CZ38834U1 - Kompozitní materiál, zejména pro přípravu briket jako zdroje železa v metalurgických agregátech - Google Patents

Description

Kompozitní materiál, zejména pro přípravu briket jako zdroje železa v metalurgických agregátech

Oblast techniky

Technické řešení se týká oblasti recyklace odpadních materiálů, konkrétně kompozitního materiálu, zejména pro přípravu briket jako zdroje železa v metalurgických agregátech.

Dosavadní stav techniky

V metalurgických agregátech, tedy v zařízeních používaných v metalurgii k tavení, zpracování a úpravě kovů a slitin, slouží železo v různých formách především jako základní složka pro výrobu surového železa, oceli a slitin. Vysoká pec, elektrická oblouková pec nebo indukční pec využívá např. brikety s obsahem oxidů železa nebo přímo kovového železa jako zdroj kovu. V určitých případech mohou různé oxidační stupně železa působit i jako redukční činidlo při výrobě jiných kovů nebo jako prostředek pro ředění nadměrných koncentrací legujících prvků v tavenině. Slitiny železa, tzv. feroslitiny, navíc fungují jako nositelé legujících prvků (například Mn, Si, Cr), které se vnášejí do oceli. V procesu výroby železa a oceli včetně přípravy vsázky v aglomeracích vzniká velké množství prachových částic, které se za poslední desetiletí daří zachytit např. v elektrofiltrech.

Uhličitan vápenatý CaCOs se do hutních agregátů přidává především jako tavidlo a zdroj oxidu vápenatého CaO ve formě vápencových nebo vápenatých briket. Při teplotách nad 800 °C se CaCOs rozkládá na CaO a CO2 a vzniklý oxid vápenatý reaguje s kyselými oxidy SiO2, P2O5, ALOs, FeO za vzniku zásadité strusky. Ta váže nečistoty z taveniny, zejména síru a fosfor, a chrání roztavený kov před oxidací. CaO reaguje se sírou za vzniku CaS, čímž se snižuje obsah síry v kovu, a úpravou poměru zásaditých a kyselých složek se zlepšují odsiřovací a odfosforečňovací schopnosti strusky. Vysoký obsah CaO také snižuje viskozitu strusky, zlepšuje její ochrannou funkci a omezuje opotřebení vyzdívky pece. V různých typech pecí, od vysokých přes konvertory až po elektrické pece, má CaCOs zásadní význam pro kvalitu kovu, hospodárnost tavení a životnost zařízení.

S pokrokem v oblasti snížení emisí z metalurgických provozů vyvstává nový problém, a to vznikající relativně objemná množství jemnozrnných odpadů s obsahem železa, která nelze přímo recyklovat. Metalurgické odprašky z aglomerace, vysokopecní nebo ocelárenské, obsahující jemné částice oxidů železa pocházejících ze železné rudy, kovového železa, oxidu vápenatého, nebo vápence, popř. dalších oxidů, se nerecyklují, ale stále skládkují, čímž se ztrácí přírodní surovina a zatěžuje se životní prostředí. Snížení negativního dopadu na životní prostředí způsobené skládkováním a úsporu stále dražších přírodních surovin lze docílit výrobou briket, které zkompaktní neboli zkusovní uvedené jemnozrnné materiály a umožní tak jejich návrat do metalurgických agregátů.

Úkolem technického řešení je proto vytvoření takového kompozitního materiálu, zejména pro přípravu briket jako zdroje železa pro metalurgické agregáty, který by odstraňoval výše uvedené nedostatky, zejména jemnozrnnost použitých materiálů, zlevňoval provozní náklady a snížil požadavky na těžbu přírodních zdrojů a v neposlední řadě také snížil množství skládkovaného materiálu.

Podstata technického řešení

Vytčený úkol je vyřešen pomocí kompozitního materiálu, zejména pro přípravu briket jako zdroje železa v metalurgických agregátech, podle tohoto technického řešení.

