WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

В. Н. Ко ко рин А. А. Григо рь е в М. В. Ко корин О. В. Че мае ва ПРОМЫШЛЕННЫЙ РЕЦИКЛИНГ ТЕХНОГЕННЫХ ОТХОДОВ Уль яновск 2005 Федеральное

агентство по образованию Ульяновский государственный технический университет В. Н. Кокорин, А.А. Григорьев, М. В. Кокорин, О. В. Чемаева Промышленный рециклинг техногенных отходов Учебное пособие для студентов, обучающихся по специальности 120400 Ульяновск 2005 УДК 693.814.791(075) ББК 34.641я7 К60 Утверждено редакционно-издательским советомуниверситета в качестве учебного пособия Рецензенты: д.т. н., президент гру ппы компаний« Волга-Экопром» Булыжев Е.М., кандидат технических наук, доцент Федорова Л.В.

Кокорин,В.Н.

К60 Промышленный рециклинг техногенных отходов:Учебное пособие /В.Н.

Кокорин, А.А.Григорьев, М.В. Кокорин, О.В. Чемаева. — Ульяновск:

УлГТУ, 2005. —42с.

ISBN 5-89146-681- Пособие написано в соответствиис учебной программой курса « Технологические процессы машиностроительного производства» для студентов дневного, вечернего и заочного отделений машиностроительных специальностей.

УДК 693.814.791 (075) ББК 34.641 я © Кокорин В.Н., Григорьев А.А., Кокорин М.В., Чемаева О.В., © Оформление. УлГТУ, ISBN 5-89146-681- ОГЛАВЛЕНИЕ 1. Современные методы и средства сбора и переработки отходов металлургии и механической обработки исхода из критериев ресурсосбережения и эк ологичности 1.1. Методы сбора пылей и шламов 1.2. Сепарация 1.3. Измельчение 1.4. Тепловая обработка 1.5. Удаление масла из шламов 1.6. Брикетирование 1.7. Удаление примесей 2. Проблемы к омплексного использования техногенных отходов 3. Шламы газоочистных и сантехнических сооружений 3.1. Отходы агломерационного производства 3.2. Отходы доменного производства 3.2.1. Шламы газоочисток доменных печей 3.2.2. Шламы подбункерных помещений доменных печей 3.2.3. Отходы сталеплавильного производства 3.2.3.1. Шламы газоочисток мартеновских печей 3.2.3.2. Шламы газоочисток конвертеров 3.2.3.3. Шламы газоочисток электросталеплавильных печей 3.2.4. Утилизация шлам ов 4. Анализ использования ЖСС в процессах промышленного рециклинга 5. Прессование структурнонеоднородных систем с различным агрегатным состоянием фаз в технологических процессах утилизации тонкодисперсных порошковых отходов черной металлургии 6. Прессование структурнонеоднородных систем с различным агрегатным состоянием фаз в технологических процессах утилизации тонкодисперсных порошковых отходов черной металлургии Заключение Б иблиограф ический список Контрольные вопросы 1. СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ И С РЕДСТВА СБ ОРА И ПЕ РЕ РАБ ОТКИ ОТХОДОВ МЕТАЛЛ У РГИИ И МЕХА НИЧЕСК ОЙ ОБ РАБ ОТКИ ИСХОДЯ ИЗ К РИТЕ РИЕВ РЕСУ РС ОСБ ЕРЕЖЕНИЯ И ЭКОЛОГИЧ НОСТ И Общими (освещенными в технической и патентной литературе) в рас сматриваемой области являются вопросы селективного сбора, транспортирова ния и хранения железосодержащих отходов (ЖСО) в исходном состоянии;

се парации твердых и жидких, магнитных и немагнитных компонентов ЖСО: не которые аспекты технологического охрупчивания, измельчения, сепарации (классификации) и тепловой обработки шламов.

Обеспечение селективного сбора, транспортирования и хранения железо содержащих отходов (ЖСО) перед их переработкой методом плавильного пе редела является важнейши м фактором, определяющим промышленную конку рентоспособность рассматриваемого направления использования ЖСО. Именно смешанный характер многих видов ЖСО и обусловленная этим нестабильность по химическому составу являются основными препятствиями для широкого ис пользования в качестве вторичного сырья ЖСО.

Методы сбора пылей и шламов 1.1.

Во всех металлургических переделах образуется значительное количество пылей, которые необходимо улавливать и утилизировать с целью извлечения содержащихся в них металлов и поддержания необходимого уровня охраны ок ружающей среды. Для улавливания тонкодисперсных пылей применяются сис темы сухого и мокрого пылеулавливания;

в результате этого в последующие процессы переработки поступают сухие или мок рые шламы.

Главным источником образования шламов в черной металлургии являют ся основные технологические агрегаты металлургического производства: агло мерационные машины, доменные и сталеплавильные печи. Газоочистные и сантехнические агрегаты, в которых проводится очистка технологических га зов, довольно разнообразны.

Рассмотрим подробнее методы улавливания пылей и основные типы применяемых пылеуловителей. Классификация методов и аппаратов представ лена на рисунке 1.

Гравитационная сепарация заключается в осаждении крупных частиц пыли в пылеосадочных камерах. Пыль из газового потока осаждается под дей ствием силы тяжести. Данные аппараты применяютс я (в качестве первой сту пени очистки) сравнительно редко, что объясняется их громоздкостью и трудо емкостью удаления осевшей пыли, а главное низкой эффективностью. Степень очистки не превышает 40-50 %, причем удовлетворительно осаждаются части цы пыли крупнее 40-50 мкм.

При инерционной сепарации взвешенных твердых примесей использу ется сила инерции частиц, возникающая при изменении направления или ско рости аэродисперсного потока. Широкое применение из аппаратов инерцион ного типа нашли жалюзийные пылеуловители, эффективно улавливающие час тицы пыли размером более 20 мкм.

Рис. 1. Классификация методов и аппаратов для улавливаниялылей Центробежная сепарация Наибольшее распространение из аппаратов сухой очистки получили цен тробежные пылеуловители (циклоны, батарейные циклоны, ротоклоны}. В этих устройствах улавливание пылей основано на использовании центробежной си лы, развивающейся при вращательном движении газового потока. Поскольку центробежные силы во много раз больше гравитационных, в результате цен тробежной сепарации улавливание пыли гораздо быстрее и полнее по сравне нию с пылеосадочными камера ми и инерционными пылеуловителями. Цикло ны и батарейные ци клоны рассчитаны на да вление или разрежение 2500 Па (255 мм вод.ст.) и температуру до 400 °С.

В последнее время вс е чаще используются вращающие пылеуловители (ротоклоны), совмещаю щие в себе функции вентилятора и пылеуловителя. Ро токлоны компактны, просты в эксплуатации, высокопроизводительны, эконо мичны и обеспечивают высокую степень очистки при размере частиц пыли бо лее 5-8 мкм.

К достоинствам сухих аппаратов инерционной сепарации следует отнести возможность использования при высоких температурах газа, возможность из влечения из газов твердых нелипких продуктов в сухом виде. Главное же пре имущество сухих пылеотделителей - отсутствие необходимости в использова нии воды, а, следовательно, в ее очистке сложными и дорогими способами. Ос новной недостаток сухих аппаратов инерционной сепарации - невозможность очистки газов от мелкодисперсной пыли. Весьма перспективными в этом отно шении представляют вихревые пылеуловители, обеспечивающие эффективное улавливание частиц размером в несколько микрометров, Мокрая очистка газов осуществляется в результате контакта газов с жидкост ью, и предс та вляе т собой разно видност ь ин ерционного осажде ния. Взвешенные в газе частицы смачиваются водой, утяжеляются и выпадают из газового потока либо под действием силы тяжести и инерции, в том числе центробежных сил, либо захватываются и выводятся из аппарата в виде шлама.

При мокрой очистке газов происходит также его охлаждение. Для улучшения смачивае мости мелких частиц гидрофобной пыли в промывную воду вводят ПАВ.

По принципу действия мокрые пылеуловители подразделяются на оро сительные у стройства, полые и насадочные скрубберы, барботажные и пен ные аппараты, пылеуловители ударно-инерционного типа, мокрые центро бежные пылеуловители, скрубберы Вентури.

Эффективность очистки газа в оросительных устройствах невысока.

Даже при улавливании частиц пыли крупнее 20 мкм степень очистки не превышает 50-60 %. Объемный расход воды состав ляет 0.1-0.3 л/м в зависимости от температуры очищаемых газов и требуемой степени их охлаждения. Эффективность полых скрубберов также невысока, по этому их используют главным образом для увлажнения и охлаждения газов, ус танавливая перед аппаратами тонкой очистки.

Более тесный контакт очищаемого газа с водой и большая эффективность очистки достигается в насадочных скрубберах. Недостатком данных аппаратов является нередко забивание каналов, образуемых элементами насадки, увлаж ненной пылью, что ведет к резкому возрастанию гидравлического сопротивле ния проходу газа и снижению производительности.

В барботажных аппаратах (барботерах} газ пропускают через воду, обеспечивая большую поверхность соприкосновения пузырьков газа с жидко стью. Более совершенными устройствами я вляются пенные аппараты. Они от личаются от барботеров, главным образом, что в них скорость газа в 5-10 раз выше с корости свободного всплывания пузырьков газа в жидкости. При этом на поверхности газа образуется слой пены, в котором газ и жидкость интенсив но перемешиваются и происходит непрерывное разрушение, слияние и образо вание новых пузырьков.

Мокрые пылеуловители ударно-инерционного типа работают по принци пу инерционного осаждения частиц пыли во время преодоления газом препят ствия, смоченного жидкостью, или при резком изменении направления газового потока над поверхностью жидкости.

пленкой (ЦВП). Под действием центробежной силы, содержащиеся в газе пыли отбрасываются к стен кам аппарата, захваты ваютс я пленкой воды и вместе с нею сте кают в бункер. Откуда через патрубок, снабженный гидрозатвором, уловленная пыль в виде шлама выводится из аппарата в канализацию. Степень очистки при работе этих аппаратов может достигать 99 %.

Для очистки от мелкодисперсной пыли широко применяются скрубберы Вентури (коагуляционные мокрые пылеуловители). Они представляют собой агрегат, скомпанованный из последовательно соединенных турбулентного про мывателя (трубы Вентури) с инерционным пыле- и брызгоуловителем и мокро го центробежного циклона.

Процесс ф ильтрации газов с целью очистки заключается в пропускании их через ту или иную твердую пористую среду, образованную из нитей, воло кон, зерен и самой осажденной пыли. Процесс осуществляется с помощью раз ного рода фильтров контактного действия, в которых происходит осаждение частиц в результате действия инерционных и гравитационных сил, теплового (броуновского) движения газовых молекул и т.п. Устройства промышленной фильтрации оформляются в виде рукавных тканевых фильтров, волокнистых слоев, набивок и матов, керамических и металлокерамических перегородок, тканых металлических сеток, насадок из зернистого материала. В каждом из перечисленных типов фильтров могут применяться различные способы регене рации фильтрующей поверхности: механическое встряхивание, обратная про дувка с помощь ю переме щае мых под фильтровальной поверхностью сопел, продувка встречным потоком чистого воздуха.

В зависимости от конструкции рукавные фильтры имеют степень очистки при нормальном состоянии ткани до 99.9 %. В качестве фильтрующего слоя в фильтрах с насадками используют два рода насадочных материалов: насыпные (песок, галька, гравий, шлак, кокс, кусковая резина, пластмасса, керамически е кольца) и жесткие пористые материалы (пористая керамика, металлокерамика, пластмассы и т.д.).

Преимуществами фильтрации как метода очистки газов от пыли являются возможность тонкой и сверхтонкой очистки, получение уловленного продукта в сухом виде, относительно умеренные затраты энергии. К недостаткам следует отнести громоздкость, необходимость в ряде случаев предварительного охлаж дения газов, относительно малый срок службы фильтрующего материала, необ ходимость регенерации.

