продукта, а также описание методики удаления галогенов из сконденсированного ZnO для получения гото- вого продукта, удовлетворяющего предъявляемым требованиям к сырью, направляемому на электролити-
ческое получение цинка.
В лабораторных экспери- ментах использовали окомкован- ную шихту. Обезмасливание прокатной окалины проводилось в муфельной печи без доступа кислорода в атмосфере азота, тем самым исключая процесс возго- рания органической фракции Навески компонентов шихты тщательно усредняли в фарфоро- вой ступке, к полученной одно- родной смеси добавляли воду для образования пастообразной мас-
Рисунок 5 – Химический состав чугуна (согласно модели)
Рисунок 6 – Химический состав конденсата оксида цинка (согласно модели)
сы и вручную формовали шарообразные гранулы диаметром 10–25 мм. В каче- стве связующего применяли карбоксил-метил целлюлозу.
Влажные гранулы сушили в лабораторной муфельной электропечи ЭКПС 10 («СКТБ», Россия) при температуре 200°С в течение 30 мин. Восстановитель- ную плавку окомкованной шихты осуществляли на лабораторной установке на базе высокотемпературной печи LHT 08/17 («Nabertherm», Германия), оснащен- ной водоохлаждаемым газоходом с принудительным отводом газообразных про- дуктов.
Восстановительную плавку шихты в лабораторной печи осуществляли та- ким образом, чтобы воспроизвести аналогичный процесс в кольцевой печи с вращающимся подом. В ходе серии опытов был определен оптимальный темпе- ратурный режим плавки шихты в лабораторной печи, который обеспечивает по- следовательное протекание всех физико-химических взаимодействий в процессе получения гранулированного чугуна: загрузка шихты при t = 1150°С, повышение температуры в печи до 1350°С со скоростью 15°С/мин, повышение температуры в печи до 1425°С со скоростью 11°С/мин, снижение температуры в печи до 1150°С со скоростью 30°С/мин.
Улавливание образующихся в результате восстановительной плавки газо- образные продукты плавки отводились через трубу из верхней части рабочей камеры печи посредством принудительной тяги. Возгоняемые продукты посту- пали в водоохлаждаемый газоход, в котором происходили охлаждение газового потока, конденсация и частичное осаждение цинксодержащих возгонов. Улавли- вание остатков пыли производилось путем пропускания пылегазового потока через водяной фильтр в виде колбы с водой.
В результате восстанови- тельной плавки окомкованной шихты образовывался ошлако- ванный гранулированный чугун. Резкое охлаждение данного про- дукта в воде приводит к мгновен- ной кристаллизации частиц чугу- на и отделению их от шлака. Ча- стицы полученного гранулиро- ванного чугуна (рисунок 7) имели размеры 10–15 мм и обладали магнитными свойствами. Извле- чение железа в чугун составило 92–96%.
С целью определения содер- жания железа и примесных ком- понентов в получаемом чугуне были отобраны три пробы. Хими- ческий анализ включений прово-
дили с помощью волнового рентгеновского спектрометра и энерго- дисперсионного спектрометра KEVEX. Результат исследований представлен в таблице 3 и на рисунке 8.
Рисунок 7 – Образцы гранулированного чугуна
Таблица 3 – Химический состав экспериментальных образцов гранулированного чугуна
Элементы Fe C Si S Ni Cu
Значение, % мас.
Среднее значение, % мас.
95,01–95,5 4,2–4,6 0,1–0,13 0,05–0,09 95,27 4,4 0,11 0,07
а – железо; б – сера; в – кремний
0,06–0,07 0,09–0,1 0,06 0,09
абв
Рисунок 8 – Результаты РСМА чугуна:
Для определения вида полученного чугуна и его микроструктуры были
проведены исследования экспериментальных образцов металлографическим ме-
тодом. Анализ исследуемых шлифов (после травления 3

