Альтернатива коксу. "Русмет". 15 марта 2011

Изучение возможности замены кокса шунгитом
Природные катаклизмы все чаще заставляют металлургов задуматься о поиске альтернативы коксу. Так, для снижения расхода кокса при выплавке литейных чугунов – самого большого по объему производства вида высококремнистых чугунов – в шихту добавляют различные материалы, способствующие переходу кремния в чугун. Уже применялись: силикокс (кокс, полученный с добавками в угольную шихту кварцевого песка), шлаки производства ферросилиция, горючие сланцы с кремнеземистой пустой породой, ферросилиций. Одним из последних решений стало применение в шихте доменных печей нового и пока еще малознакомого для металлургов природного материала – шунгита. Глубокое изучение свойств этого материала доказало достаточную перспективность его использования для частичной замены кокса не только в черной, но и цветной металлургии.
Подарок природы
Шунгит – это комплексное углеродсодержащее сырье, которое состоит из особой разновидности аморфного углерода и силикатных материалов, среди которых преобладает кварц. Название породы произошло от названия небольшой карельской деревни Шуньга, где он был обнаружен местными крестьянами в середине девятнадцатого века. Шунгитовые породы достаточно разнообразны по форме проявлений, времени формирования, генезису и вещественному составу зольной части, изотопному составу, агрегатному и структурному состоянию шунгитового углерода. До настоящего времени шунгитовые породы, содержащие особое углеродное вещество (возрастом 2 млрд. лет) определенной, присущей им структуры, в промышленных масштабах обнаружены только в Карелии. Площадь распространения шунгитовых пород, приуроченная к северной части Онежского озера, составляет около 10 тыс. км. Прогнозные запасы этого "шунгитового бассейна" оцениваются в 1 млрд. тонн.
Промышленная разработка шунгитовых пород в настоящее время ведется на единственном в мире месторождении "Зажогинское" в Карелии. Запасы высокоуглеродистых шунгитовых пород данного месторождения подсчитаны в количестве 154 млн. т, в т.ч. промышленные – 31,4 млн. т. Работы по добыче ведутся ООО Научно-производственный комплекс "Карбон-Шунгит", производственная мощность предприятия составляет около 200 тыс. т в год.
Перспективность шунгитовых пород для использования в качестве сырья для металлургии обусловлена несколькими факторами.
Соотношение основных компонентов шунгита – углерода (30%) и кремния (55%) достаточно близко к стехиометрическому, необходимому для реализации восстановительных процессов в системе Si-C-O и синтеза металлического кремния и карбида кремния.
Шунгитовый углерод обладает аморфной структурой и сохраняет высокую реакционную способность во всем интервале температур реальных металлургических процессов.
Специфичная структура шунгитовых пород оказывает положительное влияние на кинетику и энергетику восстановительных реакций в системе Si-C-O. Структура зажогинского шунгита представляет собой равномерное распределение силикатных материалов с размерностью частиц менее 10 мкм в углеродной матрице, что обеспечивает тесный и развитый (до 20 кв. м/г) контакт между силикатами и углеродом. Это повышает значимость твердофазных реакций в восстановительном процессе и создает ряд технологических преимуществ при использовании шунгитов в случае замены им металлургического кокса и кремнеземистого сырья в процессе получения карбида кремния, выплавки кремнистых чугунов и ферросплавов.
Шунгиту присущи высокая механическая прочность (800-1200 кг/кВ. см) и малая истираемость. Высокая плотность шунгита (2.2–2.4 т/куб. см) способствует более экономичному использованию объема печного агрегата при замене им традиционной углерод-кремнеземной шихты.
Термические и петрографические исследования шунгитовых пород показали, что при 1250 градусов Цельсия в них начинают осуществляться восстановительные процессы, а в интервале 1500-1700 градусов интенсивно синтезируется карбид кремния. При 1800 градусов убыль массы составляет 57%, а доля SiC в составе продуктов превышает 80%.
Все вышеперечисленные свойства определили направления использования шунгита в металлургии: в доменной плавке литейного и передельного чугуна; в электрометаллургии ферросплавов и цветных металлов; для производства SiC с целью последующей переработки последнего в огнеупорные и химстойкие конструкционные материалы, а также для использования в качестве наполнителя в огнеупорных массах в качестве восстановителя; в желобных и леточных массах в качестве уплотняющей добавки вместо металлургического кокса.
Первые шаги использования
Промышленное использование шунгита в выплавке литейного чугуна осуществляется на одном из ведущих предприятий российской металлургии, крупнейшем в стране экспортере товарного чугуна – ОАО "Тулачермет". Также для аналогичных целей шунгит используется на двух старейших металлургических предприятиях России – ОАО "Косогорский металлургический завод" (основан в 1887 году) и ОАО "Липецкий металлургический завод "Свободный сокол" (основан в 1900 году). Установлено, что коэффициент замены кокса шунгитом составляет в среднем 1 тонну кокса на тонну шунгита. Доля кремния шунгита, переходящего в чугун, составляет 88,5%. С ростом содержания кремния в чугуне коэффициент замены кокса повышается.
При выплавке литейного чугуна тонна шунгита с содержанием углерода 30% заменяет 0,9-1,2 тонны кокса, или 1 кг шунгитового углерода заменяет 3-4 кг коксового углерода.
При доменной плавке передельного чугуна коэффициент замены кокса шунгитом значительно ниже и составляет в среднем 0,5. Но при использовании шунгита для выплавки передельного чугуна проявляется способность синтезировать в температурных условиях доменной печи карбид кремния и осаждать его на стенки печи в нижней части горна, создавая гарнисаж и увеличивая срок службы печи. Данный эффект, к сожалению, экономически пока еще полностью не оценен. Его расчеты ведутся на Череповецком и Новокузнецком металлургических комбинатах.
При использовании шунгита в производстве ферросплавов отмечается повышение производительности печи и сокращение расхода электроэнергии. Так, в промышленных плавках ферросилиция с использованием шунгита на Запорожской заводе ферросплавов было получено снижение использование кокса на 14% и уменьшение расхода электроэнергии на 2,07%, а при выплавке силикомарганца на Никопольском заводе ферросплавов потребление кокса сократилось на 14,7%, а расход электроэнергии – на 2,66%. Кроме того, было достигнуто повышение производительности печи на 3%.
При доменной выплавке ферросплавов коэффициент замены кокса шунгитом оценен, в среднем, 0,5 т/т. При выплавке силикомарганца в электропечах расход шунгита составляет 200 кг на 1 тонну сплава.
Благодаря своим уникальным свойствам использование шунгитовых пород в пирометаллургии цветных материалов также показывает значительный положительный эффект. Так, высокое сопротивление шунгита позволяет вести плавку с повышенным углеродом. Высокая плотность дает возможность шунгиту глубже погружаться в расплав и меньше окисляться кислородом печных газов. Отсутствие заметного количества примесей помогает улучшить качество выпускаемого материала (никель, цинк, свинец и др.). В целом, использование шунгита в пирометаллургии цветных металлов позволяет сократить расход кокса и песчаника, повысить извлекаемость металлов из сырья, снизить расход электроэнергии, что подтверждено промышленными испытаниями, которые проводились несколько лет назад на крупнейшем в мире производителе никеля и палладия ГМК "Норильский никель".
Несмотря на то, что использование шунгитовых пород в качестве альтернативы коксу ограничено его единственным в мире промышленным месторождением в Карелии, необходимо использовать его пока еще до конца не изученные возможности для увеличения эффективности работы металлургических предприятий.