- 1 CZ 38834 U1

Podstata technického řešení spočívá v tom, že obsahuje 75 až 87 % hmotn. ocelárenských odprašků, 10 až 20 % hmotn. popílku ze spalovacích procesů z tepláren a 3 až 5 % hmotn. vody. před utuhnutím, tedy v surovém stavu. Připravený kompozitní materiál z jemnozrnných metalurgických odpadů vytvoří po smíchání s vodou a utuhnutí briketu, která splňuje pevnostní parametry pro recyklaci v metalurgickém procesu jako zdroj železa Fe a uhličitanu vápenatého CaCO3.

Ocelárenské odprašky mají velikost částic do 1 mm. Odprašky z ocelárenského procesu se vyznačují tím, že sice obsahují relativně vysoké hmotn. % Fe ve formě oxidů, ale na druhé straně jsou jejich částice výrazně menší než 1 mm. V důsledku jejich malé velikosti a hmotnosti je nelze do metalurgického agregátu výroby železa nebo oceli dávkovat bez předchozí úpravy ve formě zkusovění. Z uvedeného důvodu se stále skládkují. Proto se hledají postupy, jak provést zkusovění bez použití přírodních surovin.

Popílek má velikost částic do 1 mm. Jedná se o odpady z čištění odpadních plynů spalovacích procesů z tepláren. Popílek z tepláren je charakteristický tím, že v důsledku procesu odsíření obsahuje až 20 % hmotn. vápníku Ca ve formě tzv. volného oxidu vápenatého CaO. Obsahem volného CaO zajištuje přídavek popílku, že se chová jako pojivo a zajišťuje tak dostatečnou tvrdost vyrobených briket. Současně se zpracovává odpadní materiál, který nahrazuje CaO vyrobený z přírodního vytěženého vápence. Obsah CaO a po utuhnutí CaCO3 nikterak negativně neovlivní vlastnosti vsázky, naopak přítomnost CaCO3 je ve vsázce žádoucí.

Brikety připravené z kompozitního materiálu podle technického řešení bude možné vracet do aglomerace, a tedy recyklovat obsažené železo Fe. Současně obsah CaO a CaCO3 v přidaných složkách šetří přírodní zdroje těchto surovin, které se k železné rudě musí přidávat. Navíc tyto brikety s obsahem ocelárenských odprašků a popílku z tepláren jsou mechanicky odolné.

Výhody kompozitního materiálu, zejména pro přípravu briket jako zdroje železa v metalurgických agregátech, podle tohoto technického řešení spočívají zejména v tom, že zlevňují provozní náklady a snižují náklady na přípravu briket do metalurgických agregátů.

Příklad uskutečnění technického řešení

Příklad 1

Suchá směs pro zkusovělý kompozitní materiál podle technického řešení je připravená z 80 % hmotn. ocelárenských odprašků (O) s velikostí částic frakce 0,5 až 1 mm ve směsi s 20 % hmotn. popílku ze spalovacích procesů tepláren (P) s velikostí frakce 0,5 až 1 mm. Chemické složení uvedených materiálů je v tabulce 1.

- 2 CZ 38834 UI

Tabulka 1: Výsledky chemické analýzy odpadů použitých pro přípravu kompozitních směsí přepočtené na sušinu. Obsahy matričních prvků jsou s výjimkou celkového obsahu Fe vyjádřené v oxidech

Analyt	Jednotka	Označení materiálu
ocelárenské odprašky (0)	popílek (P)
AI2O3	hmota. %	5,30	11,5
CaO	hmota. %	18,7	33,6
Volné CaO	hmota. %	6,25	20,0
Fe (celkové)	hmota. %	19,1	3,28
K2O	hmota. %	4,30	<0,01
MgO	hmota. %	14,9	0,94
MnO	hmota. %	5,57	0,016
Na2O	hmota. %	12,0	1,44
P2O5	hmota. %	0,135	0,053
SiO2	hmota. %	4,63	32,0
SO3	hmota. %	3,52	5,12
TiO2	hmota. %	0,089	0,78
As	mg/kg	43,7	1340
Cd	mg/kg	10,6	<1,0
Co	mg/kg	218	20,7
Cr	mg/kg	434	93,6
Cu	mg/kg	1293	60,1
Hg	mg/kg	5,51	<1,0
Ni	mg/kg	677	55,7
Pb	mg/kg	510,	8,5
Sn	mg/kg	95,1	<3,0
V	mg/kg	37,2	172
Zn	mg/kg	6366	33,8

V uvedeném kompozitním materiálu byly rentgenovou difrakcí dokázány sloučeniny, které jsou uvedeny v tabulce 2.