5% раствором азотной
кислоты) выполнен с использованием электронного микроскопа «Olympus GX- 51» (Olympus, Япония). Установлено, что полученный чугун относится к заэв- тектическому белому чугуну, структура которого представлена ледебуритом
перлитовым и цементитом первичным
Сконденсированные на раз- ных участках осаждения пылеулови- тельной системы цинковые возгоны перемешивались, в результате чего была получена усредненная проба продукта, химический состав кото- рого определяли методом РФА. Со- гласно результатам анализа, в об- разце основным соединением явля- ется ZnO с содержанием 68,8% мас.; также зафиксировано наличие хлора и фтора с содержанием 5,32 и 1,31% мас. соответственно.
(рисунок 9).
Поскольку зафиксированные в
сконденсированном цинксодержащем продукте фтор и хлор затрудняют после- дующий электролиз раствора сульфата цинка, их содержание должно быть сни- жено до требуемых показателей: количество хлора и фтора в товарном ZnO не должно превышать 0,06 мас. % и 0,01 мас. %, соответственно.
В ходе серии экспериментов по удалению галогенов из сконденсирован-
Рисунок 8 – Результаты металлографического анализа образца чугуна (Л – ледебурит;
Ц1 – цементит первичный)
ного ZnO различными методами был выбран способ обработки – прокалка про- дукта при температуре 1000°С в течение не менее 90 мин (рисунок 9).
Химический состав и общий вид ZnO, получаемо- го после прокалки, пред- ставлены в таблице 4 и на рисунке 10.
Извлечение ценных компонентов – железа и цинка – в товарные продук- ты в экспериментах соста- вило 94 и 91%, соответ- ственно, что свидетельству- ет о высокой эффективности предлагаемой технологии.
В главе 4 представ-
лены результаты проведен-
ной оценки технико-
экономической эффективности предлагаемой технологии.
Таблица 4 – Химический состав цинксодержащего продукта после прокалки
Рисунок 9 – Влияние продолжительности прокалки (при 1000°С) на содержание ZnO
Компоненты Содержание, % мас.
ZnO Fe2O3 K2O CaO Cl SO3 SiO2 Al2O3 F MgO
90,21 1,97
0,46 0,38 0,03 0,2 4,82 1,76 – 0,17
Основываясь на результатах проведенных лабо- раторных исследований, была разработана и рекомен- дована технологическая схема переработки пылей ЭСПП с получением гранулированного чугуна и оксида цинка (рисунок 11).
Основным технологическим агрегатом в техноло- гии является кольцевая печь с вращающимся подом. Для расчета технико-экономических показателей было принято строительство завода на территории г. Бакал (Челябинская обл.) с годовым объемом переработки пылей ЭСПП 15 тыс. т. В результате переработки тех- ногенного сырья по предлагаемой технологии будет по- лучено, согласно расчетам, 32 630 т/год гранулирован- ного чугуна и 3 944 т/год цинксодержащего продукта.
Рисунок 10 – Оксид цинка
Проведенные технико-экономические расчеты показали, что в результате реализации проекта по строительству завода по пирометаллургической перера- ботке пылей ЭСПП в кольцевой печи срок окупаемости с учетом инвестицион- ного периода составит 34 мес., внутренняя норма прибыльности чи- стая прибыль – 801,77 млн. руб./год.
Заключение содержит краткие результаты проведенных исследований.
– 186,8 %, а
Данные технико-экономические показатели
указывают на высокую экономическую эффективность переработки пылей
ЭСПП по предлагаемой технологии.
Рисунок 11 – Технологическая схема переработки пылей электросталеплавильного производства
