CZ26904U1 - Tavidlo a aglomerační směs - Google Patents

Description

Oblast techniky

Řešení se týká tavidla pro aglomerační proces na bázi strusky ze sekundární metalurgie a aglomerační směsi s tavidly pro výrobu aglomerátu určeného jako kovonosná vsázka do vysokých pecí.

Dosavadní stav techniky

Ocel se vyrábí hlavně v konvertorech a elektrických obloukových pecích. Hlavní vsázkou pro výrobu oceli je surové železo a šrot. Surové železo se vyrábí ve vysokých pecích, kde hlavní vsázkou jsou železná ruda, železnorudné pelety, tavidla a koks. Železná ruda se před zpracováním ve vysoké peci upravuje v aglomeraci. Aglomerační proces slouží k úpravě rudy tak, aby ruda byla vhodná pro vsázku do vysoké pece. Pri aglomeraci dochází k úpravě granulometrie rudy a změně chemického složení, zejména v poměru obsahu oxidu CaO a SiO₂. Vyrobené surové železo se zpracovává v konvertorech procesem zkujňování, kde dochází působením kyslíku k odstranění uhlíku, křemíku a fosforu ze surového železa. Produkt zpracování se nazývá surová ocel, která je ve většině případů podobná surové oceli z elektrické obloukové pece. Tato surová ocel se vyznačuje nízkým obsahem uhlíku a vysokou aktivitou kyslíku větší než 200 milióntin, obvykle kolem 600 milióntin kyslíku. Surová ocel se při odpichu dezoxiduje hliníkem, křemíkem, manganem, chromém, případně dalšími prvky. Dezoxidovaná ocel se dále zpracovává v sekundární metalurgii na zařízení, jako jsou například pánvová pec, nebo zařízení různého typu pro vakuové zpracování oceli. V zařízeních sekundární metalurgie se v závěrečné fázi ocel zpracovává v redukčních podmínkách. Tomu odpovídá i složení strusky. Strusky mají nízkou aktivitu kyslíku a nízký obsah FeO. Pro oceli dezoxidované hliníkem je to do 5 hmotnostních %, optimálně do 1 hmotnostního %. Pro strusky dezoxidované křemíkem a manganem je to do 10 hmotnostních %, optimálně do 5 hmotnostních %. Tyto strusky jsou schopny vázat značné množství síry. Podle způsobu dezoxidace rozlišujeme strusky z výroby oceli, kde dominantním dezoxidovadlem je hliník, a strusky z výroby ocelí, kde dominantním dezoxidovadlem je křemík nebo mangan nebo jejich směs. Produktem dezoxidace jsou oxidy těchto prvků, které se obvykle vážou na vápno, vznikají tedy taveniny oxidů - strusky, jejichž chemické složení je uvedeno v následující tabulce:

Tabulka přibližného rozsahu složení strusek v sekundární metalurgii (hmotnostní %)

	CaO	SiO2	ai2o3	MgO	MnO	S
Deoxidace Al	40-70	0-15	5-35	3-15	0-2	0,2-2,5
Deoxidace Al, Si, Mn..	25-65	10-30	10-30		O-5	0,2-2,5
Deoxidace Si, Mn..	30-65	10-50	0-15	2-20	0-20	0,1-0,7

Vlastnosti těchto strusek, jako je samorozpadavost, prašnost, objemová nestabilita, výrazně komplikují jejich použití, podle dosavadních poznatků se 80 % těchto strusek skládkuje. Jejich využití je obtížné.

Nejčastější a dosud nej rozšířenější způsob využití těchto strusek spočívá v promíchání s ostatními ocelářskými struskami, které se po delší expozici na vzduchu a v dešti, po vystámutí, využívají ve stavebnictví. Při tuhnutí se vesměs rozpadají nájemný prach, který navíc v důsledku přítomnosti volného vápna při hydrataci výrazně zvětšuje svůj objem. Nevýhodou tohoto postupuje především obtížně kontrolovatelná expanze strusek, která se projevuje například zvlněním budovaných silnic a dálnic. Tato negativní vlastnost brání jejich širšímu použití ve stavebnictví. Velká část strusek je proto ukládána bez dalšího využití na haldách.

-1 CZ 26904 Ul

Dosavadní pokusy směřující ke zpracování těchto strusek se snaží o využití jejich kladných vlastností, zejména nízké teploty tavení, které umožňují rychlou tvorbu homogenních strusek v ocelářském agregátu. Je možné jejích využití v elektrické obloukové peci. Tento postup Je vhodný pro recyklaci strusek přímo v ocelárně s elektrickou obloukovou pecí, ale vyžaduje tak zvané zkusovění strusek, které je nákladné. Využití strusek z integrovaných závodů není možné z kapacitních důvodů a dodatkových přepravních nákladů.

