УДК 669.054.8
СВОЙСТВА И МЕХАНИЗМ ОБРАЗОВАНИЯ ПЫЛИ В СТАЛЕПЛАВИЛЬНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ
© Доронин Илья Евгеньевич; Свяжин Анатолий Григорьевич, д-р техн. наук, проф. Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС». Россия, Москва. E-mail: svyazhin@misis.ru; doronin_il@mail.ru
Статья поступила 22.08.2011 г.
Приведены результаты исследований свойств сталеплавильной пыли и предлагаемые основные механизмы образования пыли в процессе производства стали в кислородном конвертере и дуговой сталеплавильной печи. Отмечено, что вопрос о механизме образования пыли нельзя считать решенным. Процесс генерации пыли тесно связан с обезуглероживанием металла. В качестве рабочей гипотезы можно принять, что основным фактором, определяющим скорость генерации пыли, является максимальная плотность потока кислорода на единицу поверхности ванны в реакционной зоне. На основании этой величины, как показал опыт, возможно оптимизировать процесс кислородной продувки в различных агрегатах.
Ключевые слова: сталеплавильная пыль; свойства; механизм образования; кислородно-конвертерный процесс; электросталеплавильный процесс.
Проблема образования пыли при производстве стали возникла одновременно с созданием и развитием способов крупномасштабного производства жидкой стали: мартеновского, бессемеровского, томасовского, а затем кислородно-конвертерного и электросталеплавильного. Вначале задача заключалась в уменьшении количества пыли, выбрасываемой в атмосферу, и соблюдении существующих норм запыленности. К 1960-м годам стало ясно, что способов радикального снижения генерации пыли в процессе выплавки стали не существует. Незначительное снижение количества пыли технологическими методами не влияет на затраты, связанные с очисткой выбрасываемых в атмосферу газов. Ранее [1] было показано, что уменьшение интенсивности продувки или увеличение угла распределения струи приводит не только к уменьшению генерации пыли в кислородно-конвертерном процессе, но и к одновременному снижению производительности агрегата. По данным [2], уменьшение интенсивности продувки на 380-т конвертере с 1050 до 850 м3/мин приводит не только к уменьшению количества крупной пыли в среднем с 6 до 4 кг/т стали и не влияет на образование пыли мелкой фракции. По этим данным при общем количестве пыли 18-20 кг/т стали крупная фракция составляет 6-7 кг/т стали и мелкая 12-13 кг/т стали; уменьшение крупной фракции на 10-20% едва ли повлияет на стоимость системы газоочистки и ее эксплуатации, так как основные затраты связаны с улавливанием мелкой фракции.
В настоящее время проблема уменьшения генерации пыли при производстве стали приобретает все большее значение в связи с общей тенденцией жесткой экономии ресурсов и оптимизации природопользования. Увеличилось число исследований, посвященных выяснению механизма генерации пыли при производстве стали и изучению ее свойств. В целом в системах газоочистки улавливается пыли около 20 кг/т стали в конвертерном процессе [2] и 15-25 кг/т стали в электросталеплавильном производстве [3]. Большая часть сталеплавильной пыли не перерабатывается, а идет в хранилища [4]. Согласно работе [5], на тканевых фильтрах систем газоочистки улавливается лишь 70% общего выноса пыли, следовательно, значительная ее часть попадает в атмосферу. Из-за присутствия тяжелых металлов (РЬ, Сё, 7п) сталеплавильная, особенно электросталеплавильная, пыль рассматривается как токсичный материал, требующий специальных сооружений для сбора и хранения [5, 6]. Токсичность сталеплавильной пыли зависит от концентрации растворимых в воде соединений тяжелых металлов. В частности, соединения цинка, находящиеся в атмосфере, могут вызывать или способствовать заболеваниям легких [5]. ^
В то же время сталеплавильная пыль является 7 ценным сырьем. Например, содержание цинка в ^ сталеплавильной пыли может достигать 35%, что . значительно выше его содержания в природной £ руде [7]. Расширяющееся применение цинка для 5 антикоррозионных покрытий стальных изделий г
не может быть обеспечено только производством его из первичного сырья. Таким образом, приобретает практическое значение задача полной переработки сталеплавильных пылей и шламов с целью рециклинга содержащихся в них элементов.
Свойства сталеплавильной пыли. Химический состав сталеплавильной пыли связан непосредственно с составом используемой шихты и варьируется в зависимости от марки выплавляемой стали, а также от процессов, реализуемых в ходе технологических операций [4]. Основная часть сталеплавильной пыли представляет собой оксиды металлов, в пыли также присутствуют сульфиды, хлориды, фториды и др.
Обычно различают крупную и мелкую пыль. Различие это условное, зависит от конкретных условий. Например, по данным [2, 8], полученным для кислородного 380-т конвертера, крупная пыль на 2/3 состоит из железных гранул, содержащих до 90% металлического железа. Остальная часть крупной пыли представляет собой частицы шлака с включениями мелких гранул. Размеры частиц от 20 до 1000 мкм, частицы размером менее 500 мкм имели сферическую форму. Гранулы железа до 800 мкм имели плотную структуру, больше 800 мкм были внутри пустотелыми. Содержание углерода в гранулах в пределах 0,3-1,0%. Содержание марганца в гранулах постоянно по ходу плавки и соответствует его содержанию в ванне.
