ПРИАЗОВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Ожогін Володимир Володимирович

УДК 669.1.054.83

Удосконалення ресурсозберігаючої технології

одержання і використання високоміцних

шламових брикетів в аглодоменному виробництві

Спеціальність 05.16.02 – Металургія чорних металів

Автореферат

дисертації на здобуття вченого ступеня

кандидата технічних наук

Маріуполь – 2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Приазовському державному технічному університеті (ПДТУ)

Міністерства освіти і науки України, м. Маріуполь

Науковий керівник:

доктор технічних наук, старший науковий співробітник

Томаш Олександр Анатолійович, Приазовський державний технічний

університет (м. Маріуполь), професор кафедри металургії чавуну.

Офіційні опоненти:

Доктор технічних наук, доцент Ванюкова Наталія Дмитрівна,

Національна металургійна академія України (м. Дніпропетровськ),

професор кафедри металургії чавуну.

Кандидат технічних наук, доцент Ростовський Володимир Іванович,

Донецький національний технічний університет (м. Донецьк),

доцент кафедри руднотермічних процесів і маловідходних технологій

Провідне підприємство:

Інститут чорної металургії ім. З.І. Некрасова Національної Академії наук України (м. Дніпропетровськ), відділ металургії чавуну

Захист відбудеться 21 січня 2005 р. о 14 години на засіданні спеціалізованої вченої ради К 12.052.01 при Приазовському державному технічному університеті за адресою: 87500, м. Маріуполь, Донецької обл., вул. Університетська, 7.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Приазовського державного технічного університету: 87500, м. Маріуполь, вул. Апатова, 115.

Автореферат розісланий 17 грудня 2004 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради

доктор технічних наук, професор В.О. Маслов

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Проблема утилізації промислових відходів, що нагромадилися, в чорній металургії, не дивлячись на вживання заходів, залишається поки не вирішеною. В Україні розміщено більше 2 млрд. т шлаків і шламів виробництва чорних металів, які займають 160 тис. га земель. Нарощування об'ємів складування відходів продовжується. Відповідно до законів України “Про охорону навколишнього природного середовища” і “Про відходи” забезпечення заходів щодо утилізації відходів є пріоритетним.

Існуючі способи і технології утилізації шламів не можуть забезпечити необхідних об'ємів їх переробки. В Україні отримав розповсюдження в промисловості, головним чином, один спосіб переробки залізовмісних шламів, що передбачає введення їх в аглошихту. Добавки шламів в аглошихту погіршують її газопроникність, що приводить до зниження продуктивності агломашин і якості агломерату. Внаслідок цього витрата шламів в аглошихту обмежена. Тому особливого значення набуває розробка нових і вдосконалення традиційних способів і технологій утилізації шламів, зокрема брикетуванням.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота відповідає “Концепції розвитку гірничо-металургійного комплексу України до 2010 р.”, “Національної концепції раціонального поводження з відходами виробництва і споживання”, “Державній програмі використання відходів виробництва і споживання на період до 2005 р.”. Робота виконана відповідно до плану наукових досліджень кафедри металургії чавуну ПДТУ на 2000-2004 рр. і планів НДР, що проводились в 2003-2004 рр. в межах вищеназваних планів і програм (номери держрегістрації 0103U001471 і 0104U005371), співвиконавцем яких був автор.

Мета і задачі досліджень. Метою роботи є підвищення об'ємів і ефективності утилізації металургійних шламів на основі розробки нетрадиційних способів і технологій отримання і використання брикетів.

Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити наступні задачі:

- вдосконалення теоретичних методів оцінки механічної міцності брикетів по величині роботи, затрачуваної на їх руйнування;

- визначення умов і закономірностей отримання високоміцних шламових брикетів; виявлення основних чинників, що впливають на міцностні характеристики брикетів і їх експериментальна кількісна оцінка;

- визначення оптимальних складів шламових брикетів, що володіють необхідною міцністю;

- розробка способів отримання і введення в аглошихту шламових гранул і визначення їх впливу на ефективність роботи аглоустановки.

Об'єкт досліджень. Процеси компоновки суміші, пресування, зміцнення, дроблення і використання брикетів з тонкоздрібнених матеріалів і шламів.

Предмет досліджень. Механічні і металургійні властивості шламових брикетів різного складу, отриманих в різних умовах, і їх вплив на показники агломераційного і доменного процесів.

Методи досліджень. В роботі широко використані сучасні методи досліджень, що включають постановку і планування експериментів, досліди в лабораторних і промислових умовах, математичне моделювання, статистична обробка експериментальних даних з використанням прикладних комп'ютерних програм, які дозволяють отримати достовірну інформацію про досліджувані об'єкти.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Отримали подальший розвиток теоретичні основи контролю механічної міцності огрудкованих матеріалів. Для контролю міцності брикетів запропонований інтегральний показник роботи ударного руйнування після N скидань з висоти 2 м. Знайдений зв'язок показника роботи ударного руйнування з виходом фракції +5 мм, показником барабанної проби і міцністю на роздавлювання.

2. Вдосконалені теоретичні положення брикетування матеріалів за рахунок досліджень впливу комплексу чинників на механічну міцність брикетів. У тому числі вперше виявлено і досліджено вплив на міцність брикетів наступних чинників: порядку (черговості) змішування компонентів шихти, тривалості зберігання і витримки окремих компонентів сумішей, а також вогкості брикетувальної шихти. Запропонована класифікація основних чинників, що формують міцність брикетів.

