Національна металургійна академія України

УДК 669.162

Кріпак Станіслав Миколайович

Удосконалення технологічних процесів підготовки металургійної сировини з метою утилізації замасленої прокатної окалини

05.16.02 “Металургія чорних металів”

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеню
кандидата технічних наук

Дніпропетровськ, 2006

Дисертація є рукописом

Роботу виконано в Національній металургійній академії України Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник:

Доктор технічних наук, професор

Шатоха Володимир Іванович

Національна металургійна академія України,

проректор з науково-педагогічної роботи

Офіційні опоненти:

Доктор технічних наук, професор

Петрушов Станіслав Миколайович

Донбаський державний технічний університет, м. Алчевськ

професор кафедри металургії чорних металів

Кандидат технічних наук

Журавльов Фелікс Михайлович

Криворізький металургійний факультет Національної металургійної академії України, м. Кривий Ріг

доцент кафедри металургійних технологій

Провідна установа:

Запорізька державна інженерна академія,

Міністерства освіти і науки України,

кафедра металургії чорних металів (м. Запоріжжя)

Захист відбудеться “12” вересня 2006 р. о 12:30 на засіданні спеціалізованої вченої ради Д .084.03 при Національній металургійній академії України (49600, Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 4)

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національної металургійної академії України (49600, Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 4)

Автореферат розісланий “12” серпня 2006 р.

Учений секретар спеціалізованої

вченої ради Д 08.084.03

доктор технічних наук, професор Камкіна Л.В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Відповідно до концепції сталого розвитку, економічне зростання чорної металургії має супроводжуватися заходами, що забезпечують поліпшення стану навколишнього середовища. Гострою екологічною проблемою промислових регіонів України є високий рівень утворення відходів, серед яких відходи металургійного виробництва, зокрема замаслена прокатна окалина, становлять значну частину.

Актуальність теми. Темпи утворення і накопичення замасленої прокатної окалини на металургійних підприємствах України перевищують існуючі обсяги її рециклінгу. Вміст заліза в твердій фазі шламів вторинних відстійників прокатного виробництва сягає 70%, але шлами містять до 30% водомасляної частини, що ускладнює їх транспортування, зберігання та утилізацію. У шламосховищах накопичено сотні тисяч тонн таких відходів, отже пошук ефективних способів утилізації замасленої прокатної окалини в умовах України має суттєве екологічне та економічне значення.

Зв'язок з науковими програмами, планами, темами. Тема роботи пов'язана з планами наукових досліджень Національної металургійної академії України (НМетАУ). Базовими для дисертації є науково-дослідні роботи: “Впровадити експериментальний зразок пристрою для допалювання парів мастил у вакуум-камерах агломераційної машини” (2003, № д.р. 0103U006371, автор – виконавець); „Розробка та впровадження технології використання замасленої окалини в якості сировини для агломераційної переробки на ВАТ „Криворіжсталь” (Інв. №4.14-2004, автор – керівник).

Мета дослідження. Наукове обґрунтування та промислова реалізація технологічних рішень, що забезпечують економічно ефективну й екологічно безпечну утилізацію замасленої прокатної окалини.

Завдання, які слід вирішити для досягнення поставленої мети:

-

-

-

Методи дослідження. Склад шихт і умови лабораторних випробувань визначені методом планування експерименту з реалізацією матриці Бокса-Бенкена. Властивості окалини та її сумішей з торфом при нагріванні вивчені методом термогравіметричного аналізу, а також відповідно ДСТУ 4337-87. Параметри огрудкованих шихт, процесу спікання, властивостей агломерату досліджені за стандартними методиками, які тривалий час апробовано в Проблемній лабораторії підготовки металургійної сировини, на кафедрі металургії чавуну, кафедрі теорії металургійних процесів і фізичної хімії НМетАУ, та згідно ДСТУ 3200-95, ДСТУ 17212-84. Статистичну обробку результатів досліджень виконано із застосуванням програмного пакету Statgraphics Plus 3.0. Відбір і підготовку проб для хімічного аналізу, визначення параметрів якості підготовленої агломераційної суміші та готового агломерату вели згідно ДСТУ, а також технологічних інструкцій ВАТ “Mіттал Стіл Кривий Ріг”. Економічну ефективність розроблених рекомендацій оцінено за результатами дослідно-промислових випробувань.

Об'єкт дослідження: технологічні процеси підготовки та спікання агломераційних шихт, що містять замаслену прокатну окалину.

Предмет дослідження: фізико-хімічні та механічні властивості аглошихти, закономірності спікання й металургійні властивості агломерату.

Наукова новизна отриманих результатів:

-

-

-

-

Обґрунтованість і вірогідність наукових положень, висновків і рекомендацій забезпечено використанням фундаментальних положень теорії металургійних процесів, експериментальною перевіркою в лабораторних і промислових умовах із застосуванням методів планування експериментів та математичної статистики, а також підтверджено результатами дослідно-промислових випробувань та успішним впровадженням розробленої технології.

Наукове значення роботи. Дисертаційна робота розширює існуючі уявлення про фізико-хімічні закономірності отримання якісного агломерату, в тому числі про можливості управління властивостями агломераційних шихт, що містять замаслені залізовмісні металургійні відходи.