Je znám způsob využití těchto materiálů podle patentové přihlášky WO 2007/136914 A3 využívající strusky ze sekundární metalurgie tak, že jsou smíchány se zbytky vyzdívek za vzniku rafinačních struskotvomých materiálů vhodných pro další použití. Omezení tohoto způsobuje dáno pouze ekonomickými hledisky.

Také je znám postup recyklace strusky, který je založený na jejím využití v elektrické obloukové peci, kde se struska přidává do elektrické obloukové pece jako tavidlo a zdroj CaO. Tento postup se ale nepoužívá z důvodů kapacitních a dodatkových přepravních nákladů.

Řešení podle patentové přihlášky WO 2004101828 využívá strusku pro výrobu pojivových materiálů a syntetických strusek. Jeho nevýhodou však je požadavek na úzké rozmezí a stabilitu chemického a fázového složení strusky.

Obecně odborná literatura uvádí, že na rozdíl od strusek z vysokých pecí a konvertorů jsou strusky ze sekundární metalurgie převážně skládkovány.

Je znám postup recyklace části konvertorové strusky s vyšším obsahem železa. Tento postup je hodně rozšířen, jeho hlavní nevýhodou je ale opětovné vyredukování fosforu obsaženého v těchto struskách do surového železa.

Aglomerace slouží k přípravě vsázky do vysoké pece a pro recyklaci strusek jiných než z konvertorového procesu se nepoužívá. Surovinami pro aglomerační proces jsou suroviny železotvorné, tedy zejména rudy, okuje a kovonosné odpady, dále tavidla, vesměs struskotvomé části vsázky - například vápenec, vápno, dolomit a hlušina z rudy a nakonec paliva a redukční činidla, kterými jsou především koks a zemní plyn.

Tyto suroviny se promíchávají a homogenizují v několika krocích. Prvním krokem je tvorba homogenizačních hromad a posledním je například sbalovací buben. V nových moderních závodech mohou být všechny operace přípravy vsázky integrovány do jednoho zařízení, které je schopno nahradit všechny stupně homogenizace a sbalování. Na aglomeračním páse je v průběhu aglomerace směs homogenizováného materiálu zahřátá na teplotu vyšší než 1000 °C. Pri těchto teplotách dochází k natavování a spojování jednotlivých zrn vstupních materiálů. Výsledkem aglomeračního procesu jsou kousky aglomerátu vhodné pro použití jako vsázka do vysoké pece. V některých případech mohou být pro zlepšení aglomeračního procesu přidávány vodné roztoky síranů.

Pro zlepšení aglomeračního procesu jsou přidávány materiály také na bází vodního skla, jak popisuje patent US 6682583. Oba tyto postupy zlepšují sbalování surovin aglomeračního procesu a na druhou stranu zhoršují tepelnou a materiálovou bilanci vysokopecního procesu.

Podstata technického řešení

Výše uvedené problémy s využitím strusek ze sekundární metalurgie, zlepšení sbalovacího procesu a procesu natavování do značné míry odstraňuje aplikace tavidel na bázi strusek za sekundární metalurgie při výrobě aglomerátu, určeného jako vsázka do vysokých pecí, podle technického řešení, jehož podstata spočívá v tom, že tavidlo pro aglomeraci na bázi strusek ze sekundární metalurgie obsahuje přetavené směsi oxidů CaO, A1₂O₃, SiO₂, MgO, MnO, FeO a další sloučeniny tvořící eutektika, jejichž teplota natavení je nižší než 1600 °C a celkový obsah uvedených oxidů je vyšší než 75 hmotnostních %, přičemž obsah CaO je vyšší než 40 hmotnostních % a obsah síry je nižší než 2,5 %, přičemž nejméně 90 hmotnostních % tavidla má velikost zrna pod 100 mm a optimálně pod 10 mm.

-2CZ 26904 Ul

Dále tavidlo může obsahovat vápno, vápenec, dolomit, dolomitický vápenec, magnézií, podsítný koks, odpadní materiály nebo vedlejší produkty metalurgického nebo cementářského průmyslu, přičemž poměr CaO/SiO₂ a CaO/Al₂O₃ výsledného tavidla je větší než 1,25.

