ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА БРИКЕТИРОВАНИЯ ДОЛОМИТОВОЙ ПЫЛИ

УДК 666.943

Нефедьев А.П., Ушеров А.И., Шишкин В.И., Белых В.Т.
Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова

Расширение металлургического производства ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» (ММК) требует увеличения производства флюсов, в первую очередь ожелезненного доломита.

На данный момент, ожелезненный доломит выпускает только ОАО Магнитогорский цементно-огнеупорный завод (МЦОЗ), в количестве около 500000 тонн в год, что сопровождается образованием пыли-уноса более 70000 т/год.

В связи с этим, была предпринята попытка разработать технологию окомкования пыли-уноса, образующейся при обжиге ожелезненного доломита, в продукт, пригодный к употреблению в металлургии, путем пресс-формования или окатывания. Продуктом можно считать «транспортабельный» комок материала — пыли со связкой, по своему химическому составу пригодный к использованию в металлургии в качестве флюса, а также, близкий по составу к ожелезненному доломиту, выпускаемому на ОАО МЦОЗ (во избежание необходимости внесения изменений в  технологию металлургической плавки, используемую сегодня). Критерием транспортабельности можно считать достижение образцом прочности при сжатии 3 МПа.

Решение этой задачи позволяет уйти от увеличения энергозатрат на повторный обжиг пыли (нет необходимости вдувать ее в печь и создавать повторный унос) и, тем самым, увеличить эффективность работы завода в целом. Кроме того, полностью отпадает опасность облипания теплообменных цепей в печи пылью, существующая при вдувании её (пыли) с «холодного» конца печи под слой материала (шлама).

Утилизация пыли в продукт может быть выполнена брикетированием или грануляцией. Обе технологии имеют общие недостатки:

• дороговизна оборудования и его обслуживания;
• малый срок жизни получаемого продукта.

Решать эту задачу предполагается:

• в лабораторной части, путем проведения и анализа факторного эксперимента по установлению вида связки и оптимизации состава;
• в практической, путем выпуска опытной партии образцов предполагаемого продукта.

Окускование — это процесс превращения мелких (порошкообразных) материалов в кусковые, необходимых размеров, применение которых значительно улучшает показатели работы технологического оборудования. Наиболее широко распространены два способа безобжигового (безагломерационного) окускования: пресс-формование и окатывание, оба выгодно использовать в различных условиях.

Способность к образованию прочных гранул в процессе окомкования у разных материалов выражена различно. Комкуемость нельзя определить однозначно, так как она является результатом одновременного действия многих факторов, прежде всего гранулометрического состава материала, химико–минералогического состава, наличия и свойств связки [5].

Главным фактором, определяющим механическую прочность сырых гранул, является размер зерна. По теории Румпфа, прочность сырых гранул при растяжении обратно пропорционально зависит от размера зерна, т.е. уменьшение размера зерен комкуемого материала ведет к повышению прочности сырых гранул. Прочность сырых гранул тем выше, чем больше контактов между отдельными частицами. Число контактов увеличивается с уменьшением размера частиц (вследствие увеличения плотности упаковки). Таким образом, для улучшения способности материалов к окомкованию и повышения механической прочности сырых гранул, размеры зерен материала должны быть как можно меньшими. Однако при тонком помоле велик расход энергии и окомкование становится экономически нецелесообразным, т.е. качественное окомкование дисперсных материалов выгодно, когда они не требуют дополнительного помола. Таким случаем является окомкование пыли уносимой из печей различных производств.

Чем больше поверхностное натяжение жидкости, тем большими будут силы, возникающие между зернами гранул, и тем выше прочность получаемого продукта. Такие силы сцепления могут действовать только в том случае, если жидкость полностью смачивает зерна материала. Для нормального процесса окомкования и получения удовлетворительной прочности необходимо определить оптимальное значение поверхностных сил. С ростом поверхностного натяжения и увеличением смачиваемости, прочность сырых гранул на раздавливание возрастает. Это утверждение подтверждает зависимость прочности сырых гранул при сжатии от величины поверхностного натяжения жидкости [7].

Влажность комкуемого тонкозернистого материала в решающей мере влияет на скорость окомкования и на свойства сырых гранул. Окомкование не происходит или происходит не в значительной мере в том случае, если влажность комкуемой смеси низка. С повышение влажности смеси до оптимального значения увеличивается скорость возникновения зародышей [7].

Скорость роста гранул зависит от типа комкуемого материала, т.е. от его минералогического и гранулометрического состава. Изменение влажности отражается на форме и размерах гранул. Увеличение влажности гранул проявляется в увеличении диаметра гранул.

Не менее важное влияние оказывает влажность и на механическую прочность гранул. С повышением количества добавляемой воды, прочность окатышей растет (до оптимальной влажности), а затем уменьшается. Оптимальной влажности соответствуют максимальные капиллярные силы.