Практичне використання отриманих результатів. На підставі закономірностей, що характеризують зміну властивостей огрудкованої аглошихти, параметрів процесу спікання і якості агломерату при введенні до шихти окалино-торф’яної суміші, розроблено технологію підготовки замасленої прокатної окалини до використання в якості компоненту аглошихти, яку впроваджено в агломераційному цеху ВАТ “Mіттал Стіл Кривий Ріг” у 2004 році. Впровадження технології забезпечує економію залізорудного концентрату, флюсу й коксового дріб’язку при зростанні вмісту заліза в агломераті, поліпшенні його механічних характеристик та відновлюваності. Технологія не вимагає капіталовкладень, реалізується в рамках існуючої інфраструктури переробки відходів. Очікуваний економічний ефект від її впровадження складає 3  140 грн на рік.

Збільшення обсягів утилізації замасленої окалини дозволяє заощадити природні ресурси, скоротити площі шламосховищ і забруднення навколишнього середовища. Запропоновані параметри підготовки окалино-торф’яної суміші дозволяють збільшити ступінь вигоряння масел окалини при спіканні агломерату в 2,7 рази. На основі визначених кількісних закономірностей вилучення масел по довжині агломашини при спіканні агломерату з шихти, що містить замаслену прокатну окалину, обґрунтоване розміщення та показана ефективність застосування пристроїв для допалювання масел у вакуум-камерах. Результати роботи можуть бути використані на металургійних підприємствах, що мають у складі аглофабрики і прокатне виробництво.

Особистий внесок здобувача. В дисертації узагальнені результати науково-дослідних робіт, виконаних за участі автора. У списку наукових праць, наведеному в авторефераті, автором особисто: складено плани експериментів, в лабораторних і промислових умовах досліджено закономірності огрудкування та спікання шихт, що містять окалино-торф’яні суміші, оцінено властивості агломерату [1-3], досліджено властивості окалино-торф’яних сумішей та розкрито закономірності впливу торфу на вилучення масел з окалини при нагріванні [4], запропоновано технологію утилізації окалини у вигляді окалино-торф’яних сумішей у складі вугільної шихти для коксування,10]; визначено та випробувано в промислових умовах параметри технології підготовки аглошихти й спікання агломерату при утилізації окалини [3,6-8,11]; запропоновано та випробувано конструкцію пристроїв для допалювання парів масел [9]; оцінено ефективність застосування дослідного агломерату у доменній плавці [3]. У проведенні досліджень, впровадженні результатів роботи автору допомагали співробітники НМетАУ, ВАТ “Mіттал Стіл Кривий Ріг”, НВП “Промтех”. Результати робіт автором узагальнені самостійно.

Апробація результатів дисертації. Результати роботи висвітлено на науково-технічних конференціях: 6-му Міжнародному симпозіумі “Materials and Metallurgy” (2004, Шибеник, Хорватія), Міжнародній науково-технічній конференції “Теорія й практика виробництва чавуну” (2004, Кривій Ріг), IV Міжнародній науково-технічній конференції “Теорія і практика вирішення екологічних проблем в металургійній і гірничодобувній промисловості” (2004, Дніпропетровськ), обговорено на наукових семінарах НМетАУ (2004-2005) і науково-технічних радах ВАТ “Mіттал Стіл Кривий Ріг” (2003-2005).

Публікації. Результати роботи опубліковано в 4 статтях у наукових журналах, 2 збірниках праць і тез науково-технічних конференцій, 5 патентах.

Структура дисертації. Дисертація складається зі вступу, 4 розділів, загальних висновків, використаних джерел з 79 найменувань, 2 додатків. Викладена на 147 стор., містить 33 табл., 31 рис.

Автор щиро вдячний співробітникам кафедри металургії чавуну НМетАУ д.т.н., проф. Д.А.Ковальову, к.т.н., доц. Н.В.Ігнатову й к.т.н., доц. С.Т.Войтанику за цінні зауваження й рекомендації, висловлені при підготовці дисертаційної роботи.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

АНАЛІЗ ШЛЯХІВ УТИЛІЗАЦІЇ ЗАМАСЛЕНОЇ ПРОКАТНОЇ ОКАЛИНИ

Виконаний у даному розділі аналіз дозволив зробити наступні висновки:

1. Принципово можливе використання при виробництві агломерату обмеженої кількості вторинної окалини після її підготовки з застосуванням добавок, здатних ефективно адсорбувати вологу і, можливо, масла. Ефективність різних добавок, режим підготовки й кількість окалини, яке може бути введене до складу шихти без шкоди для устаткування і навколишнього середовища, вимагає спеціального дослідження.

2. Практично не досліджено поведінку масел при спіканні агломерату. Не вивчені можливості займання возгонів масел у газовідвідному тракті.

3. Недостатньо досліджений вплив введення окалини на якість готового агломерату. Практично не вивчений вплив застосування агломерату, отриманого з використанням окалини, на хід доменної плавки.

4. Недостатність відомостей про капітальні та поточні витрати не дозволяє виконати порівняльний техніко-економічний аналіз таких рішень, як брикетування, огрудкування, термічна підготовка окалини. Не зменшуючи значення цих робіт (особливо для підприємств, що не мають аглофабрик), можливо припустити, що за умови ефективного спалювання масел в процесі агломерації, якого можна досягнути з використанням різних добавок при підготовці шихти або шляхом допалювання парів масел, безпосереднє залучення окалини до аглопроцесу складає альтернативу таким технологіям, які потребують застосування складного й дорогого устаткування.