Technické řešení dále zahrnuje aglomerační směs pro výrobu aglomerátu, určeného jako vsázka do vysokých pecí, jehož podstata spočívá v tom, že sestává z kovonosné vsázky aglomerace a méně než 10 hmotnostních procent celkové vsázky tavidla do aglomeračního procesu, optimálně 0,5 až 1,5 hmotnostního %, přičemž nejméně 90 hmotnostních % tavidla má velikost zrna pod 100 mm a optimálně pod 10 mm, přičemž výsledná aglomerační směs má poměr CaO/SiO₂ větší než 0,5 a CaO/Al₂O₃ větší než 1,25, a obsahuje méně než 8 hmotnostních % A1₂O₃.

Strusky ze sekundární metalurgie jsou po odlití oceli společně se zbytky kovu vylity z pánve do kolib. Po ochlazení jsou z nich odstraněny velké kusy kovu, tak zvané slitky. Následně je struska tříděna, případně i drcena na frakci pod 100 mm. Pro další použití se jeví jako nejvýhodnější frakce vytříděné strusky o velikosti pod 100 mm, optimálně pod 10 mm. V případě, že je požadována demetalizace strusky, je možno provést magnetickou separaci železa ze strusky. Takto zpracovaná struska nebo její struskové směsi jsou přidávány do vsázky aglomeračního procesu nejpozději do sbalovacího bubnu nebo do zařízení se stejnou funkcí.

Nejvýhodnější se jeví přidávat strusku nebo struskovou směs do homogenizačního bubnu nebo do homogenizačních hromad či prostřednictvím zásobníků na pás, kde se promíchá s ostatními vsázkovými materiály, a to v množství méně než 10 hmotnostních procent celkové vsázky do aglomeračního procesu, optimálně 0,5 až 1,5 hmotnostního procenta, přičemž nejméně 90 hmotnostních procent strusky má velikost zrna pod 100 mm a optimálně pod 10 mm.

Do těchto strusek nebo struskových směsí se mohou přidat před použitím v aglomeraci další materiály, jako je vápno, vápenec, dolomit, dolomitický vápenec, podsítný koks a odpadní materiály nebo vedlejší produkty metalurgického nebo cementářského průmyslu.

Hlavní výhodou tohoto technického řešení je možnost snížení energetických nároků aglomeračního procesu až o 10 %, dále pak zlepšení mechanických vlastností vyrobeného aglomerátu, snížení jemných podílů aglomerátu, které by se jinak musely v aglomeračním procesu recyklovat. Další výhodou je využití zbytkového kovu, zvýšení obsahu MnO v aglomerátu a to zejména při recyklaci strusek z výroby manganem a křemíkem uklidněných ocelí. Vedlejším důsledkem je i snížení emisí CO₂ z paliva a z uhličitanů zejména vápence a dolomitu.

Další příznivou vlastností strusek ze sekundární metalurgie využitelnou v aglomeraci je jejich samorozpadavost a tvorba jemných prachových frakcí. Jemné prachové frakce vytvářejí velké reakční povrchy, napomáhají sbalování a strusky se nemusí drtit. Protože strusky neobsahují CO₂, jehož uvolnění vyžaduje nemalé množství tepla, působí jejich použití příznivě na celkovou tepelnou bilanci aglomeračního procesu. Při použití strusek ze sekundární metalurgie jako tavidla a náhrady nebo částečné náhrady za vápenec, vápno, dolomit nebo další materiály dochází k podstatnému snížení teploty natavení na hranicích zm. Teplota tavení vápna je 2612 °C, kdežto eutektika strusky ze sekundární metalurgie mají teplotu natavení cca 1300 °C.

Na základě uvedeného technického řešení je možné recyklovat jak veškeré strusky ze sekundární metalurgie z integrovaných závodů, tak i strusky z ocelárenských závodů, vyrábějících ocel v elektrických obloukových pecích. Technické řešení praktickým a levným způsobem využívá stmsek ze sekundární metalurgie a to jejich použitím v aglomeračním procesu. Řešení zlepšuje materiální a energetickou bilanci metalurgického procesu, zlepšuje proces sbalování surovin a usnadňuje natavování zm surovin v procesu aglomerace.