3. Вперше, за допомогою планування експерименту і розробленої математичної моделі типа “Склад – властивість”, знайдені оптимальні склади трьохкомпонентної шихти, що містить оксиди заліза, кальцію й алюмінію, з метою отримання брикетованого залізофлюсу для доменного виробництва з більшою механічною міцністю в порівнянні з агломератом.

4. Вперше експериментально доведена можливість збільшення продуктивності агломашин і міцності агломерату при необмеженому збільшенні витрат шламів в агломераційну шихту за рахунок їх попереднього брикетування з подальшим дробленням і переведенням з фракції, що грудкується, у фракцію центрів огрудкування.

Практичне значення отриманих результатів.

1. Розроблений склад і спосіб отримання комплексного брикетованого залізофлюсу, в якому за рахунок підбору оптимальних співвідношень шихтових компонентів без застосування спеціальних сполучних досягається максимальна механічна міцність брикетів, достатня для застосування їх в доменній плавці і в сталеплавильних процесах. Розроблений спосіб отримання міцних брикетів дозволяє утилізувати шлами на металургійних підприємствах з недостатніми агломеруючими потужностями. Очікуваний економічний ефект від виробництва і використовування 340 тис. т шламів в рік на комбінаті “Азовсталь” складає 9,27 млн. грн. (в цінах 2003 р).

2. Розроблений спосіб агломерації залізорудних матеріалів з добавками шламів у вигляді кришива брикету, який забезпечує підвищення продуктивності агломашин, якість агломерату і ступеня утилізації шламів. Застосування на аглофабриці комбінату “Азовсталь” розробленого способу спікання агломерату дозволяє підвищити її продуктивність при одночасному збільшенні об'єму утилізованих шламів до 200 тис. т в рік. Очікуваний річний економічний ефект від упровадження даного способу складе 10,91 млн. грн. (в цінах 2003 р).

Особистий внесок здобувача. Автор брав безпосередню участь в постановці задач, розробці методик, створенні лабораторного устаткування, організації й проведенні експериментів. Автор самостійно сформулював принципи і умови отримання міцних брикетів, досліджував закономірності брикетування різних шламів і їх сумішей, знайшов кількісну залежність впливу основних технологічних і фізико-хімічних чинників на міцність брикетів, розробив математичну модель залежності механічної міцності брикетів від їх компонентного складу; досліджував вплив добавок в аглошихту гранульованого шламу на продуктивність аглоустановки і якість агломерату, розробив промислові способи отримання гранул.

Аналіз отриманих даних і узагальнення результатів досліджень, створення статей, докладів і патенту виконано при безпосередній участі автора. Представлені в роботі основні ідеї та наукові положення розроблені автором особисто.

Апробація результатів дисертації. Основні результати і положення дисертації докладені й обговорені на міжнародній науковій конференції “Проблеми і напрями розвитку металургії” (м. Дніпропетровськ, 2003 р.), міжнародній науково-технічній конференції “Теорія і практика виробництва чавуну” (м. Кривий Ріг, 2004 р.) і регіональних науково-технічних конференціях (м. Маріуполь, 1998-2004 рр.)

Публікації. Основні результати дисертації викладені в 15 публікаціях: 5 статтях в наукових журналах і збірниках, 1 патенті, 9 тезах докладів на науково-технічних конференціях.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається з введення, 3 розділів з висновками по кожному розділу і загальних висновків, що включають 162 сторінки. Повний об'єм дисертації 207 сторінок, включаючи 18 ілюстрацій, 40 таблиць, 8 додатків на 28 сторінках, перелік використаної літератури з 177 найменувань на 17 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У введенні обґрунтована актуальність роботи, висловлені мета роботи, задачі досліджень, практичне значення отриманих результатів і особистий внесок здобувача; представлені відомості про апробацію і публікацію основних результатів дисертації.

У розділі 1 “СУЧАСНИЙ СТАН, ПРОБЛЕМИ І ТЕНДЕНЦІЇ РОЗВИТКУ СПОСОБІВ І ТЕХНОЛОГІЙ УТИЛІЗАЦІЇ ПИЛОПОДІБНИХ МЕТАЛУРГІЙНИХ ВІДХОДІВ” виконаний аналіз відомих розробок в області огрудкування подрібнених металургійних відходів агломерацією, окатуванням і брикетуванням з подальшим використуванням в доменному і сталеплавильному переділах. Вивчені фізико-хімічні й металургійні властивості шламів, проаналізовані особливості їх спікання, окатування та брикетування. Узагальнені причини зниження продуктивності агломашин при введенні шламу в шихту і недостатньої механічної міцності брикетів. Виявлені й класифіковані 44 чинника міцності брикетів. Зроблені висновки про можливість ефективного виробництва і використування високоміцних шламових брикетів у металургійних процесах.

У розділі 2 “ВПЛИВ РІЗНИХ ЧИННИКІВ НА МІЦНІСТЬ ШЛАМОВИХ БРИКЕТІВ. РОЗРОБКА СПОСОБУ ОТРИМАННЯ ДОМЕННИХ БРИКЕТІВ” виконані дослідження впливу основних чинників, що формують міцність брикетів, визначені умови отримання високоміцних брикетів і розроблений промисловий спосіб їх отримання.