УТВОРЕННЯ ЗАМАСЛЕНОЇ ПРОКАТНОЇ ОКАЛИНИ НА ВАТ “MІТТАЛ СТІЛ КРИВИЙ РІГ” та ОЦІНКА ТЕХНОЛОГІЧНОЇ ЕФЕКТИВНОСТІ ЇЇ УТИЛІЗАЦІЇ ПРИ ВИРОБНИЦТВІ КОКСУ і МЕТОДОМ КРЕКІНГУ

В прокатному виробництві окалину усувають з металу струменем води під тиском. Окалину, що обсипається під станами та рольгангами, змивають. Водночас усуваються масла, застосовувані для змащення устаткування. Окалину, зважену у водомасляному середовищі, направляють для відокремлення твердої фракції у відстійники. Як пористий матеріал, окалина активно всмоктує масла. На “Mіттал Стіл Кривий Ріг” блюмінг №1 та СПЦ №1 мають спільну систему, у якій з первинного відстійника стоки надходять у два радіальні та горизонтальний відстійник. Блюмінг №2 та СПЦ №2 також мають спільну систему, у якій стічні води первинних відстійників відкачують у два горизонтальні та три радіальні відстійники. Прокатний цех №3 має систему, у якій з первинних відстійників стічні води відкачують у горизонтальний відстійник. У первинному відстійнику осідає крупна (>10 мм) і середня (2-10 мм) окалина. Згущений продукт з радіальних відстійників направляють до горизонтальних. Осіла в горизонтальних відстійниках окалина грейферами перевантажується для збезводнення в дренажні відсіки. Стік повертають у горизонтальні відстійники, а окалину вивантажують грейфером і вивозять на складування.

У 80-ті роки утворювалось до 40 т замасленої прокатної окалини на рік, що відповідає проектній продуктивності відстійників. При існуючих обсягах виробництва уловлюється до 20 т вторинної окалини на рік. Утилізація окалини первинних відстійників як шихтового матеріалу при агломерації не викликає проблем. Утилізація замасленої окалини вторинних відстійників пов'язана з труднощами, зумовленими наявністю >10% масел. За хімічним складом замаслену окалину варто віднести до матеріалів з високою металургійною цінністю: вміст Fe на 7-8% вище, а вміст SiО2 в 2,5-3,0 рази нижче порівняно з вітчизняним концентратом.

Значну кількість окалини не утилізовано. В акумулюючій ємності заскладовано до 700 т замасленої прокатної окалини. Частину окалини направляють до ставку, де вона в одній з карт складується спільно зі шламами аглодоменного виробництва. Накопичено до 220  т такої суміші з середнім вмістом Fe близько 51%, а безпосередньо у ставку у вигляді відкладень перебуває до 670 т власне окалини.

Можлива утилізація окалини при виробництві коксу. Однак окалина важко дезінтегрується й погано змішується з вугільною шихтою. При витраті 1-2 т/год (при витраті 5-10 кг окалини на 1 т шихти) неможливе її якісне усереднення в об‘ємі шихти з застосуванням промислових дозаторів продуктивністю 20 т/год. Для покращення змішування окалини з вугільною шихтою за участю автора розроблено технологію її підготовки з застосуванням торфу, активованого сульфітно-спиртовою бардою. Активація утворює в торфі твердий каркас з розвинутою поверхнею і високою поглинальною здатністю. Торф поглинає з окалини вологу та масла, що сприяє утворенню сипучої суміші (особливості формування таких окалино-торф’яних сумішей розглянуті нижче).

Для оцінки впливу добавок суміші торфу та окалини до вугільної шихти на властивості коксу в умовах коксохімічного виробництва ВАТ “Mіттал Стіл Кривий Ріг” проведені ящичні коксування. Склад шихт, їх характеристики і показники якості коксу наведені в табл.1.

Таблиця 1

Склад вугільних шихт і показники якості коксу

Вміст суміші окалини і торфу в шихті,% | Відношення окалина:торф | Технічний аналіз шихти,

% | Вихід

коксу,

% | Характеристики

коксу, %

Wr | Ad | Std | Vdaf | М25 | М10 | Ad | Std

0 | - | 10,1 | 8,3 | 1,34 | 29,1 | 74,6 | 87,5 | 8,0 | 12,5 | 1,12

3,0 | 4:1 | 8,4 | 9,9 | 1,40 | 29,5 | 73,1 | 85,0 | 12,0 | 14,0 | 1,18

3,0 | 7:3 | 9,0 | 10,2 | 1,45 | 29,8 | 73,4 | 87,0 | 10,0 | 14,1 | 1,25

1,0 | 2:1 | 8,6 | 9,3 | 1,68 | 30,9 | 74,4 | 87,2 | 8,2 | 12,6 | 1,10

0,75 | 2:1 | 8,2 | 10,2 | 1,68 | 31,7 | 74,5 | 87,4 | 8,0 | 12,7 | 1,15

0,5 | 2:1 | 8,0 | 10,2 | 1,68 | 31,5 | 74,6 | 87,4 | 8,3 | 12,6 | 1,12

Введення до вугільної шихти суміші окалини й торфу в кількості 3% від вихідної шихти дещо знижує міцністні характеристики коксу. Збільшення частки торфу в суміші поліпшує показники міцності. За даними хімічного аналізу добавка окалини підвищує зольність коксу. Насправді у неорганічній частині коксу з'являється металеве залізо, вплив якого на доменний процес є позитивним на відміну від впливу золи.

