Патент на изобретение №2306348

(54) СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ ЦИНКСОДЕРЖАЩИХ ОТХОДОВ ЧЕРНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области металлургии черных и цветных металлов, преимущественно к области переработки доменных шламов с получением железосодержащего окускованного сырья, пригодного по содержанию цинка к доменной плавке, а также цинковых возгонов для последующего извлечения цинка. Способ включает приготовление исходной шихты, для чего цинксодержащий доменный шлам предварительно сушат до влажности не более 3-4%, смешивают со связующим, преимущественно с материалом, содержащим гидроксид кальция и/или бентонит и оборотные материалы. Смесь подвергают измельчению, увлажнению и окусковыванию с получением окатышей или брикетов. Окускованный материал сразу подвергают высокотемпературной обработке при нагревании со скоростью 10-30 град./мин (преимущественно 20 град./мин) до температуры 1110-1230°С (преимущественно до 1200°С) и выдерживают при этой температуре в течение 20-40 мин, выгружают через горячий конец печи, охлаждают, подвергают сепарации по крупности с выделением мелочи и возвратом мелочи на измельчение шихты и/или используют для доменной плавки. Пылегазовую смесь удаляют из печи через холодный конец печи и перерабатывают с выделением оборотной цинкжелезосодержащей пыли и цинковых возгонов известными способами. Кроме того, доменный шлам перерабатывают с добавкой в шихту сушки конвертерного шлама от выплавки стали, окускованный материал нагревают до температуры 1110-1150°С (преимущественно до 1120°С). При этом обожженный окускованный материал подвергают рассеву с выделением фракции минус 5 мм, направляемой на измельчение смеси доменного шлама и связующего. При недостатке углерода в шихте в качестве добавки углеродистого восстановителя используют торф, дозируемый под слой окускованного материала при транспортировке в обжиговую печь. Техническим результатом изобретения является повышение качества продуктов. 3 з.п. ф-лы, 3 табл.

Изобретение относится к области металлургии черных и цветных металлов, преимущественно к области переработки доменных шламов с получением железосодержащего окускованного сырья, пригодного по содержанию цинка к доменной плавке, а также цинковых возгонов для последующего извлечения цинка.

При переработке железных руд последовательно обогащением, окускованием и, затем, доменной плавкой на чугун при очистке газов выделяют сухим способом колошниковую пыль и мокрым способом – доменный шлам. В случае переработки железорудного сырья, содержащего соединения цинка, последний восстанавливается в доменной печи до парообразного состояния, переходит в газ, окисляется до оксида и выносится из рабочего пространства печи. Вынесенный из печи оксид цинка распределяется между колошниковой пылью и доменным шламом. При содержании цинка в сырье доменной плавки выше 0,3-0,4% наблюдается выделение оксида цинка в верхней части доменной печи и газоходах, что приводит к повышению расхода кокса, разрушению футеровки, уменьшению сечения газоходов и, в конечном счете, к расстройству работы печи. Кроме того, повышенные содержания цинка в колошниковой пыли и, особенно, в доменном шламе не позволяют возвратить эти продукты в основной цикл производства чугуна из-за накопления цинка в цикле «окускование-доменная плавка».

Известны (см. В.В.Капорулин и др. Проблемы цинка в доменном производстве. Сталь, 1984, №11. С.9-15) способы удаления цинка при доменной плавке в колошниковую пыль и шлам снижением содержания цинка в шихте путем исключения из нее цинксодержащих оборотных материалов (шламов, шлаков).

⁷ С21В 3/04, С21В 5/06. Stengel P.J.A. Beau de Lomenie. №0008052. Заявл. 23.06.2000; Опубл. 28.12.2001) и пирометаллургии с выделением обесцинкованного железного продукта (см. М.Д.Галимов и др. Переработка пылей и шламов доменного производства с извлечением железа и цинка. Бюлл. «Черная металлургия», 1980, №4. С.35-36) или чугуна (см. Способ извлечения оксида цинка из пыли. Method for recovering zinc oxide from dust. Пат. 6102982 США, МПК⁷ С21В 11/00. NKK Corp., Isozaki S., Sato N., Iwata Y., Sakamoto N., №08/828654; Заявл. 31.03.1997; Опубл. 15.08.2000; Приор. 01.04.1996, №8104619, Япония; НПК 75/500). Во всех случаях предусматривается получение цинкового или цинковожелезистого продуктов, направляемых соответственно на получение цинка или цемента. Эти способы отличаются сравнительной сложностью, большой длительностью и образованием значительных количеств токсичных растворов или газов.