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Разработана технология пирометаллургической переработки пылей элек- тросталеплавильного производства с получением гранулированного чугуна и цинксодержащего продукта.
Предлагаемая технология позволит использовать получаемый гранулиро- ванный чугун в качестве заменителя металлического лома при производстве ста- ли в электропечах, что отвечает стратегии развития черной металлургии России на период 2014-2022 годы и на перспективу до 2030 г.
1. Проведенный анализ состояния опыта переработки пылей электроста- леплавильного производства показал актуальность разработки технологии пере- работки данного техногенного сырья с целью извлечения ценных компонентов и возврата в производство.
2. Проведены аналитические исследования образцов пыли ЭСПП ПАО «Магнитогорский металлургический комбинат» (г. Магнитогорск, Челябинская обл.) при помощи методов лазерной дифракции, рентгеноспектрального микро- анализа, рентгенофазового и рентгенофлуоресцентного методов анализов. Со- гласно полученным данным основными соединениями в пробах пыли являются оксид и феррит цинка. По результатам гранулометрического анализа крупность частиц пыли составила менее 0,06 мм. Содержание железа в пыли ЭСПП состав- ляет в среднем 25,8% мас., при этом для получения чугуна в виде гранул содер- жание железа в сырье должно составлять не менее 50% (согласно данным прове- денных предварительных лабораторных экспериментов). В связи с этим для подшихтовки был выбран еще один вид техногенного материала – замасленная окалина ПАО «Магнитогорский металлургический комбинат». После обезмас- ливания окалина содержит в среднем 63,64% мас. железа (в виде Fe2O3 и FeO).
3. Расчетным путем определено содержание компонентов шихте для плав- ки, %, соответственно: пыль ЭСПП – 17,44; окалина – 51,33; уголь марки ДОМ – 20,61; кварцевый песок – 4,71; известь – 5,91.
4. С помощью программного комплекса «Селектор» разработана модель процесса переработки пыли ЭСПП с получением гранулированного чугуна и цинксодержащего продукта. Модель представлена 7 резервуарами и 21 незави- симым компонентом, вводимым в модель (независимые компоненты соответ- ствовали химическому составу шихтовых материалов: Al, C, Ca, Fe, K, Mg, N, Na, P, S, Si, Ti, Mn, Cu, Pb, Ni, Cl, Cr, Zn, H, O). Полученные результаты модели- рования показали принципиальную возможность переработки пыли ЭСПП по предлагаемой технологии. Согласно решениям модели основными соединения- ми в чугуне являются Fe3C, Fe и FeS (с содержанием, % мас., соответственно: Fe – 95,1; C – 4,89; S – 0,01). Основным соединением конденсата является ZnO, его содержание, согласно модели, составило 65,43% мас. Также в продукте присут- ствуют KCl, NaCl, Na2O, Zn3(PO4)2.
5. Проведены экспериментальные работы по восстановительной плавке окомкованной шихты в лабораторной установке на базе высокотемпературной печи LHT 08/17, оснащенной водоохлаждаемым газоходом с принудительным отводом газообразных продуктов.
6. В ходе экспериментов было определено количество добавляемых флю- сов в шихту для регулирования основности образующегося шлака, оптимальный
температурный режим восстановительной плавки (загрузка шихты при t = 1150°С, повышение температуры в печи до 1350°С со скоростью 15°С/мин, по- вышение температуры в печи до 1425°С со скоростью 11°С/мин, снижение тем- пературы в печи до 1150°С со скоростью 30°С/мин) и необходимость использо- вания углеродистой подсыпки в качестве регулятора газовой атмосферы печи. Соотношение шлакообразующих компонентов для получения шлака с основно- стью на уровне 1,0–1,3 обеспечило максимальную степень десульфурации чугу- на (70–80%), а также необходимую температуру плавления шлака (1350– 1380°С).
