|
|
|
|
ОАО "Косогорский |
Химический |
ОАО "НЛМК" |
ОАО "Северсталь" |
АК "Тулачермет" |
металлургический |
элемент |
завод" (при вып |
|||
|
|
|
|
лавке ферромар |
|
|
|
|
ганца) |
Барий |
Следы |
Следы |
Следы |
4000-5000 |
Бериллий |
1-3 |
1-3 |
2-5 |
3-5 |
Бор |
5-10 |
5-10 |
3-5 |
300-400 |
Бром |
1-2 |
1 |
1-3 |
5-10 |
Ванадий |
300-350 |
100-120 |
100-120 |
100-120 |
Висмут |
Не обн. |
Не обн. |
1-3 |
40-50 |
Вольфрам |
и |
|
1-2 |
До 80 |
|
|
|||
Галлий |
50-100 |
150-250 |
80-120 |
50-100 |
Германий |
Не обн. |
Не обн. |
Не обн. |
10-15 |
Йод |
" |
" |
ft |
10-15 |
Иттрий |
5-10 |
50-80 |
20-40 |
3 ^ 4 0 |
Кадмий |
1-2 |
1-3 |
3-5 |
8-12 |
Кобальт |
15-25 |
20-30 |
5-10 |
20-25 |
Лантаноиды |
180-200 |
500-700 |
50-60 |
До 500 |
Литий |
Следы |
80-120 |
4—6 |
200-250 |
Медь |
Не обн. |
Не обн. |
20-40 |
400-500 |
Молибден |
Следы |
Следы |
1-4 |
8-10 |
Мышьяк |
Следы |
Следы |
5-7 |
100-150 |
Никель |
200-250 |
100-120 |
80-150 |
300-350 |
Олово |
200-240 |
600-800 |
80-120 |
100-150 |
Рубидий |
10-20 |
5-10 |
10-20 |
2000-3000 |
Свинец |
До 2500 |
До 1500 |
До 2000 |
До 5000 |
Селен |
1-2 |
5-8 |
1-2 |
20-30 |
Скандий |
1-3 |
50-70 |
15-30 |
8-12 |
Стронций |
До 2500 |
300-400 |
До 2000 |
До 10000 |
Сурьма |
Не обн. |
3-5 |
8-10 |
50-70 |
Теллур |
" |
1 |
1 |
30-50 |
Титан |
|
Не обн. |
300-500 |
До 2500 |
Торий |
1-3 |
" |
3-5 |
4-8 |
Уран |
1-3 |
|
5-10 |
5-9 |
Фтор |
80-100 |
220-250 |
100-120 |
До 2000 |
Хлор |
10-20 |
60-80 |
50-60 |
300-500 |
Хром |
100-120 |
500-600 |
600-900 |
100-120 |
Цезий |
Не обн. |
Не обн. |
Не обн. |
200-250 |
Цинк |
До 5000 |
До 25000 |
До 1000 |
До 15000 |
Цирконий |
Не обн. |
До 100 |
10-20 |
90-120 |
но выражена тенденция его присутствия в некоторых минералах. Он яв ляется спутником алюминия, цинка, железа, германия и практически по стоянно присутствует в углях и железных рудах, что наглядно отражено в табл. 3.8-3.10, а также в специально отобранных пробах металлурги ческих материалов предприятий ОАО “Северсталь” и АК “Тулачермет” (табл. 3.15).