Метод электрической очистки газа в электрофильтрах от мелкодис персной пыли основан на явлении ионизации газовых молекул в электрическом поле высокого напряжения. Достоинствами электроочистки являются: возмож ность обработки больших объемов газов при очень малых гидравлических со противлениях;

высокая степень очистки;

малые энергозатраты, возможность полной автоматизации. К недостаткам следует отнес ти высокую металлоем вых выбросов очищается именно электрическим путем.

Подлежащие очистке газы, отводимые от металлургических агрегатов, нагреты до высоких температур. Их очистка в большинстве аппаратах неэф фективна или невозможна при температуре выше 100 °С. Поэтому газы охлаж дают. Наиболее простой метод охлаждения газа заключается в с мешивании го рячего газа с атмосферным воздухом. Однако охлаждение этим методом требу ет подсоса значительного количества воздуха, что приводит к увеличению ко личества газа поступаемого на очистку, увеличению размеров газоочистных аппаратов и росту энергозатрат. Поэтому этот метод применяют для небольшо го снижения температуры газа при начальной температуре не выше 150 °С.

Для охлаждения технологических газов широко применяются котлы утилизаторы, установленные на газовом тракте после мартеновских печей, кон вертеров и других агрегатов. В них газ охлаждается водой, циркулирующей по трубам.

Таблица Характерные параметры сухих механических пылеуловителей Максимальная Эффектив- Гидравличе Тип пыле- Верхний пре производи- ность пыле- ское сопро уловителя дел темпера тельность, м /ч улавливания тивление, Па туры газов,°С частиц раз личных раз меров, % Осади- V 50-130 350- 80- тельная (50 мкм) камера Циклон 85000 50-80 250-1500 350- (10 мкм) Вихревой 90 (2 мкм) До 2000 До пылеуло витель Батарей- 90 (5 мкм) 170000 750-1500 350- ный ци клон Инерцион- 90 (2 мкм) До 127 000 750- ный пыле уловитель Динамиче- 90 (2 мкм) До 42500 750- ский пыле уловитель V - определяется возможной площадью для размещения Необходимость сепарации ЖСО на их отдельные компоненты возникает, в основном, в следующих случаях: при отделении компонентов от твердых (СОЖ - от стружки, шлифовальных, обкатных, опиловочных шламов, листовой обрези и т.п.);

при отделении магнитных компонентов от н емагнитных (абразивной составляющей шлифовальных шламов от металлической);

при разделении компоненто в, различаю щихся по плотности (например, при выделении графита из продукта измельчения чугунной стружки).

Отделение стружки и шламов от СОЖ требует решения двух задач:

выделение шлама из двухфазного потока «шлам-СОЖ»;

отделение шлама от остатков аккумулированных ими СОЖ.

Гравитационные и гидромеханические методы решения обеих задач (от стаивание, фильтрование, центрифугирование, струйная обработка, отмывка с наложением низкочастотных и УЗ-колебаний) описаны в [3]. Обязательным ус ловием практической реализации любого метода, основанного на применение моющих реагентов, является их полная регенерация, снижающая затраты на выполнение операции и исключающая загрязнения производственной и окру жающей среды. Одно из решений задачи регенерации предложено в [4, 5]. Там же рассмотрены вопросы анализа шламов на содержание СОЖ и влияние продолжительности хранения на содержание СОЖ и ее поведение при очистке.

Помимо гравитационных и гидромеханических способов известны терми ческие способы очистки ЖСО от СОЖ. Применение этих способов требует нейтрализации пылегазовых выбросов и является, по-видимому, целесообраз ным в тех случаях, когда в термическом агрегате совмещают выполнение не скольких операций - очистку, сушку, восстановление оксидов, отжиг для сня тия упрочнения, технологическое охрупчивание и т.п.

Способ и устройство для термической очистки шламов от СОЖ предло жены в [б].

Необходимость разделения ЖСО на магнитную и немагнитную состав ляющие возникает при использовании смешанных шламов черных и цветных металлов, магнитных и немагнитных сталей, шламов различного происхожде ния и т.п. Разделение стружки магнитных черных и немагнитных цветных ме таллов успешно происходит на магнитных сепараторах, поскольку сепарируе мые продукты обладают резко отличающимися магнитными с войствами. Наи большие трудности возникают при необходимости глубокой сепарации шламов и пьлей, так как в них значительная часть магнитных и немагнитных частиц плотно объединены механохимическими силами. Традиционные магнитные се параторы и режимы сепарации оказываются в этом случае малоэффективными.

В сепараторе разрушение достигается приведением сепарируемого мате риала в состояние псевдокипящего слоя под действием импульсного электро магнитного поля [7]. Магнитная сост авля юща я концентрируется в верхней части слоя, откуда и извлекаетс я электромагнитным полем. В [8] повышение тимизации частоты следования импульсов электромагнитного поля и длитель ности паузы между ними.

Исследовано вибромагнитное разделение компонентов высокодисперс ных (-50 мкм) ЖСО [10]. Создан вибромагнитный сепаратор. В результате се парации содержание железа в пыли железного порошка (d ор =6 мкм) повыша лось с 89.2 до 98 %, В отходах производства мелкого железного порошка - с до 96.6 % при выходе годного 90.0 % и производительности 200 кг/ч.

1.3. Измельчение Операция измельчения занимает в технологии получения порошков из ЖСО исключительно важное значение: во-первых, она является одной из наи более энергоемких операций;

во-вторых, в процессе измельчения формируются такие свойства ка к форма и состояние поверхности частиц, уровень их дефор мационного упрочнения, гранулометрический состав порошка, его текучесть, уплотняемость, формуемость, спекаемость, загрязненность продуктами взаимо действия порошка с атмосферой и материалами рабочего объема измельчитель ного агрегата.

Вопросы оптимизации процесса измельчения при промышленном полу чении порошка из стружки рассмотрены в работе [10]. Даны рекомендации по выбору предпочтительной конструкции измельчителей. Рассмотрены энергети ческие затраты на измельчении стружки при одно- и многостадийном осущест влении процесса.

Авторы учитывают упруго-пластический характер материала, поэтому во многих технологических схемах операциям измельчения предшествует опера ция технологического охрупчивания. Экспериментальной оценке эффективно сти охрупчивания посвящена работа.

В связи с недостаточной эффективностью измельчительных агрегатов общепромышленного применения при размоле стружки, предложен ряд видов специализированного оборудования.

В работе [8] предложено измельчение производить в устройствах, рабо чие органы которых являются одновременно переменными магнитами. В про цессе работы материал постоянно находится во взвешенном состоянии в про межутке между рабочими органами, благодаря чему процесс измельчения су щественно интенсифицируется. Устройства могут быть реализованы в форме измельчителей типа барабанных мельниц, щековых, валковых, конусных и Кат ковых дробилок.

В работе [10] предложено устройство, рабочими органами которого яв ляются горизонтально расположенные диски. Оси дисков сме щены в горизон тальной плоскости одна относительно другой, эксцентриситет и величина меж дискового зазора регулируются.

Специфическим видом измельчительных агрегатов являются электроэро зионные реакторы, в которых измельчение осуществляется при воздействии на материал импульсов электрического тока. Примерами такого рода устройств являются аппараты, описанные в работе [3].

Интересна возможность использования для измельчения железосодержа щих шламов аппараты на базе линейных индукционных вращателей. Эти аппа раты можно также использовать при очистке от СОЖ, сепарации магнитных и немагнитных компонентов ЖСО.

Установки для дробления металлической стружки представлены в работе [4].

Способ, основанный на окислительном охрупчивании, предложен в ра боте [3].

Простейшим способом криогенного измельчения является способ, пред ложенный в работе [4]. Обезуглероженную и протравленную в щелочи стружку уплотняют в разъемном контейнере, заливают водой, замораживают, устанав ливают на фрезерный станок, фрезеруют иглофрезой, получая порошок с раз мером частиц 0.01-0.5 мм.

Предложен способ измельчения с использованием жидкого азота.

Способ и устройство для получения высокодисперсных порошков пред ложен в работе [2]. Непрерывное ударное доизмельчение порошков до крупно сти 20 мкм производят в вакуумной мельнице при температуре до - 40°С. Из мельчение происходит между билами. Укрепленными под углом на вертикаль ном роторе, вращающемся с частотой 2-20 тыс. об/мин, и отражательными пла стинами, неподвижно установленными на цилиндрической стенке мельницы.

Охладителем может быть ацетон или жидкий азот.

изучен процесс диспергирования шлама стали Р6М5 в вибромельнице.

Порошок, полученный диспергированием шлама, отличается (по сравнению с немолотым) повышенной активностью, обеспечивает увеличение плотности материала в результате спе кания на 13 %, т вердости на 770 МПа. Одна ко на 16.5 % возрастает объемная усадка спеченного материала.

1.4. Тепловая обработка Тепловая обработка ЖСО проводится с целью их сушки, дегазации, от жига для устранения деформационного упрочнения, технологического охруп чивания, восстановления, насыщения компонентами печной атмосферы, спека ния и т.д.

По-видимому, наиболее перспективным классом устройств для большин ства видов тепловой обработки дисперсных материалов являются устройства, в которых ЖСО переводится в псевдоожиженное состояние, В этом случае ин Многоцелевая установка для термической обработки предложена в рабо те. Установка представляет собой аппарат из двух циклонов, соединенных друг с другом и с шахтным т еплообменником. В одном из циклонов производится сушка крупнодисперсной составляющей порошка, в теплообменнике - высоко температурная обработка этой составляющей, во втором циклоне - высокотем пературная обработка высокодисперсных фракций.

Предложен способ и устройство для нагрева дисперсных отходов метал лургических производств. Способ предусматривает приведение материала в псевдоожиженное состояние под действием магнитного поля и нагрев пропус канием электрического тока через цепочки частиц вдоль магнитных силовых линий. Устройство представляет собой цилиндрический реактор в котором мо жет осуществлятьс я как непрерывный нагрев материала до температуры ниже точки Кюри при сохранении его в дисперсном состоянии, так и нагрев до тем пературы выше точки Кюри с образованием спекшихся агломератов, периоди чески выводимых из реактора.

Предложен аппарат для проведения тепломассобменных процессов (суш ки высокодисперсных шламовых материалов). Обрабатываемый материал в ра бочем объеме аппарата приводится в состояние виброкипящего слоя и нагрева ется с помощью погруженных в слой нагревателей. Сушку шлифовального шлама быстрорежущей стали Р6М5 осуществляли при 300 °С на воздухе без самовозгорания материала (при сушке в слое шлам са мовозгорается при нагре ве до 250 °С), объем загруженного материала 12 л, продолжительность сушки 10 мин.

Для порошков, получаемых из ЖСО, исключительно большое значение имеют процессы дегазации, поскольку сырьевые материалы (шламы, пыли), как правило, сильно окислены (окисление может продолжаться на стадиях измель чения и последующего хранения). Шламы активно адсорбируют влагу и газы из окружающей атмосферы. Наряду с традиционными видами дегазирующей об работки в печах сопротивления с ва куумной или восстановительной атмосфе рой представляет интерес применение для этих целей электронного нагрева в печах с плазменными источниками электронов. Приведено описание одной из таких печей и показана эффективность ее применения для дегазации железных порошков.

Предложен способ восстановительного отжига порошков, Отжиг осуще ствляют в конвейерной печи, порошок дозируют на конвейерную ленту так, чтобы он располагался на ней не слоем, как обычно, а в виде последовательно расположенных геометрических фигур — комбинаций конуса и пирамиды. При таком расположении, спек на выходе из печи легко разделяется на отдельные куски, которые легко загружать в измельчающее устройство, обеспечиваются лучшие, по сравнению со слоем, условия газопроницаемости и более глубокая очистка от примесей.