7. В результате лабораторных испытаний были получены образцы чугуна с размерами гранул 10–15 мм с содержанием, % маc.: Fe – 95,27; C – 4,4; Si – 0,11; S – 0,07; Ni – 0,06; Cu – 009. Химический состав конденсата оксида цинка, % мас.: ZnO – 68,8; Fe2O3 – 3,68; Na2O – 8,21; Cl – 5,32; SO3 – 4,92; K2O – 3,32; PbO – 2,11 и F – 1,31.
8. Полученные экспериментальные данные по химическому составу про- дуктов восстановительной плавки подтвердили результаты моделирования, что свидетельствует об адекватности разработанной модели пирометаллургического процесса. Показатели, подтверждающие адекватность разработанной модели:
 содержание целевых компонентов в гранулированном чугуне (экспери- ментальные данные. % мас.: Fe – 95,27, С – 4,4, S – 0,07; согласно моде- ли: Fe – 95,1, C – 4,89, S – 0,01);
 содержание целевого компонента (ZnO) в цинковых возгонах (экспери- ментальные данные, % мас.: 68,8, согласно модели – 65,43);
 показатели извлечения при плавке железа (экспериментальные данные – 94%; согласно модели – 100%) и цинка (экспериментальные данные – 91%; согласно модели – 98%);
 фазово-химический состав получаемых продуктов плавки.
9. Для удаления галогенов из полученного при плавке конденсата оксида цинка предложена прокалка при 1000°С в течение 90 мин. В результате содер- жание ZnO увеличилось до 90,21% мас., а хлора уменьшилось до 0,03% мас.
(фтора в прокаленных образцах не зафиксировано).
11. По результатам проведенных исследований предложена технологиче- ская схема процесса переработки пылей ЭСПП с получением отдельных продук- тов; рекомендован перечень устанавливаемого основного и вспомогательного оборудования.
12. Для расчета технико-экономических показателей предложенной тех- нологии было принято строительство завода на территории г. Бакал (Челябин- ская обл.) с годовым объемом переработки пыли ЭСПП 15 тыс. т. К установке
10. Извлечение железа и цинка в товарные продукты составило 94 и 91%, соответственно. Полученный гранулированный чугун рекомендовано использо- вать в электрометаллургическом производстве стали в качестве одного из ком- понентов шихты. Цинксодержащий продукт рекомендовано использовать в ка- честве сырья для получения металлического цинка, а также для получения окси- да цинка с более высоким содержанием основного соединения, применяемого, например, в производстве лакокрасочных и резинотехнических изделий, хими- ческой и фармацевтической промышленности.
принята 1 кольцевая печь с вращающимся подом со средним диаметром 12 м. Согласно расчетам, при внедрении разработанной технологии ожидаемая при- быль составит 801,77 млн. руб./год (при сроке окупаемости с учетом инвестици- онного периода 34 мес.).
13. Результаты исследований использованы в ООО «ИТЭМ-инжиниринг» (г. Иркутск) при разработке концептуального технико-экономического обосно- вания «Создание в г. Сатка Челябинской области опытного завода по производ- ству гранулированного чугуна методом прямого восстановления железа в коль- цевой печи и дегалогенизированного оксида цинка из замасленной окалины и железо-цинксодержащих пылей дуговых сталеплавильных печей»
14. Результаты работы внедрены в учебный процесс ФГБОУ ВО «Иркут- ский национальный исследовательский технический университет» при подго- товке обучающихся по направлению «Металлургия».