Příklady provedení technického řešení

Technické řešení lze využít pro různé typy strusek nebo struskových směsí ze sekundární metalurgie jako náhrady nebo částečné náhrady vápence, vápna a dolomitu, případně dalších strus-3CZ 26904 Ul kotvomých nebo kovonosných přísad. Technické řešení je blíže objasněno v následujících příkladech:

Příklad 1

Ocel z konvertoru nebo z elektrické obloukové pece nebo z hybridních zařízení, je odpíchnuta do pánve, přičemž je dezoxidována hliníkem, křemíkem, manganem, případně dalšími dezoxidačními prvky. Takto upravená ocel se zpracovává na zařízení sekundární metalurgie, po zpracování je připravena pro odlévání, například na zařízení pro plynulé odlévání nebo do ingotu. Po odlití jsou zbylá struska a zbytky oceli v pánvi vylity do struskové koliby a po jejím naplnění se převážejí na struskoviště. Po ochlazení a utuhnutí jsou odstraněny mechanicky hrubé kusy zbylé oceli. Struska se vesměs samovolně rozpadá nájemnou prachovou hmotu. Struska se rozpadá, pokud je rychlost ochlazování nižší než 200 °C za hodinu. Struska, která se samovolně nerozpadne, se mechanicky podrtí na granulometrie pod 100 mm nebo se použije jinak.

Drcení je třeba provést tak, aby nejméně 90 hmotnostních % tavidla mělo velikost zrna pod 100 mm a optimálně pod 10 mm. Takto upravená struska je připravena k dalšímu využití jako surovina pro aglomerační proces. Strusky s nižšími obsahy SiO₂, tedy pod 15 % hmotn. jsou pro použití vhodnější. Strusky a struskotvomé materiály se do aglomerační směsi přidávají tak, aby nevznikalo zbytečné množství strusky ve vysokopecním procesu. Složení struskotvomých přísad v aglomerátu se provádí tak, aby výsledný poměr CaO/SiO₂ v aglomerátu byl vyšší než 0,5 optimálně kolem 0,8 až 1,5. Rovněž celkový obsah A1₂O3 je omezen, a to hodnotou 8 % hmotn. Například rudy a rudné koncentráty mají 4 až 10 % hmotn. SiO₂ při obsahu CaO kolem 2 % hmotn., a proto je třeba přidat odpovídající množství CaO tak, aby poměr CaO ku SiO₂ odpovídal zvyklostem daného vysokopecního závodu hodnotě 0,8 až 2,5, optimálně v rozmezí 0,8 až 1,5. Z těchto poměrů a ze složení strusky ze sekundární metalurgie nebo její směsi s dalšími materiály se dají jednoduše odvodit potřebné přídavky strusky nebo struskové směsi. Samotná struska ze sekundární metalurgie tvoří tavidlo použitelné v aglomeračním procesu.

Příklad 2

Struska ze sekundární metalurgie s granulometrií pod 100 mm se smíchá s dalšími struskotvornými materiály, jako je vápno, vápenec, dolomit, dolomitický vápenec, magnezit, případně s palivem ve formě jemnozmného koksu. Takto připravená směs je připravena k dalšímu využití jako tavidlo pro aglomerační proces.

Příklad 3

Struska z výroby hliníkem uklidněných ocelí se míchá se struskou s křemíkem nebo manganem uklidněných ocelí. Po smíchání a úpravě granulometrie je struska připravena k dalšímu využití jako tavidlo pro aglomerační proces.

Příklad 4

V aglomeračním procesu se použije část nebo veškerá struska ze sekundární metalurgie vzniklá v dané ocelárně a k této strusce se v případě nízkých přepravních nákladů může přidávat struska ze sekundární metalurgie z blízkých oceláren, zejména z elektrooceláren. Samotná struska ze sekundární metalurgie nebo jejich směs tvoří tavidlo použitelné v aglomeračním procesu.

Příklad 5

Po vychlazení se ze strusky ze sekundární metalurgie z výroby hliníkem uklidněných ocelí nejdříve odstraní hrubé kovové slitky a struska je na třídičích roztříděna na jednotlivé frakce. Pro přímé použití v aglomeračním procesu se používají frakce strusky s granulometrií pod 100 mm, optimálně pod 20 mm. Zbylé hrubé kusy strusky jsou drceny na jemnější frakce pro využití v aglomeračním procesu nebojsou využity jinak. Takto zpracovaná strusková směs je rovnoměrně rozsypávána do struskových hromad a to nejlépe v dávkách od 10 tun.

-4CZ 26904 Ul

Strusku je možno přidávat do vsázky jednorázově nebo po částech v jednotlivých fázích homogenizace, nejpozději však do sbalovacího bubnu nebo do zařízení se stejnou funkcí tak, aby celkový obsah strusek ve vsázce aglomeračního procesu tvořil maximálně 10 hmotnostních % celkové vsázky do aglomerace.