На підставі результатів ящичних коксувань проведені дослідно-промислові випробування в умовах коксохімічного виробництва ВАТ “Mіттал Стіл Кривий Ріг”. Розроблено технологічну інструкцію зі змішування торфу з окалиною механізованим способом. Одержували суміш зі співвідношенням компонентів 2:1 (окалина:торф). Суміш після витримки не менше 24 годин та 4-5-кратного перемішування наближається за насипною масою (960-1086 кг/м3) до вугільної шихти. На відміну від окалини суміш має сипкість: кут природного укосу одержуваного матеріалу становить 41-45.

Вироблено 91 т дослідного коксу, який використано у доменному цеху №2. В коксі на 1,0 % знизився вміст класу +80 мм і на 2,3% зріс вміст класу 60-40 мм. Міцність коксу знизилася незначно (на 0,73% нижче М25 і на 0,23% вище М10). Зольність коксу зросла на 1,46% у звязку з підвищенням вмісту Feмет до 1,1%. Використання коксу не супроводжувалося негативними змінами доменного процесу. Впровадження технології в коксохімічному виробництві “Mіттал Стіл Кривий Ріг” дозволяє утилізувати до 25  т замасленої окалини на рік, але за сучасних умов можливість утилізації окалини, яка отощує вугільну шихту, обмежується дефіцитом жирного вугілля.

Одним з шляхів підготовки окалини до застосування при агломерації є термічна обробка. При крекінгу замасленої окалини утворюються газ з теплотою згоряння Qнр=14724 кДж/м3 і масло, яке за в‘язкістю відповідає індустріальним маслам І-8 (табл.2). Запропоновано схему переробки окалини шляхом низькотемпературного крекінгу з одержанням твердого збезмасленого і збезводненого продукту для утилізації при агломерації та масла для повторного застосування в прокатному виробництві. Схема ланцюга апаратів та конструкція агрегату забезпечує ведення процесу без використання енергоносіїв зі сторони за рахунок утилізації хімічної й теплової енергії крекінг-газу. Впровадження технології вимагає створення нового обладнання і пов'язане з капітальними витратами.

Таблиця 2

Порівняння характеристик масла, отриманого при крекінгу, і масла І-8

Показники | Метод випробування (ГОСТ) | Досліджуване масло | Масло індустріальне І-8

Кінематична в'язкість (40С), мм2/с | 33-82 | 10,72 | 9_11

Кислотне число, мг КОН/г (не більше) | 5985-79 | 0,38 | 0,02

Температура спалаху у відкритому тиглі, С | 4333-87 | 80 | 150

Температура застигання, С | 20287-74 | -10 | -15

Зольність, % (не більше) | 1461-75 | 0,004 | 0,005

Масова частка сірки, % (не більше) | 1437-75 | 0,64 | 1,0

ТЕХНОЛОГІЯ ПІДГОТОВКИ ЗАМАСЛЕНОЇ ПРОКАТНОЇ ОКАЛИНИ ДО ЗАСТОСУВАННЯ ЯК КОМПОНЕНТу АГЛОШИХТи

За обмежених інвестиційних можливостей становлять інтерес технології підготовки окалини з застосуванням добавок, поліпшуючих її властивості як компонента аглошихти, які не потребують спеціального обладнання та додаткових капіталовкладень. Застосування сухих добавок, зокрема вапняного пилу, супроводжується значним пилоутворенням. За умов підготовки шихти на рудному дворі ця проблема не знаходить ефективного розвязання. Актуальним є пошук нових добавок для управління властивостями окалини.

Раніше за участю автора для управління властивостями високообводнених аглодоменних шламів, які утилізуються в аглошихті, успішно застосовано торф активований. Одержані позитивні результати дали підставу спробі використання торфу в якості добавки, яка забезпечує поліпшення технологічних характеристик окалини при її утилізації в агломераційному виробництві. Особливості будови й складу торфу зумовлюють його високу вологоємність і водоутримуючу здатність. Завдяки розвинутій поверхні та наявності мікроорганізмів, що окислюють вуглеводневі сполуки, торф застосовується як сорбент нафтових компонентів та їх деструктор. Оскільки окалина містить частково окислені при взаємодії з гарячим прокатом масла, вказані властивості дозволяють розглядати торф як перспективний матеріал для обробки замасленої окалини.

Досліджено вплив змішування з торфом на поведінку замасленої окалини при нагріванні. Склад окалини, % (суха маса): Feзаг-68,36; FeO-52,53; Fe2O3-39,29; SiО2-1,78; CaO-0,58; MgO-0,25; Al2O3-0,27; MnO-0,8; Sзаг-0,01; Р-0,02; Zn, Pb-сліди; Cu-0,01; Na2O-0,21; K2O-0,08; в.п.п.- 4,19. Склад торфу – у табл.3. Склад золи торфу, %: SiО2-5,3; Al2O3-5,5; Fe2O3-22,3; CaO-58,2; MgO-7,2; K2O+Na2O-1,5. Вміст масел в окалині -11,4%; вологи -5,56%.