новленных порошков идут в настоящее время в двух направлениях. Во-первых, изучаются различные виды прокатной окалины, пригодной для получения по рошков. Во-вторых, исследуется возможность получения восстановленных по рошков из нетрадиционных видов окисленного сырья - металлургических пы лей и шламов различного происхождения.

Перспективными являются печи для сушки ЖСО в псевдокипящем слое, использование к оторых обеспечивает сокращение длительности процесса в 1. раза по сравнению со стандартными барабанными печами.

Процессы восстановительного отжига и спекания порошков стали Р6М подробно исследованы в работе.

1.5. Удаление масла из имамов Шламы, образующиеся при осаждении в отстойниках для сточных вод пылей от прокатных станов, имеют влажность 20-30 %, содержание смазок 2- %. Такие шламы могут использоваться только после удаления смазок. Удаляют ее промывкой химическими реагентами или обычным выжиганием. Химиче ский метод удаления смазки не всегда эффективен, а эксплуатация печей обжи га связана с высокими э ксплуатационными расходами. Кроме того при обжиге (700-800 °С) происходит агломерация. В соответствии с данными исследований в работе [1], влажность шламов доводят примерно до 1-10 % путем сушки при 140-150 °С, а затем обрабатывают в потоке горячих газов от агломашин на обогреваемом грохоте. В результате большая часть смазки удаляется за счет испарения.

Печь для обезжиривания металлической стружки представлено в работе [5]. Печь содержит корпус, загрузочный проем, проемы для подвода и отвода теплоносителя, проем для выгрузки стружки, под и транспортеры, состоящие из пары шнеков. С целью улучшения очистки стружки, повышения производи тельности и надежности, печь выполнена двухярусной, при этом пол верхнего яруса выполнен в виде распределительного желоба, в котором выполнены ще ли.

Авторами работы [4] разработан способ переработки металлоотходов, за грязненными органическими веществами. Отходы подвергались двустадийной термической обработке: сначала в окислительной атмосфере воздуха при 500 600°С до полного удаления загрязнений, затем в восстановительной атмосфере водорода при 800-1100°С. За счет двустадийной обработки в окислительных и восстановительных условиях достигнуто полное удаление органического веще ства.

Способ очистки металлических отходов от СОЖ представлены в работе [2]. Эффективность очистки достигается путем нагрева отходов водяным паром Устройства для удаления масла из стружки: центрифуга. Эффективность очистки стружки от масла - 80 %. Предложено устройство [3] для подогрева и очистки от масел металлической стружки. Устройство включает системы за грузки и выгрузки стружки, вращающуюся печь, печь дожигания газов с горе лочным устройством, трубопроводы и воздуходувку, узел регулирования. Изо бретение позволяет уменьшить расход энергии, увеличить надежность работы и повысить температуру нагрева стружки.

Представлен способ очистки шламовых отходов от СОЖ [6]. Цель изо бретения - сокращение времени сушки. Шлам, содержащий 30-35 % СОЖ, по меща ют в капсулу, которую нагревают до 300-400 °С и создают в ней вакуум 102 -103 Па. Сушку осуществляют до остаточного содержания СОЖ 0.1-0.2 %.

Способ позволяет в 1.5-3 раза сократить время сушки.

1.6. Брикетирование В результате широких исследований процесса брикетирования пылей, очищенных шламов и мелких руд была показана перспективность использова ния этого процесса для утилизации рудной мелочи и различных металлосодер жащих отходов производств (пыль аглофабрик, колошниковая пыль, прокатная окалина и т.д.). Так, были разработаны процессы холодного брикетирования с различными связующими (сульфатные щелока, сульфит-спиртовая барда, чу гунная стружка, жидкое стекло и др), «горячего» брикетирования без связую щих, термобрикетирования с различными восстановителями.

Используя один из указанных методов применительно к технологической схеме с вальцовыми прессами обычного типа (давление - 19.6-39.2 МПа) или с предварительной подпрессовкой материала (давление — до 100 МПа), были получены качественные брикеты практически из всех мелких или сравнительно мелких (менее 10 мм) отходов черной металлургии. По некоторым показателям процесс брикетирования может быть более рентабельным, чем процессы оком ковывания этих же отходов с последующим обжигом сырых окатышей. Кроме того, процессы брикетирования часто более технологичны, так как качест во брикетов в меньшей степени зависят от гранулометрического состава и влаж ности исходного материала (шихты). Поэтому шламы, например, можно не подвергать глубок сушке, особенно при использовании «горячего» процесса ой или процесса с применением некоторых связующих.

Детально изучен процесс термобрикетирования двух- и трехкомпонент ных шихт с различными видами сырья и отходов. В качестве с вязующего восстановителя были использованы недефицитные виды восстановителей и уг леродсодержащие отходы производства и сельского хозяйства (торф, газовый туру брикетов. Это явление объясняется тем, что переход в пластическое со стояние характеризуется постепенным уменьшением вязкости пластической массы и достижением ею состояния максимальной текучести, за которым на ступает охлаждение и быстрое твердение.

Для установления закономерностей поведения восстановителей этих ви дов изучали их восстановительную способность, состав газов пиролиза при различных температурах. Так, исследования газовой фазы при 300-350 °С (для торфа) и 400-450°С (для углей) показало, что газовая фаза состоит преимущест венно из диоксида углерода (57.2 и 49.4 %), азота (31.2 и 34.5 %) и кислорода (8.8 и 7.1 %) соответственно. С повышением температуры количество СО2 в га зовой фазе заметно снижается (для углей — с 49.4 до 18.8 %), но примерно в де сять раз возрастает количество метана (с 1.2 до 12 %) и незначительно — азота.

Для процесса термобрикетирования весьма характерны результаты, полу ченные при работе с мелочью ферросплавов и различными торфами. Аналогич ные или близкие зависимости получают и при замене мелочи ферросплавов же лезосодержащими отходами. В качестве связующих-восстановителей применя ли разнообразные торфы с различными свойствами, преимущест венно с высо кой степенью разложения (15 %), и низким и даже весьма низким содержани ем фосфора в золе (0.002-0.08 %).

Зольность всех торфов составляла от 4 до 8 %, содержание углерода — 55 59 %, водорода — 5.6-6.1 %. В состав золы торфов входят оксид кремния (IV) (34-64 %), оксид железа (III) (7-11.3 %). Оксид кальция (11 -26 %) и оксид алю миния (8-16%). Расчетное количество твердого углерода, определявшего ком понентный состав шихт, изменялось в торфах от 23 до 30 % при влажности 15 20 %. Основные оптимальные параметры процесса термобрикетирования мело чи ферросплавов с различными торфами.

Анализ исследований показывает, что крупность компонентов шихты в указанных пределах не оказывает существенного влияния на качество термо брикетов, однако при уменьшении крупности прочность брикетов при сжатии возрастает. Увеличение содержания в шихте восстановителя повышает проч ность термобрикетов, но оптимальное его количество должно быть не ниже 30 35%. Более прочные брикеты получены при использовании в качестве связую щих-восстановителей различных верховых торфов со степенью разложения бо лее 15%.

Хорошие результаты получены и при термобрикетировании двухкомпо нентных шихт с ЖС мелкими рудами и отходами и трехк омпонентных — с вве дением в состав шихты флюсов (5-15 %). Как отмечалось ранее, для термобри кетирования и качества брикетов химический состав и физические свойства рудного сырья не имеют существенного значения, в основном влияет их грану лометрический состав и параметры процесса брикетирования (давление, темпе механических свойств термобрикетов.

Удовлетворительные результаты получены при использовании в качест ве связующего гидролизного лигнина различных сортов, некоторых недефи цитных углей и шихт с комбинированным восстановителем.

Необходим отметить, что термобрикеты с торфом обладают и хороши о ми металлургическими свойствами, за исключением термомеханической проч ности, которая заметно снижается при повышении температуры (испытания проводили в востановительной среде при температурах 400-1000 (1400) °С).

При нагревании от 400 до 1000-1200 °С сопротивление сжатию (в раскаленном состоянии) снижается примерно в 2-3 раза. Этот показатель значительно выше при введении в шихту около 20-25 % газовых углей или при полной замене торфа некоторыми видами газовых или слабоспекающихся углей. Полученные значения удельного электрического сопротивления для торфов, недефицитным углям и их смесям в различном соотношении близки к значениям электриче ского сопротивления для коксика-орешка (2.4-3.4 Омсм) — одного из основных восстановителей в производстве ферросплава. Из результатов исследования следует, что скорость восстановления термобрикетов с некоторыми угольными восстановителями связующи ми в среднем в 5-10 раз выше, чем у аналогичной по составу шихты.

При определении восстановимости термобрикеты с торфом вели себя неодинаково. В печи сопротивления с графитовым нагревателем в атмосфере очищенного азота (до 1500 °С) не рассыпались и хорошо восстанавливались (через 4.5 мин - 94-98 %), а в атмосфере аргона (до 1050-1100 °С) - резко сни жалась прочность и определить их восстановимость не представлялось возмож ным. Высокая прочность термобрикетов при температурах восстановления в атмосфере очищенного азота объясняется быстрым образованием прочного ме таллического каркаса, толщина которого с подъемом температуры восстанов ления постепенно увеличивается. Это подтверждается фронтально-слоевым ме ханизмом восстановления термобрикетов, т.е. реакционная зона, в которой от сутствует градиент концентрации реагентов, постепенно продвигается от пери ферии к центральным слоям брикетов.

Восстановленные термобрикеты являются не пирофорным материалом и могут охлаждаться на воздухе, так как выделяющийся оксид углерода и газы пиролиза предохраняют их от вторичного окисления. Было исследовано и уча стие пиролизного газа в процессах восстановления термобрикетов, так как при низком исходном отношении ( С ТВ /Железо(ОБЩ) )- 0.151-0.219) достигались высо кие степени восстановления, ранее было установлено, что верховые торфа раз личной степени разложения при температуре 900°С и выше являются эффек тивными вос станови теля ми. Г азы пиролиза торфа при темп ературах 900 степенно переходит в СО (СО2 +С=2СО) и одновременно реагирует с оксидами железа. Это подтверждает также предположение, что газы пиролиза и сажистый углерод компенсирует недостаток восстановителя — твердого углерода торфа.

Процесс термобрикетирования может быть осуществлен и несколько в ином режиме. Например, мелкозернистую руду или ЖСО можно использовать в качестве теплоносителя, нагревая их до более высоких температур (до 500 600°С), а связующее -восстановитель - до более низких (до 90=120°С) с таки м расчетом, чтобы температура смешанной шихты соответствовала температуре перехода восстановителя в пластическое состояние. Температура рудной части шихты для основных видов торфа — восстановителя должна составлять при мерно 450-500°С, для углей — 550-600°С, в составе шихты и ее гранулометриче ского состава. В тех случаях, когда необходимо получать термобрикеты повы шенной прочности и пористости, может быть рекомендована их термическая обработка, но для каждого вида шихты, составляющей термобрикеты, парамет ры их обработки должны выбираться экспериментальным путем.

Предложен способ переработки шлама в брикеты. Шлам подвергают обезвоживанию, сушке до 2-15 % влаги, сухую пыль и прокатную окалину смешивают с 1-5 % коксовой мелочи или 0.5-5 % измельченного угля. Преду смотрена возможность добавки органического связующего, сме сь увлажняю т до содержания 8-14 % воды, изготавливают брикеты, которые упрочняются при естественном вылеживании на воздухе или путем обработки паром. Брике ты с твердым топливом загружают в электропечь.

1.7. Удаление примесей Основной проблемой при использовании металлургических пылей явля ется повышенное содержание в них цинка, свинца, особенно в связи с расши ренным использованием оцинкованного скрапа в кислородно-конвертерном производстве.

