Идеи и машины работают
Электронная почта:
Turn on Javascript!
+7 (4872) 34-66-61 71-46-57, 47-22-76
Запросить
персональный
проект

О выборе рационального способа окускования мелкофракционных материалов техногенного и природного происхождения

Авторы

Дорофеев Генрих Алексеевич, канд.техн.наук, директор по науке, e-mail: Turn on Javascript!

Барсукова Елена Юрьевна, главный технолог, e-mail: Turn on Javascript!

ООО «НПП «Инновационные технологии и материалы» (ГК «Ферро-Технолоджи»), Россия, г.Тула

Аннотация

Сравнительный анализ различных  способов окускования мелкофракционных материалов позволяет определить каждому предприятию наиболее эффективную технологию рециклинга. Разработаны критерии оценки способов брикетирования на основе научного и производственного опыта ООО «НПП «Инновационные технологии и материалы» (ГК «Ферро-Технолоджи»). В результате исследований определены технико-технологические требования к брикетам для сталеплавильного производства. Выявлены преимущества технологии брикетирования способом вибропрессования.

Ключевые слова

Мелкофракционные материалы природного и техногенного происхождения, окускование, брикет, производство стали, критерии оценки технологий окускования.

Публикация

Вопросы окускования мелкофракционных материалов природного и техногенного происхождения, образующихся в производстве чугуна и стали,  их металлургической  ценности широко освещены. Большинство специалистов очень хорошо информированы по этим проблемам, тем более в своей повседневной работе часто сталкиваются с необходимостью размещения мелких промышленных отходов на площадках хранения и их обслуживания.

С введением в силу с 01.01.2015 г. изменений и дополнений к Федеральному закону №89-ФЗ от 24.06.1998г. (ред. 29.12.2014 г.) «Об отходах производства и потребления» прогнозируется существенное изменение ситуации с накоплением и хранением отходов производства. В соответствии с Постановлением Правительства РФ от 19.11.2014г. № 1219 коэффициенты к нормативам платы за выбросы вырастут с 2,45 в 2015г. до 2,67 в 2017г. До сих пор предприятиям удавалось тем или иным способом согласовывать лимиты размещения отходов производства с применением понижающих коэффициентов за оборудование специализированных полигонов  или фактическую утилизацию. Практически в каждом регионе, где существует металлургические или коксохимические предприятия, можно наблюдать могильники с огромной мёртвой зоной. Исключением является утилизация мелкофракционных отходов в агломерации путём их возврата в технологический цикл. Но ни для кого не секрет, что при этом фактически 15-25% агломерата фракции ≤10 мм постоянно находится в круговороте, загружая мощности аглофабрики.

Успешный опыт эффективного вовлечения мелких промышленных отходов в рециклинг носит единичный характер. Что это? Нежелание металлургов отходить от традиционных методов производства металла, недостатки существующих способов окускования или мизерная плата за размещение отходов, позволяющая не заниматься проблемами утилизации, предпочитая занимать, как правило, в городской черте, огромные площади под полигоны?

Что касается экономического рычага давления, то, похоже, что Правительство попытается заставить металлургов решать проблемы утилизации. На практике ситуация выглядит следующим образом: фактически специалисты каждого предприятия систематически оформляют патенты на изобретения на тот или иной способ утилизации промышленных отходов, но большая часть этих изобретений остаётся на  бумаге или завершается апробированием опытно-промышленной партии, предназначенным для  подтверждения научной ценности изобретения и получения кандидатом научного звания. Широкое внедрение до сих пор пробуксовывает. Одной из причин этого является отсутствие согласованных критериев в оценке эффективности способов окускования.

В настоящей статье рассмотрен спектр проблем, касающихся производства оксидоугольных (или железоуглеродосодержащих) брикетов, которые в будущем составят основную долю окускованного материала.

Прежде, чем окончательно сделать выбор в сторону той или другой технологии окускования мелкофракционных материалов, необходимо ясно представлять требования к химическому составу и физико-механическим характеристикам оксидоугольных брикетов для сталеплавильного процесса, а также особенности технологии плавки с брикетами.