Полный примесный состав металлургических материалов, отобранных из доменной печи JY®4
Химический
элемент
ОАО "Северсталь" после выдувки, г/т чугуна
|
|
Материал |
|
|
|
Козловой чу |
"Отложения |
|
Железистый |
"Металл из гар- |
|
гун с шлако |
на загрузоч |
"Цинковая |
шлак из швов |
||
нисажа под |
|||||
выми включе |
ном устрой |
настыль" |
кладки горна |
||
фурмой" |
|||||
ниями |
стве" |
|
печи |
||
|
|
Алюминий |
1%* |
2000 |
1 |
6% |
4 |
|
Барий |
500 |
100 |
Следы |
2000 |
Следы |
|
Бериллий |
1 |
2000 |
" |
6 |
Следы |
|
Бор |
70 |
03 |
Не обн. |
100 |
Следы |
|
Бром |
Не обн. |
30 |
” |
Не обн. |
Не обн. |
|
Ванадий |
600 |
200 |
Следы |
400 |
Следы |
|
Висмут |
Не обн. |
20 |
20 |
Не обн. |
200 |
|
Вольфрам |
" |
Не обн. |
Не обн. |
" |
Не обн. |
|
Галлий |
10 |
20 |
" |
|
" |
|
Германий |
Не обн. |
4 |
200 |
|
6 |
|
Железо |
Основа |
18% |
4% |
|||
Индий |
7 |
30 |
Не обн. |
Не обн. |
400 |
|
Йод |
Не обн. |
10 |
" |
" |
Не обн. |
|
Иттрий |
8 |
6 |
|
60 |
•• |
|
Калий |
1% |
10% |
0,9 |
2% |
Следы |
|
Кальций |
4% |
1,2% |
5 |
29% |
4 |
|
Кобальт |
10 |
5 |
Не обн. |
50 |
Не обн. |
|
Кремний |
4% |
1,3% |
8 |
16% |
6 |
|
Лантаноиды |
83 |
40 |
Не обн. |
360 |
Не обн. |
|
Литий |
100 |
50 |
0,2 |
200 |
Следы |
|
Магний |
2% |
3000 |
4 |
1% |
|
|
Марганец |
4000 |
900 |
Не обн. |
2000 |
Не обн. |
|
Медь |
20 |
10 |
10 |
40 |
400 |
|
Мышьяк |
Следы |
5 |
Не обн. |
Не обн. |
20 |
|
Молибден |
10 |
2 |
и |
|
Не обн. |
|
|
|
|
|
|
||
Натрий |
500 |
300 |
Следы |
2000 |
Следы |
|
Никель |
20 |
40 |
Следы |
40 |
Не обн. |
|
Ниобий |
30 |
Не обн. |
Не обн. |
30 |
|
|
Олово |
Не обн. |
4000 |
" |
50 |
15% |
|
Рубидий |
300 |
2000 |
Следы |
100 |
Следы |
|
Свинец |
Следы |
1600 |
800 |
Не обн. |
Основа |
|
Селен |
Следы |
30 |
Не обн. |
|
Не обн. |
|
Сера |
7000 |
1,6% |
7 |
1,4% |
9 |
|
Скандий |
40 |
3 |
Не обн. |
Не обн. |
Не обн. |
|
Стронций |
300 |
300 |
Следы |
400 |
Следы |
|
Сурьма |
Следы |
30 |
Не обн. |
2 |
1000 |
|
Титан |
||||||
3000 |
1000 |
Следы |
7000 |
Не обн. |
||
Фосфор |
||||||
600 |
70 |
Не обн. |
100 |
8 |
||
Фтор |
||||||
200 |
80 |
Следы |
1000 |
Следы |
||
Хлор |
7 |
300 |
||||
Следы |
60 |
6 |
||||
Хром |
||||||
300 |
100 |
Не обн. |
100 |
Не обн. |
||
Цинк |
||||||
6 |
47% |
Основа |
100 |
900 |
||
|
*_ 30 Не обн. 900 Следы
Если содержание элемента в образце находится на уровне 1масс. % и выше, то оно приводится100Цирконий
Предприятие |
Кокс |
Агломерат |
Окатыши |
Чугун |
|
ОАО "Северсталь" |
5-10 |
70-100 |
5-7* |
60-110 |
|
АК "Тулачермет" |
30-40 |
15-40 |
5-10** |
30-80 |
|
Предприятие |
Шлак |
Колошниковая |
Шлам доменный |
Шламы и зола |
|
пыль |
ТЭЦ |
||||
|
|
||||
ОАО "Северсталь" |
До 2 |
Следы |
150-250 |
2-20 |
|
АК "Тулачермет" |
Д оЗ |
Следы |
До 200 |
Следы |
*Костомукшские окатыши.