За методом Бренкена у відкритому тиглі (ГОСТ 4337-87) визначали температури спалаху (tс) і займання (tз) масел окалини. Суміш окалини з торфом (80:20 мас.) готували механічним змішуванням і витримували 60 діб, фіксуючи tс й tз кожні 10 діб. Встановлено (табл.4), що змішування окалини з торфом знижує tс на 11С і tз на 16С. Вилежування суміші супроводжується подальшим зменшенням цих параметрів. Через 40 діб tс знижується на 43С, а tз - на 36С у порівнянні з вихідною сумішшю та на 54С і 52С відповідно, в порівнянні з вихідною окалиною.

Таблиця 3

Склад та фізико-хімічна характеристика торфу

Технічний аналіз, % | Qr,

Мдж/кг | Сухий беззольний стан

Wr | Ad | Std | Vdaf | Елементний склад (daf), % | Qбdaf, МДж/кг | Qidaf, МДж/кг

S | C | H | N | O

14,7 | 16,0 | 0,3 | 69,0 | 8,92 | 0,4 | 58,8 | 6,1 | 1,3 | 33,4 | 24,16 | 22,69

Таблиця 4

Значення tс і tз досліджуваного матеріалу

Матеріал | Час вилежування, діб | tс, С | tз, С

Окалина замаслена | 0 | 277 | 299

Суміш окалини з торфом у співвідношенні 80:20 | 0 | 266 | 283

10 | 253 | 275

20 | 237 | 266

30 | 230 | 254

40 | 223 | 247

50 | 224 | 249

60 | 224 | 245

Закономірності поведінки замасленої окалини при нагріванні уточнено термогравіметричними випробуваннями. Нагрівання окалини в інертній (аргон (Ar)) і окислювальній (повітря) атмосфері супроводжується втратою маси навіски з максимальною швидкістю при 130С (ендотермічний ефект, обумовлений випаровуванням вологи). Вище 192С втрата маси знову інтенсифікується у зв'язку з випаровуванням масел, сягаючи екстремуму (мінімум на кривій DTG) при 270С у струмі повітря і при 350С – у струмі Ar. Другий мінімум на кривій DTG в струмі повітря співпадає з tс. Нагрівання торфу в струмі Ar та у струмі повітря, починаючи з 40С, супроводжується ендотермічною втратою маси з екстремумом на кривій DTG при 150С у струмі повітря та 155 С у струмі Ar, що пов'язане з вилученням вологи, представленої в торфі кількома різновидами, які вилучаються у широкому температурному діапазоні. Другий мінімум на кривій DTG спостерігається у струмі Ar при 257С, а в струмі повітря - при 240С. На кривій DTA цьому відповідає перегин. Для твердих палив такий характер дериватограм свідчить про вилучення летучих речовин.

Для сумішей окалини з торфом також характерним є розвиток процесів сушки в діапазоні 40-160С, який позначається на кривих DTG, після чого починається випаровування масел: для вихідної суміші при 203С, а для суміші, що вилежалася 60 діб, - при 205С. В діапазоні 200-300С криві DTA надійно апроксимовані рівняннями (х - температура):

- вихідна суміш

y = -710-6x4 + 0,007x3 – 2,6136x2+430,9x- 26390 (R2 = 0,9986) (1)

- суміш після витримки 60 діб

y = 610-6x4 + 0,0062x3 + 2,3525x2-393,5x + 24590 (R2 = 0,9997) (2)

Розв’язанням квадратних рівнянь, отриманих подвійним диференціюванням (1) і (2), отримані значення точок перегину, що характеризують критичні фізико-хімічні явища в даному діапазоні температур: вихідна суміш – 266С; суміш після витримки 60 діб - 221С. Ці значення практично збігаються з tс з табл.4, що підтверджує закономірний характер результатів. Отже, змішування окалини з торфом і подальша часова витримка суміші закономірно знижують tс та tз для масел окалини.

При спіканні шару вологої аглошихти летучі фракції масел випаровуються та, не займаючись, конденсуються в зоні перезволоження. Для суміші окалини з торфом, особливо після витримки, інтервал між температурою початку випаровування масел і температурою спалаху значно скорочується (табл.5). Можна припустити, що такий характер зміни поведінки масел окалини при нагріванні підвищує можливість їх вигоряння при агломерації.

Таблиця 5

Інтервали вилучення горючих масел

Матеріал | Температура початку випаровування масел (по кривих DTG), C | tс,

C | t,

C

Окалина | 192 | 277 | 85

Вихідна суміш окалини і торфу | 203 | 266 | 63

Суміш окалини і торфу після 60 діб | 205 | 224 | 19

Досліджено закономірності спікання та властивості агломерату з шихт, що містять окалино-торф’яні суміші (ОТС). Для визначення оптимальної частки окалини в ОТС готували суміші з 15, 20, 25 і 30 мас. % торфу. Дослідження гранулометричного складу ОТС (табл.6), насипної маси та кута природного укосу сумішей (табл.7) показує, що змішування торфу з окалиною дозволяє одержати з даного тістоподібного матеріалу сипкий шихтовий компонент. Найкращі характеристики має ОТС з часткою торфу 20%. Крім того, така вагова пропорція відповідає приблизно рівному об'ємному вмісту матеріалів у суміші, що сприяє ефективному змішуванню.