Кроме того требуют определённости следующие параметры:

- какие размер и форма куска наиболее предпочтительны для  конкретного сталеплавильного агрегата;

- каким способом можно получить окускованный материал с наибольшей механической прочностью, обеспечивающей перегрузки и транспортирование с минимальными разрушениями;

- каким способом можно получить материал с более высоким удельным весом, в котором концентрируются максимум полезных компонентов в минимуме объёма;

- какой способ позволяет минимизировать предварительную подготовку сырьевых материалов перед окускованием (дробление, сушку), то есть использовать мелкофракционные материалы с естественной влажностью и гранулометрическим составом;

- для какого способа окускования существует серийное оборудование, позволяющее максимально автоматизировать технологический процесс, создав производственному персоналу комфортные условия работы, сведя при этом к минимуму негативное  воздействие человеческого фактора на качество конечного продукта;

- для какого способа окускования существует серийное оборудование, которое обеспечивает действующие нормативы по  экологии;

- какое оборудование для окускования обеспечивает требуемую металлургам производительность;

- каков ресурс оборудования и обеспечивается ли непрерывность производственного процесса.

 

Производственный процесс окускования состоит из следующих основных этапов:

- приготовление формовочной смеси (включает подготовку сырьевых материалов, дозирование и перемешивание исходных компонентов со связующим);

- формование изделий;

- набор прочности готовыми брикетами.

 

Качество готовых брикетов закладывается на первом этапе – приготовлении шихтовой (формовочной) смеси, хотя в настоящее время все еще продолжаются дискуссии вокруг способа формования.

В первую очередь существенное значение имеет выбор связующего. Наиболее важными критерием выбора связующего являются следующие факторы:

- внесение в состав брикета минимального количества негативных химических элементов, спообных снизить металлургическую ценность готового продукта;

- способность связующего при минимальном расходе обеспечивать требуемую механическую прочность брикета;

- способность связующего обеспечивать «горячую» прочность брикетов;

- способность связующего обеспечивать атмосфероустойчивость брикетов, позволяющую транспортировать готовую продукцию на значительные расстояния в открытых полувагонах;

- связующее должно отвердевать при невысоких (до 500С) температурах;

- связующее не должно относиться к дефицитным материалам;

- экономическая целесообразность применения связующего.

Практически всем вышеуказанным требованиям соответствуют портландцементы и глинозёмистые цементы. Портландцемент - это гидравлическое вяжущее, твердеющее на воздухе и в воде, способное сохранять свои свойства как на воздухе, так и в воде. Основными составляющими портландцемента являются: CaO - 62…67%; SiO2 – 20…23%; Al2O3 – 4…8%; Fe2O3 – 1…4%; MgO - 0,5…5%; SO3 - 1…3%; K2O+Na2O - 0,5…1%. Таким образом, химический состав портландцемента позволяет рассматривать это связующее как компонент - флюс.

Глинозёмистый цемент представляет собой измельчённый в тонкий порошок продукт плавления или спекания глинозёмистых и известковых материалов, взятых в соответствующих пропорциях. Глинозёмистый цемент относится к типу гидравлических вяжущих. Основными составляющими глинозёмистых цементов являются: CaO - 35…42%; SiO2 – 3,5…9%; Al2O3 – 36…44%; Fe2O3 – 4…8%; MgO - 0,3…1,5%; SO3 - 0,03…2,0%; Na2O - 0,1…0,4%. Глинозёмистый цемент характеризуется очень быстрым твердением без тепловой обработки и высокой прочностью, которую он приобретает в первые сутки. Кроме того, по сравнению с портландцементом содержание SO3 в глинозёмистом цементе существенно ниже. Однако нельзя не отметить, что цена глинозёмистого цемента в 1,5-2 раза выше, чем у портландцемента. Экономическая целесообразность применения того или иного вида цемента при изготовлении брикетов должна определяться не только себестоимостью связующего, но и производственной себестоимостью (а именно стоимостью тепловой обработки), а также более получением брикета более высокого качества  по химическому составу (содержанию S).