Известны требования по содержанию железа и цинка для сырья доменного процесса и процесса переработки окисленных цинковых материалов. В сырье доменного процесса содержание железа должно быть не менее 50-55%, а цинка – не более 0,3-0,4%, а в цинковом сырье содержание цинка должно быть не менее 40-45%, железа – не более 15-20%. Этим требованиям должны отвечать продукты переработки цинксодержащих доменных шламов.

Из пирометаллургических способов переработки цинковистых доменных шламов наибольшей простотой отличается способ вельцевания, заключающийся в термической обработке во вращающейся печи смеси цинксодержащего доменного шлама с добавкой 40-45% коксовой мелочи, вводимой в качестве топлива и восстановителя, а также для предотвращения спекания обожженного железистого продукта. Этот способ испытан применительно к шламам Нижнетагильского и Кузнецкого комбинатов в 50-60-х годах прошлого века (см. В.Д.Мишин и др. Извлечение цинка из пыли доменных печей. Бюлл. «Цветная металлургия», 1958, №10. С.16-20). Однако способ не нашел применения из-за отсутствия удовлетворительной технологии окускования шламов, высокого расхода (40-50% от массы шлама) углеродистого топлива (коксовой мелочи) и невозможности получения железистого продукта, пригодного по гранулометрическому составу для возврата в доменную плавку. Кроме того, при опробовании не удалось получить цинковый продукт с достаточно высоким содержанием цинка (см., например, Ф.А.Барышников, М.И.Калошина. О переработке шламов доменной газоочистки Кузнецкого металлургического комбината. Цветные металлы, 1960, №1. С.57-59).

Наиболее близким аналогом изобретения является способ переработки цинксодержащих отходов металлургического производства по патенту №57382 Украины, МПК⁷ F23G 7/00, авторы О.М.Касимов, С.А.Носальский, В.М.Ирха, заявка №2002097344, заявлено 10.09.2002, опубликовано 16.06.2003, включающий смешивание отходов с углеродистым восстановителем, грануляцию шихты до образования гранул размером 4-10 мм, сушку гранул до влажности 10-11%, подшихтовку к гранулам оборотной цинкжелезосодержащей пыли и высокотемпературную обработку полученной смеси в печи при 910-1100°С с выдержкой 1-2 ч с возгонкой цинка и улавливанием возгонов с извлечением оксида цинка. Улавливание возгонов осуществляют отводом 70-80% общего объема пылегазовой смеси из зоны реакции обжиговой печи, а оставшийся объем смеси выводят из печи через ее холодный конец. В качестве восстановителя используют коксовую мелочь. Из выведенной из холодного конца печи цинксодержащей пылегазовой смеси выделяют цинкжелезосодержащую пыль и используют ее для подшихтовки первичной гранулированной смеси, а гранулы после извлечения из них цинка – в агломерационно-доменном производстве.

Недостатками наиболее близкого аналога являются:

– получение после сушки и грануляции (окомкования) гранул с высокой влажностью и недостаточной прочностью, что приводит к их разрушению в результате теплового удара при высокотемпературной обработке (910-1100°С) и повышенному выходу цинкжелезосодержащей пыли, выводимой из холодного конца обжиговой печи;

– применение в качестве углеродистого восстановителя коксовой мелочи, что приводит к уменьшению содержания железа в обработанном продукте из-за разбавления золой кокса и непрореагировавшим углеродом;

– снижение содержания цинка и увеличение содержания железа в цинковых возгонах из-за повышенного механического уноса шихты;

– недостаточно высокое извлечение цинка – в цинковые возгоны и железа – в продукт высокотемпературной обработки;

– значительная циркуляционная нагрузка на обжиговую печь за счет возврата в обжиг повышенного количества цинкжелезосодержащей пыли, что приводит к снижению ее производительности;

– неблагоприятный гранулометрический состав железосодержащего продукта, что препятствует непосредственному использованию его в доменном процессе и приводит к необходимости возврата его в доменную печь через процесс агломерации.

