Грануляция доменного шлака в литейном цехе: обзор технологии и процесса

Грануляция доменного шлака в литейном цехе

Доменная печь (ДП) — закрытая система: железоносное сырье (лумп-руда, агломерат, пеллеты), флюсы (шлакообразователи), восстановители (кокс) загружаются сверху через зарядную систему. Продукты восстановления — горячий металл (ГМ) и жидкий шлак — накапливаются в дне. Шлак плавает на ГМ (меньшая плотность). Жидкие продукты периодически выпускаются из опускного в систему желобов, где ГМ и шлак разделены переливами и перегородками. ГМ в ковши (верхнезагрузочные или торпедо), жидкий шлак — в большие ямы для воздушного охлаждения в крошку или в грануляционную установку. До 1970-х шлак считался отходом и сбрасывался на свалки.

Процессы грануляции жидкого шлака в литейном цехе развивались с начала 1970-х. Отличаются способом обезвоживания мокрого гранулированного шлака. Сегодня грануляция жидкого доменного шлака — устоявшаяся технология, применяемая во всех ДП мира.

Количество жидкого шлака зависит от зарядных материалов: марка руды, примеси, флюсы для корректировки химизма шлака. В 1940–50-х выделение шлака ~980 кг/т ГМ. Сейчас, благодаря пониманию механизмов шлакообразования и процесса ДП, возможно управление, оптимизация и минимизация. Современная удельная норма: 175–350 кг/т ГМ. Температура жидкого шлака: 1400–1550 °C.

Природа и цель грануляции

ДП-шлак — неметаллический побочный продукт: в основномсиликаты, алюмосиликаты, кальциево-алюмосиликаты. Жидкий шлак впитывает большую часть серы из заряда. Цель грануляционной установки — превращение жидкого шлака в ценное сырье для цементной и строительной отраслей. Параметры качества гранулированного шлака:

• Химизм жидкого шлака
• Температура жидкого шлака
• Стеклянная фаза гранулированного шлака
• Среднее распределение частиц

Первые два — режим ДП, последние два — процесс грануляции. Параметры процесса: температура и давление грануляционной воды, расход, площадь теплообмена. Ценность шлака определяется минералогическими, химическими, физическими, механическими свойствами: основность, стеклянная фаза, структура, влажность. Эти свойства связаны с зарядом ДП, технологией грануляции, режимами, хранением и обезвоживанием. Сложная взаимозависимость — Рис. 1.

Рис. 1 Сложная взаимозависимость технических свойств шлака

Гранулированный шлак выглядит как строительный песок: стекловидный, волокнистый. Нет теплоты кристаллизации, материал обладает латентной гидравлической активностью (образует твердые гидраты как цемент). Но цемент растворим в воде, а гранулированный шлак — только в щелочной среде (активатор/катализатор — известь). Типичные свойства — Таблица 1.

Таблица 1 Типичные свойства гранулированного шлака
№	Показатель	Ед.	Значение
Физические свойства
1	Состояние		Твердые гранулы
2	Размер	мм	< 10
Химические свойства
3	SiO₂	%	32–38
4	FeO	%	0,2–2
5	CaO	%	32–38
6	MnO	%	0,02–5
7	Al₂O₃	%	16–22
8	S	%	0,1–1,2
9	MgO	%	6–17
10	TiO₂	%	0,5–1,2
11	(CaO+MgO+Al₂O₃)/SiO₂		1–2
12	Влажность	%	8–15
13	Нерастворимый остаток	%	0,7–5
14	Потери на обжиг	%	Нет
15	Стеклянная фаза	%	> 90

Продукты жидкого шлака: (1) воздушного охлаждения, (2) гранулированный.

Гранулированный — закалка в стекловидное состояние, минимум кристаллизации → песокоподобные фрагменты (фрит), иногда хрупкий клинкер. Физическая структура и гранулометрия зависят от химизма шлака, температуры закалки, метода производства. Из гранулированного шлака получают молотый гранулированный доменный шлак (МГДШ) — цементирующие свойства, частичная замена портландцемента. Воздушно-охлажденный — если жидкий шлак выливают в ложбинаты и медленно охлаждают. Кристаллическая структура. Дает твердый кусковый шлак, который дробят и грохочут.

Крупный заполнитель для бетона — дробление воздушного шлака + грохочение. Мелкий — легкое дробление гранулированного шлака для контроля зерна + грохочение. Производственный поток — Рис. 2.

Рис. 2 Производственный поток доменного шлака

Концепция грануляции шлака

Процесс: жидкий шлак лится через высоконапорный водяной распыл в грануляционной головке у самой ДП. Грануляция — контролируемая закалка в холодной воде без времени на кристаллизацию. Нужен большой объем воды (оптимум ~10 частей воды на 1 часть шлака). При закалке шлак проходит ускоренное охлаждение под контролем расхода воды → стекловидный песок: 97% частиц < 3 мм, средний размер ~1 мм. Точка встречи шлака и воды зависит от расхода шлака, его температуры, наклона и формы горячего желоба.