Основними чинниками, що впливають на міцність брикетів, є тиск і тривалість пресування; режими (у тому числі тривалість і температура) сушки; порядок підготовки і вогкість шихти; хіміко-мінералогічний і фракційний склад компонентів шихти; добавки спеціальних видів сполучних; розмір і форма брикету, тривалість витримки та ін. Для визначення впливу вказаних чинників на міцність матеріалу виготовляли брикети діаметром 30 мм, заввишки 15-20 мм і масою 25-30 г з плоскопаралельними підставами.

Механічну міцність брикетів визначали по двох показниках: ударної міцності 20, %, й міцності на роздавлювання р, МПа, яку виміряли на універсальній випробувальній машині EU-40. Ударну міцність 20, %, характеризували виходом фракції +5 мм після 20 скидань з висоти 2 м на сталеву плиту. Кількість скидань відповідає висоті падіння брикетів в доменному процесі, яка складає 40 м або 20 скидань.

У разі неміцних брикетів, що мають 20 = 0, для оцінки ударної міцності використовували питому роботу руйнування А20, Дж/кг, що виміряється величиною потенційної енергії брикету, який падає з висоти 2 м 20 разів, тобто:

А20 = g h (1)

де g – прискорення вільного падіння, g = 9,81 м/с2; h – висота падіння брикетів, h = 2 м; 20 – кількість падінь брикетів; і – вихід фракції +5 мм після i-го скидання, д. од.

Максимальна робота руйнування для 20 падінь з висоти 2 м складає 392,4 Дж/кг.

Визначення стиранням не проводили, оскільки для міцних брикетів вона достатньо висока і складає через 15 хв. 94-97 %.

Відповідно до прийнятої методики вимірювань механічна міцність складає:

- агломерату лужністю 1,21 ( Feзаг = 52,4 %; FeO = 11,5 %; барабанна проба 67,4 %; міцність на роздавлювання 17,5-37,7 МПа) А20 = 310,1 Дж/кг; 20 = 65,9 %.

- окатишів фракції 15-20 мм лужністю 0,65 (Feзаг = 59,7 %; FeO = 2,7 %; зусилля роздавлювання 2,0-2,5 кН/окатиш, або 100-123 МПа; барабанна проба 96,0 %) А20 = 387,1 Дж/кг; 20 = 96,25 %.

Для вивчення залежності міцності брикетів від тиску пресування вибраний вапнований конвертерний шлам (шифр – 100КВ), що володіє високими брикетуючими властивостями, містить Feзаг = 48,28 % і CaO = 22,34 %. Тиск пресування варіювали від 16,5 до 165 МПа. Вибір цього тиску визначався можливостями вальцьових пресів, які освоєні національними виробниками, зокрема НКМЗ.

Застосовували два варіанти сушки: інтенсивний – сушка 0,5 год. при 250 С і природний – сушка 7 діб при 20-25 С, протягом яких в брикеті реалізується 80-85 % його максимальної міцності.

Ударна міцність 20, %, брикетів, які витримані протягом 0,5 год. при 250 С, описується залежністю

= 1,565 (р – 11,0)0,791 , (2)

де р – тиск пресування, МПа.

Кореляційне відношення даної залежності = 0,998.

Те ж, для брикетів, які витримані протягом 7 діб при 20-25 С, ( = 0,933)

= 13,003 (р – 5,0)0,3728 . (3 )

Міцність на роздавлювання р, МПа, брикетів, які витримані протягом 0,5 год. при 250 С, описується залежністю ( = 0,977)

= 3,235 р0,4556 . (4)

Те ж, для брикетів, які витримані протягом 7 діб при 20-25 С, ( = 0,989)

= 7,038 р0,263 . (5)

На рівні мінімальних вимог, що пред'являють до доменної сировини, прийнявши значення р = 17,5 МПа, а також 20 = 65,90 %, одержуємо тиск пресування рmin = 49,5 МПа.

Значущим чинником є також час знаходження брикету під максимальним тиском. Його збільшення з 0,5 с до 5-10 с збільшує міцність брикетів на 3,6-5,3 %. Враховуючи, що такий спосіб подовжує загальний цикл пресування, використовування цього чинника повною мірою нераціонально через зниження продуктивності преса.

Істотний вплив на щільність і тривалість сушки, а отже й міцність брикетів, надають розмір (об'єм) і форма (співвідношення об'єму і поверхні) брикету. Для визначення співвідношення між щільністю й товщиною (об'ємом) брикету для складу 50АД 50ВП (50 % аглодоменний шлам і 50 % гідратований вапняний пил) при односторонньому пресуванні була отримана залежність відносної щільності елементарного шару рш від відстані до верху брикету h, см, ( = 0,990)

ш = 0,190 е + 0,810 . (6)

З отриманої залежності виходить, що висота брикету, близького до рівнощільного (співвідношення щільності нижнього и верхнього шарів є 0,9), складає 1,53 см, а співвідношення H : D 0,5.

Важливою властивістю брикету є його здатність швидко висихати. При рівних об'ємах брикет з більшою поверхнею висихає швидше. Нетривала природна сушка вимагає менше складських приміщень, а на інтенсивну сушку витрачається менше тепла. Тривалість сушки брикетів визначається часом досягнення ними мінімальної маси.

Для зіставлення брикетів різних форм і об'ємів служить умовна товщина брикету Ну, см, яка визначається відношенням об'єму брикету V, см3, до його поверхні П, см2.

Для брикетів складу 100КВ залежність мінімальної тривалості сушки , діб, від умовної товщини Ну, см, має вигляд ( = 0,96)

= 11,955 Н . (7)

Тривалість сушки брикетів з відношенням Н : D = 0,5 при t = 25 С складає 1,5 діб.