Одной из основных стратегических целей развития черной и цветной ме- таллургии России на 2014–2020 годы и на перспективу до 2030 г., обусловленны- ми как внутренними, так и внешними причинами, является ресурсо- и энергосбе- режение, снижение негативного воздействия на окружающую среду1.
В настоящее время все большее внимание уделяется вопросам переработки
техногенного сырья металлургического производства. Несмотря на рост платежей
за хранение на полигонах и шламовых полях данного сырья, многомиллионные
отвалы от производственной деятельности предприятий черной металлургии (за-
масленной окалины, пыли газоочистки, шламов, шлаков) постоянно пополняются.
Истощение месторождений высококачественных железосодержащих руд и воз-
растающее негативное воздействие деятельности металлургических предприятий
на состояние окружающей среды вблизи их расположения подталкивают исследо-
вателей-металлургов к разработке новых технологий, позволяющих перерабаты-
вать труднообогатимое, низкокачественное техногенное сырье. К важнейшей из
инновационных научно-исследовательских разработок в области развития черной
металлургии, рекомендуемых к реализации в период до 2030 года, относится
освоение отечественной технологии и организация производства переработки же-
лезосодержащих отходов в продукт со 100% металлизацией и содержанием Fe > 96%1.
К труднообогатимым и низкосортным материалам относится пыль электро- сталеплавильного производства (ЭСПП), которая может являться не только желе- зосодержащим сырьем (в виде гранулированного чугуна) вместо металлического лома для получения стали в электропечах, но дает возможность извлечь цинк в товарный продукт, поскольку в пылях содержатся цинксодержащие соединения в достаточном количестве.
1Приказ Министерства промышленности и торговли РФ от 5 мая 2014 г. No 839 «Об утвержде- нии Стратегии развития черной металлургии России на 2014–2020 годы и на перспективу до 2030 года и Стратегии развития цветной металлургии России на 2014–2020 годы и на перспек- тиву до 2030 года» Также в производстве металлургических предприятий образуется большое количество окалины, которая находит ограниченное применение и направляется в шламонакопители. Реализация имеющихся резервов техногенного сырья позволят сохранить многие ценные материалы, сэкономить значительное количество энер- гии, понизить долю использования низкосортного вторсырья (в частности, метал- лического лома, применяемого при производстве стали в электропечах), что явля- ется актуальным для пирометаллургических процессов. Вместе с тем, повышаю- щийся в мире спрос на сталь и цинк делает переработку окалины и пыли ЭСПП весьма актуальной задачей.
Изучению свойств пылей электросталеплавильного производства и его пе- реработки посвящено большое количество научных работ, среди которых стоит отметить труды П.А. Козлова, А.В. Тарасова, А.М. Паньшина, А.П. Стовпченко, Л.М. Симонян, А.А. Попова, Е.В. Протопопова, С.А. Якорнова, М.А. Пашкевич, Г.В. Галевского, М. Хольцер, М. Танг и др. В связи с этим перспективным и акту- альным является направление переработки данного техногенного сырья пироме- таллургическим методом – методом прямого восстановления.
Работа выполнена в рамках государственного задания Министерства обра- зования и науки РФ на 2017–2019 годы (НИР No 11.7210.2017/БЧ).
Цель работы
Разработка технологии переработки пылей электросталеплавильного произ- водства с получением гранулированного чугуна и цинксодержащего продукта.
Задачи работы:
 анализ современного состояния переработки пылей электросталеплавиль- ного производства;
 исследование химического состава пылей ЭСПП;
 изучение теоретических основ восстановительных процессов;
 разработка с помощью программного комплекса (ПК) «Селектор» модели
процесса переработки техногенного сырья электросталеплавильного производ- ства, основанной на физико-химических взаимодействиях компонентов шихты при плавке;
 экспериментальное подтверждение возможности переработки пылей элек- тросталеплавильного производства с получением гранулированного чугуна и цинксодержащего продукта;
 разработка технологической схемы переработки пылей ЭСПП с перево- дом ценных железа и цинка в самостоятельные продукты;
 оценка технико-экономической эффективности предлагаемой технологии переработки техногенного сырья электросталеплавильного производства с полу- чением товарных продуктов.
Методы исследования
Объектом исследования являлась железо-цинксодержащая пыль ЭСПП ПАО «Магнитогорский металлургический комбинат» (г. Магнитогорск, Челябин- ская область). Исследования проводились при помощи метода лазерной дифрак- ции, рентгеноспектрального микроанализа (РСМА), металлографического, рент- генофазового и рентгенофлуоресцентного (РФА) методов анализов, сканирующей электронной микроскопии (СЭМ), а также моделирования на основе физико- химических закономерностей процесса плавки с использованием ПК «Селектор».
Достоверность и обоснованность полученных результатов подтверждена применением современных, общепринятых и отработанных методик исследова- ний и аттестованных измерительных приборов; современным метрологическим обеспечением оборудования лабораторий ФГБОУ ВО «ИРНИТУ»; использовани- ем апробированных современных компьютерных программ; совпадением резуль- татов моделирования с данными лабораторных исследований.
Научная новизна
Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность извлечения железа в виде гранулированного чугуна и цинка в виде оксида цинка из пылей электросталеплавильного производства при их пирометаллургической переработке.
Установлено влияние условий проведения плавки шихты из техногенного сырья на выделение железа в виде гранулированного чугуна: загрузка шихты при 1150°С, скорость повышения температуры в печи до 1350°С – 15°С/мин, до
1425°С – 11°С/мин, а при последующем снижении температуры до 1150°С – 30°С/мин.
На основе термодинамического анализа физико-химических взаимодей- ствий компонентов шихты из техногенного сырья установлена закономерность влияния ее состава (соотношения содержания углерода, железа и флюсов) на из- влечение железа и цинка в самостоятельные продукты.
Практическая значимость
На основе полученных с помощью ПК «Селектор» данных моделирования был рекомендован следующий состав шихты для плавки, %, соответственно: пыль ЭСПП – 16,35; окалина – 48,13; уголь длиннопламенный орех мелкий (ДОМ) – 19,35; кварцевый песок – 6,92; известь – 9,25.
Получены экспериментальные образцы гранулированного чугуна (c содер- жанием Fe в среднем 96% мас. при его извлечении 94%) и цинкосодержащего продукта (с содержанием ZnO в среднем 90% мас. при извлечении цинка 91%).
Предложена очистка конденсата оксида цинка от галогенов, основанная на прокалке при температуре 1000°С в течение 90 мин и способствующая увеличе- нию содержания ZnO в товарном продукте в среднем на 21,4%.
Разработана и предложена технологическая схема переработки пылей ЭСПП в кольцевой печи с вращающимся подом для извлечения железа и цинка в товарные продукты; рекомендован к установке перечень технологического обо- рудования. При внедрении данной технологии ожидаемая чистая прибыль соста- вит 801,77 млн руб./год.
Результаты диссертационной работы использованы в ООО «ИТЭМ- инжиниринг» при разработке концептуального технико-экономического обосно- вания «Создание в г. Сатка Челябинской области опытного завода по производ- ству гранулированного чугуна методом прямого восстановления железа в кольце- вой печи и дегалогенизированного оксида цинка из замасленной окалины и желе- зо-цинксодержащих пылей дуговых сталеплавильных печей», а также в учебном процессе в ФГБОУ ВО «ИРНИТУ» при подготовке обучающихся по направлению «Металлургия». Положения, выносимые на защиту
1. Физико-химические закономерности процесса пирометаллургической пе- реработки пылей электросталеплавильного производства, основанные на резуль- татах моделирования процесса с помощью программного комплекса «Селектор».
2. Условия ведения восстановительного процесса с учетом наличия в шихте шлакообразующих и углеродсодержащих компонентов и подбора температурного режима плавки (загрузка шихты при 1150°С, повышение температуры в печи до 1350°С со скоростью 15°С/мин, повышение температуры до 1425°С со скоростью 11°С/мин, снижение температуры в печи до 1150°С со скоростью 30°С/мин) для получения продуктов плавки – чугуна и шлака.
3. Рекомендации по соотношению компонентов (пыль, окалина, уголь марки ДОМ, кварцевый песок, известь) в шихте для максимального извлечения железа и цинка (94 и 91%, соответственно) из пылей электросталеплавильного производ- ства при плавке в кольцевой печи.
4. Технологическая схема процесса переработки техногенного сырья элек- тросталеплавильного производства в кольцевой печи с вращающимся подом с пе- речнем устанавливаемого оборудования и результаты расчета ожидаемой прибы- ли при переработке 15 тыс. т пылей ЭСПП в год: 801,77 млн руб./год при сроке окупаемости с учетом инвестиционного периода 34 мес.
Личный вклад автора заключается в постановке задач исследования, ор- ганизации и проведении каждого этапа исследований; в отборе и подготовке проб для аналитических исследований; выполнении расчетов; проведении лаборатор- ных испытаний и обработке полученных результатов; анализе и сопоставлении экспериментальных и теоретических данных; разработке и корректировке техно- логической схемы; формулировке выводов и рекомендаций.
Апробация работы
Основные материалы диссертационной работы докладывались на девятом Международном конгрессе «Цветные металлы и минералы 2017» (г. Красноярск, 11–14 сент. 2017 г.), Международном конгрессе «Фундаментальные исследования и прикладные разработки процессов переработки и утилизации техногенных об- разований» (г. Екатеринбург, 5–9 июня 2017 г.), Всерос. научно-практических конференциях с международным участием «Перспективы развития технологии
переработки углеводородных и минеральных ресурсов» (г. Иркутск, 19–20 апр. 2017 г., 24–26 апр. 2019 г., 22–23 апр. 2021 г.).
Публикации. По материалам диссертационной работы имеется 14 научных публикаций, в том числе 2 статьи в рецензируемых журналах, входящих в пере- чень изданий, рекомендованных ВАК РФ, 1 статья в рецензируемом научном из- дании, входящем в международную реферативную базу данных Scopus, 1 патент РФ на изобретение, 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ, а также публикации в материалах международных, Всероссийских научно-практических конференций, Конгрессе.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, за- ключения, списка литературы из 127 наименований. Работа содержит 137 страниц машинописного текста, включая 19 таблиц и 47 рисунков, 7 приложений.