Над проблемами очистки ЖС пылей от цинка и свинца, их утилизации и использования работают во многих странах мира, но решают эти задачи по разному. Общие решения относятся только к пылям, которые рекомендуют ис пользовать в составе аглошихты и в других металлургических переделах.

Прямое использование ЖСО затруднено из-за повышенного содержания в них цинка, свинца и щелочных металлов. Повышенное содержание этих ме таллов снижает стойкость футеровки доменных печей, приводит к разрушению агломерата, окатышей и кокса, из-за чего резко ухудшаются газодинамические условия процесса и снижается производительность доменных печей.

менных газоочисток.

Поведению цинка в доменном процессе и его влиянию на состояние печей посвящены различные исследования. На основе исследований УралНИИчерме та и Липецкого металлургического комбината (ЛМК) сформулированы сле дующие выводы:

1) существует зона циркуляции цинка в рабочем пространстве доменных пе чей, причем содержание цинка в этой зоне в десятки раз превышает его кон центрацию в исходных шихтовых материалах;

2) цинк может о казывать значит ельное влияние н а состояние огнеупорной кладки;

3) удаление цинка их печи с чугуном и шлаком при нормальном ее ходе неве лико;

4) основная масса цинка (до 90-95 %) удаляется через колошник с газом и др.

Предложена гипотеза, объясняющая механизм образования настылей и рас пределение цинка, отлагающегося в кладке по высоте печи. Для предотвраще ния или уменьшения образования настылей в доменных печах рекомендуется создават ь на периферии шахты тер модинамичес кие условия, и сключа ющи е возникновение жидкой фазы, — снижение температуры колошникового газа и понижение в нем содержания CО2. Вредное воздействие цинка на ход и состоя ние доменных печей можно существенно снизить выведением из оборота цин ксодержащих металлургических шламов, что уменьшает поступление цинка в доменные печи с шихтой на 55-60 %.

В институте «Уралмеханобр» разработан процесс обесцинковывания шла мов в центробежном поле гидроциклона (уменьшение количества цинка более чем в 4-4.5 раза).

В США предложено несколько способов выделения и утилизации ценных цветных металлов из металлургических пылей (цинка и свинца). Один из таких процессов основан на различии в твердости, хрупкости и других свойствах со единений цинка, свинца и железа. Пыль, выходящая из металлургических пе чей, осаждается последовательно в электрофильтрах, а затем в скрубберах мок рой очистки и после удаления части влаги — направляется в дробилку, где про исходит селективное дробление. Конечный мелкий продукт состоит в основном из соединений цинка и свинца, а более крупный - в основном из оксида железа (III). Для разделения материалов по крупности применяют специальные ваку умные сепараторы, в которых осаждаются более мелкие частицы;

крупные на правляются в фильтр-прессы, затем на сушку, агломерацию и возвращаются в металлургический передел. Осевшие частицы цветных металлов из сепараторов направляются на повторное использование.

ются, образуя агломерат. Оксиды свинца и цинка восстанавливаются углем и возгоняются, а затем утилизируются из возгонов.

Для удаления оксида цинка из колошниковой пыли ее смешивают с отрабо танным травильным раствором. При этом большая часть ZnO раст воряется, превращаясь в хлорид и сульфат цинка. Нерастворимый осадок оксида железа и менее 0.5 % (масс.) ZnO затем используют в шихте для окусковывания.

Серии опытов с выщелачиванием водными растворами различных кислот (серная, азотная, уксусная и др.) показали, что водные растворы серной кисло ты способны растворять практически весь цинк колошниковой пыли, но только при определенном его содержании (около 120 г/л). При меньше м содержании снижается растворение цинка и активируется нежелательное растворение желе за. Водный раствор уксусной кислоты (250г/л) переводит в раствор 75 % цинка, 90 % свинца и легко регенерируется. Большие перспективы имеет двухступен чатый процесс выщелачивания, в котором на первом этапе водным раствором уксусной кислоты экстрагируется свинец, а на втором - водой выщелачивается цинк.

В ФРГ был разработан совершенно иной процесс переработки и утилизации пылей из электрофильтров металлургических печей. Пыль из электрофильтров непрерывно подается в бассейн с водой, куда вводится щелочь (едкий натр), до зируемая таким образом, чтобы рН = 9.3-9.8. В этих условиях растворимые со ли цинка и свинца переходят в нерастворимые соединения. Полученная гомо генная суспензия перекачивается в смеситель, разбавляется водой (1:2) и ее рН доводится до 8.7-9.0 введением дополнительно едкого натра. После осветления (30-60 мин) и обезвоживания шлама в фильтр-прессе образуется кек (влажность 40 %), в котором содержится 25-35 % цинка и 8-12 % свинца, используемый на заводе цветной металлургии.

Представляет интерес экономичная технология обезвоживания шлама, осно ванная на его саморазогреве при частичном окислении на воздухе. При этом влажность шлама снижается с 28 до 12 %.

В Чехии при производстве окатышей из шламов влажность снижают добав лением негашеной извести. Смесь извести со шламом вылеживается до полного гашения извести (влажность снижаетс я с 35 до 12-15 %).

ПРОБ ЛЕМЫ КОМПЛЕКСНОГО ИСПОЛЬ ЗОВАНИЯ 2.

ТЕХНОГЕННЫХ ОТХ ОДОВ Во всех металлургических переделах образуется значительное количество пылей, которые необходимо улавливать и утилизировать с целью извлечения мой при использовании металлургических пылей является повышенное содер жание в них цинка, свинца, особенно в связи с рас ширенным использованием оцинкованного скрапа в кислородно-конвертерном производстве.

В настоящее время используется большая часть колошниковой пыли, шламов фабрик окомковы вания, агломерационных фабрик и часть пылей и шламов систем газоочисток доменных и сталеплавильных цехов. Значительная же доля этих шламов газоочистки с высоким содержанием железа (до 50-60 %), а также цинка и свинца, поступает в шламонакопители и не перерабатывается.

Проблема использования шламов затрудняется та кже из-за не стабильности их химического и гранулометрического составов и высокой влажности, что при любом способе утилизации вызывает необходимость их предварительной суш ки.

Кроме оксидов железа, цинка и свинца, пыли и шламы содержат оксиды марганца, магния, кальция, а некоторые, кроме того, оксиды хрома, никеля, кадмия и других металлов. Эти примеси можно отделить от железосодержащей части, утилизировать и использовать. По имеющимся данным, это целесооб разно осуществлять тогда, когда содержание таких металлов сравнительно ве лико и процессы их выделения не сопровождаются большими затратами.

Над проблемами очистки ЖС пылей от цинка и свинца, их утилизации и использования работают во многих странах мира, но решают эти задачи по разному. Общие решения относятся только к пылям, которые рекомендуют ис пользовать в составе аглошихты и в других металлургических переделах.

При переработке железорудного сырья на предприятиях образуется большое количество различных ЖСО: пылей и шламов газоочистных сооруже ний, окалины, сварочного шлака, отсевов окатышей и агломерата, В больших количествах накапливаются также шламы и пыли систем газоочистки ферро сплавных заводов и цехов. Утилизации подвергаются и отсевы извести (ка к правило, фракции 0-10 мм). Кроме того, в отвалах металлургических предпри ятий скапливаются запасы ЖСО, разбавленных золами ТЭЦ и хвостами угле обогатительных фабрик, которые практически не используются. Для извлече ния дополнительного количества железа из шламов разработано несколько тех нологических операций, в которых предусматривается их магнитная сепарация.

Анализ результатов исследований с магнитной сепарацией и перечисткой ”хвостов” показал, что полученный магнитный концентрат пригоден для ис пользования в аглошихте. Недостаточно полная утилизация шламов приводит к уменьшению содержания железа в доменной шихте, снижению производитель ности доменных печей и увеличению расхода кокса.

Особое место занимают пыли и шламы ферросплавного производства.

Отходящие газы закрытых ферросплавных печей очищают, как правило, в ус выбросы ее составляют около 20 т/сутки от одной печи. Более полное извлече ние ценных компонентов из пылей и шламов газоочистки ферросплавных печей достигается путем их повторного использования или включения в шихту раз личных отходов (пыль, шлам, мелочь ферросплавов и т.д.). Пыль ферросплав ных печей состоит главным образом из аморфного диоксида кремния, который нашел широкое применение в металлургии. Наиболее эффективным способом утилизации пылеватых отходов и мелкой марганцевой руды является агломера ция, а для хромовых отходов - окомковывание и брикетирование. Окусковыва ние отходов не только позволяет обеспечивать дополнительные ресурсы метал лов и охрану окружающей среды, но и, как правило, стабилизировать работу электроферросплавных печей.

В настоящее время в России утилизируется 80% ЖСО, однако, если ко лошниковая пыль, окалина, сварочный шлак, отсевы агломерата и окатышей используются практически полностью, то железосодержащие шламы — только на 53 %. В связи с этим основной проблемой черной металлургии является пол ная утилизация ЖС шламов (ЖСШ).

Основными критериями пригодности ЖС к применению в производстве металла являетс я их химический состав и влажность, определяющая их сыпу честь, транспортабельность, возможность дозирования и перегрузок шламов в технологическом цикле аглофабрики, способность свободно распределяться в массе агломерационной шихты. Оценка спекаемости ЖСШ предприятий пол ного металлургического цикла показала, что для большинства предприятий технологически допустим высокий (до 120-200 кг/т агломерата) расход подго товленных сыпучих шламов, превышающие их предельные значения на заводе.

Полная утилизация шламов в условиях агломерационных фабрик не ухудшает технологические показатели производства и качество агломерата.

Результаты химических анализов ЖСШ текущего выхода от отдельных переделов металлургических предприятий показали, что основная масса шла мов и пылей агломерационного, доменного и сталеплавильного производств содержит от 45 до 70 % железа с учетом повышенного содержания оксида кальция, оксида магния, марганца и углерода по сравнению с исходным желе зорудным сырьем, Содержание кремнезема в шламах составляет от 1 -2 (стале плавильное производство) до 8-10 % (агломерационное и доменное производ ства);

серы - 0.2-0.7 %;

фосфора -0.02-00.06 %.

На Челябинском металлургическом комбинате осуществлена утилизация шламов доменного, конвертерного и мартеновских шламов и части шламов электросталеплавильного производства. С учетом конвертерного шлака (желе зо= 5-20 %) на комбинате ежегодно образуется около 1.5 млн. т ЖСО. Наи большая доля в отходах приходится на колошниковую пыль, конверторный ность 10 %) на аглофабрику. Использование шламов осложняется нестабильно стью их химического и гранулометрического составов, что связано с разработ кой оптимальной технологии для каждого конкретного случая. В результате ис следований было установлено, что для различных агломерационных руд добав ка шлама в количестве 40-60 кг/т агломерата повышает производительность ус тановок на 3-7.5% и улучшает качество агломерата.

Внедрение технологии подготовки шламов и пыли к спеканию агломерата позволило довести их расход без учета окалины первичных отстойников про катных цехов до 200 кг/т агломерата. Однако полное использование шламов сдерживается из-за высокого содержания в них цинка: в конвертерном шламе около 1 %, в шламах газоочисток доменных печей, мартеновского и электро сталеплавильного цехов - 0.4-0.6 %. Поэтому в агломерате Челябинского ме таллургического комбината содержится 0.05-0.06 % цинка. Применение такого агломерата приводит к образованию настылей и гарнисажа, что ухудшает рабо ту доменных печей. Для уменьшения поступления цинка в печь рекомендуется периодически выводить шламы из аглошихты.

3. Ш ЛАМЫ ГАЗООЧ ИСТНЫХ И СА НТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ Главным источником образования шламов в черной металлургии являют ся основные технологические агрегаты металлургического производства: агло мерационные машины, доменные и сталеплавильные печи. Газоочистные и сантехнические агрегаты, в которых проводится очистка технологических га зов, довольно разнообразны, а следовательно, и образующиеся шламы отлича ются по своим химическим и физико-механическим свойствам.