Большой интерес представляет применение при изготовлении брикетов шлакощелочных связующих, изготавливаемых на основе доменного гранулированного шлака. Производство этого вида связующего целесообразно организовывать непосредственно на металлургическом предприятии, на котором изготавливается граншлак и планируется размещение производства брикетов. Этот вид связующего также относится к гидравлическим. К сдерживающим факторам широкого применения шлакощелочных вяжущих следует отнести повышенные требования к технологическому оборудованию по химической стойкости.

Применение органических связующих, таких как меласса, крахмал, битум, каменноугольная смола и др., рекомендованы в тех регионах, где не требуется транспортировка брикетов на значительные расстояния, поскольку данные связующие не обеспечат требуемые показатели по водостойкости и морозостойкости готовой продукции. Применение полимерных связующих при производстве сырьевых материалов для металлургической промышленности недостаточно изучено. Кроме того необходимо учитывать, что термическая устойчивость изделий на основе органических связующих невысокая.

Использование в качестве связующего жидкого стекла имеет свои плюсы и минусы. К позитивным моментам можно отнести то, что для многих типов брикетов жидкое стекло удовлетворяет требованиям по химическому составу. Что касается технологических особенностей, то здесь скорее присутствуют негативные моменты, а именно: для подготовки рабочего раствора жидкого стекла необходима установка специального оборудования; все оборудование технологической цепочки, имеющее контакт с жидким стеклом или формовочной смесью на его основе, должно быть химически стойким; отверждение (достижение «холодной» прочности) жидкого стекла происходит при температурах свыше 2000С или при введении в состав смеси кремнийфтористого натрия, являющегося очень опасным для здоровья людей компонентом; транспортировка брикетов на основе жидкого стекла должна осуществляться во влагонепроницаемой таре, поскольку это связующее имеет свойство вымываться из брикета; жидкое стекло в 3-4 раз дороже цементного связующего. Поэтому к вопросу по применению жидкого стекла в качестве связующего необходимо подходить очень внимательно и использовать его только в тех случаях, когда это обосновано технической  и экономической целесообразностью.

Таким образом, в каждом конкретном случае при организации производства брикетов необходимо очень внимательно  подходить к выбору связующего, которое должно обеспечивать технические характеристики продукта, быть технологичным и экономически целесообразным.

Основываясь на собственных исследованиях и анализе значительного количества публикаций, мы считаем, что все же наиболее универсальными являются цементные связующие. Они доступны в каждом регионе, гарантированно обеспечивают механическую прочность при сжатии и сбрасывании, водостойкость, морозостойкость, а также «горячую» прочность брикетов в плавке. Основным недостатком, например, портландцемента, является содержание в нем S. Считаем, что данная проблема решается при применении комплексного связующего: (цемент) + (органическое или неорганическое связующее). В этом случае цемент обеспечивает горячую прочность, атмосферо- и морозоустойчивость, а, например, каменноугольная смола или патока, обеспечивают механическую («холодную») прочность брикетов.

Технологические задачи, стоящие при приготовлении формовочной смеси, можно обозначить следующими направлениями:

- необходимостью минимизировать подготовку сырьевых материалов;

- обеспечением возможности использования в составе одного брикета нескольких (до пяти) компонентов;

- обеспечением точности дозирования исходных компонентов;

- обеспечением требуемой гомогенности смеси при перемешивании между собой железо- и углеродосодержащего компонентов с целью достижения максимального контакта между частицами материалов, вступающих в реакцию при плавлении;

- необходимостью равномерного рапределения связующего в смеси основных компонентов, чтобы при минимальном количестве связующего обеспечить максимальную прочность готового брикета;

- необходимостью равномерного увлажнения «сухой» смеси компонентов со связующим, чтобы обеспечить оптимальные условия формования;

- исключением в процессе перемешивания расслоения формовочной смеси.

- обеспечением для конструкции смесителя длительного ресурса работы;

- обеспечением при перемешивании экологических требований, то есть отсутствия пыления мелкодисперсных материалов при загрузке и работе смесителя.