Заказать новую

Лучшие эксперты сервиса ждут твоего задания

от 5 000 ₽

Не подошла эта работа?
Закажи новую работу, сделанную по твоим требованиям

    Нажимая на кнопку, я соглашаюсь на обработку персональных данных и с правилами пользования Платформой

    Читать

    Читать «Разработка пирометаллургической технологии извлечения железа и цинка из пылей электросталеплавильного производства»

    Публикации автора в научных журналах

    Extraction of Zinc and Iron from Electrosmelting Dust
    N.V. Nemchinova, V.E. Chernykh, A.A. Tyutrin, A.E. Patrushov // Steel in Translation. – 2– Vol. 46, No. – Р. 368–Патент, свидетельство о регистрации программы для ЭВМ
    Изучение влияния температуры на продолжительность восстановления железа
    А.Е. Патрушов, Н.В. Немчинова, А.А. Тютрин, Д.Н. Чу- вашов // Переработка природного и техногенного сырья: сб. науч. тр. – Иркутск: Изд-во ИРНИТУ, 2– С. 130–Патрушов, А.Е. Лабораторная установка переработки пылей электростале- плавильного производства // Перспективы развития технологии переработки уг- леводородных и минеральных ресурсов: матер. VII Всерос. науч.-практ. конф. с междунар. участием (Иркутск, 19–20 апр., 2017 г.). – Иркутск. – 2– С. 65–Баранов, А.П. Технологическая линия получения оксида цинка и гранулиро- ванного чугуна из пыли и шламов металлургического производства на основе применения кольцевых печей с вращающимся подом /А.П. Баранов, В.Е. Чер- ных, А.Е. Патрушов // Фундаментальные исследования и прикладные разработ- ки процессов переработки и утилизации техногенных образований: матер. Меж- дунар. конгресса (Екатеринбург, 5–9 июня, 2017 г.). – Екатеринбург. – 2– С. 185
    Комплексная переработка железоцинксодержащей пыли
    А.Е. Патрушов // Цветные металлы и минералы 2017: матер. девятого Между- нар. конгресса (Красноярск, 11–15 сент., 2017 г.). – Красноярск. – 2– С. 1279–1Патрушов, А.Е. Исследование методами математического моделирования процесса восстановления железа и цинка из пылей электросталеплавильного производства / А.Е. Патрушов, Н.В. Немчинова, А.А. Тютрин, Д.Н. Чувашов // Переработка природного и техногенного сырья: сб. науч. трудов. – Иркутск: Изд-во ИРНИТУ, 2– С. 114
    Получение товарного цинкового концентрата при переработке железоцинксодержащей пыли
    А.Е. Патрушов, Н.В. Немчинова, А.А. Тютрин, Д.Н. Чувашов // Перспективы развития технологии переработки угле- водородных и минеральных ресурсов: матер. IX Всерос. науч.-практ. конф. с междунар. участием (Иркутск, 24–26 апр., 2019 г.). – Иркутск. – 2– С. 75–Патрушов, А.Е. Разработка технологии пирометаллургической переработки пыли электросталеплавильного производства с целью извлечения железа и цинка / А.Е. Патрушов, Н.В. Немчинова, В.С. Вологин // Перспективы развития тех- нологии переработки углеводородных и минеральных ресурсов: матер. X Все- рос. науч.-практ. конф. с междунар. участием (Иркутск, 22–24 апр., 2020 г.). – Иркутск. – 2– С. 17

    Помогаем с подготовкой сопроводительных документов

    Совместно разработаем индивидуальный план и выберем тему работы Подробнее
    Помощь в подготовке к кандидатскому экзамену и допуске к нему Подробнее
    Поможем в написании научных статей для публикации в журналах ВАК Подробнее
    Структурируем работу и напишем автореферат Подробнее

    Хочешь уникальную работу?

    Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!