Задачей настоящего изобретения является создание способа, позволяющего переработать цинксодержащие отходы черной металлургии, преимущественно доменные шламы, с получением железосодержащего продукта, отвечающего требованиям к сырью доменной плавки по содержанию железа и цинка, а также гранулометрическому составу и прочностным свойствам, цинксодержащего продукта (возгонов), отвечающего требованиям к сырью для получения цинка. Кроме того – повысить производительность обжиговой печи, снизить затраты на углеродистый восстановитель.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является:

– повышение качества продуктов за счет увеличения содержания железа в железосодержащем продукте и снижения содержания цинка в нем до уровня требований к сырью доменной плавки, улучшения его гранулометрического состава и прочностных свойств,

– увеличение содержания цинка в цинковом продукте и снижение содержания в нем железа до уровня требований к цинсодержащему сырью,

– повышение извлечения железа в окускованный металлизированный продукт и цинка в цинковые возгоны.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе переработки цинксодержащих отходов черной металлургии, включающем приготовление исходной шихты путем смешивания отходов в виде цинксодержащего доменного шлама с углеродсодержащим восстановителем и оборотными материалами, окускование, сушку окускованного материала и последующий обжиг высокотемпературной обработкой окускованного матерала и выдержку его в обжиговой печи с возгонкой цинка, удаление пылегазовой смеси через холодный конец печи, выделение из нее оксида цинка и цинкжелезосодержащей пыли с возвратом ее в шихту обжига, и выгрузку обожженного окускованного материала через горячий конец печи, согласно изобретению перед приготовлением исходной шихты цинксодержащий доменный шлам предварительно сушат до влажности не более 3-4%, смешивают со связующим, преимущественно с материалом, содержащим гидроксид кальция, и/или бентонит, и оборотными материалами, смесь подвергают измельчению, увлажняют и окусковывают с получением окатышей или брикетов, окускованный материал сразу подвергают высокотемпературной обработке путем нагревания со скоростью 10-30 град/мин, преимущественно 20 град/мин, до температуры 1110-1230°С, преимущественно до 1200°С, и выдерживают при этой температуре в течение 20-40 мин, обожженный материал охлаждают, подвергают сепарации по крупности с выделением мелочи и возвратом мелочи на измельчение шихты и/или используют для доменной плавки, пылегазовую смесь после удаления из печи перерабатывают с выделением оборотной цинкжелезосодержащей пыли и цинковых возгонов известными способами.

При этом в исходную шихту перед сушкой добавляют конвертерный шлам от выплавки стали, и высокотемпературную обработку ведут при нагревании до температуры 1110-1150°С, преимущественно 1120°С.

Кроме того, сепарацию обожженного окускованного материала ведут путем рассева с выделением фракции минус 5 мм, направляемой на измельчение смеси доменного шлама и связующего.

Наконец, при недостатке углерода в шихте в качестве добавки углеродистого восстановителя используют торф, дозируемый под слой окускованного материала при транспортировке в обжиговую печь.

Возможность осуществления изобретения иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1. Доменный шлам, содержащий на сухую массу, %: 34,03 Fe_общ; 0,13 Fe_мет; 7,14 FeO; 40,49 Fe₂O₃; 4,42 Zn; 13,72 С; 9,43 SiO₂; 2,39 Al₂O₃; 5,26 CaO; 2,04 MgO, влажностью 35%, подвергали переработке согласно изобретению и ближайшему аналогу (см. таблицу 1). Сравнительные испытания выполняли на горячих моделях сушильного барабана, барабанного окомкователя и вращающейся трубчатой печи, оборудованной одной (по изобретению) или двумя (по ближайшему аналогу) системами газоотводов, теплообменников для подогрева газами обжиговой печи воздуха на сушку шлама и газоочистки, выключающими пылевые камеры и рукавные фильтры. Производительность технологической линии по шихте, включающей доменный шлам и добавки, составляла максимально до 500 кг/сут. Скорость нагревания окускованной шихты в печи по предлагаемому изобретению поддерживали равной 20 град/мин путем изменения расхода топлива, положения горелки в горячей головке печи, изменением числа оборотов вращающейся печи и угла ее наклона. По ближайшему аналогу температурный режим в слое определялся поддержанием температур газа на выходе из холодной и горячей головок печи. Скорость нагревания шихты при этом изменялась от 100 до 30 град/мин. Результаты обработки по предлагаемому изобретению и ближайшему аналогу приведены в таблице 1. Из сравнения данных видно, что использование изобретения позволяет:

– увеличить производительность печи по железосодержащему продукту и содержание железа в обработанном продукте благодаря снижению разбавления его оборотными материалами, золой кокса и непрореагировавшим углеродом;

– увеличить содержание цинка и уменьшить содержание железа в цинковых возгонах благодаря снижению механического уноса шихты, что позволяет удовлетворить требования производителя цинка к качеству цинксодержащего сырья;

– увеличить извлечение цинка в цинковые возгоны и железа – в продукт высокотемпературной обработки;

– снизить циркуляционную нагрузку на обжиговую печь за счет возврата в обжиг повышенного количества цинкжелезосодержащей пыли, что приводит к повышению ее производительности;

– получить железосодержащий продукт (металлизованные окатыши) по содержаниям железа и цинка, гранулометрическому составу и прочности (15-20 кН/окатыш), обеспечивающим возможность непосредственного использования его в доменном процессе, в то время как железосодержащий продукт по ближайшему аналогу для возврата его в доменную печь требует агломерации с разбавлением его бесцинковым железосодержащим сырьем с целью получения агломерата с содержанием цинка не более 0,3-0,4% и удаления избытка углерода;

– уменьшить расход топлива на проведение процесса в обжиговой печи благодаря устранению дополнительных затрат тепла на нагрев кокса и повышенного количества оборотной цинкжелезосодержащей пыли, а также при агломерации железосодержащего продукта обработки.

Пример 2. Доменный шлам, добавки связующего (обожженной извести, гидрата оксида кальция – «пушонки» и бентонита) и оборотные материалы готовили по примеру 1 с введением в шихту окускования воды до влажности 7-9%, подвергали брикетированию на вальцовом брикетном прессе при давлении прессования 5000 кН/см² с получением чечевицеобразных брикетов размером 60×40×60 мм. Брикеты обрабатывали во вращающейся трубчатой печи по примеру 1 со скоростью нагревания 7,5, 10, 20, 30 и 40 град./мин с последующей выдержкой при температурах 1050, 1110, 1150, 1200, 1230 и 1250 С в течение 10, 20, 30, 40 и 50 мин. Обожженные окатыши, полученные при температуре выдержки 1230°С и продолжительности 20 мин., подвергали рассеву на сите с отверстиями 5 мм. Выход фракции минус 5 мм составил 9,8%. Использование отсепарированного продукта в доменной плавке позволяет улучшить газопроницаемость шихты в доменной печи, увеличить производительность и снизить расход кокса.

Результаты термообработки брикетов, приготовленных с использованием пушонки и бентонита (таблица 2, пп.1-15) показали, что снижение скорости нагревания окускованного материала ниже 10 град./мин, повышение температуры выдержки более 1230°С и длительности выдержки более 40 мин приводит к спеканию обработанных брикетов, образованию настылей на футеровке обжиговой печи и невозможности получения обожженного материала, пригодного для непосредственного использования в доменной плавке без дополнительного дробления. Увеличение скорости нагревания свыше 30 град./мин, снижение температуры выдержки ниже 1110°С и длительности выдержки менее 20 мин приводит к повышению содержания цинка в обожженном материале сверх допустимого (0,3-0,4%) для доменной плавки, снижению содержания цинка и повышению содержания железа в возгонах и, соответственно, к уменьшению извлечения железа в обработанный материал и цинка – в возгоны.

Использование в качестве связующего только гидрата оксида кальция по сравнению с использованием смеси гидрата оксида кальция и бентонита (таблица 2, п.16) незначительно сказывается на показателях термообработки. Напротив, использование в качестве связующего только оксида кальция (обожженной извести) примерно вдвое (таблица 2, п.17) увеличивает массу оборотных материалов (отсева брикетов и цинкжелезосодержащей пыли) из-за уменьшения прочности окускованного материала при гидратации оксида кальция, а также снижает извлечение цинка в возгоны.