 

При изготовлении железо-углеродосодержащих брикетов в композиции участвуют существенно различающиеся по физико-механическим характеристикам компоненты – железосодержащие и углеродосодержащие компоненты. Эти материалы различаются по истинной плотности (от 1,7 до  5,2 г/см3), влажности (от 0 до 20%), водопотребности и пр. С точки зрения требований по подготовке сырья необходимо выбирать такой способ производства брикетов, который позволил бы исключить подготовительные операции. Так при изготовлении брикетов на цементном связующем наибольшая крупность применяемых материалов ограничивается 1/4 размера минимальной грани брикета. То есть при изготовлении брикетов с размером грани 50 мм максимальный размер фракции материалов ограничивается 12,5 мм. Совершенно естественно, что при изготовлении более крупных брикетов возможность использования более крупных материалов расширяется. Это актуально, когда промышленные отходы имеют засоряющие металлические примеси, способные привести к поломке формовочного агрегата с мелкими ячейками.

Исходная влажность компонентов брикета также имеет существенное значение. Для каждого формовочного агрегата имеется свой оптимальный диапазон влажности смеси. Существует мнение, что наиболее предпочтителен тот способ формования, при котором влажность формовочной смеси минимальна и нет необходимости удалять излишки воды из готового брикета. Однако, по-нашему мнению, все-таки преимущества имеет такой способ формования, который позволяет использовать сырьевые материалы с естественной влажностью, создавая из них композицию, удовлетворяющую по влажности требованиям формовочного агрегата. При этом исключается этап сушки сырья.

Нельзя не учитывать при выборе технологического оборудования, что практически все основные компоненты брикетов являются токопроводящими материалами.

Считаем, что дозирование компонентов необходимо производить только весовым способом. Погрешность дозирования напрямую связана с точностью химического состава готового продукта. Следовательно, чем точнее проводится дозирование материалов, тем меньше проблем по шихтовке при выплавке стали. Объемное дозирование при производстве брикетов необходимо исключить по причине существенно различающейся плотности исходных компонентов.

Исходя из вышеизложенных требований к процессу перемешивания,  оборудование для перемешивания формовочной смеси должно обеспечивать: возможность многостадийного (двух-, трехстадийного перемешивания), исключать расслоение смеси.

В настоящее время в мире производится большое количество типов конструкций для перемешивания материалов. Наиболее отвечает требованиям, предъявляемым к приготовлению формовочной смеси для производства брикетов, конструкция планетарного смесителя тарельчатого типа со встроенными дополнительными активаторами.

Таким образом, приготовление формовочной смеси – это наиважнейший этап, на котором закладываются все потенциальные свойства брикетов.

 Далее на этапе формования необходимо уплотнить готовую формовочную смесь до определенного (желательно максимального) уровня. Именно способ уплотнения (формования) и явяляется предметом постоянных дискуссий. С нашей точки зрения, если достигается результат (заданная плотность брикета) способ формования не имеет принципиального значения. При оценке способа брикетирования необходимо рассматривать технико-технологические параметры всего технологического процесса.

В настоящее время окускование представлено следующими способами:

Гидравлический способ прессования – способ формования, при котором на предварительно подготовленную смесь воздействуют давлением не менее 20МПа. Для формования 1 брикета размером 50х50х50 мм необходимо гидравлическое усилие 5 тонн. Естественно, такая технология не может быть высокопроизводительной. Технология гидравлического прессования нашла своё применение при изготовлении топливных брикетов, когда под действием огромных усилий частицы сырья не только уплотняются (сближаются), но и рушатся, формируя цельный брикет. Частицы многих железосодержащих материалов (например, прокатной окалины) под воздействием высокого удельного давления сжимаются, а после снятия нагрузки под действием сил упругости принимают первоначальную форму, разрушая свежеотформованный брикет. Следовательно, область применения гидравлического способа производства существенно ограничена по видам материалов. Наиболее современными производителями оборудования для гидравлического прессования являются фирмы  «RUF» (Германия) и фирма «C.F.Nielsen» (Дания).