Чинник якості підготовки шихти робить важливий вплив на міцність брикетів. По-перше, шихта, що недостатньо прореагувала та включає вапняні компоненти, збільшуючись в об'ємі, викликає руйнування брикетів. Дослідами встановлено, що вапно і відсів вапна після гасіння доцільно використовувати по закінченню доби, а вапняний пил газоочисток – на п'яту добу. По-друге, недостатньо перемішана шихта має неоднорідності, які при динамічному або статичному навантаженні приводять до

виникнення локальних концентрацій напруг і передчасного руйнування брикетів.

Залежність роботи ударного руйнування брикетів А20, Дж/кг, від тривалості змішування шихти , хв., з кореляційним відношенням = 0,973 описується рівнянням

А20 = 39,43/( + 0,26) – 358,9 . (8)

В третє, деякий вплив на міцність брикетів надає черговість подачі компонентів на змішування. Для двохкомпонентних сумішей такий порядок не має ніякого значення. Для багатокомпонентних сумішей необхідно змішувати в першу чергу ті компоненти, які дають міцні сполуки, наприклад, алюмінати кальцію. Подача компонентів на змішування в черговості: 1 – глиноземистий шлам, 2 – гідратне вапно, 3 – конвертерний шлам, для суміші, що містить ці компоненти в рівних частках, підвищує ударну міцність на 1,9 %.

Оскільки суміші, що складаються з відходів, не завжди дають потрібний склад і властивості брикетів, в шихту вводять різні добавки: окалину, колошниковий пил, коксик та ін. Встановлено, що добавки зернистих матеріалів знижують ударну міцність брикетів, по поверхнях зерен яких відбуваються сколи. Міцність на роздавлювання брикетів, що включають оптимальні об'єми зернистих матеріалів, звичайно зростає, оскільки зернисті включення утворюють усередині брикету каркас, що підвищує міцність на роздавлювання.

Волога грає важливу роль в отриманні міцних брикетів. Випаровування води приводить до кристалізації розчинених в ній речовин, які міцно з'єднують частки шихти. При пресуванні вода грає роль мастила, яке сприяє щільній упаковці часток. Надлишок води в суміші погіршує міцність брикетів. Якщо відома оптимальна вологість брикетованих монокомпонентів, то оптимальна вологість їх суміші визначається як середньоарифметичне зважене по масі цих компонентів і складає 12-16 %.

Висока пористість брикетів обусловлює і велику влагопоглинованість. Так, для суміші, що містить 50 % конвертерного шламу і 50 % гідратного вапна (50КШ 50ВГ) вона складає 16,85 % від маси сухого брикету. Зволожені брикети втрачають значний рівень міцності – більше 20 %, повторно висушені – більше 7 %. До цього ж, при негативних температурах замерзла волога руйнує брикет. Ці обставини, а також вибухонебезпека вологих брикетів, викликають необхідність організації їх захисту від попадання вологи.

Міцність брикетів з окремих видів відходів за однакових умов підготовки шихти і пресування залежить від багатьох чинників: тривалості зберігання матеріалів, хіміко-мінералогічного складу, фізичних властивостей, умов сушки й ін., мал. 1.

Залежно від фракційного складу і фізико-хімічних властивостей вихідні матеріали по міцності діляться на три групи.

Перша група – широкий клас відходів більш крупного фракційного складу і гіршої зліплюваності, який вимагає добавок сполучних. До неї відносяться колошниковий пил, аглодоменний шлам, пил і відсів вапняку й ін. Добавка таких матеріалів в брикет приводить до зниження його міцності. Для брикетів цієї групи А20 < 100-150 Дж/кг.

Друга група – тонкоздрібнені конвертерні і мартенівські шлами, шлами аспіраційних і тонких ступенів агломераційних і доменних газоочисток, що володіють високою зліплюваністю. Матеріали цієї групи можуть бути основними компонентами складу брикету. Для цієї групи А20 складає 150-300 Дж/кг.

Третя група – високодисперсні вапно- і глиноземвмісні матеріали: вапно і відсів вапна, вапняний пил, глиноземистий шлам. Брикети флюсів, які виготовлені з цих матеріалів, задовольняють вимогам по механічній міцності, що пред'являється

до доменних матеріалів. Ця група матеріалів може використовуватися як зміцнюючі й сполучні добавки в матеріали першої й другої групи. А20 складає 300-380 Дж/кг.

Мінімальна тривалість зміцнення брикетів при сушці в природних умовах – 4-5 діб. За цей час брикет формує більше 80 % його максимальної міцності. При більш тривалій сушці для окремих видів сировини може спостерігатися на 6–12-у добу зниження міцності брикетів у результаті перекристалізації матеріалів, яка пов'язана з втратою вологості й переходом молекулярних сполук в більш прості форми існування матеріалів. Потім за рахунок карбонізації міцність вапновмісних брикетів збільшується.

Більшою механічною міцністю володіють брикети, які виготовлені зі свіжих шламів, які активізовані їх участю в основному виробничому переділі. Зниження міцності брикетів, які виготовлені після тривалої витримки шламів, може бути значною – до 30 %.

Кращі результати дає використання тонких шламів. Матеріали, що мають в своєму складі крупні фракції (колошниковий пил, окалина та ін.), дають неміцні брикети.