Пример 3. Использовали шлам, полученный при смешении пульп газоочистки доменной плавки и конвертирования после совместного отстаивания, фильтрации и сушки до влажности 4%. Объединенный шлам содержал (%% на сухую массу): 46,20 Fe_общ, 2,26 Fe_мет, 13,01 FeO, 48,32 Fe₂O₃, 9,65 С, 2,78 Zn. Дефицит углерода, необходимого на восстановление оксидов железа и цинка до металлов, составил 7,5%. Недостаток углерода компенсировали добавками торфа или кокса. Общее количество углерода в шихте обжига в обоих случаях превышало на 25% стехиометрически необходимое на восстановление оксидов железа и цинка. С этой целью окатыши из шлама, приготовленные по примеру 1, при транспортировке в обжиговую печь укладывали на слой предварительно загружаемого на ленту торфа. Торф имел влажность 30%, содержания на сухую массу: золы 2,9%, углерода 47%, водорода 5%. Количество торфа на сухую массу составило 21,6% от массы окатышей. Для сравнения испытывали добавку в качестве восстановителя кокса (85% углерода), количество которого составило 12% от массы окатышей. Кокс вводили в состав шихты при измельчении. Разницу в стоимости использования природного газа в качестве топлива, торфа или кокса в качестве восстановителя рассчитывали по существующим ценам, соответственно 1 руб./нм³, 1000 руб./т и 7000 руб./т. Термообработку окатышей с добавкой конвертерного шлама проводили по примеру 1 с той разницей, что температуру выдержки изменяли от 1050 до 1150°С. Ниже 1110°С степени металлизации железа и удаления цинка снижались до 50%, а при температурах выше 1150°С наблюдалось спекание разрушение окатышей и спекание огарка.

Результаты (таблица 3) показывают, что применение торфа взамен кокса позволяет снизить затраты на углеродистый восстановитель в 2,3 раза и, кроме того, увеличить прочность окатышей на сжатие с 156 до 180 кН/окатыш, степень металлизации железа с 82-85 до 90-92%, уменьшить содержание цинка в обработанном материале и увеличить извлечение цинка в возгоны. Добавка конвертерного шлама в шихту переработки позволяет значительно увеличить содержание железа в металлизированных окатышах в сравнении с использованием только доменного шлама. Качество возгонов, полученных в оптимальных условиях, при этом соответствует требованиям к цинковому продукту.

Формула изобретения

1. Способ переработки цинксодержащих отходов черной металлургии, включающий приготовление исходной шихты путем смешивания отходов в виде цинксодержащего доменного шлама с углеродсодержащим восстановителем и оборотными материалами, окускование, сушку окускованного материала и последующий обжиг высокотемпературной обработкой окускованного материала и выдержкой его в обжиговой печи с возгонкой цинка, удаление пылегазовой смеси через холодный конец печи выделение из нее оксида цинка и цинкжелезосодержащей пыли с возвратом ее в шихту обжига, и выгрузку обожженного окускованного материала через горячий конец печи, отличающийся тем, что перед приготовлением исходной шихты цинксодержащий доменный шлам предварительно сушат до влажности не более 3-4%, смешивают со связующим, преимущественно с материалом, содержащим гидроксид кальция, и/или бентонит, и оборотными материалами, смесь подвергают измельчению, увлажняют и окусковывают с получением окатышей или брикетов, окускованный материал сразу подвергают высокотемпературной обработке при нагревании со скоростью 10-30 град/мин, преимущественно 20 град/мин, до температуры 1110-1230°С, преимущественно до 1200°С, и выдерживают при этой температуре в течение 20-40 мин, обожженный материал охлаждают, подвергают сепарации по крупности с выделением мелочи и возвратом ее на измельчение шихты и/или использованием для доменной плавки, пылегазовую смесь после удаления из печи перерабатывают с выделением оборотной цинкжелезосодержащей пыли и цинковых возгонов известными способами.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в исходную шихту перед сушкой добавляют конвертерный шлам от выплавки стали, и высокотемпературную обработку ведут при нагревании до температуры 1110-1150°С, преимущественно до 1120°С.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что сепарацию обожженного окускованного материала ведут путем рассева с выделением фракции минус 5 мм, направляемой на измельчение смеси доменного шлама и связующего.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что при недостатке углерода в шихте в качестве добавки углеродистого восстановителя используют торф, дозируемый под слой окускованного материала при транспортировке в обжиговую печь.