    Анастасия Л. аспирант
    5 (8 отзывов)
    Работаю в сфере метрологического обеспечения. Защищаю кандидатскую диссертацию. Основной профиль: Метрология, стандартизация и сертификация. Оптико-электронное прибост... Читать все
    Работаю в сфере метрологического обеспечения. Защищаю кандидатскую диссертацию. Основной профиль: Метрология, стандартизация и сертификация. Оптико-электронное прибостроение, управление качеством
    #Кандидатские #Магистерские
    10 Выполненных работ
    Татьяна С. кандидат наук
    4.9 (298 отзывов)
    Большой опыт работы. Кандидаты химических, биологических, технических, экономических, юридических, философских наук. Участие в НИОКР, Только актуальная литература (пос... Читать все
    Большой опыт работы. Кандидаты химических, биологических, технических, экономических, юридических, философских наук. Участие в НИОКР, Только актуальная литература (поставки напрямую с издательств), доступ к библиотеке диссертаций РГБ
    #Кандидатские #Магистерские
    551 Выполненная работа
    Анастасия Б.
    5 (145 отзывов)
    Опыт в написании студенческих работ (дипломные работы, магистерские диссертации, повышение уникальности текста, курсовые работы, научные статьи и т.д.) по экономическо... Читать все
    Опыт в написании студенческих работ (дипломные работы, магистерские диссертации, повышение уникальности текста, курсовые работы, научные статьи и т.д.) по экономическому и гуманитарному направлениях свыше 8 лет на различных площадках.
    #Кандидатские #Магистерские
    224 Выполненных работы
    Катерина В. преподаватель, кандидат наук
    4.6 (30 отзывов)
    Преподаватель одного из лучших ВУЗов страны, научный работник, редактор научного журнала, общественный деятель. Пишу все виды работ - от эссе до докторской диссертации... Читать все
    Преподаватель одного из лучших ВУЗов страны, научный работник, редактор научного журнала, общественный деятель. Пишу все виды работ - от эссе до докторской диссертации. Опыт работы 7 лет. Всегда на связи и готова прийти на помощь. Вместе удовлетворим самого требовательного научного руководителя. Возможно полное сопровождение: от статуса студента до получения научной степени.
    #Кандидатские #Магистерские
    47 Выполненных работ
    Анна Александровна Б. Воронежский государственный университет инженерных технол...
    4.8 (30 отзывов)
    Окончила магистратуру Воронежского государственного университета в 2009 г. В 2014 г. защитила кандидатскую диссертацию. С 2010 г. преподаю в Воронежском государственно... Читать все
    Окончила магистратуру Воронежского государственного университета в 2009 г. В 2014 г. защитила кандидатскую диссертацию. С 2010 г. преподаю в Воронежском государственном университете инженерных технологий.
    #Кандидатские #Магистерские
    66 Выполненных работ
    Мария А. кандидат наук
    4.7 (18 отзывов)
    Мне нравится изучать все новое, постоянно развиваюсь. Могу написать и диссертацию и кандидатскую. Есть опыт в различных сфера деятельности (туризм, экономика, бухучет... Читать все
    Мне нравится изучать все новое, постоянно развиваюсь. Могу написать и диссертацию и кандидатскую. Есть опыт в различных сфера деятельности (туризм, экономика, бухучет, реклама, журналистика, педагогика, право)
    #Кандидатские #Магистерские
    39 Выполненных работ
    Алёна В. ВГПУ 2013, исторический, преподаватель
    4.2 (5 отзывов)
    Пишу дипломы, курсовые, диссертации по праву, а также истории и педагогике. Закончила исторический факультет ВГПУ. Имею высшее историческое и дополнительное юридическо... Читать все
    Пишу дипломы, курсовые, диссертации по праву, а также истории и педагогике. Закончила исторический факультет ВГПУ. Имею высшее историческое и дополнительное юридическое образование. В данный момент работаю преподавателем.
    #Кандидатские #Магистерские
    25 Выполненных работ
    user1250010 Омский государственный университет, 2010, преподаватель,...
    4 (15 отзывов)
    Пишу качественные выпускные квалификационные работы и магистерские диссертации. Опыт написания работ - более восьми лет. Всегда на связи.
    Пишу качественные выпускные квалификационные работы и магистерские диссертации. Опыт написания работ - более восьми лет. Всегда на связи.
    #Кандидатские #Магистерские
    21 Выполненная работа
    Дмитрий М. БГАТУ 2001, электрификации, выпускник
    4.8 (17 отзывов)
    Помогаю с выполнением курсовых проектов и контрольных работ по электроснабжению, электроосвещению, электрическим машинам, электротехнике. Занимался наукой, писал стать... Читать все
    Помогаю с выполнением курсовых проектов и контрольных работ по электроснабжению, электроосвещению, электрическим машинам, электротехнике. Занимался наукой, писал статьи, патенты, кандидатскую диссертацию, преподавал. Занимаюсь этим с 2003.
    #Кандидатские #Магистерские
    19 Выполненных работ

    Последние выполненные заказы

    Другие учебные работы по предмету

    Рафинирование и модифицирование стали комплексными стронцийсодержащими сплавами
    📅 2021 год
    🏢 ФГАОУ ВО «Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет)»
    Технологические основы микроволнового прокаливания цинкосодержащих материалов
    📅 2021 год
    🏢 ФГАОУ ВО «Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет)»