За основу взята статья «Безотходная технология переработки алюминиевой стружки и шлаков в короткопламенной роторной печи», авторы: Л.В. Трибушевский, Б.М. Немененок, Г.А. Румянцева, И.А. Горбель, Белорусский национальный технический университет, г. Минск
Почему это важно
Во многих странах малоотходные и безотходные технологии становятся приоритетом государственной промышленной политики. Причины просты: растут цены на энергоносители, ужесточаются экологические требования, а предприятия ищут способы снизить издержки на утилизацию опасных отходов.
Алюминиевые шлаки — это не просто «мусор». Они представляют собой конгломерат из смеси металла, оксидов и солей. При удалении шлака с поверхности расплава с ним захватывается значительная часть металла — до 70–80% от массы шлака. На ОАО «Белцветмет» стружка и шлаки поступают от разных производителей, отличаются по составу, влажности, засорённости и фракции. При длительном хранении на открытых площадках алюминий реагирует с влагой воздуха, что ведёт к безвозвратным потерям и росту себестоимости.
Именно поэтому в БНТУ провели масштабное исследование: как организовать плавку стружки и шлаков в короткопламенной роторной печи так, чтобы минимизировать себестоимость и получить полезный продукт из отходов.
Что показали 180 плавок
В ходе исследований проанализировали результаты 180 плавок. В шихту входили:
алюминиевая стружка с засорённостью 25%;
алюминиевые шлаки с содержанием алюминия 50–68%;
просев шлака с фракцией более 10 мм.
Флюс при плавке не использовали. Массу стружки варьировали в пределах 140–440 кг, добавку шлака — от 0 до 360 кг, просев шлака — от 0 до 160 кг на плавку. Контролировали состав и массу шихты, засорённость стружки, металлургический выход, химический состав сплава и продолжительность плавки.
Ключевой вывод: зависимость себестоимости сплава от состава металлозавалки имеет экстремум. Минимальная себестоимость достигается при содержании шлака в шихте 25–30%. Если шлака больше или меньше — себестоимость растёт.
Аналогичная картина с отношением шлака к стружке. Минимальная себестоимость (20,09–20,2 тыс. руб. за 1 кг сплава в ценах 2015 года) наблюдается при отношении шлака к стружке на уровне 32–50%. Именно для этого соотношения характерны малая длительность плавки и максимальный металлургический выход.
Серия плавок на шихте из стружки с засорённостью 25% и просева шлака показала: минимальная себестоимость 1 кг сплава — около 20,7 тыс. руб. — достигается при отношении просева шлака к стружке 27%. При этом металлургический выход составляет 86,3%, а длительность плавки — примерно 77 минут. Максимальная себестоимость (порядка 22,2 тыс. руб.) отмечается при отношении 34%: плавка идёт быстрее (около 69 минут), но металлургический выход падает до 80,5%.
Важный нюанс: даже увеличение длительности плавки на 3 минуты не сказывается на себестоимости, если металлургический выход растёт хотя бы на 0,5%. То есть борьба за выход металла важнее, чем за скорость.
Разброс себестоимости по исследованным вариантам состава шихты составил 3–5 тыс. руб. за 1 кг — и это без учёта экологического налога и затрат на захоронение отходов. Дальнейшее снижение возможно только при переходе к безотходной технологии, где отходы не захораниваются, а превращаются в новый товарный продукт.
Отходы, которые стали сырьём
В качестве такого продукта выбрали алюминиевую раскислительную смесь (АРС). Согласно техническим условиям ТУ ВУ 700028768.003–2008, в ней должно содержаться 20–24% Al, 50–65% Al₂O₃, 1,5–7% C, 4–6% Fe₂O₃, до 6% (Na₂O + K₂O), 4–6% CaO, 4–6% MgO.
Для получения АРС использовали измельчённый вторичный шлак — отход плавки в короткопламенной роторной печи. К нему добавляли отсев алюминиевой стружки для получения нужной концентрации по алюминию, CaO и MgO.