Брикетирование на валковых прессах (разновидность гидравлического прессования) – способ формования, когда подготовленная формовочная смесь проходит через валки и производится изготовление брикетов в форме «пельменя». Удельное давление на смесь в диапазоне 20-50 МПа.

Ведущими фирмами по изготовлению серийного оборудования являются “K.R.KOMAREK, Inc” (США), “Kuppern” (Германия), “Sahut-Conreuer” (Франция), ЗАО «СПАЙДЕРМАШ» (Россия), ИЧМ им. Некрасова (Украина). В 90-х годах XX века данный способ производства брикетов широко внедрялся на территории России и Украины. Однако в настоящее время в России данная технология не подтвердила своей эффективности. Причинами этого являются следующие факторы: ограниченный спектр используемых при брикетировании материалов по истинной плотности, необходимость предварительного измельчения исходных компонентов до размера частиц 3-5 мм, ограничение влажности исходных сырьевых  материалов 5%, большое количество (до 25%) возвратного продукта и необходимость оснащения оборудованием линии возврата отхода в производство,  высокая энергоёмкость устанавливаемого оборудования;

Брикетирование способом вакуумной экструзии– формование при одновременном воздействии на подготовленную сырьевую смесь вакуумированием и давлением. Основное технологическое оборудование,  адаптированное для данного способа брикетирования, предназначено для изготовления керамического кирпича из пластичных глиняных масс. В последнее время данный способ окускования широко рекламируется и преподносится как наиболее прогрессивный. Причём рекомендуется изготовление изделий на основе цементного связующего. Вызывает сомнение, что применение цементного связующего в данном процессе (вакуумирование) обосновано. Существуют определённые требования по количеству воды, необходимой для гидратации цемента. Да и теории гидратации цемента (4 базовых теории) ещё никем не опровергнуты. Однако авторами делаются заявления, что через 2 минуты после выхода из экструдера изделия достигают своей проектной прочности. Как это возможно, если   начало схватывания (не путать с твердением) портландцемента наступает не ранее, чем через 45мин. после затворения водой, а окончание схватывания – не ранее 1,5 часов. Продолжительность набора прочности (твердение) изделиями на цементных вяжущих происходит при тепловой обработке в течение 16-20 час. или при естественном твердении (t не мене +200С) в течение 7 суток. Единственное, что можно предположить, так это то, что цикл изготовления брикетов данным способом составляет такую продолжительность, что процессы гидратации цемента и формирования гидроокислов успевают завершиться. Можно согласиться, что определённые виды сырьевых материалов (тонкодисперсные шламы и пыли) можно окусковывать данным способом. Однако остаётся вопрос о соответствии формы брикетов (мини-цилиндров, хаотично формирующейся под действием гравитации) требованиям, предъявляемым к материалам для металлургической шихты. Кроме того в доступных публикациях нами не найдены сведения о количествах частиц менее  5 мм, получающихся при данном способе формования.

Брикетирование способом вибропрессования – формование при одновременном воздействии на формовочную смесь вибрации и давления. Формование брикетов осуществляется на вибропрессовых установках. Под воздействием вибрации частички материалов в композиции находят своё оптимальное положение без возникновения каких-либо напряжений и упругих деформаций. Кроме того, под воздействием вибрации формовочная смесь на цементном связующем получает структурные изменения «твёрдое тело – жидкость - твёрдое тело». Форма и размеры брикетов, изготавливаемых способом вибропрессования, могут изменяться в достаточно широком диапазоне. Так размеры брикетов могут варьировать от 40 до 300 мм. Брикеты могут изготавливаться в виде цилиндра, четырех-, шести-, восьмигранной призмы с любым заданным соотношением длина:ширина:высота. Удельное давление на смесь при формовании очень незначительно и не превышает 2 МПа. То есть понятно, что с точки зрения энергозатрат данный способ наиболее экономичный. Данный способ производства в полной мере соответствует требованиям, предъявляемым к организации производства XXI века. Главные преимущества данного способа формования – это при высокой производительности (до 50 т/час) безотходность, экологичность, низкая энергоёмкость, полная автоматизация всех технологических процессов (от приёма сырья до отгрузки готовых брикетов) и  короткий производственный цикл изготовления (не более 24 часов). Данная технология является более универсальной. На вибропрессовом оборудовании возможно не только производить брикеты различного размера и конфигурации, но и применять материалы с широким диапазоном влажности (от 0 до 20%), плотности и гранулометрического состава. Оборудование, предназначенное для этого способа изготовления брикетов, наиболее полно отвечает требованиям по надёжности конструкций, обеспечивая непрерывный график работы. Примерами стабильной работы могут служить вибропрессовые технологии выпуска брикетов, действующие на предприятиях фирмы «Thyssen Krupp Stahl» (Германия) с 2004 г. с проектной производительностью 300 тыс.т/год,  фирмы SSAB Tunnplat» (Швеция) с производительностью после реконструкции в  2005г. в 150тыс.т/год.