Теплообмен шлак/вода — мгновенный. Водяные струи разбивают поток шлака на пластинки → нити → капли. Лучший теплообмен при максимальной контактной поверхности (капли, полностью обмотанные водой). Время затвердевания зависит от размера капель, ΔT шлак/вода, контактной среды.

В зависимости от температуры воды вокруг капли — разные механизмы теплоудаления:

1. Только парообразование — если вода закипила (t = t_кипения).
2. Парообразование + теплопередача в воду — большинство случаев.
3. Только теплопередача в воду без пара — холодная вода, мгновенная конденсация пара.

Обычно кипение не достигается при закалке холодной водой, кроме локальных точек при пиковых расходах шлака. Теплоудаление без пара возможно при холодной воде и хорошей турбулентности. Наиболее часто — парообразование + теплопередача в воду. Концепция — Рис. 3.

Рис. 3 Концепция процесса грануляции шлака

Грануляция возможна горячей или холодной водой — две схемы водяного контура.

Горячий контур

Нет охлаждающей башни. Вода в замкнутом контуре нагревается до ~90–95 °C. Теплоудаление в основном через парообразование. Холодная пополняющая вода только компенсирует потери пара/влаги. В точке встречи вода может быть >95 °C.

Холодный контур

Процесс начинается при контакте холодной воды с жидким шлаком (Рис. 3). Поток разбивается на пластинки, нити, капли. Только часть шлака гранулируется по холодному желобу к приемному бункеру, завершение — при ударе об ударную пластину внутри бункера и падении в него. Часть воды идет на охлаждение износостойких пластин по краям холодного желоба.

Завод с замкнутым холодным контуром имеет охлаждающую башню для поддержания постоянной низкой температуры воды. Теплоудаление: перенос в воду + частично парообразование. При малых расходах шлака — преобладает теплопередача в воду, при больших — парообразование. Холодный контур дает более высокий потенциал быстрого теплоудаления, чем горячий.

При конструкции с холодным желобом: холодной желоб продолжает горячий, встроенный дуновой ящик в передней части. Дуновой ящик полностью встроен в холодной желоб под концовкой горячего. Холодной желоб ведет водно-шлаковую смесь к приемному бункеру, выкладка износостойкая (гранулы абразивны). Тепловой поток шлака требует водяного распыления у передней части холодного желоба.

Грануляционная ванна под концовкой горячего желоба — водяная ванна переменного размера (Рис. 3). Наполненная водой до уровня, дает дополнительный объем воды для грануляции. Грануляция, поддерживаемая турбулентной водной баней, идет быстрее, чем при холодном желобе. Позволяет меньше расход воды, но больше объем для грануляции без ущерба безопасности. Ванну легко защитить от износа (холодной желоб — высокое обслуживание). Потенциал уменьшить усилие для проталкивания шлака в ванну под водой. Теплообмен капель с водой теперь не только от струй дунового ящика, но и от воды, окружающей каждую каплю в ванне. Струи, бьющие в воду ванны, создают турбулентность, ускоряют охлаждение. При меньшем соотношении вода/шлак — больше объема воды для грануляции (объем ванны + расход в дуновом ящике). Процесс быстрее, время затвердевания меньше.

Грануляционная установка

Основные компоненты:

• Горячий желоб
• Дуновой ящик
• Грануляционная ванна
• Штоль и конденсационная башня
• Распределитель и гасительные коробки
• Обезвоживающее оборудование
• Горячий водяной бак
• Насосы
• Охлаждающая башня
• Холодный водяной бак
• Буферный бак
• Пополняющая вода
• Ленточный конвейер
• Складская куча

Установка состоит из трех секций: (1) грануляция, (2) обезвоживание, (3) хранение. Грануляционная секция соединяет горячий желоб ДП и обезвоживание. Схема — Рис. 4.

Рис. 4 Схема грануляционной установки

Грануляционная секция

Жидкий шлак водяной закалкой превращается в мелкие частицы — не нужна тяжелая дробка. Шлак из ДП по желобам к гранулятору. Из желоба поток ~1500 °C в высокоскоростной водяной поток грануляционной головки → ~50 °C в грануляционной ванне. Быстрое затвердевание и дробление контролируются избытком воды. При высокой температуре шлака вода частично испаряется и конденсируется в конденсационной башне над ванной.

Выработка шлака при опускании ДП до 10 т/мин. Для справления с вариацией расход воды регулируется энергобалансом для эффективной работы. Регулирующий элемент — клапан, управляющий частью расхода к грануляционной головке.

Грануляционная головка — технологическое сердце: интенсивное смешивание воды и шлака для быстрой эффективной грануляции. Головка создает специфическую картину потока воды для оптимального смешения, направляет высоконапорные струи в свободно падающий поток шлака.