Проведені дослідження дозволяють встановити, що з матеріалів, що відносяться до першої та другої групи, методами холодного пресування при тиску 50 МПа і більше з подальшою природною або інтенсивною сушкою отримати брикет необхідної міцності не представляється можливим.

Добавки спеціальних сполучних у багатьох випадках дозволяють отримати брикети, придатні по механічній міцності до використання в доменному виробництві. Проте висока їх вартість (більше 44 грн/т), наявність сірки або лугів, ускладнення технології брикетування, а також нестійка поведінка брикетів при високих температурах виключає можливість їх використання. Як сполучне, яке відповідає більшості вимог, що пред'являються до нього, заслуговують увагу дешеві вапновмісні відходи – відсів вапна і вапняний пил, а також інші матеріали групи, у тому числі глиноземистий шлам. Ці матеріали за деяких умов здатні дати високу міцність брикетів.

Двохкомпонентні шламові суміші з добавками гідратного вапна (ВГ) дозволяють отримати брикети високої міцності, проте вони мають істотний недолік: високий вміст вапняного компоненту і зменшення міцності при нагріві більше 500 0С. Вказані недоліки значною мірою усуваються при використанні трьохкомпонентних сумішей, що містять глиноземистий шлам (Ф), тобто х1Ф х2ВГ х3КШ. Оптимальний склад таких сумішей знайшли за допомогою математичної моделі, для побудови якої провели трьохчинниковий експеримент. Шукані коефіцієнти цієї моделі визначали за допомогою симплекс-гратчастих планів Г. Шеффе, адекватність – за допомогою критерію Стьюдента.

Функціональна залежність механічної міцності брикетів від їх компонентного складу х1, х2, х3, що виміряється в частках одиниці, мають наступний вигляд.

Для роботи руйнування А, Дж/кг, брикетів, які витримані 0,5 год. при t = 250 С:

А = 233,0х1 + 368,5х2 + 244,0х3 + 287,6х1х2 + 469,6х1х3 + 188,6х2х3 ––

59,1х1х2х3 + 308,2х1х2(х1 – х2) – 331,0х1х3(х1 – х3) – 21,6х2х3(х2 – х3). (9)

Те ж, для ударної міцності , %:

= 7,19х1 + 80,24х2 + 30,23х3 + 177,55х1х2 + 206,82х1х3 + 91,42х2х3 ––

296,06х1х2х3 + 159,37х1х2(х1 – х2) – 176,85х1х3(х1 – х3) + 1,28х2х3(х2 – х3). (10)

Те ж, для міцності на роздавлювання , МПа:

= 17,20х1 + 26,28х2 + 9,71х3 + 49,23х1х2 + 180,45х1х3 + 73,51х2х3 ––

527,51х1х2х3 – 36,81х1х2(х1 – х2) – 151,24х1х3(х1 – х3) – 56,86х2х3(х2 – х3). (1)

Для роботи руйнування А, Дж/кг, брикетів, які витримані 7 діб при 20-25 С:

А = 310,6х1 + 366,1х2 + 212,5х3 + 156,6х1х2 + 221,6х1х3 + 319,0х2х3 +

+ 238,3х1х2х3 + 236,2х1х2(х1 – х2) + 227,5х1х3(х1 –х3) – 374,0х2х3(х2 – х3). (12)

Те ж, для ударної міцності , %:

= 49,71х1 + 82,61х2 + 19,31х3 + 98,82х1х2 + 80,68х1х3 + 133,04х2х3 +

+ 248,38х1х2х3 + 124,65х1х2(х1 – х2) + 153,81х1х3(х1 – х3) – 162,61х2х3(х2 – х3). (13)

Те ж, для міцності на роздавлювання , МПа:

= 15,10х1 + 20,76х2 + 12,79х3 + 83,09х1х2 + 41,33х1х3 + 2,54х2х3 –

61,13х1х2х3 – 2,59х1х2(х1 – х2) – 15,46х1х3(х1 – х3) – 5,78х2х3(х2 – х3). (14)

В графічному виді залежності для 20 і р представлені на рис. 2 і 3.

Зіставлення діаграм міцності ударної й на роздавлювання дозволяє виділити загальну область складів з мінімальними добавками глиноземистих шламів і гідратного вапна для брикетів, які витримані при 250 оС і при 20-25 оС, і володіють механічною міцністю (20 = 66-72 %, р = 19-40 МПа), яка перевищує міцність агломерату, тобто: Feзаг – 52,0-35,1 %; CaO – 8,8-21,0 %; Al2O3 – 1,7-0,3 %; лужність – 2,33-9,0. По хімічному складу ці суміші відносяться до класу комплексних флюсів. Температурний інтервал розм'якшення (усадки) таких сумішей складає 910-1250 оС, що допускає їх використання в доменному виробництві. Очікуваний річний економічний ефект при виробництві 340 тис. т. брикетів складає 9,27 млн. грн. (в цінах 2003 р); термін окупності капвкладень – 1,7-2,6 роки.

В розділі 3 “РОЗРОБКА ВИСОКОЕФЕКТИВНОЇ ТЕХНОЛОГІЇ УТИЛІЗАЦІЇ ШЛАМІВ В АГЛОМЕРАЦІЙНОМУ ВИРОБНИЦТВІ” визначено вплив добавок в аглошихту шламу, підготовленого різними способами, розроблена технологія високоефективної його утилізації, знайдені оптимальні умови отримання гранул.