Зачем это нужно? При плавке стали в большегрузных электродуговых печах удаление серы проводят вне печи, на установке «печь-ковш». Для эффективной десульфурации нужны высокая основность шлака и его низкая окисленность. Основность обеспечивают добавками извести, а низкую окисленность — обработкой раскислительными смесями типа АРС. Алюминий в составе АРС взаимодействует с оксидами железа и марганца, снижая окисленность шлака и создавая условия для удаления серы.
Как это работает на практике
АРС присаживали сразу после выпуска расплава из ДСП и при дальнейшей обработке металла на установке «печь-ковш». Смесь вводили порциями по 20–40 кг с общим расходом 40–120 кг на плавку. Цвет шлака в сталь-ковше менялся от чёрного до светло-серого и белого — в зависимости от окисленности.
Показательный пример: при выплавке стали 20ХНР плавиковый шпат не использовали вообще, а АРС присаживали двумя порциями по 60 кг (всего 120 кг на плавку). По визуальной оценке, жидкотекучесть шлака соответствовала жидкотекучести шлаков, где применяли и плавиковый шпат, и АРС. Степень десульфурации стали, обработанной с АРС, оказалась на уровне штатных раскислителей — 62,0 и 62,5% соответственно.
На основе опытных плавок была предложена схема безотходной технологии переработки алюминиевой стружки и шлаков в короткопламенной роторной печи. Металлопродукция может выпускаться в виде чушек массой 15 кг, «пирамидок» или алюминиевых гранул, получаемых по сухой технологии.
Схема реализована на НПФ «Металлон» в 2006 году. На протяжении 10 лет предприятие обеспечивало раскислительной смесью Белорусский металлургический завод и другие предприятия. Сейчас производство АРС налажено на ОАО «Белцветмет».
Что не так с рафинировочными шлаками
Эффективность обработки стали на установке «печь-ковш» во многом определяется составом рафинировочного шлака. Оптимальный состав в конце обработки: 58–62% CaO, 8–10% SiO₂, 6–8% MgO, 20–25% Al₂O₃, менее 0,5% FeO, 0,13–0,15% MnO. Такой шлак называют «белым» из-за светлого цвета при низком содержании FeO. При «белом» шлаке степень десульфурации металла достигает 70–85%.
Но реальность далека от идеала. Исследование 238 составов рафинировочных шлаков при обработке стали 80К на Белорусском металлургическом заводе показало значительный разброс:
SiO₂: от 15,1 до 56,6%;
CaO: от 25,7 до 66,0%;
MgO: от 1,94 до 11,89%;
Al₂O₃: от 1,18 до 4,24%;
FeO: от 0,01 до 2,5%;
MnO: от 0,01 до 3%.
Статистика показала: максимальное количество случаев приходится на содержание SiO₂ 30–40% — это намного выше оптимальной концентрации. Учитывая, что футеровка ковша основная, превышение SiO₂ может приводить к взаимодействию с MgO футеровки и её коррозии в зоне шлакового пояса.
Содержание CaO подчиняется закону нормального распределения с максимумом на диапазоне 45–60%. Концентрация Al₂O₃ в основном лежит в интервале 2,5–3,5% — в 5–6 раз ниже оптимального содержания. Это объясняется спецификой производства кордовой стали: высокое содержание Al₂O₃ опасно загрязнением трудно деформируемыми включениями.
По MgO картина ближе к норме: максимум приходится на 4–7%, но около 14% шлаков содержат 9–12% MgO. Оксид магния повышает вязкость шлаков и ухудшает десульфурацию, хотя и замедляет растворение футеровки.
По MnO подавляющее большинство случаев (более 72%) — содержание не превышает 0,5%. По FeO примерно 55% составов содержат 0,01–0,5%, но встречаются шлаки с концентрацией 0,5–1,5% (37% случаев) и даже более 1,5% (9% случаев). Это свидетельствует о плохой раскисленности шлака.