**Лебединские окатыши.
Из данных табл. 3.15 следует, что приход галлия в доменную печь в ус ловиях ОАО “Северсталь” изменяется в пределах от 65 до 125 г/т чугуна, при этом в ходе плавки галлий в основном переходит в чугун. Аналогичные результаты получены и для доменных печей АК “Тулачермет”, где при по ступлении в агрегат галлия в количестве 40-80 г/т чугуна его содержание в чугуне составляет 30-80 г/т.
Приведенные данные могут вызвать некоторое недоумение, особенно с точки зрения сложившегося стереотипа о близком сходстве химических свойств галлия и алюминия. Последний, как известно, в ходе доменного про цесса практически полностью переходит в шлак. Кроме того, и эксперимен тально установленный факт накопления галлия в доменном шламе требует физико-химического обоснования.
С целью объяснения полученных результатов на основе расчетов слож ных химических равновесий был проведен термодинамический анализ пове дения галлия и его основных соединений применительно к условиям домен ной плавки.
Поскольку основное количество галлия вносится с железорудными ма териалами, то поведение элемента прежде всего определяется степенью восстановления железа, особенно при температуре 800-1200 °С, когда в ус ловиях доменного процесса осуществляется переход FeO-Fe. Следует также учитывать хорошую растворимость галлия в железе (полная растворимость в жидком железе и около 20% массы - в твердом). Поэтому расчеты прово дили, подбирая состав исходной смеси таким образом, чтобы в равновесии находились как металлическое железо (в избытке), так и его оксид (FeO). При этом использовали два варианта задания восстановленной формы гал лия: как самостоятельной конденсированной фазы и как примеси в раство ре на основе железа (в расчетах использована модель идеального раствора Fe—Ga). При моделировании поведения галлия в интервале температур 1500-2500 °С с учетом реального характера протекания доменного процес са состав исходной смеси включал избыток углерода, что обеспечивало воз можность полного восстановления железа.
Как и следовало ожидать, анализ поведения галлия в системе без учета возможности образования раствора Fe—Ga показал, что при существовании равновесия между Fe и FeO восстановление Са20з до металлического галлия
невозможно. При температуре 1000-1150 °С происходит лишь восстановле ние Ga20 3 до Ga20, который находится в газообразном состоянии. Таким образом, весь галлий переходит в газовую фазу в виде Ga20. Если предполо жить, что данный процесс является доминирующим, то это неизбежно должно было приводить к выносу газовым потоком из печи галлия вместе с мельчайшими частицами шлама, на которых будет осаждаться вновь обра зующийся при низких температурах Ga2 0 3 . Однако по данным проведенных химических анализов этого не наблюдается.
Поведение галлия и его соединений кардинально меняется при рассмот рении возможностей его восстановления не в виде самостоятельной метал лической фазы, а как примеси в растворе на основе железа. В этом случае даже при существовании равновесия между Fe и FeO полное восстановление галлия из Ga20 3 в раствор на основе железа возможно уже при температу ре около 800 °С, т.е. восстановление галлия в раствор возможно, начиная с температуры восстановления самого железа, при этом газообразный Ga20 практически не образуется.
Термодинамическая предпочтительность восстановления элемента в раствор с железом вполне очевидна, особенно с учетом малой концентрации галлия, поскольку его химический потенциал в сильно разбавленном рас творе значительно ниже, чем в самостоятельной фазе. Это обусловливает стабильность состояния галлия как примеси раствора на основе железа и объясняет обнаруженный экспериментально практически полный переход элемента в чугун. Действительно, согласно проведенным термодинамиче ским расчетам для концентраций галлия около 100 г/т чугуна, в интервале температуры 800-1800 °С практически весь галлий должен быть связан в растворе железа.
При более высокой температуре в восстановительных условиях (при из бытке углерода) становится заметным переход галлия из раствора в газо вую фазу в виде паров металла. Этот процесс в реальных условиях домен ной плавки возможен в горне печи. Пары галлия, увлекаемые газовым по током, частично выносятся в верхнюю часть печи, где неизбежно окисляют ся С02 в газовой фазе сначала до Ga20, а затем до Ga20 3.