Шламы и пыль газоочистных и сантехнических устройств представляют собой остатки сырья и продуктов его переработки, возникающие в процессах металлургического производства.

Номенклатура шламов:

- шламы агломерационных фабрик;

- шламы доменного производства:

- газоочисток доменных печей;

- подбункерных помещений доменных печей;

- шламы газоочисток мартеновских печей:

- шламы газоочисток конвертеров;

- шламы газоочисток электросталеплавильных печей.

ся для доочистки на батарейные циклоны, скрубберы мокрой очистки или тру бы Вентури. До 90-95 % шламов и пыли образуется при удалении пыли из пы левых мешков газовых коллекторов и вентиляционных систем, аппаратов сухой и мокрой очистки отходящих газов, при гидравлической уборке помещений и промывке трубопроводов, Остальные 5-10 % шлама поступает от других отде лений агломерационных фабрик: корпусов подготовки шихты, обжига извест няка, складов, вагоноопрокидывателей и т.п., где источниками образования шламов являютс я главным образом вентиляционные системы, рассыпанные шихтовые материалы и отложения пыли на стенах и оборудовании. Шламы от очистки и промывки оборудования и трубопроводов, а также гидравлической уборки помещений поступают в систему периодически и неравномерно.

Шламы агломерационных фабрик принадлежат к группе относительно богатых железом, по основным химическим компонентам они близки к агломе рационной шихте (табл.1). Плотность шламов аглофабрик 3.6-4.0 г/см3. Они от личаются полидисперсным соста вом: в них вс тречаютс я крупные частицы (свыше 2.5 мм) и мелочь (меньше 0.008 мм) (табл.2).

Оптимальная для утилизации влажность шламов 8-9 %. Механиче ские методы обезвоживания шламов - фильтрование и центрифугирование обеспечивают влажность шламов 15-20 %. Дальнейшее уменьшение влажности обычно достигается термической сушкой в сушильных барабанах. Понижения влажности после механического обезвоживания можно также добиться смеши ванием его с сухими железосодержащими продуктами (горячим возвратом аг лофабрик, колошник овой пылью) и негашеной известью (в том числе отходами извести с обжиговых печей), которые имеются на металлургических заводах.

Шл а мы Элементы и Шламы Шламы мар- Шламы га агломерацион соединения газоочи- теновских зоочисток ных фабрик сток до- печей конвертеров менных печей Железо общее 47.38- 51.30 36.5 56.78 63. Железо приведен- 60.70 61. 58.30-60. ное 79.69 72. 52.6-56.51 Оксид железа (III) 1.35 16. 13.60-15.12 Оксид железа (II) 7.86-11.77 5.4 1.32 3. Оксид кальция 4.42-4.71 7.5 2.15 2. Оксид кремния 0.99-1.31 1.6 0.67 0. Оксид алюминия 2.86-3.12 0.13 2.97 0. Оксид магния 0.09-0.10 0.14 0.29 0. Оксид калия 0.05-0.06 0.09 0.20 0. Оксид натрия 9.53-11.63 - 2.81 2. П.п 0.31-0..п. 0.25 0.06 0. Оксид титана (IV) 0.19-0.22 0.10 1.24 1. Марганец 0.036-0.038 0.23 0.08 0. Фосфор 0.024-0.036 - 0.25 0. Оксид хрома (III) 0.045-0.046 0.006 0. Оксид ванади (V) я 0.24-0.38 0.60 0.81 0. Сера общая 0.60-0.95 0.17 - Оксид серы (VI) 0.002 0.53 - Сера сульфидная 0.005 - 0.01 0. Оксид бария 0.017-0.079 - 0. Никель 0.02 0.016 0.19 0. Меда 0.06-0.36 3.80 - 0. Цинк 0.02-0.10 0.026 1.15 0. Свинец менее 0. <0.002 - Молибден н/об н..

<0.01 - 0. Сурьма н/о бн.

- 0.006 0. Мышьяк 5.08-5.58 26.10 0.68 1. Углерод общий 3.75-3.87 23.60 0.63 0. Углерод твердый - 0.07 0. Фтор - 0.13 0. Хлор 3.2. Отходы доменного производства 3.2.1. Ш ламы газоочисток доменных печей Шлам газоочисток доменных печей образуется при мокрой очистке до менных газов. В процессе мокрой очистки газа твердые частицы, содержащиеся в газе, захватываются водой, образуя сточные воды, Химический состав домен Таблица Гранулометрический состав отходов черной металлургии (масс. в %) Класс Шламы Шламы Шламы мар- Шламы крупности агломераци- газоочисток теновских газоочисток онных фаб- доменных печей конвертеров рик печей 0.2 0.1 0. >2.5 6.8-9. 0.1 0.1 0. 1.6-2.5 2.9-3. 0.4 0.1 0. 1.0-1.6 2.4-3. 0.9 9.4 0. 0.63-1.0 2.0-2. 2. 0.315-0.63 3.8-6.0 17.6 31. 1.7 7. 0.16-0.315 7.5-12.2 11. 1.3 2.7 6. 0.10-0.16 8.5-11. 2.5 2.2 5. 0.063-0.10 15.9-16. 3.5 1.8 1. 0.05-0.063 7.2-8. 9.7 6. 0.032-0.050 17.6-23.8 14. 5.4 7. 0.016-0.032 5.1-9.3 36. 7.4 9. 0.008-0.016 3.3-4.0 17. менее 0.008 2.4-5.0 18.2 36.2 17. В настоящее время основным направлением использования шламов до менных газоочисток является добавка их к агломерационной шихте. Однако уровень использования этих шламов низок. Это связано либо с недостаточно высокой массовой долей железа, либо с повышенной массовой долей цинка или других цветных металлов, что отрицательно сказывается на протекании метал лургических (в частности, доменного) процессов.

ЖСО при использовании в доменном или сталеплавильном производст вах, кроме обезвоживания, необходимо еще и окусковыватъ. Проблема окуско вывания шламов достаточно сложна и не имеет пока универсального решения.

3.2.2. Шламы подбункерных помещений доменных печей Шламы подбункерных помещений образуются при гидравлической убор ке просыпи с полов подбункерных помещений. Другим источником шламов яв ляются аспирационные установки подбункерных помещений. Составными час тями являются элементы доменной шихты, главным образом агломерат, известь и кокос. По химическому составу они подобны шламам агломерационных фаб рик - в них присутствуют все компоненты агломерационной шихты в (масс.%):

ные и также схожи со шламами агломерационных фабрик (табл.4):

Таблица Шламы подбункерных помещений Фракции, мм Содержание, % >3 0.-10. 3.2 0-5. 2.1 1.0-7. 1.0-0.5 1.5-5. 0.5-0.25 5.9-10. 0.25-0.1 5.0-20. 0.1-0.063 20.0-45. <0.063 2.0-36. Плотность шламов подбункерных помещений доменных печей 3.5-4.5 г/ см3. Эти шламы наиболее сложны для учета, так как часть их образуется нерав номерно, Для ряда металлургических заводов известны лишь ориентировочные объемы образования и использования шламов. Большинство используемых проходит обработку в горизонтальных отстойниках и на дренажных площад ках, а затем направляются на рудные дворы аглофабрик.

Благоприятный в большинстве случаев химический состав шламов под бункерных помещений позволяет использовать эти шламы наряду со шламами аглофабрик как добавку к аглошихте. В настоящее время это практически един ственное направление утилизации.

З.2.3. Отходы сталеплавильного производства 3.2.3.1. Шламы газоочисток мартеновских печей Запыленность газов перед газоочисткой 2-10 г/см3. Обычно для очистки применяются две основные схемы: гидромеханическая с трубами Вентури и электростатическая в электрофильтрах. В большинстве случаях используется мокрая очистка, а после сухой очистки пыль обычно удаляется гидротранспор том. Мартеновские шламы являются наиболее богатыми по содержанию желе Высокое содержание железа в мартеновских шла мах определяет их большую плотность - 4.5-5.0 г/ см3 ;

мартеновский шлам — один из наиболее вы сокодисперсных шламов металлургического производства (табл. 2), что значи тельно усложняет подготовку их к утилизации: у них плохие седиментацион ные и фильтрационные свойства. Вследствие этого технологические схемы подготовки мартеновских шламов, включающие те же основные процессы сгущение, обезвоживание, сушку, несколько отличаются от схем подготовки для других шламов. Механическое обезвоживание этих шламов ведется в од ном аппарате без предварительной классификации из-за достаточно узкого ин тервала крупности частиц, причем вместо вакуум-фильтров применяются фильтр-прессы, так как в ряде случаев удовлетворительная степень обезвожи вания под вакуумом не достигается. Однако, учитывая, что мартеновский шлам будет использоваться вмес те с другими ЖСО в шихте аглофабрики, его подго товка в большинстве случаев будет осуществляться в общих корпусах подго товки ЖСО.

Высокая массовая доля железа в мартеновских шламах делает их особен но ценным сырьем для использования в сталеплавильном производстве. Вместе с тем, ка к и в доменных и конвертерных шламах, здесь не решены проблемы окусковывания, удаления вредных примесей, кроме того, проблемой эффектив ного обезвоживания этих шламов.

3.2.3.2. Ш ламы газоочисток конвертеров Отходящие конвертерные газы выносят много пыли — 10-30 г/см3, в от дельных случаях до 60 г/см. Вследствие этого конвертеры с верхней поддувкой кислородом, как правило, оборудованы газоочистными устройствами. Для очи стки конвертерных газов применяют мокрые методы.

Шламы конвертерных газоочисток относят обычно к богатым или отно сительно богатым железом. Их химический состав приведен в табл. 1.

Дисперсность конвертерных шламов достаточно высока, хотя в отдель ных случаях в шламе содержатся и крупные частицы (табл.2). Плотность кон вертерных шлам — между 3.5 и 5.0 г/см. Удельный выход лежит в интервале ов 1-3 %.

При охлаждении ломом количество пыли в 1.3-1.7 раза больше, чем при охлаждении рудой. Кроме того, на удельный выход пыли влияет содержание углерода в металле: с его повышением выход пыли увеличивается. Концентра ция пыли в момент подачи сыпучих материалов может возрастать в 5-6 раз.

Основным методом использования шламов газоочисток конвертеров яв ляется добавка их к агломерационной шихте. Для утилизации на аглофабрике конвертерный шлам должен быть предварительно обезвожен. В настоящее вре мя наиболее рациональной схемой обезвоживания является схема, предусмат ривающая сгущение шламовой пульпы в радиальных сгустителях, фильтрова ние на вакуум-фильтрах и сушку в сушильных барабанах.

3.2.3.3. Ш ламы газоочисток электросталеплавнльных печей Высококачес твенные ст али выпла вля ют ся преи му щес твенно в электрических печах, причем основное количество электростали производится в дуговых печах. Эти печи отличаются большими выбросами твердых веществ.

Практически все электропечи оборудованы газоочистками мокрого типа, при правильной эксплуатации они обеспечивают эффективную очистку отхо дящих газов.

Состав шламов газоочисток электросталеплавильных печей изменяется в довольно широких пределах в зависимости от марок выплавляемых сталей. Их усредненный химический состав (в масс. %) представлен следующим образом:

Железо 30.0-55.0;

оксид кремния (IV) 2.0-12.0;

оксид алюминия 0.3-10.0;

оксид магния 5.0-27.0;

оксид кальция 1.5-17.0;

оксид марганца (II) 1.5-5.5;

фосфор 0.02-0.25, сера общая 0.02-0.5;

хром до 10.0;

никель до 8.0;

цинк до 2.0;

свинец до 1.0.