Основним недоліком існуючої технології утилізації шламів в агломераційному виробництві є погіршення газопроникності шихти, що приводить до істотного зниження продуктивності установки і якості агломерату. Причиною цього є погіршення якості огрудкування внаслідок уведення в аглошихту великої кількості фракції, що погано грудкуються або надмірно злипаються, які погіршують порозність огрудкованоі шихти.

Перспективним способом, що знімає цей недолік, є отримання з шламів ущільнених гранул фракції 1,6-6,0 мм (за умов опікуваності шламу допускається до 8 мм) і введення їх в аглошихту. При цьому шлам, що погано грудкується, крупністю часток 1,6-0,074 мм і шлам, що погано змішується і надмірно злипається, крупністю менше 0,05 мм, стають центрами огрудкування, на які в процесі перемішування шихти накочуються дрібні частки.

Розроблені способи грануляції шламів включають:

1) попереднє змішування шламу з відсівом вапна або вапняним пилом для скріплення надлишків вологи і забезпечення міцності гранул;

2) брикетування шламовапняної суміші на вальцьових пресах із зусиллями 25-50 МПа; для зміцнення брикетів і поліпшення процесу дроблення передбачається сушка при 250 С протягом 0,5 год.;

3) багатостадійне дроблення з відсівом потрібної фракції -6 ...-8 мм на кожній стадії; отриманий матеріал – кришиво брикетів – направляють в згрудкувач; при двохступінному дробленні вихід фрак-

ції 1,6-8 мм може доходити до 80 %;

4) для зниження в кришиві брикету вмісту фракції -1,6 мм і здешевленні його виробництва можлива заміна схеми “брикетування – дроблення” альтернативними схемами: екструзією суміші в стрічково-вакуумному пресі або шнековому пресі-грануляторі, безпосереднє отримання гранул фракції – 8 мм на швидкохідних вальцьових пресах або при сушці шламовапняних сумішей з подальшим додроблюванням.

Технологічність і наявність потрібного устаткування викликає необхідність віддати перевагу схемі “брикетування – сушка – дроблення”. Як альтернативний кришиву використовували матеріал у вигляді циліндрів нескінченої довжини, що легко ламаються при перевантаженнях (“хворост”), який одержували на лабораторній установці. Вона працює по типу шнекового преса-гранулятора з діаметром отворів філь’єри 4 мм. Сушку матеріалу проводили за тих умов, що і брикетів. Матеріал без дроблення подавали в аглошихту.

Порівняльні спікання аглошихт з добавками шламів у вигляді сипкої дрібнодисперсної маси, а також у вигляді гранул і “хворосту” виконали на лабораторній аглоустановці з діаметром чаші 150 мм і заввишки 255 мм. Спікання провели в умовах, які близькі до реально існуючих на аглофабриці комбінату “Азовсталь”.

Спікання провели з наступними добавками:

шламів – 0; 34,2; 68,2; 91,5 (фактична витрата шламу на аглофабриці); 188,8; 363,1; 503,1 і 688,3 кг/т агломерату;

кришива – 0; 23,3; 58,4; 99,5; 200,0 і 265,9 кг/т агломерату при існуючому початковому рівні споживання звичайного шламу в кількості 91,5 кг/т агломерату;

кришива – 0; 33,6; 66,9 і 132,0 кг/т агломерату при практично подвоєному початковому споживанні звичайного шламу в кількості 188,8 кг/т агломерату;“

хворосту” – 143,7 кг/т агломерату і витраті мелкодисперсного шламу – 80,2 кг/т агломерату.

Емпірична залежність продуктивності Qш, %, від добавок дрібнодисперсного аглодоменного шламу xш, кг/т агломерату (мал. 4), з кореляційним відношенням = 0,92, має вигляд:

Qш = 162500 (хш+ 0,045) е + 37,1 . (15)

Емпірична залежність продуктивності Qк, %, від добавок кришива хк, т/т агломерату, описується наступними рівняннями:

- для добавок кришива з аглодоменного шламу х1к в аглошихту, що містить 91,5 кг звичайного аглодоменного шламу на 1 т агломерату, ( = 0,93)

Q1к = 136,9 х + 100,0 ; (16)

- те ж, для аглошихти, що містить 188,8 кг шламу на 1 т агломерату, ( = 0,96)

Q2к = 201,6 х + 66,0 . (17)

Отримані результати показують, що вирішальним чинником зростання продуктивності агломашин є підвищення газопроникності шару шихти і швидкості її спікання. Цьому сприяє поліпшення розсіву огрудкованої шихти. Так, вміст в шихті фракції 1,6-6,0 мм збільшується з 66 % (базовий варіант) до 67,5 % при введенні 265,9 кг кришива. При цьому поліпшується і структура розсіву огрудкованої шихти. Введення гранул, що володіють високою міцністю, створює додатковий каркас, перешкоджаючий усадці шихти при її укладанні та спіканні. Особливо інтенсивне зростання продуктивності спостерігається при введенні гранул в кількості

до 100 кг/т агломерату. При цьому продуктивність аглоустановки може збільшитися в 1,5 рази.

При достатньо великих об'ємах добавок гранул спікання може давати добрі результати, як при великих добавках шламів, так і спікання без аглоруди, або із зменшеною кількістю відсіву агломерату. Остання обставина стає важливою внаслідок того, що агломерат виходить високої якості й при його транспортуванні утворюється менша кількість дріб'язку (крапка 3 на мал. 4). Дослід, проведений із заміщенням 5,33 % (абс.) повороту еквівалентною по масі кількістю гранул, знижує базову продуктивність на 5,7 %, що говорить про гірші властивості кришива в порівнянні з відсівом агломерату (крапка 4 на мал. 4).