По-видимому, образование Ga20 3 в виде самостоятельной фазы малове роятно из-за низкой концентрации паров галлия в газовой фазе. Поэтому преобладающим механизмом конденсации является абсорбция оксидов гал лия мельчайшими пылевидными частицами твердой фазы, составляющими основу будущего доменного шлама. Аналогичный процесс может частично развиваться и при рассмотренном выше восстановлении Ga20 3 до Ga20. Этим и объясняется повышенное содержание галлия в проанализированных доменных шламах.
Таким образом, вносимый с железорудной частью шихты галлий прак тически полностью (до 95%) переходит в чугун, что обусловлено возможно стью его восстановления в раствор на основе железа. Обнаруженная повы шенная концентрация галлия в доменных шламах объясняется частичным
переходом галлия и его оксида в газовую фазу и последующей конденсаци ей на твердых частицах.
Основные минералы с т р о н ц и я - стронцианит (SrC03) и целестин (SrS04) —являются породообразующими, они нередко сопутствуют желе зорудным формациям и, как правило, в значительных количествах (ино-
Предприятие |
Кокс |
Агломерат |
Окатыши |
Чугун |
ОАО "Северсталь" |
70-85 |
3-30 |
Следы* |
Не обн. |
АК "Тулачермет" |
160-240 |
190-250 |
40-70** |
и |
|
||||
Предприятие |
Шлак |
Колошниковая |
Шлам доменный |
Шламы и зола |
|
|
пыль |
|
ТЭЦ |
ОАО "Северсталь" |
40-70 |
20-30 |
300-400*** |
20-75*** |
АК "Тулачермет" |
600-1000 |
150-250 |
400-600*** |
0 |
*Костомукшские окатыши.
**Лебединские окатыши.
***В пылеватой фракции до 0,01 мм, составляющей около 2 масс. %, содержание Sr достигает соответственно: в доменном шламе - 800-900 г/т, в шламе ТЭЦ - 110-400 г/т.
гда до 1 масс.%) присутствуют в известняках и доломитах. Кроме того, стронций относится к элементам интенсивного биологического поглоще ния растениями, что предопределяет присутствие его в каменных углях (особенно коксующихся), причем свыше двух третей элемента концентри руется в “органической” части углей. Все это определяет присутствие стронция в сырых металлургических материалах, что подтверждается данными табл.3.8-3.10 и 3.16.
Из приведенных данных следует, что приход стронция в доменную печь в условиях АК “Тулачермет” достигает 400 г/т чугуна. При этом ~ 300 г/т пе реходит в шлак и 15 г/т улавливается в ходе очистки колошникового газа (5 г/т в виде шлама, до 8 г/т в виде колошниковой пыли). Таким образом, не ясно, что происходит примерно с 85 г Sr/т чугуна.
Для условий ОАО “Северсталь” имеют место следующие результаты: приход стронция в печь составляет ~ 60 г/т чугуна (большая часть Sr вносит ся с коксом), переходит в шлак 13-25 г/т, улавливается в виде пыли и шлама 3-6 г/т; “невязка” между приходной и расходной частями баланса Sr состав ляет 30-40 г/т чугуна. Следует отметить, что в обоих случаях величина “раз баланса” примерно соответствует количеству Sr, вносимого в печь в составе “органической” части кокса. Данный факт требует объяснения.
С целью определения характера поведения стронция в доменной плав ке также были проведены термодинамические расчеты. Их результаты по казывают, что в температурном интервале 1300-1800 °С стронций перехо дит в шлаковую фазу процесса, образуя оксид и сульфид в соотношении ~ 1:2. При более высокой температуре (1800-2200 °С) возможен переход Sr в газовую фазу в виде паров металлического стронция. С учетом этого мож но предложить следующую схему поведения Sr в доменной плавке (рис. 3.7).
Стронций вносится в доменную печь в основном в виде оксида (с желе зорудными материалами и золой кокса) и в составе органической части ко кса (30-100 г/т чугуна в зависимости от природы углей, используемых при коксовании), а также (незначительно) в виде SrC03 в составе известняка и, возможно, в виде SrS в золе кокса.
Стронций органической части кокса, попадающий в фурменную зону печи, переходит в газовую фазу в виде паров металла. В ходе последующе-
17. Ю. С. Юсфин |
257 |