Tabulka 2: Fázové složení dodaných vzorků odpadů

Vzorek	Dokázaná přítomnost sloučeniny
O	Fe^Oí	Fe 1 Fe2O3	CaQ	SiO2 1 MgO 1 AI2O3 1 CaSO+	M11O2 CaCOj	K2CO3 NaCl
P	FejO3	SiQj	CaO	Ca(OHh 1 CaSO4	CaCO3	Cai2Ali4O33

Připravená suchá směs obsahující 80 % hmota, ocelárenských odprašků (O) a 20 % hmota, popílku ze spalovacích procesů tepláren byla homogenize vána po dobu 24 hodin v uzavřené plastové nádobě otáčením hlava-pata. Poté byla navlhčena vodou o objemu odpovídajícím 4 % hmotnosti, promíchána a vplavena do laboratorního vzorkovače a nechala se tuhnout za přístupu vzduchu po dobu 7 dnů. Výsledné složení kompozitního materiálu je tedy 76,92 % hmota, ocelárenských odprašků, 19,23 % hmota, popílku a 3,85 % hmota, vody v surovém stavu. Takto připravené brikety volně na vzduchu tuhnou po definovanou dobu 7 až 28 nebo 56 dnů. Pevnostní parametry laboratorních briket po 7 a 28 dnech tuhnutí uvádí tabulka 3. Během tuhnutí dochází k odpaření vody a případně chemickým reakcím složek kompozita se vzdušným oxidem uhličitým.

-3 CZ 38834 UI

Tabulka 3: Pevnostní charakteristiky připravených kompozitních materiálů po 7 a 28 dnech tuhnutí, vždy ve třech zkušebních přípravných vzorcích.

Vzorek	Průřez rozměr a (mm)	Průřez rozměr b (mm)	Plocha průřezu (mm2)	Síla (N)	Pevnost v tlaku (MPa) 7 dní
KS/l-7dní	21,1	20,9	440	1058	2,406
KS/2	21,1	21,0	442	993	2,244
KS/3	19,9	21,8	435	1002	2,301
Průměr 7 dní				1017,7	2,317
KS/1-28 dní	19,8	21,95	435	1824	4,196
KS/2-28	19,93	22,09	440	1509	3,427
KS/3-28	19,88	22,02	438	1984	4,532
Průměr 28 dní					4,052

V tabulce 3 jsou uvedené pevnosti v tlaku, které jsou dostatečné pro další možnost manipulace, aniž by došlo k jejich rozpadu.

Příklad 2

Brikety byly připraveny z kompozitního materiálu tvořeného směsí ocelárenských odprašků v množství 75 % hmota, s velikostí částic frakce 0,2 až 1 mm, popílku ze spalovacích procesů v množství 20 % hmota, s velikostí částic frakce 0,2 až 1 mm a 5 % hmota, vody.

Příklad 3

Brikety byly připraveny z kompozitního materiálu tvořeného směsí ocelárenských odprašků v množství 87 % hm. s velikostí částic frakce 0,7 až 1 mm, popílku ze spalovacích procesů v množství 10 % hm. s velikostí částic frakce 0,3 až 1 mm a 3 % hm. vody.

Průmyslová využitelnost

Kompozitní materiál, zejména pro přípravu briket jako zdroje železa v metalurgických agregátech, podle tohoto technického řešení lze využít jako zdroj železa v metalurgii k tavení, zpracování a úpravě kovů a slitin.

Claims (3)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   1. Kompozitní materiál, zejména pro přípravu briket jako zdroje železa v metalurgických agregátech, vyznačující se tím, že obsahuje 75 až 87 % hmotn. ocelárenských odprašků, 10 až 20 % 5 hmotn. popílku ze spalovacích procesů a 3 až 5 % hmotn. vody.
2. 2. Kompozitní materiál podle nároku 1, vyznačující se tím, že ocelárenské odprašky mají velikost částic do 1 mm.
3. 3. Kompozitní materiál podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že popílek má velikost částic do 1 mm.