Плотность шламов газоочисток электропечей лежит в интервале 3.0-4. г/см3 ;

они отличаются также большим количеством мелких фракций (табл.5):

Таблица Гранулометрический состав шламов Фракции, мм Массовая доля, % >0.25 0-4. 0.25-0.10 0.1-2. 0.1-0.005 2.5-8. 0.005-0.01 15.0-40. 0.01-0.005 20.0-40. <0.005 20.0-40. Удельный выход шлама электропечей меняется в широких пределах - от 0.5 до 7.5 %, на него влияет ряд факторов: состав шихты, интенсивность подсо са воздуха в рабочее пространство печи, применение кислорода для продувки, емкость печи.

Проблема использования шлама электропечей является одной их самых трудных вследствие колебаний его химического состава, низкой массовой доли железа, наличия примесей цветных металлов, высокой дисперсности. В отдель ных случаях после обработки в смеси с другими видами ЖСО шламы исполь зуют в качестве добавки к агломерационной шихте.

Обычно подготовка шлама электропечей осуществляется совместно с другими видами шламов. В тех случаях, когда обезвоживается только электро сталеплавильный шлам, применяются те же схемы обезвоживания с включени ем фильтр-прессов, что и для мартеновских шламов.

Таблица Данные об образовании и использовании шламов в 1985-1990 гг. (в тыс. т) Шламы Коэффици- Не будет Образу- Будет ис ент исполь- использо зования от- вано ется пользовано ходов за год за год Шламы газоочи- 175.0 70.0 0.40 105. сток доменных печей Шламы газоочи- 55.0 55.0 1. сток мартенов ских печей Шламы газоочи 105.0 105.0 1. сток конвертеров Шламы газоочи 5.0 5.0 1. сток электроста леплавильных печей 3.2.4. Утилизация шламов Предложен способ получения железного порошка из конвертерной пыли, содержащей 70 % смешанных оксидов железа, 27 % железа, остальное - оксиды кремния, кальция и другие примеси. Пыль из мокрых пылеуловителей направ ляют на классификацию, где содержание фракции - 44 мкм снижаетс я с 50 до 30 %. Надситовый продукт подвергают мокрому размолу, вновь подвергают си товой классификации и (или) магнитной сепарации с целью концентрации же лезосоставляющей. Концентрат подвергают обезуглероживающему обжигу в семи с оксидом железа (III) при 1000 °С.

Для получения недорогого, особо тонкого железного порошка высокой чистоты, сравнимого по свойствам с распыленным железным порошком, ис пользуют богатый железом концентрат, образующийся при получении стали в конвертерах. Концентрат сушат до влажности менее 3 %, охлаждают до темпе ратуры не выше -80 °С жидким азотом или подобным хладагентом, размалы вают в атмосфере нейтрального газа (аргон). Полученный порошок подвергает ся ситовому рассеву для удаления оксидов железа. В результате получают по рошок с содержанием железа не менее 97 %.

Предложен способ утилизации пылей очистки дымовых выбросов метал лургических заводов. Пыль, содержащую 53-61 % железа в основном в виде ок сида железа (III), подвергали магнитной сепарации, после чего содержание же леза возрастало до 55-67 %. Обогащенный железный продукт восстанавливали в атмосфере водорода при 900 °С, получая порошки с содержанием железа до 95.8 % и средним размером частиц до 40 мкм.

Показана возможность использования вывозимой на свалку циклонной пыли, образующейся в процессе получения железного порошка методом ком бинированного восстановления окалины, в составе шихты, подаваемой на опе рацию восстановления. Добавка 8% пыли (вместо того же количества возврат ного железного порошка или чугунной стружки) позволили получить дополни тельно 360-400 т/г порошка.

Среди ЖСО одними из технологичных являются шламы подшипниковой стали ШХ15.

4. АНАЛИЗ ИСПОЛЬ ЗОВАНИЯ ЖСС В ПРОЦЕССАХ ПРОМЫШ ЛЕННОГО РЕЦИКЛ ИНГА Анализ техногенных отходов металлургических процессов ОАО «Север сталь» позволил установить, в частности, что при подготовке и осуществлении агломерационного процесса изымается из производства и теряется в сутки в виде мелкодисперсной пыли до 300 тонн доломита, 150 тонн известняка (по данным 1998 г.). Причем, присутствуют также значительные потери (на уровне 20% от общей массы) доломита в виде отсева на транспортных операциях гру зоперевозок от карьера до комбината.

Таким образом, рециклинг доломита в технологическом процессе произ водства стали позволяет существенно повысить эффективность производствен ного цик [6].

ла Применяемые в качест ве флюса мягкие карбонатные породы (известь, доломит) образуют при обжиге до 30% мелкой фракции (менее 10мкм). Ис пользование такого материала в ст алеплавильном производстве не возможно без его утилизации посредством брикетирования.

В результате проводимых совместных работ с ОАО «Северсталь» опре делены необходимые условия получения структурнооднородной смеси на ос нове тонкодисперсных отходов доломита с использованием широкой гаммы жидких связующих сред (ЖСС).

Выбор вида связующего определялся следующими технологическими ус ловиями: а) отвердевание без нагрева при выдержке на воздухе;

б) высокая прочность и низкая хрупкость брикета;

в) минимальная работа уплотнения при обеспечении требуемой прочности брикета;

г) легкое извлечение брикетов из прессформ.

Было предложено использование ЖСС, относящихся к системе щелочных силикатов и не имеющих недостатков присущих жидким самотвердеющим сре дам на основе синтетических смол: ухудшение экологической безопасности, высокая стоимость и др.

Б ыло пр едлож ено и спол ьзо ва ть в кач е ст ве ЖС С - ж ид кое ст е к ло, обладающее всеми свойствами коллоидных растворов (силикат натрия — On SiO2 ;

силикат кальция - Ca2 On SiO2 ), определяющих нетоксичность, Na доступность, низкую стоимость. Основным свойством жидкого стекла является его способность постеп енно отвердевать на воздухе, образуя прочные структуры.

Параметры целесообразности и возможности использования жидкого стекла в качестве связующего приведены в следующих расчетах:

1) Завалка = металл — 90% масс. доли (чугун + металлолом) + флюс — 10% масс. доли (известняк + доломит).

2) Флюс содержит до 30% масс. доли доломита (от общей ма ссы флюса), из которого доля повторно получаемых брикетов, имеющих 8 своем составе жид кое стекло, не превышает 10% масс. доли (от общей массы доломита во флю се).

3) Таки м образом, на долю брикетов доломита, и мею щего в свое м сост аве ЖСС, приходится: а) общее количество всего доломита - 3,5% масс. доли за валки;

б) общее количество брикетов доломита с ЖСС — 0,35% масс. доли об щей завалки.

4) Было предложено использование натриевого жидкого стекла модулем М = 2,5...2,7;

плотностью 1,35...1,45 г/см3.

5) В 0,35% масс. доли брикетов от массы завалки находится до 5% масс. доли жидкого стекла.

6) Расчетная масса брикетов доломита с ЖСС:

1000 кг. завалки — 99,65% X кг. брикетов с ЖСС — 0,35% 0,35 1000 = 3,5кг.

Тогда X = m соответствует по массе: = бр 99, 7) В брикете (шихта: доломит + ЖСС) н аходится 5% масс. доли ЖСС, что 3, 5% = 0,175кг. (на 996,5 кг. чугуна и металлолома).

100 % 8) В 0,175 кг. жидкого стекла (ЖСС) с модулем 2,5 содержится кремния (Si): Na2 On SiOj => М Ж.СТ = 223+2,5 (23+32) =196 а.е.м., т.е. : в 196 кг. жидкого стекла содержится 28 • 2,5 = 70 кг. к ремния;

в 0,175 кг. — соответственно: mSi = 0,175 70 = 0,062кг. (на 996,5 кг. металла завалки).

9) Тогда расчетная масса кремния:

996,5кг. — 100% 0,062 кг. — % Si => % Si = 0,062 100 = 0,0062%масс. доли.

996, 10) Нормативное содержание кремни я в стал ях (марочник сталей ): ст.2сп 0,12... 0,30%;

ст.3кп - 0,07% и т.д.

11) Таким образом, использование ЖСС (натриевое жидкое стекло) в составе брикетов плотноупакованного доломита практически не оказыва ет ника кого влияния (следы) на содержание кремния в стали (Д = 0,0062 % масс. доли), что подтверждает оправданность и эффективность использования жидкого стекла в процессах получения прочного брикета.

Вполне удовлетворительные результаты получены и при использовании в качестве связующих - восстановителей гидролизного лигнина — недефицитный элемент отходов деревообработки и сельского хозяйства, образуемый на гидро лизных заводах в процессе химической каталитической переработки отходов древесины (щепа, опилки) — до 3,5 млн. тонн/год;

в основном сжигается или выводится в отвалы. Это связующее образует коллоидный раствор, «цементи рующий» структуру брикетов.

Процесс получения прочного плотноупакованного брикета, способного выдерживать значительные ударные нагрузки - на ОАО «Северсталь» 6 высот ных перегрузок по 7 метров каждая — без использования ЖСС на валковых бри кетировочных многогнездных прессах (при достаточно низких рабочих давле ниях) со всей очевидностью не будет эффективным.

5. ПРЕССОВА НИЕ СТ РУКТУ РНОНЕОДНОРОДНЫХ С ИСТЕМ С РАЗЛ ИЧ НЫМ А ГРЕГАТНЫ М СОСТ ОЯНИЕМ ФАЗ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ УТ ИЛИЗА ЦИИ ТОНКОД ИСПЕ РС НЫХ ПОРОШ КОВЫХ ОТХОДОВ ЧЕРНОЙ МЕТАЛЛУ РГИИ По последним данны м [1] мировое производст во ст али со ста вляе т порядка 800 млн. тонн в год. При этом реализуется 2 основных метода, основанных на виде исходного материала шихты: 1) выплавка на базе руды;

2) выплавка на базе скрап а (следует отметит ь, что скрап в конечном итоге используется во всех способах выплавки ст али, различия лишь в массовой Доле).

Не вызывает сомнения, что технология выплавки стали на базе скрапа с точки зрения затрат энергии более выгодна, т. к. при этом энергия расходуется только на расплавление, а энергия, требуемая на восстановление оксида железа, со держится в самом скрапе.

Техногенные железосодержащие отходы, образуемые в процессе выплав ки стали и на стадии прокатки листа, — тонкодисперсные, порошковые, кон вергерные, доменные шламы, прокатная окалина, — должны быть использова ны в качест ве оборотного вторичного скрапа. Этот скрап не содержит приме сей, в отличии от сборного лома, у которого время оборота, к тому же, насчи тывается десятки лет, — следует отметить, используемый лом сильно загряз нен.

При мировом производстве стали примерно 800 млн. тонн в год — млн. тонн выплавляется на базе скрапа (и в основном, первичного, — лома).

Примерно 2/3 этой массы переплавляют в электропечах и 1/3 в кислородных конвертерах. В связи с возрастающим дефицитом первичного скрапа расшире ние этого производства представляется возможным лишь при использовании перспективных технологий глубокой переработки и утилизации собственных техногенных отходов, что также обеспечивает и экологическую безопасность региона (это прежде всего железосодержащие отходы доменного и конвертер ных производств, промасленная окалина производств прокатки (имеют в свое м составе до 65 % приведенного содержания Fe, что свидетельствует о высокой металлургической ценности), неметаллические отходы агломерационного про изводства — пыль доломита и известняка, изымаема я в процессе обжига (так, на конец 90-х годов на ОАО «Северсталь» в сутки изымалось из оборота тонн конвертерной пыли, 500 тонн доломита, 300 тонн известняка, до 200 тонн в год прокатной окалины)).