Основной объем воды струями образует быстро движущийся водяной желоб на дне грануляционного желоба. Назначение: грануляция + защита желоба + вынос смеси. Боковые струи обеспечивают грануляцию всего шлака, доп. охлаждение, толкают смесь по желобу. Конфигурация струй: при нормальных условиях жидкий шлак не касается дна желоба. Головки с съемными насадками с керамическими вставками и коллекторами для быстрой замены при кратковременном ТО.

Расходы воды: нижний основной распылитель ~1200 м³/ч, верхний основной ~600 м³/ч, боковые ~100 м³/ч. Нормально 1800 м³/ч, в конце отлива при росте шлака +600 м³/ч доп. головками → 2400 м³/ч.

Требования к головке: (1) простая логическая конструкция — дешевизна и простота замены, (2) износостойкие материалы (керамика для насадок/направляющих), (3) легкий осмотр и замена, (4) легкий доступ и чистка.

При закалке вода испаряется, выделяются SOx. Эмиссии устраняются конденсационной башней с форсунками: выделения растворяются в воде, частично нейтрализуются CaO шлака.

Вся грануляционная ванна выкладана износостойким огнеупором (турбулентная абразивная смесь). Смесь гравитацией в обезвоживающую секцию для разделения гранул и воды.

Обезвоживающая секция

Грануляция добавляет воду, которую надо удалить и вернуть в цикл. Обезвоживание до влажности ~10–12%. Обезвоженный шлак в самосвал или на транспортер. Разные системы: гравийные фильтровальные слои, дегидратор, вращающееся обезвоживающее колесо/барабан, статические силосы.

Секция хранения

Обезвоженный гранулированный шлак → склад. Используются силосы и открытое хранение.

Установка компактная, для ограниченных площадей. Грануляция, обезвоживание, хранение — физически независимы, можно размещать отдельно. Множество комбинаций.

Процесс грануляции шлака литейного цеха

Основные действующие процессы: OCP (открытый цикл), российские проекты (Рис. 5), система RASA, установки INBA (Рис. 6).

Рис. 5 Российская система грануляции шлака литейного цеха

Процесс начинается с разделения жидкого шлака от ГМ. Шлак в грануляционную камеру через систему желобов с выкладкой и песком. Прямой контакт прессованной воды и жидкого шлака в камере. При быстром охлаждении и воздействии водяного давления шлак гранулируется в стекловидные песокоподобные частицы, образуя суспензию с водой. Суспензия в обезвоживающую секцию.

Простейшее обезвоживание — гравийный фильтровальный слой. Периодическая промывка водой и воздухом для удаления закупорки мелкими частицами шлака. Обезвоживание RASA — несколько фильтровальных слоев из камешков разной фракции на дне. Популярное оборудование — вращающийся обезвоживающий барабан INBA. Суспензия равномерно распределяется по длине барабана. Осевые лопатки внутри постоянно поднимают гранулы и сбрасывают на конвейер над распределителем. Тонкая сетка снаружи удерживает гранулы, пропускает воду. Слой гранул на дне создает самофильтрующий эффект.

После обезвоживания остаточная влажность ~10–12%. Обезвоженная вода очищается, охлаждается, возвращается в цикл. Сухой шлак на склад для отгрузки. Водяной пар из грануляции уходит через штоль (обычно нержавейка).

Рис. 6 Процесс INBA для грануляции шлака

Эмиссии при грануляции шлака

ДП-шлак содержит ~1% S (до 2% в зависимости от серы кокса/угля). Основная сернистая соединение — сульфид кальция (CaS). При грануляции выделяются газообразные сернистые соединения: H₂S и SO₂ по реакциям:

CaS + H₂O = H₂S + CaO
CaS + 3/2 O₂ = SO₂ + CaO

Реакции идут преимущественно при t > 1100 °C. Пока капля жидкая, CaS доступен на поверхности шлак/пар. Поступление S на поверхность — потоком и диффузией. Когда поверхность затвердевает (кожура), перенос S только диффузией. Коэффициент твердофазной диффузии << жидкофазной → дальнейшее поступление S из объема прекращается. Реагирует только S в кожуре. Пар (H₂O + H₂S/SO₂) контактирует с окружающей грануляционной водой → сернистые соединения растворяются по парциальным давлениям. Условия (t воды, pH, растворимость H₂S/SO₂) определяют количество S, уходящего в атмосферу с паром или связываемого CaO в воде.

Преимущества грануляции шлака

• Превращение отхода в ценный продукт.
• Исключение свалок шлака и связанных проблем.
• Инвестиционные и эксплуатационные затраты ниже, чем при свалке.
• Надежный процесс.
• Снижение потребности в персонале vs свалка.
• Полная автоматизация возможна.
• Экономия земли под свалки.
• Компактная установка — малая площадь.
• Установка рядом с литейным цехом ДП помогает эксплуатации ДП за счет непрерывного потока данных.