Вивчені можливості поліпшення огрудкування шихти штабелюванням ОТС разом з компонентами, що погано грудкуюються (колошниковий пил, возврат). ОТС (20% торфу) укладали пошарово у штабель з різними матеріалами. Потім матеріал штабелю вертикальним перерізанням розбирали, зсипаючи матеріали на конус, перемішували та огрудковували з іншими компонентами шихти.

Таблиця 6

Гранулометричний склад окалино-торфяних сумішей

Масове співвідношення

окалина:торф у суміші, % | Масова частка фракцій (мм), %

+20 | 20-10 | 10-5 | -5

85:15 | 3,89 | 39,75 | 29,44 | 26,92

80:20 | 4,19 | 34,03 | 30,89 | 30,89

75:25 | 2,10 | 31,90 | 30,53 | 35,47

70:30 | 1,6 | 31,50 | 29,70 | 37,20

Таблиця 7

Насипна маса та кут природного укосу сумішей

Масове співвідношення окалина:торф у суміші, % | 100 | 85:15 | 80:20 | 75:25 | 70:30

Насипна маса, т/м3 | 2,12 | 1,39 | 1,24 | 1,13 | 1,002

Кут природного укосу, град | - | 40 | 39 | 38 | 35

Встановлено позитивний вплив ОТС на грудкованість аглошихти: знижується частка фракції –3 мм при зростанні частки фракції 3_10 мм (табл.8).

Таблиця 8

Вплив умов закладки ОТС на фракційний склад огрудкованої аглошихти

Варіант закладки окалино-торфяної суміші | Розмір фракції (мм), %

0-3 | 3-5 | 5-10 | +10

Без введення ОТС | 47,2 | 24,7 | 15,5 | 12,6

ОТС задається із залізорудним концентратом | 43,6 | 26,5 | 15,5 | 14,4

ОТС задається з аглорудою | 44,7 | 26,0 | 14,1 | 15,2

ОТС задається з відсівом агломерату | 41,4 | 29,1 | 14,9 | 14,6

ОТС задається з колошниковим пилом | 37,9 | 35,0 | 15,1 | 12,0

Згідно матриці трьохфакторного експерименту (план Бокса-Бенкена) досліджено вплив на огрудкування шихти, хід спікання і якість агломерату таких факторів: Х1 – масова частка окалино-торф’яної суміші в шихті; Х2 – висота шару, що спікається; Х3 – витрата твердого палива в шихту (табл.9). Крім 13 експериментальних точок, які передбачені стандартним планом, проведено три додаткові експерименти (№14-16) – для максимальних і мінімальних значень всіх факторів та без ОТС. На постійному рівні підтримували основність шихти (1,15 Ca/SiО2), частку возврату (20%), масове співвідношення окалина:торф в ОТС (80:20), вологість шихти (8,5%) і тривалість запалювання (1,5 хв). Шихти спікали в циліндричній аглочаші діаметром 200 мм з висотою борту 360 мм.

Шар має максимальну газопроникність при частці ОТС 2,0%. Збільшення висоти шару зрушує максимум в область більшого вмісту ОТС (рис.1). Зниження газопроникності при частці ОТС більше 20% пояснюється ущільненням укладки шару при відповідному гранулометричному складі шихти. Збільшення частки ОТС до 2,0-2,5% підвищує вихід придатного, особливо при більших значеннях витрати твердого палива; збільшення висоти шару також позитивно впливає на вихід придатного (рис.2).

З ростом частки ОТС у шихті зростає вміст FeО в агломераті (рис.3).

Таблиця 9

Матриця планування та результати експериментів

Показники | Номер експерименту

1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16

Вміст ОТС у шихті, % | 3 | 3 | 1 | 1 | 3 | 3 | 1 | 1 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 3 | 1 | 0

Х1 | 1 | 1 | -1 | -1 | 1 | 1 | -1 | -1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0   

Висота шару, мм | 300 | 250 | 300 | 250 | 275 | 275 | 275 | 275 | 300 | 300 | 250 | 250 | 275 | 300 | 250 | 250

Х2 | 1 | -1 | 1 | -1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | -1 | -1 | 0   

Витрата палива % | 3,25 | 3,25 | 3,25 | 3,25 | 3,5 | 3 | 3,5 | 3 | 3,5 | 3 | 3,5 | 3 | 3,25 | 3,5 | 3 | 3,5

Х3 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | -1 | 1 | -1 | 1 | -1 | 1 | -1 | 0   

Швидкість фільтрації, м/с | 1,05 | 1,26 | 0,87 | 1,19 | 1,10 | 1,09 | 1,21 | 1,26 | 1,12 | 1,15 | 1,28 | 1,25 | 1,18 | 1,10 | 1,30 | 0,90

Вертикальна швидкість спікання, мм/хв | 19,74 | 20,49 | 19,38 | 21,8 | 20,82 | 20,99 | 20,68 | 20,4 | 22,87 | 21,35 | 18,73 | 19,08 | 18,9 | 20,83 | 19,8 | 19,49

Вихід придатного, % +5мм | 83,7 | 82,3 | 81,42 | 86,43 | 85,12 | 85,51 | 84,36 | 83,74 | 83,59 | 84,36 | 82,43 | 83,65 | 82,33 | 83,97 | 80,38 | 80,59