Окисленность (FeO + MnO) в оптимальном составе не должна превышать 0,65%. Этому требованию соответствует только около 50% составов, остальные имеют окисленность от 1,0 до 3,5%.
Основность шлака (отношение CaO к SiO₂) в большинстве случаев (45%) составляет 1,75. Для оптимального состава она должна быть более 2,0. Такие колебания сказываются на стабильности процессов раскисления и десульфурации, загрязнённости стали неметаллическими включениями и стойкости футеровки ковша.
Как разжижить шлак без плавикового шпата
Вводя в рафинировочные шлаки добавки, содержащие CaO с Al₂O₃, можно регулировать жидкотекучесть шлаков и отказаться от плавикового шпата (CaF₂). Последний экологически опасен, дорог и агрессивно взаимодействует с футеровкой ковша. По данным исследований, содержание в шлаках 20–25% Al₂O₃ исключает необходимость использования плавикового шпата для их разжижения.
Анализ диаграмм состояния CaO–Al₂O₃ и CaO–SiO₂–Al₂O₃ показывает: при определённом соотношении компонентов можно обеспечить температуру плавления шлака значительно ниже 1400 °C. Например, шлак с 23% Al₂O₃, 42% SiO₂ и 35% CaO плавится при 1266 °C, а с 10% Al₂O₃, 45% SiO₂ и 45% CaO — при 1311 °C.
Авторы отмечают положительное влияние Al₂O₃ на разжижение шлака и повышение стойкости футеровки. Для этих целей рекомендуют использовать глинозёмсодержащий материал Рантал 50ГР (производство ООО «РАНТАЛ», Санкт-Петербург) и глинозёмсодержащие брикеты (производство ОООИ «РОИС», Екатеринбург).
Важно и другое: алюминаты с высоким содержанием кальция (C₃A, C₅A₃) обладают более высокой способностью поглощать CaS, чем алюминаты с высоким содержанием глинозёма (CA, CA₂). При этом растворимость CaS сильно зависит от температуры.
Безотходная технология: как это устроено
В качестве исходных материалов для получения разжижителей рафинировочного шлака использовали вторичные алюминиевые или отвальные шлаки после длительного хранения на открытом воздухе с добавлением отсева извести и связующего. Длительное хранение способствует окислению остаточного алюминия до Al₂O₃ и вымыванию солей.
Гранулирование или прессование полученной смеси с последующей тепловой обработкой позволяет получать материал необходимой прочности. Это облегчает его дозирование и ввод в сталеразливочный ковш практически без пыле- и газовыделения.
Таким образом, предлагается безотходная технология переработки алюминиевой стружки и шлака с получением металлического алюминия и нового товарного продукта — разжижителя рафинировочного шлака. Технология не только снижает себестоимость сплава, но и решает экологическую проблему, превращая отходы в востребованный материал для металлургии.
Главные выводы
Оптимальное содержание шлака в шихте при плавке алюминиевой стружки — 25–30%, отношение шлака к стружке — 32–50%. При этих параметрах себестоимость сплава минимальна, а металлургический выход максимален.
Реальные рафинировочные шлаки на производстве далеки от оптимального состава: завышено содержание SiO₂, занижено Al₂O₃, часто превышена окисленность. Это снижает эффективность десульфурации и повышает износ футеровки.
Использование алюминиевой раскислительной смеси (АРС) позволяет заменить плавиковый шпат, достичь степени десульфурации на уровне 62% и обеспечить нужную жидкотекучесть шлака.
Ввод 20–25% Al₂O₃ в рафинировочный шлак исключает необходимость в плавиковом шпате и повышает стойкость футеровки.
Безотходная технология переработки алюминиевой стружки и шлаков реализована на практике: НПФ «Металлон» с 2006 года обеспечивает Белорусский металлургический завод раскислительной смесью, а сейчас производство налажено на ОАО «Белцветмет».