Результаты и их обсуждение. Сопоставление результатов термодинамического моделирования с результатами экспериментального исследования свидетельствует о качественном их совпадении и в

Сопоставление результатов термодинамического моделирования с результатами экспериментального исследования свидетельствует о качественном их совпадении и в тоже время позволяет предположить, что в экспериментах по жидкофазному восстановлению процесс был проведён не до конца. В пользу последнего предположения свидетельствует несколько заниженный выход металлической фазы, завышенное содержание железа в металле и соответственно более низкое, чем предполагают результаты моделирования, содержание в металле других элементов (в частности хрома). Можно предположить, что увеличение времени восстановления повлияет на увеличение выхода металла и степень его обособленности по отношению к основной массе шлака.

Полученные экспериментальные данные указывают на низкую эффективность использования немагнитной фракции шлака в процессе жидкофазного восстановления. Возможно, повышению такой эффективности способствовало бы предварительное проведение дополнительных операций по разделению исходной немагнитной составляющей на пустую породу и металлосодержащие компоненты.

Проведённые теоретические и экспериментальные исследования, некоторые результаты которых представлены выше, позволяют прийти к следующим заключениям:

1) Масса металлической фазы, полученной в результате восстановления, может составлять до 20 % от массы исходного шлака и даже несколько выше. При этом железо, содержащееся в шлаке, может быть восстановлено практически полностью. Также в состав металла может перейти преобладающая или заметная часть таких элементов, как хром, никель, марганец, а также некоторые другие ценные компоненты.

2) Жидкофазное восстановление шлака целесообразно проводить при температурах порядка 1500 °С и выше с целью более полного восстановления металлов и образования консолидированной металлической фазы. Полезными продуктами процесса при этой температуре станут жидкий металл и обеднённый по тяжёлым металлам оксидный расплав, состоящий главным образом из оксидов кальция, кремния, магния и алюминия, который может быть использован в производстве цемента. Совмещение процесса переработки шлака с цементным производством позволит в значительной степени окупить энергетические издержки рассматриваемого процесса.

3) Помимо уменьшения вязкости оксидной составляющей с ростом температуры образованию консолидированной металлической фазы (объединению капель восстановленного металла) будет способствовать повышение доли металлической составляющей в объёме печи. Соотношение между оксидами и металлом может быть улучшено за счёт введения в реакционную массу корольков металла, находящихся в составе отвальных шлаков и извлечённых из них в процессе подготовки к восстановлению.

4) С целью минимизации расходов энергии целесообразно проведение предварительного твёрдофазного восстановления шлака при температурах порядка 1100–1200 °С. Этот процесс позволит перевести большую часть железа, находящегося в шлаке в форме оксидов, в форму, восприимчивую к магнитной сепарации. Последующая магнитная сепарация позволит отделить фракцию с повышенным содержанием ценных металлов, которая будет направлена на жидкофазную переработку от обеднённой по ценным металлам оксидной фракции, которая может быть использована для производства строительных материалов. Использование в ходе жидкофазного восстановления только обогащённой фракции, помимо снижения энергетических издержек, позволит существенно улучшить соотношение между количествами оксидной и металлической составляющей в объёме печи.

5) Использование восстановителя (углерода) массой порядка 10 % от массы восстанавливаемого шлака должно быть достаточно для проведения процедуры. При проектировании агрегатов для реализации разрабатываемой технологии следует предусмотреть меры по утилизации больших объёмов угарного газа и паров металлов, присутствующих в составе газовой фазы. Одним из путей утилизации CO может стать использование образующегося газа в качестве восстановителя для предварительного твердофазного восстановления шлака. Предварительные результаты термодинамического моделирования свидетельствуют в пользу такой возможности.

Такой подход позволит получить существенную экономию твёрдого восстановителя (предотвратить его безвозвратные потери с немагнитной частью шлака), а также использовать тепло газовой смеси, полученной в процессе жидкофазного восстановления, для подогрева шлака, подвергаемого твёрдофазному восстановлению. Разумеется, угарный газ может быть использован и в качестве топлива для подогрева восстанавливаемого шлака.

Таким образом, анализ полученных результатов позволяет рекомендовать схему переработки отвальных шлаков сталеплавильного производства, которая представлена на рисунке 11.

Рисунок 11 – Схема переработки сталеплавильных отвальных шлаков

Выводы и заключение

Результаты термодинамического моделирования процесса высокотемпературного восстановления сталеплавильных шлаков, а также результаты большого количества лабораторных экспериментов позволили определить ряд условий, выполнение которых будет способствовать созданию технологий глубокой переработки отвалов шлаков такого рода.

В частности, совокупность результатов экспериментальных исследований позволила продемонстрировать, что применение стадии твердофазного восстановления с последующим разделением на немагнитную и магнитную фракцию позволяет значительно снизить расход восстановителя и энергозатраты в ходе последующей стадии жидкофазного восстановления.

Результаты работы позволили разработать принципиальную схему переработки отвальных шлаков.

*Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и
науки Российской Федерации. Уникальный идентификатор прикладных научных исследований RFMEFI57414X0090