Вміст дріб'язку, % _мм | 16,3 | 17,7 | 18,58 | 13,57 | 14,88 | 14,49 | 15,64 | 16,26 | 16,41 | 15,64 | 17,57 | 16,34 | 17,67 | 16,03 | 19.62 | 19,41

Індекс на удар, % +5мм | 50,35 | 46,15 | 50,8 | 46,3 | 53,0 | 47,94 | 50,48 | 48,67 | 54,55 | 49,11 | 49,4 | 47,4 | 46,94 | 51,8 | 46,05 | 48,0

Індекс на стирання,_

,5 мм, | 9,86 | 9,89 | 9,9 | 12,7 | 9,0 | 9,49 | 9,5 | 11,05 | 10,0 | 10,71 | 9,8 | 11,3 | 11,22 | 10,0 | 11,0 | 10,2

Питома продуктивність, т/(м2год) | 1,45 | 1,46 | 1,36 | 1,62 | 1,5 | 1,59 | 1,47 | 1,46 | 1,56 | 1,5 | 1,46 | 1,5 | 1,45 | 1,46 | 1,38 | 1,43

Вміст FeО,% | 14,18 | 15,19 | 13,79 | 13,35 | 15,5 | 15,09 | 15,26 | 13,4 | 14,36 | 12,24 | 14,72 | 15,65 | 14,18 | 18,6 | 14,16 | 13,57

Вміст Feзаг, % | 54,18 | 55,02 | 54,18 | 54,18 | 52,92 | 54,88 | 53,2 | 54,04 | 54,88 | 55,44 | 54,2 | 54,32 | 54,88 | 55,3 | 53,62 | 54,32

Відновлюваність, % | 92,34 | 82,15 | 89,52 | 86,05 | 86,07 | 86,73 | 91,43 | 89,50 | 82,41 | 82,40 | 83,00 | 87,83 | 82,00 | 84,3 | 91,87 | 80,7

Рис.1. Зміна швидкості фільтрації в шарі залежно від вмісту ОТС в аглошихті (цифри - висота шару, що спікається, мм)

Рис.2. Вплив вмісту ОТС на вихід придатного агломерату (крапками позначені результати розрахунку для різного вмісту палива в шихті, %; цифри на графіках - висота шару, мм)

а б

Рис.3. Вміст FeО в агломераті (а) та відновлюваність агломерату (б) залежно від частки ОТС (висота шару – 300 мм; крапками позначені результати розрахунку для різного вмісту палива в шихті,

Відомо, що якщо збільшення FeО пов'язане із зростанням питомої витрати палива, воно супроводжується зниженням відновлюваності. У нашому випадку зміна хімічного складу пов'язана з введенням до шихти нового компоненту, тому наступну серію експериментів присвячено вивченню відновлюваності агломератів. Дослідження вели на термогравіметричній установці проточного типу при 800С у струмі Н2. Зі збільшенням вмісту ОТС в аглошихті відновлюваність агломерату росте (рис.3). Для окремих проб досліджено міцність вихідного та відновленого матеріалу. Використовували розривну машину Р-0.5 при швидкості навантажування 2,2•10_ м/хв. Випробовували однакові за розміром зразки агломерату округлої форми (dсеред?1 см), відібрані від барабанної проби. Одержані результати (табл.10) свідчать про збільшення міцності агломерату, отриманого з застосуванням ОТС, як у вихідному стані, так і після відновлювання: абсолютна міцність росте, а ступінь знеміцнення при відновлюванні знижується.

Таблиця 10

Вплив відновлювальної обробки на міцність агломерату

№ проби | Вміст

ОТС у шихті, % | Міцність на стиск, кг/зразок

вихідний | відновлений

16 | 0 | 90,5 | 48,5

7 | 1 | 98,6 | 70,4

12 | 2 | 102,0 | 68,5

5 | 3 | 114,3 | 77,0

Виконані дослідження мікроструктури агломерату. Мінераграфічний аналіз проводився на мікроскопі “EPIGNOST-21” (х500) у відбитому світлі на аншліфах, виготовлених звичайним методом. Фотозйомку шліфів вели на мікроскопі “NEOPHOT-21” (х200). Результати дослідження дозволяють пояснити поліпшення відновлюваності агломерату збільшенням частки гематиту, підвищенням пористості агломерату, розвитком утворення феритів кальцію у зв'язці (рис.4). Вюстит належить до окалини, що не прореагувала, і його присутність не пов'язана з наявністю важковідновлюваного фаяліту. Підвищений вміст гематиту й наявність феритів кальцію у зв'язці сприяє формуванню металевих містків і металевого каркасу при відновлюванні, що підвищує міцність відновленого агломерату.