Произведен анализ техногенных отходов производств: 1) ОАО «Магнито горский металлургический комбинат»;

2) ОАО «Северсталь»;

3) ОАО «НОС ТА» (Новотроицкий металлургический комбинат). Основными техногенными твердыми железосодержащими отходами этих предприятий являются: 1)Пыль доменная (системы газоочисток);

2) Пыль конверторная (системы газоочи сток).Как правило, железосодержащая пыль либо сухая, либо влажность W(8...10)% масс. доли. Нефтепродукты (масло) — отсутствует. 3) Окалина прокатная водомаслосодержащая (систе мы отстойников) может находится в следующих состояниях: а) пастообразное (масло и вода) (40... 50)% масс. до ли;

б) твердое — текущий шлам — (масло и вода) (15...20)% масс. доли;

в) твердое — шлам полигонов — (масло) (5...10)% масс. доли;

вода 0 %. Отходы (1,2,3) — окислены, Fe- = (35... 45)%.

В металлургическ производстве при плавке чугуна (стали) использование ом отходов 1,2,3 в исходном состоянии в виде вторичного сырья —исключено, т. к. резко увеличивается «уход»металла (тонкодисперсного и окисленного) в шлаки;

устанавливаетс я высока я поверхностная плотность засыпаемой зава лочной массы (корка), что резко ухудшает газодинамические (продуваемость) условия плавки — уменьшается производительность печи;

значительно увели чивается продолжительность завалки;

сущест венно увеличивается трудоем кость транспортирования пылевидной шихты.

В УлГТУ разработана и осваивается промышленная технология (ЗАО «Волга-Экопром») по брикетированию тонкодисперсных железосодержащих пылей, что позволяет получать завалочный материал высокого качества: плот ность 2,5 т/м3 — требования ГОСТа;

достаточная ударная прочность, что ис ключает образование отсева;

компактность — уменьшение транспортных рас ходов;

технологичность — улучшаются газодинамические условия плавки;

уменьшение расходов при исключении высокотемпературного обжига (окаты ши) и т. д.

В процессе уплотнения порошковой среды усилия между частицами пе редаются через контакты, поэтому анализ контактного взаимодействия позво ляет глубже проникнуть в суть достаточно сложных явлений, сопровождающих этот процесс. В общем случае уплотнение сыпучей среды сопровождается дву мя явлениями: межчастичным смещением (структурной деформацией) и де формацией самих частиц с образованием и расширением зон контактов. Струк турная деформация преобладает на начальной стадии уплотнения и может быть достаточно протяженной. Строго говоря, и структурную деформацию при сжа тии порошкового материала внешними силами невозможно осуществить без деформации на контактах, величина которой вместе с механическими с войст вами мат ериала контактируемых тел в основном характеризует давление уп лотнения.

Таким образом, давление уплотнения порошковых материалов при опре деленных условиях может быть рассчитано на основе деформации самих час тиц в рамках та к называе мой дискретно-контактной теории. Эта теория уплот нения основана на всестороннем анализе поведения частиц порошков при раз личных контактных взаимодействиях с привлечением методов статистической механики. Ее реализация возможна при деформировании в замкнутых объемах частиц простой формы, например сферических либо подобных им.

Установление количественной зависимости между давлением уплотнения и плотностью среды в рамках дискретно-контактной теории осуществляется на основе моделирования этого процесса с использованием представительного элемента самой среды и условия пластичности Губера—Мизеса.

Процесс уплотнения сопровождается относительным скольжением кон тактов частиц, при котором происходит некоторое разрушение микронеровно стей, что приводит к уменьшению механического сопротивления скольжению частиц. Вместе с тем при увеличении давления сжатия происходит увеличение площадок взаимных контактов, что в свою очередь приводит к некоторому уве личению интенсивности молекулярного взаимодействия сцепления частиц и, следовательно, к увеличению сопротивления скольжению. Таким образом, из-за неровности рельефа поверхности частиц в процессе уплотнения происходит сдвиг и срез поверхностного слоя, что свидетельствует о наличии предельного трения. Следовательно, материал в окрестностях поверхности контакта в на пряженном состоянии, близком к предельном у.

Процесс уплотнения реальных порошковых материалов на начальных этапах деформирования может осуществляться исключительно за счет межчас тичного сдвига и разрушения неустойчивых промежуточных пространственных структур (конгломератов частиц). Поэтому т ака я зависи мость в рамках кон тактной теории корректна лишь на стадии стабильных пространственных структур, образуемых сравнительно крупными однородными по гранулометри ческому составу и форме частицами. Причем, для фиксирования и увеличения межчастичных контактов необходима соответствующая схе ма деформирова ния, которая практически может быть реализована, в частности, при прессова нии в закрытых пресс-формах.

Прессование в закрытых пресс-формах широко применяется при изготов лении изделий методами порошковой металлургии. Кроме того, процесс ис пользуется для оценки такой важной технологической характеристики, как уп лотняемость. Несмотря на то, что зависимость плотности от приложенного дав ления не универсальна, а определяется видом приложения усилий и кинемати ческими особенностями движения прессующих элементов, она находится в сфере внимания исследователей и позволяет глубже понять сложные процессы, происходящие при уплотнении порошковых материалов. В работах [4,5] обос нована концепция стадийности процесса уплотнения порошков в замкнутых объемах. В работах объяснены стадии процесса уплотнения с точки зрения кон тактного взаимодействия и консолидации уплотняемой среды.

Под двухкомпонентной смесью понимается в данном случае двухкомпо нентная шихта, состоящая из твердой (тонкодисперсная пыль доломита или из вестняка, металлический порошок) и жидкой (свободная вода;

водный раствор силиката натрия (калия) — жидкое стек — холоднотвердеющее жидкое свя ло зующее средство (ХТЖСС)) фаз. При прессовании такой шихты наблюдается эффект интенсивного разрыхления (пыления) приконтактной зоны отпрессо ванного брикета при значительных давлениях прессования ( (300... 400) МПа), что не позволяет получать качественный конечный продукт. Это явление не отмечается в классических процессах прессования тонкодисперсных одноком понентных порошковых сред.

Рассмотрим процесс прессования двухкомпонентных фаз, одна из кото рых - жидкая. Процесс формования — осевого холодного прессования — услов но подразделяется (согласно классификации Бальшина М. Ю., Кипарисова С. С.

[6], Перельмана В. Е. [7])на три стадии.

Пер вая ст ади я уплот нен ия х ара ктер изуе т ся з начи т ельным преобладанием автономной, нарушающей контакты насыпки деформации. На этой стадии формовка под нагрузкой не полностью кон солидируется в связанн ый конгломерат, т. е. посл е сн ят ия н агруз ки пре вра ща ет ся в несвязанное сыпучее тело. В таких случаях (при необходимости ограничиться первой стадией уплотнения) следует вводить в форм уемую шихту связующие, в частности ХТЖСС.

В состоянии свободной засыпки площадь контактов между частицами порошка незначительна. На первом этапе прессования консолидация (уплотне ние) происходит главным образом за счет взаимного перемещения частиц и за полнения близлежащих пор (пустот) между частицами, т. е. однокомпонентная шихта уплотняется в основном за счет заполнения твердыми частицами «арок».

При использовании двухкомпонентной шихты, содержащей жидкую фазу, «ар ки» заполняются как т вердыми частицами, так и жидкой фазой (ХТЖСС), при чем преимущественное перемещение наблюдается прежде всего у жидкой фа зы.

Вторая стадия прессования характеризуется пластической деформацией частиц твердой дисперсной среды приконтактных областей. Деформация час тиц, преимущественно зависящая от с войств мат ериала, может быть либо пла стической, либо хрупкой, и начинается прежде всего в местах контактов, через которые передается усилие прессования от частицы к частице. С ростом давле ния площадь деформированных участков частиц увеличивается. Препятствием для образования контактов являются пленки окислов и смазка, при этом вязкая смазка частично или полностью выдавливается в поры. Как в состоянии сво бодной засыпки, так и на первом этапе прессования между сближенными по рошковыми частицами действуют небольшие ван-дер-ваальсовские силы. Кро ме того, силы прилипания (адгезии) могут иметь электростатический характер и в определенных условиях достигать порядка десятков мегапаскалей [8].

Третья стадия прессования происходит за счет деформации значительной части объема частиц и истечения их материала в поры.

Границ а ми между пер вой и второй ст адиями уплот нени я при характ ерном с труктурно м или энерге тичес ко м состо янии среды по классификации И. Д. Радомысельского, Н. В. Андреева, Н. И. Щербаня [9] для однокомпонентных материалов являются:нижняя граница первой стадии наблюдается при пористости Q = (65...68) %, верхняя (граница между первой и второй стадиями) — при остаточной пористости (25...30) %. Это соответствует линейности границ первой и второй стадий уплотнения [10].

Многостадийность и сложность процессов консолидации (прессования) двухкомпонентных шихт являютс я причинами малой разработанности представлений о механизме прессования, описывающем процесс уплотнения.

Уст ановл ено, что введ ение в ших ту жид ких н емет алличес ких компонентов (ЖСС) оказывает сложное влияние на характер уплотнения.

При малом давлении ( 400 МПа) присутствие второго компонента способствует интенсивному снижению пористости, при большем давлении (> 400 МПа) — повышаетс я пористость отпрессованного брикета. Это можно объяснить тем, что при низких давлениях прессования уплотнение происходит в основном за счет скольжения частиц относительно друг друга, а введение второго (жидкого) компонента облегчает этот процесс, способствует лучшей укладке частиц;

при повышенных давлениях уплотнение происходит главным образом за счет деформации приконтактных областей в присутствии гидростатистического сжатия жидкой фазы второго компонента шихты. При этом снижается интенсивность уменьшения порового пространства при росте давления прессования, т. е. наличие жидкой фазы способствует повышению пористости (по сравнению с однокомпонентной шихтой).

Таким образом, изучение влияния второго компонента на уплотняемость двухкомпонентных шихт (одна из которых жидкая) позволяет выявить область перехода от одной стадии прессования к другой.

Максимальная плотность брикета достигается только при оптимальном содерж ании ЖСС в поро шке. Увеличен ие содерж ани я ЖСС с верх оптимального нерационально, так как жидка я фракция, занима я часть объема брикета, препятствует достижению высокой плотности;

возрастает влияние упругого последствия в связи с не сжимае мостью ЖСС, а прочность прессовки уменьшается из-за за мены части контактов «металл - металл» контактами «ме талл - ЖСС — металл».

При этом наблюдается и обратный эффект, имеющий негативный харак тер: на второй стадии уплотнения двухкомпонентной шихты ЖСС из прикон тактной зоны полностью вытесняется вглубь прессовки и при сушке (обезво живания) эта зона повышенной осыпаемости, т. е. на второй стадии уплотнения образующиеся контакты «металл - неметалл»без связующего (ЖСС) не обеспе чивают достаточной прочности верхнего слоя брикета.

Экспериментально установлено, что при дальнейшем повышении давле ния свыше 400 МПа — (вторая стадия прессования) наблюдается интенсивное истощение ЖСС приконтактной зоны брикета. Это подтверждено практикой брикетирования: при прессовании с малыми давлениями наблюдается равно мерное насыщение ЖСС материала брикета по его высоте (первая стадия прес сования), при дальнейшем увеличении давления (вторая стадия прессования) после сушки брикета наблюдается повышенная осыпаемость материала при контактной зоны вследствие отсутствия в ней ЖСС (рыхлость, определяющая осыпаемость до 2 мм). При прекращении процесса прессования на первой ста дии уплотнения (малые давления) осыпаемость отсутствует (при этом после сушки брикет имеет достаточную технологическую прочность).

Экспериментальные исследования характеристик уплотнения тонкодис персных материалов при наличии ЖСС проводили с использованием неметал лических пылей известняка и доломита, образующихся при обжиге кусковых рудных пород, а также металлического конверторного шлама, улавливаемого электрофильтрами при плавке стали в к онверторах.

Очевидно, с целью повышения качества отпрессованного брикета, ис ключения его поверхностей осыпаемости (повышения коэффициента использо вания материала), снижения энергозатрат и трудоемкости процесса прессова ния двухкомпонентной шихты (при наличии ЖСС) целесообразно ограничи вать процесс прессования первой стадией.