Příklad 6

Vyrobená struska podle příkladu 1 je dále obohacena materiály jako jsou vápno, vápenec, dolomit, dolomitický vápenec, podsítný koks, odpadní materiály nebo vedlejší produkty metalurgického nebo cementářského průmyslu. Struska nebo struskotvomé směsi s recyklovanými materiály mohou být přidávány samostatně nebo v libovolných směsích, přičemž do kovonosné vsázky, se přidávají v libovolné fázi homogenizace jednorázově nebo v několika postupných krocích nejpozději však do sbalovacího bubnu nebo do zařízení se stejnou funkcí. Množství strusky ze sekundární metalurgie je vždy menší než 10 hmotnostních % z celkové hmotnosti vsázkových materiálů aglomeračního procesu.

Pro míchání s další tavidly, jako jsou vápno, vápenec, dolomit, dolomitický vápenec, magnézií, podsítný koks, odpadní materiály nebo vedlejší produkty metalurgického nebo cementářského průmyslu platí obecné pravidlo vyžadující, aby výsledné tavidlo mělo poměr CaO/SiO₂ a CaO/Al₂O₃ větší než 1,25.

Příklad 7

Spočívá ve využití strusek z výroby křemíkem a manganem uklidněných ocelí, ve kterých je celkový obsah SiO₂ + MnO + FeO vyšší než 15 hmotnostních %. I tyto strusky je možno použít pro výrobu aglomeračních směsí nebo i přímo do těchto směsí. Obdobně jako v příkladu 1 a 2 jsou tyto strusky zbaveny hrubých slitků, následně jsou tříděny, případně i drceny a připraveny k použití. Používají se frakce pod 100 mm, optimálně pod 20 mm. Tyto strusky lze použít přímo nebo míchat s ostatními materiály obdobně, jak je to popsáno v příkladu 2.

Příklad 8

Strusky ze sekundární metalurgie z výroby hliníkem uklidněných, případně manganem i křemíkem uklidněných ocelí jsou navzájem smíchány a použity obdobně, jak je popsáno v příkladech 1 až 7.

Příklad 9

Zvláštním příkladem použití je použití pouze strusek ze sekundární metalurgie vzniklých dezoxidací křemíkem a manganem. Tyto strusky obsahují vyšší koncentrace SiO₂, ale současně obsahují i vysoké koncentrace MnO. Do těchto strusek je v každém případě přidáváno vápno nebo vápenec, případně dolomit a to buď přímo do strusek, nebo až do aglomeračních směsí.

Průmyslová využitelnost

Strusky ze sekundární metalurgie jsou použitelné jako tavidla v procesu aglomerace vsázky pro vysokopecní proces. Tato tavidla se vyznačují přítomností nízko tavitelných eutektik, které usnadňují proces aglomerace. Snížený obsah uhličitanů vede k energetickým úsporám.

Claims (3)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   1. Tavidlo pro aglomeraci na bázi strusek ze sekundární metalurgie, vyznačující se tím, že obsahuje přetavené směsi oxidů CaO, A1₂O₃, SiO₂, MgO, MnO, FeO a další sloučeniny tvořící eutektika, jejichž teplota natavení je nižší než 1600 °C a celkový obsah uvedených oxidů

   -5CZ 26904 U1 je vyšší než 75 hmotnostních %, přičemž obsah CaO je vyšší než 40 hmotnostních % a obsah síry je nižší než 2,5 %, přičemž nejméně 90 hmotnostních % tavidla má velikost zrna pod 100 mm a optimálně pod 10 mm.
2. 2. Tavidlo pro aglomeraci na bázi strusek ze sekundární metalurgie podle nároku 1, vy5 značu jící se tím, že tavidlo dále obsahuje vápno, vápenec, dolomit, dolomitický vápenec, magnezit, podsítný koks, odpadní materiály nebo vedlejší produkty metalurgického nebo cementářského průmyslu, přičemž poměr CaO/SiO₂ a CaO/Al₂O₃ výsledného tavidla je větší než

   1,25.
3. 3. Aglomerační směs pro výrobu aglomerátu, určeného jako vsázka do vysokých pecí, v y ío značující se tím, že sestává z kovonosné vsázky aglomerace a méně než 10 hmotnostních procent celkové vsázky tavidla pro aglomeraci podle nároku 1, optimálně 0,5 až 1,5 hmotnostního %, přičemž nejméně 90 hmotnostních % tavidla má velikost zrna pod 100 mm a optimálně pod 10 mm, přičemž výsledná aglomerační směs má poměr CaO/SiO₂ větší než 0,5 a

   CaO/Al₂Oj větší než 1,25, a obsahuje méně než 8 hmotnostních % A1₂O₃.