а б

Рис.4. Мікроструктура агломерату: а - базового (№16), б – дослідного (№1; 3% ОТС у шихті). Збільшення х200. Біле - гематит; світло-сіре - магнетит; сіре -ферити кальцію, темно-сіре - скло; чорне – пори

ДОСЛІДНО-ПРОМИСЛОВІ ВИПРОБУВАННЯ УТИЛІЗАЦІЇ ЗАМАСЛЕНОЇ ПРОКАТНОЇ ОКАЛИНИ В АГЛОДОМЕННОМу виробництві

Дослідно-промислові випробування в аглоцеху „Міттал Стіл Кривий Ріг” проведено при витраті ОТС від 7 до 16 кг/т агломерату. Підготовку ОТС вели на горизонтальному відстійнику шляхом пошарової закладки торфу та замасленої окалини. Після 5-10 діб витримки суміш завантажували в залізничні вагони. На рудному дворі аглофабрики ОТС вивантажували в приймальну траншею по фронту залізорудного штабелю, забезпечуючи однакове співвідношення з компонентами шихти, що погано грудкуються (колошниковий пил, відсів агломерату, вапняк-черепашник, вапняковий пил). Штабель формували за діючою технологією. Час контакту окалини з торфом складав 20-40 діб. Введення ОТС в кількості 16 кг на тонну агломерату супроводжується збільшенням вмісту масел у шихті з 2,438 до 4,875 кг/т агломерату.

Компонентний та хімічний склад аглошихти в ході випробувань не був фіксованим через мінливість поставок та коливань складу шихтових матеріалів. Для визначення позитивного ефекту, досягнутого власне застосуванням ОТС, розраховано зміну економії шихтових матеріалів і вмісту заліза в агломераті залежно від витрати ОТС при основності агломерату 1,15 CaО/SiО2 і масовому співвідношенні окалина:торф 80:20 (рис.5).

а б

Рис.5. Економія шихтових матеріалів (а) та зміна вмісту заліза в агломераті (б)

в результаті використання ОТС

Встановлене зростання питомої продуктивністі при збільшенні витрати ОТС до 13 кг/т агломерату (?1% маси шихти). Подальше підвищення витрати ОТС дещо знижує даний показник (рис.6).

Рис.6. Вплив вмісту ОТС в шихті на продуктивність агломашини

Міцність на удар, стиранність та вміст дріб'язку в скіповому агломераті майже не змінюються. Агломерат має високу відновлюваність. Структура й речовинний склад проб характерні для офлюсованих промислових агломератів. Спостерігаються ділянки, представлені феритами кальцію, які, повторюючи обриси зерен, розвиваються за магнетитом і гематитом, заміщуючи їх частково або повністю. Іноді ферити кальцію спостерігаються у вигляді голчастих кристалів щільної упаковки, незначні проміжки між якими заповнені склом, вміст якого досягає 10%.

На агломашині №5 “Міттал Стіл Кривий Ріг” досліджено параметри аглогазів, що відходять. Максимум інтенсивності вилучення масел наступає за максимумом вилучення вологи й передує підвищенню температури аглогазів, що відходять, за ходом спікання (рис.7). Такий розподіл концентрації масел в газах по довжині агломашини свідчить, що значна частка парів масел конденсується в зоні перезволоження.

Рис.7. Параметри газового потоку по довжині агломашини:

Qм, Qп, Qв – вміст масел, пилу й вологи відповідно, г/м3; tг – температура газу, С

Результати дослідження складу газів для різних режимів застосування ОТС наведені в табл.11. Підготовка замасленої прокатної окалини вторинних відстійників у вигляді ОТС з часткою торфу 20% дозволяє в 2,7 рази підвищити ступінь згоряння масел при агломерації.

Таблиця 11

Склад газу, що відходить (середньозважені величини по 6-8 вакуум-камерах)

Питома витрата ОТС, кг/т | Склад ОТС, окалина:торф,% | Склад газу, що відходить, % | Кількість парів масел, мг/м3 | Примітка

СО2 | Н2 | О2

- | - | 6,2 | 0,03 | 19,3 | 235 | Без допалювання

7,0 | 95:5 | 5,6 | 0,05 | 18,9 | 330

11,0 | 80:20 | 7,9 | 0,04 | 20,06 | 260

12,0 | 80:20 | 8,1 | 0,03 | 19,25 | 10 | З допалюванням

12,0 | 80:20 | 7,8 | 0,04 | 19,85 | 290 | Без допалювання

13,0 | 80:20 | 7,7 | 0,05 | 19,73 | 290

16,0 | 80:20 | 7,7 | 0,04 | 20,15 | 300

Дослідження стану елементів газовідвідного тракту показало, що вміст масел у відкладеннях, що утворюються на елементах мультициклонів, зростає тільки в змивних мішках, тобто більша частина возгонів масел осаджується на частках крупністю >10 мкм, які зі змивних мішків надходять у шламову систему. Вміст масел у камері брудного газу та камері чистого газу змінюється незначно. Двократне зростання приходу масел до аглошихти не супроводжувалось збільшенням відкладень на лопатках ексгаустеру, й мультициклони ефективно виконували функцію пиловловлення в період випробувань.

Одним з засобів, що дозволяють зменшити потрапляння масел окалини в газовідвідний тракт агломашини, є допалювання парів масел у вакуум-камері. Оцінку можливості допалювання парів масел з застосуванням електроіскрового розрядника, сконструйованого за участю автора, проводили на агломашині №4. Результати досліджень наведені в табл.12.

Таблиця 12

Склад газу в 7 вакуум-камері в умовах використання пристрою допалювання

Місце відбору | Вміст у газі, % | Кількість масла, г/м3

СО2 | Н2 | О2 | СО

До пристрою допалювання | 4,75 | 0,040 |