Заміна аглоруди брикетованим концентратом дозволить підвищити вміст заліза в агломераті на 3-4 % і отримати матеріал з новими властивостями – аглоконцентрат. Введення гранул дозволяє організувати ефективне управління ходом агломераційного процесу, підвищити висоту опікуваного шару і поліпшити якість агломерату.

Механічна міцність агломерату, отриманого з добавками гранул, відповідає вимогам, що пред'являються до нього. Вона, як правило, перевищує міцність агломерату без таких добавок. Це пояснюється, зокрема, підвищеною кількістю легкоплавких фаз, що утворюються в гранулах. Охолоджуючись, ці фази і “зв'язують” частинки спеку в міцний моноліт. Проте ця ж обставина може приводити і до зниження температури розм'якшення. У зв'язку з цим проводили перевірку розм'якшуваності агломерату, який отримали з різною кількістю добавок.

Для дослідження розм'якшуваності агломератів, які спечені без добавок, а також з добавками шламу в кількості 90, 150, 266 кг/т агломерату, шлам вибирали двох типів: із звичайним (аглодоменний) і підвищеним (конвертерний) вмістом FeO, див. табл. 1.

В цілому температури розм'якшуваності агломератів, спечених з добавками шламів, що містять більшу кількість FeO, нижче, ніж при використовуванні звичайних шламів. При відповідному підборі суміші можна досягти задовільній розм'якшуваності агломератів з великими добавками шламів.

Дослідження відновлення проводили для агломератів, отриманих з добавками тих же кількостей і видів шламів, що і досліджуване на розм'якшуваність, див. табл. 1. Отримані результати дозволяють зробити висновок про задовільну відновлену агломератів, отриманих з великими добавками шламів.

У виробничих умовах спосіб отримання і використання гранул в агловиробництві може бути реалізований таким чином. В технологічний цикл аглофабрики між корпусом підготовки шихти, звідки стрічковим конвеєром подаватимуться початкові компоненти суміші, і корпусом змішування включається комплекс брикетуючої установки. Вона складається з буферних бункерів, дозаторів, змішувачів,

Таблиця 1

Температурний інтервал розм'якшення й відновлення агломератів,

які отримані з різними добавками шламів

Шлам | Витрата шламу, кг/т агломерату | 0 | 90 | 150 | 266 | 1. Температурний інтервал розм'якшення, оС | аглодоменний | 1080-1120 | 1085-1125 | 1085-1120 | 1060-1110 | конвертерний | 1080-1120 | 1085-1140 | 1070-1110 | 1020-1070 | 2. Ступень відновлення при 1050 С через 15 хв., % | аглодоменний | 80,34 | 78,80 | 76,21 | 73,94 | конвертерний | 80,34 | 77,63 | 74,52 | 71,80 |

вальцьового (або іншого потрібної продуктивності) брикетного пресу, прохідного сушила, валкової дробарки і сит. Виробництво устаткування освоєно на вітчизняних підприємствах, зокрема НКМЗ.

Брикети виготовляють на вальцьових пресах під тиском 25-50 МПа. Брикет сідловидної форми розмірами 606040 мм об'ємом 45 см3 при щільності 2225 кг/м3 має масу 0,1 кг. Хімічний і компонентний склад брикетів визначається необхідністю отримання потрібної якості агломерату, оскільки їх висока міцність в даному випадку не потрібна.

Кришиво одержують дробленням брикетів до фракції -8 мм. Отримане кришиво фракції 8-1,6 мм стрічковим конвеєром подають в барабан-змішувач, а відсів фракції -1,6 мм може або повертатися в один з приймальних бункерів установки на повторне брикетування, або, з метою спрощення технологічної схеми і підвищення пропускної спроможності установки, подаватися спільно з годною фракцією на огрудкування. Можливі й інші варіанти отримання гранул та їх подрібнення без попередньої сушки.

Спосіб дозволяє підвищити керованість режимами огрудкування і спікання, приводить до зростання продуктивності агломашин в середньому на 0,5 % при добавках гранул в кількості 1 кг/т агломерату в інтервалі від 0 до 100 кг кришива на 1 т агломерату з підвищенням його міцності. Очікуваний річний економічний ефект від використання 63 тис. т кришива (75 тис. т брикетів) складає 10,91 млн. грн. (в цінах 2003 р.); термін окупності інвестицій – менш 1 року.

ВИСНОВКИ

1. В дисертації приведено теоретичне узагальнення і нове рішення наукової задачі – встановлення закономірностей і умов отримання високоміцних брикетів, придатних по механіко-металургійних властивостях до використовування в доменному виробництві, а також розробка високоефективного способу утилізації шламів агломерацією. Вона забезпечує збільшення продуктивності агломераційних конвеєрних машин і підвищення якості агломерату при підвищенні частки шламів в аглошихті аж до 100 %. Тим самим розв'язуються й екологічні проблеми, пов'язані з складуванням шламів через неможливість їх повної утилізації традиційним способом.