В 2014 году в ООО «НПП «Инновационные технологии и материалы» (ГК «Ферро-Технолоджи») начала работать промышленная линия по изготовлению оксидоугольных брикетов для сталеплавильного производства. Компонентный состав и технологические режимы производства брикетов для выплавки стали в электродуговой печи определялись на основе длительных исследований и апробаций.

Брикеты имеют следующие физико-механические показатели:

Размер брикетов 60х60х70 мм; механическая прочность на сжатие – не менее   5,0МПа (разрушающая нагрузка не менее 1800кг/брикет); механическая прочность на сбрасывание по ГОСТ 21289-75 – не менее 95%; остаточная влажность – не более 3, 0% (масс.);

Химический состав брикетов: Feобщ – не менее 42%; С – не менее 25%;

Рис.1. Схема переработки мелкофракционных отходов в брикеты

В настоящее время ГК «Ферро-Технолоджи» реализует проект строительства автоматической линии по производству оксидоугольных брикетов мощностью до 150тыс.т/год.

Подводя итоги всего вышеизложенного, можно с уверенностью сказать, что подготовка шихтовых материалов для сталеплавильной печи через окускование мелкофракционных материалов в ближайшем будущем станет неотъемлемым процессом. Это позволит принципиально изменить технологию электроплавки. Одновременное присутствие в брикетах восстановителя и твёрдого окислителя обеспечивает в печи интенсивное протекание карботермической реакции восстановления. Главное преимущество брикета – это возможность управления электроплавкой путём изменения в составе брикета соотношения С/О.

При выборе технологии окускования предлагается руководствоваться следующими критериями:

- агрегатное состояние и физико-механические свойства сырьевых материалов для изготовления брикетов, (в т.ч. гранулометрический состав и влажность материалов);

- требования к готовым брикетами по конфигурации и размеру;

- требования к готовым брикетам по влажности;

- количество компонентов, одновременно используемых в составе брикетов;

- заданная производительность технологической линии;

- требования по степени автоматизации производственного процесса;

- требования по количеству оборотного продукта в технологии; соответствие производства экологическим требованиям;

- требования по продолжительности полного технологического цикла (от сырья на складе до отгрузки готового брикета);

- требования по механической прочности готовых брикетов;

- требования к «горячей» прочности брикетов;

- требования к производственной площадке для размещения технологической линии (площадь, высота, отапливаемые помещения);

- количество цехового персонала (включая инженерно-технических работников) на технологической линии (от приёма сырья до отгрузки продукции); квалификационные требования к производственному персоналу;

- энергозатраты на выпуск 1 тонны брикетов: электроэнергии, сжатого воздуха, тепловой энергии и пр.;

- доля  быстроизнашивающихся частей оборудования и механизмов в составе технологической линии в  количественном и стоимостном выражении.

 После сравнения технологий по данным критериям можно с высокой степенью объективности выбрать наиболее эффективную. Главным же является тот факт, что назрела острая необходимость производства специально подготовленных окускованных железоуглеродосодержащих материалов, позволяющих получить действенный механизм  управления технологией электроплавки.  Экономическая целесообразность обусловлена также рециклингом мелкофракционных материалов. С нашей точки зрения, наибольшего внимания заслуживает окускование способом вибропрессования.