Наличие в шихте ЖСС вносит существенные коррективы в установлен ные границы стадийности уплотнения, а изучение влияния жидкого компонента на уплотненность многокомпонентной шихты позволит выявить область пере хода от первой стадии уплотнения ко второй.

6. ПРЕСС ОВА НИЕ СТ РУКТУ РНОНЕОД НОРОДНЫ Х С ИСТЕМ С РАЗЛ ИЧ НЫ М А ГРЕ ГАТНЫ М С ОСТ ОЯ НИЕ М Ф АЗ В ТЕХНОЛОГИЧЕСК ИХ ПРОЦЕ ССАХ УТИЛИЗА ЦИИ ТОНК ОД ИС ПЕ РС НЫХ ПОРОШ КОВЫ Х ОТХ ОД ОВ ЧЕ РНОЙ МЕТА ЛЛ У РГИИ Проведенный анализ [1] техногенных отходов рада металлургических комбинатов: ОАО «ММК», ОАО «Се версталь», ОАО «Носта» позволил установить, что твердыми железосодержащими отходами этих предприятий, образуемым на стадии выплавки стали, прокатки листа агломерации, являются:

доменная и конвертная пыль, прокатная окалина с масс. долей Fe- до (50...60)%, к неметаллическим отходам относятся пыль доломита и известн яка. Та к, на кон ец 90-х годов на ОАО «Северс таль» в сут ки изымалось из оборота и терялось в виде пыли до 300 тонн доломита, 150 тонн известняка, 800 тонн конвертного шлама.

Следует отметить,что в технической литературе отсутствуют корректные технологические рекомендации по практическому освоению процессов утилизации материалов, что во многом определяется сложностью процессов прессования плотноупакованной механической смеси.

На кафедре «Ма териаловедение и обработка металлов давлени ем» УлГТУ проблемы прессования тонкодесперствых отходов находятся в ценре внимания с конца 80-х годов. Расс мотрены и реализованы в производстве процессы утилизации железосодержащих и неметаллических отходов широкого спектра, теоретический и экспериментальный анализ отражен 8 раде печатных публикаций и патентах РФ[2-5]. Определены условия прессования структурно неоднородной смеси на основе тонкодисперстных отходов с использованием жидких связующих сред (ЖСС).

В экспериментальных исследованиях процессов прессования была ис пользована односторонняя схема прессования в закрытых прессформах. Дав ление прессования варьировалось от 50 до 400 Мпа, что соответствовало сило вым режимам валкового роторного пресса. В качестве ЖСС использовалось на триевое жидкое стекло, обладующее всеми свойствами коллоидных растворов.

В качестве исходного материала использовано: а) механическая смес ь (пыль доломита (CaCO3 MgCO3 ): конвертный шлам) = (70:30)% масс. Доли;

б)пыль доломита — 100% масс.доли. С целью определения закономерности формоизме нения уплотнения, энергосиловых параметров прессования были проведены испытания по определению: насыпной плотности, удельного объема утряски, плотности утряски (ГОСТ 19440-74). Установлен среднестатистический размер фрагментов фракций: а) доломита - 10 < Дср < 50мкм;

б)шлама - 100 < Дср < 500мкм.

Анализ результатов экспериментов позволил установить, что при уменьшений масс. Доли ЖСС на 1% наблюдается уменьшение усилия выпрессовывания брикетов из прессформ в 1,5...2 раза, увеличение масс. Доли отсева. Установлено, что увеличени масс. Доли ЖСС способствует росту хрупкости отпрес сованого брикета, т. к. соедин ение и меют а морфные структуру. Рекомендовано с целью обеспечения достаточной механической прочности на сжатие и удар, минимизации энергосиловых параметров прессования и выталкивания использовать натриевое жидкое с текло модулем М = 2,5...2,7;

плотности 1,35...1,45г/см3 масс. Доли от 1,5 до 2,5%.

Для выявления функциональных связей процесса прес сования был пост авл ен полноф акторный э ксп ери мен т, получе на ко мпл ексн ая параметрическая модель в виде степенного полинома множественного порядка [б].

При теоретико-аналитическом исследовании процесса прессования рассмотрена двухкомпонентна я с месь (шихта), сос тояща я из твердой (тонкодисперсная пыль доломита, металлический порошок) и жидкой (ЖСС) фазы. При прессованиии такой шихты обнаружился эффект интенсивного разрыхления (пыления) приконтактной зоны(глубиной до 2 мм.) отпрессо ваного брикета при значительных давлениях прес сования ( 300...400 Мпа) [7], что существенно снижает потребительское качество конечного продукта.

Это явлени е не о тмечено в кла ссич ес ких проце сс ах прес совани я однокомпонентных порошковых сред, результаты эксперимента имеют оригинальный характер, анализ выявленых процессов в научно-технической литературе отсутствует.

Рассмотрим процессы прессования двухкомпонентных сме сей, одна из фаз которых, - жид ка я. Первая стади я уплотн ения х ара кт еризует ся значительным преобладанием автономной, нарушающей контакты насыпки деформации, после снятия нагрузки формовка превра щаетс я в нес вязанное сыпучее тело. При необходимости ограничения первой стадией уплотнения следуе т вводи ть в форму ему ю шихту ЖСС. При испол ьзовании двухкомпонентной шихты, содержащей жидкую фазу, «арки» заполняются как твердыми частица ми, та к и жидкой фазой, причем, преимущественное перемещение наблюдается прежде всего у жидкой фазы.

Вторая стадия прессования характеризуется пластической деформацией частиц твердой среды приконтактных областей. Препятствием для образования конта ктов являютс я пленки ЖСС, при этом жидка я фаза час тично или полностью выдавливается в поры.

При использовании смеси с наличием жидкой фазы третья стади я прессования — отсутствует это явление совершенным образом отличается от классических теорий прессования порошковых тел), заполнение пор фракцией твердой фазы не наблюдается, создается гидростатическое давление).

Установлено, что введение в шихту ЖСС оказывает сложное влияние на характер уплотнения. При малом давлении (400 МПа) присутствие второго (жидкого) компонента способст вует в процессе прессо вания снижени ю пористости, при большем давлении (>400 МПа) - повыша ется пористоть приконтактной зоны.

Таким образом, изучение влияния второго компонента на у плотняемость дву хкомпонентных смесей позволяет выявить область перехода от одной стадии прессования к другой.

Уплотнение порошкового тела за счет взаимного перемещения частиц переходит в уплотнение вледствие деформации самих частиц в случае [8,9]:

П V (1) = П0 V где П -относительное изменение доли объема, занимаемого в П порошке порами, V - относительное изменение объема уплотняемой среды, V V = V 0 V, П = П0 П,V 0, П 0 - исходные значения объема и пористости до уплотнения;

V,П- их текущие значения.

Граничным (критическим) является такое состояние уплотняемого по рошкового тела, когда объем, занимаемый порами, становиться равным доле объема, которую частицы занимали до уплотнения:

П кр = 0 (2) или П кр = 1 П 0 (3) тогда кр = 1 0 (4) где 0 -относительная плотность до приложения нагру зки.

Зависимость прочности от давления прессования представлена в экспоненциальном виде [10]:

П = П 0 e, (5) где = Sн /m= const для рассматриваемого материала и условий прессова ния (m- масса шихты;

Sн -площадь поперечного сечения тела).

Выражая пористоть через относительною плотность с у четом состояния (4),уравнение (5) приводится к виду:

= 1 кр e (6) При давлении прессовании р= 0;

=1- кр = 0, при = - 1.

Таким образом, введение в у равнение (6) критической плотности позволяет производить оценку границы и протяженность этапов структурного и пластического деформирования.

Величина критической плотности [6] соответствует:

= 0,585(% ЖСС) 0, 013 ( ) 0, 058 (Т ) 0, 003 (7).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Материалы, представленные в учебном пособии, раскрывают вопросы и проблемы, имеющие место в современном промышленном производстве, по зволяют выделить технологическую нишу для обеспечения принятия эффек тивных организационно-технических мероприятий.

Использование сведений данного учебного пособия может быть полезна на этапах: подготовки производства, производственного цикла, включая и т а кой важный аспект — оборачиваемость сырья и отходов, исключения либо су щественного снижения необратимых потерь исходного сырья.

Б И ЛИОГРАФ ИЧЕСКИЙ СПИСОК Б 1. Кокорин, В.Н. Анализ промышленного рециклинга твердых техногенных отходов предприятий черной металлургии // Экономика,экология и общество России в 21-м столетии. С-Петербург.СП-б ТГУ2003.С.273-274.

2. Патент РФ №2083694 от 10.07.97r. «Способ переработки металло содержащих отходов» / Булыжев Е.М., Кокорин В.Н.

3. Патент РФ №2097166 от 29.11.97г. «Способ переработки металлосо держащих шламов» / Булыжев Е.М., Кокорин В.Н.

4. Кокорин, В.Н. и др. К проблеме прессования шламовых металлосо держащих отходов // Ресурсосберегающие технологии листовой и объемной штамповки. Тезисы докладов Всеросс. НТК. Ульяновск: УлГТУ.2003. С.21 23.

Кокорин, В.Н. и др. Промышленный рециклинг техногенных отходов ОАО 5.

«Северсталь» // Прогрессивные процессы и оборудование металлургическо го производства. Сборник трудов IV Межд. НТК. Череповец: ЧГУ. 2003. С.

202-203.

6. Отчет НИР «Совершенствование технологического комплекса утилизации доломитного производства и железосодержащих отходов» / Булыжев Е.М., Кокорин В.Н., и др. Ульяновск. ЗАО «Экоросс», 1998. С. 50.

7. Кокорин, В.Н, Кокорин М.В. К стадийности прессования двухкомпонент ных смесей с различным агрегатным состоянием // Вестник УлГТУ. Серия «Машиностроение». 2002. №1. С. 38-41.

8. Смирнов, B.C., Павлов Н.Н., Целе син Н.Н. Ис следование соотношения П+=1, отражающего переход от структурной к упругопластической дефор мации зернистой среды // Труды ЛПИ. 1969. № 296. С. 37-41.

9. Цеменко, В.Н. Деформирование порошковых сред. СПб. СПбГТУ, 2001. 104с 10.Радомысельский, И.Д., Щербань НИ. Некоторые особенности уплотнения порошков на разных стадиях прессования // Порошковая металлургия. 1980.

№11. С. 12-19.

КОНТ РОЛЬ НЫЕ ВОПРОСЫ 1. Назначение и место промышленного рециклинга в производственном цикле металлосборки.

2. Основные методы сбора тонкодисперсных материалов.

3. Технические средства и режимы измельчения и тепловой обработки отходов металлургического производства.

4. Классификация твердых отходов черной металлургии.

5. Назначение ЖСС при подготовке шихты.

6. Особенности прессования многокомпонентных смесей с различным фазо вым состоянием.

7. Основные технологические схемы промышленного рециклинга техногенных отходов.

8. Основное технологическое оборудование, применяемое при утилизации от ходов.

9. Технико-экономическое обоснование технологических средств и технологий промышленного рециклинга техногенных отходов.

Учебное издание Кокорин Валерий Николаевич Григорьев Андрей Анатольевич Кокорин Максим Валерьевич Чемаева Ольга Владимировна Промышленный рециклинг техногенных отходов Учебное пособие Редактор А.В. Кропотин Подписано в печать 11.05.2005.

Формат 60 х 84/16. Бумага тип. № 1. Усл. печ. л.2,56. Уч.-изд. л. 2,20.

Тираж 100 экз. Заказ Ульяновский государственный технический университет 432027. Ульяновск, Сев. Венец, 32.

Типография УлГТУ, 432027, Ульяновск, Сев. Венец, 32.




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.