2. Використаний новий підхід до утилізації відходів брикетуванням. Він полягає в зсуві акцентів у вимогах до брикетів: із вмісту основного компоненту (заліза) на механічну міцність. Це дає можливість одержувати брикети високої міцності з пониженим вмістом заліза, але загальним високим вмістом корисних компонентів – так звані залізофлюси, що містять Feзаг – 52,0-35,1 %, CaO – 8,8-21,0 %, Al2O3 – 1,7-0,3 %. Лужність таких брикетів – 2,33-9,0.

3. Для контролю міцності брикетів застосований новий інтегральний показник роботи ударного руйнування після 20 скидань з висоти 2 м (А20, Дж/кг), який дозволяє порівнювати матеріали будь-якої міцності, у тому числі такі, у яких барабанна проба рівна нулю. Встановлений зв'язок показника роботи ударного руйнування з ударною міцністю 20, %, показником барабанної проби М+5, %, і міцністю на роздавлювання р, МПа. Це дозволяє репрезентативно оцінювати міцність брикетів по одному показнику – роботі ударного руйнування А20, Дж/кг, для мінімальної кількості виробів – 4-7 шт.

4. Дослідженням встановлено, що металургійні шлами і пил по брикетуючим властивостям діляться на три групи: матеріали, які дають неміцні брикети (колошниковий пил, аглодоменний шлам, відсів вапняку), А20 < 100-150 Дж/кг; матеріали з доброю міцністю (сталеплавильні і аспіраційні шлами), А20 = 150-300 Дж/кг; матеріали, які можуть служити сполучним: високодисперсні (вапняний пил, відсів вапна і глиноземвмісні шлами), А20 = 300-380 Дж/кг.

5. На підставі досліджень встановлені умови і закономірності отримання високоміцних брикетів з пилоподібних металургійних відходів, що володіють високою ударною міцністю 80-90 %, визначуваної по барабанній пробі, і міцністю на роздавлювання 25-40 МПа і вище, які відповідають вимогам до доменної сировини. Вони полягають в наступному: тиск пресування – більше 50 МПа; об'єм брикету не більше 50 см3, товщина брикету не повинна перевищувати половини його меншої сторони, витримка шихти протягом 1-4 діб; інтенсивна сушка брикетів при температурі 250 0С або природна сушка при 20-25 0С до кінцевої вологості брикетів 1-2 %.

6. Пресування сумішей, що містять 58-70 % конвертерного шламу, 20-32 % вапна гідратного і 0-10 % глиноземистого шламу, дозволяє одержувати брикети, що перевершують по міцності агломерат.

7. Введення до складу агломераційної шихти шламів, які піддані брикетуванню з подальшим дробленням до крупної 1,6-6,0 мм, забезпечує підвищення техніко-економічних показників аглопроцесу. Так, добавка гранул в кількості 1 кг/т агломерату в межах від 0 до 100 кг/т агломерату приводить до зростання продуктивності агломашин в середньому на 0,5 %, збільшенню виходу годного – на 0,115 % і зростанню ударної міцності агломерату – на 0,117 %. Розроблені альтернативні методи отримання брикетного кришива: екструзією суміші в стрічково-вакуумному пресі, в шнековому пресі-грануляторі або сушкою шламовапняних сумішей.

8. Отримані результати дозволяють організувати утилізацію більшості пилоподібних відходів, що утворюються на металургійному підприємстві, з використанням частини відходів, що дають міцні брикети, – в доменному і сталеплавильному виробництвах та інших – у вигляді брикетованих гранул в агломераційному виробництві. Очікуваний річний економічний ефект від упровадження запропонованої схеми утилізації пилоподібних відходів на комбінаті “Азовсталь” складає 20,18 млн. грн. (в цінах 2003 р.), термін окупності інвестицій – 1-3 роки залежно від обраного способу утилізації й вартості вітчизняного і зарубіжного устаткування.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ

ЗДОБУВАЧА ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Оптимизация составов смесей для получения шламовых брикетов / В.В. Ожогин, А.А. Томаш, С.Г. Чернова, В.А. Белоног, В.В. Райхель // Металлургическая и горнорудная промышленность. – 2003. – № 4. – С. 139-141.

Автору належить ідея використання принципів отримання міцних глиноземистих цементів для отримання високоміцних брикетів, проведення експериментів відповідно до плану Шеффе і участь у написанні статті.

2. Спекание агломератов на основе гранулированных аглодоменных шламов / В.В. Ожогин, В.П. Лозовой, В.И.Левченко А.В. Зотов, А.А. Томаш, С.Г. Чернова // Металл и литьё Украины. – 2003. – № 7-8. – С. 8-10.

Автору належить отримання кришива, проведення дослідів по спіканню агломерату з добавками кришива і участь в написанні статті.

3. Ожогин В.В., Томаш А.А., Лозовой В.П. Исследование механической прочности известково-шламовых брикетов // Вісник Приазов. держ. техн. ун-ту: Зб. наук. пр. – Маріуполь, 2001. – Вип. 11. – С. 20-22.

Автору належить постановка експерименту по дослідженню механічної міцності брикета і участь в написанні статті.

4. Ожогин В.В., Томаш А.А., Семакова В.Б. Влияние различных способов подготовки шлама на технико-экономические показатели аглопроцесса // Вісник Приазов. держ. техн. ун-ту: Зб. наук. пр. – Маріуполь, 2002.– Вип.12. – С. 15-17.

Автору належить постановка експерименту по дослідженому вивченню впливу різних способів підготовки шламу на продуктивність аглопроцесу і участь в написанні статті.

5. Ожогин В.В. Влияние добавок фракционированных шламов на эффективность агломерации