В мелкой фракции пыли, по данным [2, 8], содержание железа по ходу продувки изменялось от 60 до 90%, в том числе содержание железа в металлическом виде от 5 до 90%. Содержание углерода изменялось от 0,5 до 2,0%, параллельно изменению содержания СО. На 80% это был свободный углерод вследствие реакции разложения СО—^СО2+С. Содержание Мп в мелкой пыли было выше, чем в ванне, и постепенно вырастало к концу продувки. В мелкой пыли было также выше содержание 7п, РЬ, оксидов БеО и Бе2О3.
В работе [9] пробы газа с пылью отбирали из газохода над конвертером, работающим без дожигания СО, при Т = 800^1000 °С и содержании СО в газовой фазе около 55%. Использовали два фильтра: керамический, улавливающий части-^ цы пыли более 4 мкм, и кварцевый микроволок-7 нистый для улавливания частиц менее 4 мкм и ^ элементов, которые при 800-1000 °С находятся в состоянии пара. Элементный состав пыли был £ следующим (в 1-й/2-й периоды), %: Бе 62/67; Са | 8,2/3,1; 7п 1,07/0,08; Мп 0,46/1,16; РЬ 0,08/0,002. г Пыль состояла в основном из частиц сфериче-
ской формы (чаще конгломератов) размерами 1-200 мкм. Большинство частиц имело плотную сердцевину из железа и тонкую корку оксидов, обогащенных цинком. Состав корки менялся от поверхности к центру в порядке уменьшения содержания цинка 7пО—(7п, Бе)О-Ре2Оз—БежОу. В мелких частицах, сконденсировавшихся из пара и задержанных на волокнистом фильтре, содержалось значительно больше, чем в пыли с керамического фильтра, легко испаряющихся элементов (в 1-й/2-й периоды плавки), %: 7п 15,4/31,3; РЬ 4,5/5,5; С1 2,7/4,6. Одновременно присутствовали частицы шлака и извести размером менее 4 мкм, а также маленькие сферические частицы железа размером менее 0,5 мкм.
В работе [5] пробы конвертерной пыли отбирали из газоочистки до системы мешочных фильтров и после фильтрации. Использовали различные химические и физические методы анализа. Установили, что в системе газоочистки задерживается только около 70% всей генерируемой пыли, 30% уходит в атмосферу. Диапазон размеров частиц пыли, задержанных на фильтрах, и в пробах пыли, взятых после фильтрации, практически не изменился. После фильтрации в пыли, выбрасываемой в атмосферу, увеличилось количество частиц менее 5 мкм с 12,6 до 44,5% и более 100 мкм - с 0,4 до 5,1%. Таким образом, фильтры не полностью задерживают более крупные частицы. В пробах пыли после фильтров увеличивается содержание Mg, Мп, РЬ и особенно 7п (с 0,3 до 0,8%). По оценкам авторов [5], на фильтрах задерживается 73% общей массы 7п и РЬ. Перед фильтрацией основными фазами в пыли были оксиды Бе2О3 и БезО4, СаСО3 и графит. Перед фильтрацией 7п распределяется в следующих фазах: 7пБе2О4 (43%); 7пСОэ (23%); 7пО (16%). Те же фазы нашли в пыли после фильтрации, но в других количествах. Пыль в газах после фильтрации содержит больше растворимых фаз цинка, т.е. по этим данным токсичность выбрасываемой в атмосферу пыли больше, чем пыли, задерживаемой на фильтрах.
Комплексное изучение свойств электросталеплавильной пыли выполнено в работах [3, 6, 10] с использованием физико-химических и металло-физических методов: элементный микроанализ, электронная микроскопия, рентгеновская и месс-бауэровская спектроскопия.
По данным [3], пыль ДСП из проб, взятых с нескольких заводов, так же как и конвертерная, может быть разделена на две категории: крупную, размерами более 20 мкм и мелкую, менее 20 мкм.
Крупная фракция содержит частицы угля и извести неправильной формы, сферические частицы размером 20-200 мкм, по составу соответствующие шлаку, и хрупкие частицы агломерата размерами 20-1000 мкм (предположительно агломерировавшиеся в фильтрах). Основную часть пыли ДСП представляют мелкие частицы (менее 20 мкм) в основном сферической формы размерами 0,2-20 мкм. Определены сферические частицы трех типов: гомогенные, по составу соответствующие металлу ванны или шлаку; гетерогенные, состоящие из шлака и металла, обогащенного 7п; субмикронные - из чистого 7пО, в основном монокристаллы. Частицы размером менее 2 мкм часто присутствуют в виде агломератов таких частиц или скоплений мелких частиц вокруг больших.
В работе [6] размеры частиц в исследованных пробах находились в пределах 0,04-36 мкм, причем 60% частиц имели размеры в пределах 0,9-4,3 мкм. Большинство из них имело сферическую форму. На фотографиях, полученных с помощью сканирующего микроскопа, видны относительно крупные частицы, обогащенные Бе и не содержащие 7п, окруженные массой мелких частичек, состоящих из Бе (60%) и 7п (22%). Кислород распределен по всей пробе, т.е. пыль состоит из различных оксидов. Бе и 7п распределены неравномерно, есть области, обогащенные Бе, не содержащие 7п; есть области, содержащие одновременно и Бе и 7п. В результате основными фазами пыли определены (в % от массы пыли): Бе3О4 (14);
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.