Оптимизация концентратора Falcon для извлечения железа из шлама доменной печи с использованием плана Бокса–Бенкенна

Превращение отходов в скрытый ресурс

Металлургические предприятия производят большие объёмы пыльного шлама при очистке газов печей. Эти отходы, известные как шлам доменной печи, богаты железом и углеродом, но их трудно повторно использовать, и при простом хранении или захоронении они могут нанести вред окружающей среде. Исследование, лежащее в основе этой статьи, задаёт простой вопрос с большими последствиями: можно ли с помощью компактного центробежного сепаратора превратить этот проблемный шлам в пригодный источник железа, сократив одновременно загрязнение и потребность в свежей сырьевой руде?

Почему важен шлам сталелитейных заводов

При производстве расплавленного чугуна мелкие частицы железа, угля и других минералов уносятся потоком горячих газов и затем задерживаются в фильтрах и отстойниках. В результате образуется тёмный, грязевой материал, содержащий много железа и углерода, но также очень тонкие частицы и нежелательные металлы, такие как цинк. Мелкозернистая структура затрудняет обращение с шламом в стандартных технологических операциях, а присутствие дополнительных металлов может вызывать коррозию оборудования или накапливаться до проблемных концентраций при обратной подаче шлама в печь. Одновременно с этим ужесточение правил захоронения и растущая озабоченность по поводу тяжёлых металлов в почве и воде побуждают заводы искать более разумные способы извлечения ценности из этого материала вместо того, чтобы рассматривать его как безусловный отход.

Вращающаяся чаша для сортировки ценных зерен

Исследователи испытали устройство под названием концентратор Falcon, которое похоже на глубокую вращающуюся чашу. При вращении чаша создаёт силы, во много раз превосходящие нормальную силу тяжести. Подача суспензии, приготовленной смешением шлама доменной печи с водой, вводится в чашу. Более тяжёлые, обогащённые железом частицы отталкиваются к стенке, тогда как лёгкие, углеродистые или пылевые частицы легче умываются контролируемым потоком воды, проходящим через пласт. Регулируя три рычага — долю твёрдой фазы в подаче, интенсивность потока воды и скорость вращения чаши — команда стремилась отделить обогащённую железом фракцию, которую можно отправить обратно в доменное производство, а лёгкий поток отходов — отвергнуть.

Поиск оптимального режима работы

Вместо метода проб и ошибок исследование использовало структурированный статистический план, называемый планом Бокса–Бенкенна, чтобы изучить комбинации трёх ключевых настроек. Было выполнено пятнадцать тщательно подобранных экспериментов, и для каждого замера регистрировали содержание железа в концентрате и долю общего железа, извлечённую в концентрат. Компьютерное моделирование связало настройки оборудования с этими двумя результатами. Анализ показал, что содержание твёрдой фазы в подаче мало влияло в пределах исследуемого диапазона, тогда как на результат в основном влияли два фактора: давление воды, используемой для разрыхления пласта, и скорость вращения, выраженная как кратность нормальной гравитации. Более высокое давление воды давало более чистый, более обогащённый железом продукт, но часть железа уходила в поток отходов. Более высокая скорость вращения действовала наоборот: она затягивала больше железа в концентрат, но одновременно захватывала больше посторонних частиц, снижая его пробу.

Баланс между качеством и выходом

Поскольку промышленности нужны и удовлетворительный состав по железу, и высокая степень извлечения, команда искала компромисс, а не единичное оптимальное значение. С помощью многокритериальной оптимизации они нашли набор режимов, который дал концентрат с приблизительно 51% железа, при исходном шламе с примерно 34% железа, и при этом извлек почти 58% содержащегося металла. Чтобы повысить степень извлечения, они прогнали отходы первого прохода через Falcon второй раз при тех же настройках. Комбинируя продукты двух стадий, они достигли общей извлечённости около 78% железа с конечным содержанием железа чуть ниже 50% в готовом продукте и отклонили почти половину исходной массы как менее ценный остаток.

Что это значит для более чистого сталеплавления

Для неспециалиста ключевое сообщение таково: корректно отрегулированная двухступенчатая обработка в компактном сепараторе способна превратить проблемный шлам сталеплавильного производства в более концентрированный источник железа, уменьшая объём материала, требующего дальнейшей обработки. Процесс не решает всех задач: большая часть цинка, присутствующего в исходном шламе, оказывается в обогащённом продукте, поэтому перед повторным использованием в печах всё ещё требуется дополнительная операция. Тем не менее, за счёт сокращения объёма, требующего этой доочистки, и извлечения значительной доли железа, предложенный подход представляет собой перспективный путь к более чистому и ресурсосберегающему производству стали.

Цитирование: Çerik, Ç. Optimization of Falcon concentrator for iron recovery from blast furnace sludge using Box–Behnken design. Sci Rep 16, 13588 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43785-1

Ключевые слова: шлам доменной печи, извлечение железа, гравитационная сепарация, концентратор Falcon, переработка в сталелитейной промышленности