Сырая гранула обладает свойствами, типичными для твердых материалов: определенной прочностью при растяжении, изгибе и срезе, способностью сохранять форму, полученную в окомкователе. Эти свойства гранул связаны с величиной сил сцепления, а последние в свою очередь, зависят от свойств комкуемого материала, как то: количество жидкости между зернами, расстояние между поверхностями зерен комкуемого материала.

Силами механического сцепления по существу являются силы трения, возникающие при движении слоев материала. Прочность механической связки зависит от величины внешнего давления, вследствие чего силы механического сцепления нельзя считать активными силами, какими являются капиллярные или молекулярные силы.

Химический состав материала, является определяющим при оценке их пригодности для окомкования. Изменение химического и минералогического состава тонкозернистых материалов проявляется в изменении плотности этих материалов. Это является причиной различного поведения материала при получении гранул. На комкуемость материалов влияет энергия поверхностных слоев, которая при наличии жидкой среды стимулирует возникновение сил сцепления, действующих в сырых гранулах [6].

Хорошая смачиваемость обуславливает быстрое возникновение сил сцепления и образования сырых гранул, что является необходимым условием окомкования тонкозернистых материалов. Смачиваемость твердой поверхности можно изменять адсорбцией ПАВ, вследствие которой гидрофобные поверхности становятся гидрофильными, и наоборот.

Возникновение капиллярных сил связанно с образованием жидкостных мостиков между отдельными зернами комкуемого материала. Давление внутри жидкостного мостика, находящегося между твердыми зернами материала, является результатом проявления двух сил, действующих в противоположном направлении [6].

Электростатические силы, действующие между зернами материала, обусловлены свободными зарядами или электрическим двойным слоем. Электрические силы, обусловленные электрическими зарядами, лишь в незначительной степени влияют на конечную прочность сырой гранулы. Избыточный заряд с течением времени выравнивается.

Аппаратно окомкование сыпучих материалов в промышленности осуществляется по-разному, но все их можно разделить по типу преобразования материала на:

• окатывающие;
• формующие.

Окатывание осуществляется на специальных грануляторах, чаще всего это тарельчатые барабанные или конусные грануляторы.

Тарельчатые грануляторы выпускают диаметром 5,5-7,0 м, они обеспечивают производительность 125-150 т/ч. Оптимальных условий окатывания достигают подбором угла наклона тарели (40-60°) и частоты вращения(6-9 об/мин).

Образование зародышей происходит в близи подвода увлажнителя, где наиболее вероятно переувлажнение шихты. Эта часть тарели называется зоной образования зародышей, остальная часть тарели называется зоной окомковывания [5].

Большую плотность имеют гранулы, на которые при столкновении действуют небольшие силы. Гранулы, подвергнутые воздействию больших сил, разрушаются, но возможен их повторный рост. Процесс роста гранул заканчивается по достижению равновесного состояния. Ход процесса окомкования до наступления равновесного состояния зависит от гранулометрического состава смеси: если смесь содержит только тонкоизмельченные частицы, то скорость роста гранул будет низкой. Одновременно с увеличением размеров гранул, возрастает и их плотность.

Брикетирование сухих порошкообразных материалов – особое решение, так как позволяет сочетать все преимущества гранулированных продуктов, без затрат дополнительных веществ в виде технологических связок, без дополнительной операции перемешивания связки с порошком, этот способ также дает возможность получить более чистый продукт.

Однако возможности сухого брикетирования ограниченны, оно применимо только в окомковании пластичных тонкодисперсных материалов, да и то только при высоких давлениях уплотнения (при прессовании). Прессование сыпучего материала сопровождается нарушением межчастичных контактов, перегруппировку частиц в более плотную упаковку. При этом преодолеваются силы аутогезии и трения между частицами. В сухом порошке они намного выше, чем в присутствии технологической связки. Кроме того, раньше начинается дробление и деформация частиц, которые зависят от их упругопластических свойств, размеров, а также внешнего давления.

Упрочнение порошкообразных материалов при сухом брикетировании обусловлено в первую очередь Ван-дер-ваальсовым взаимодействием, проявляющемуся при расстояниях между частицами менее 10 мкм [6].

При прессовании сыпучих порошков особенно большое значение имеют упругопластические свойства частиц, обусловленные увеличением площади и прочности контактов [6].

Прочность сухих прессовок может быть повышена оптимизацией дисперсности гранулометрии порошков. Упаковка частиц, особенно мелких, отличается неравномерностью и наличием различных по размеру пор. Поры ослабляют структуру тем сильнее, чем больше интервал изменения их размеров.

Таким образом, подбор рационального состава уплотняемых порошкообразных материалов, один из эффективных путей улучшения физико-механических свойств прессованных материалов.

При сжатии порошков происходит целый ряд физических процессов. Сначала частицы перемещаются в направлении давления прессования, заполняя крупные поры, разрушая арки и мостики, возникшие в свободно насыпанном порошке. При этом деформация частиц практически не происходит, и при небольшом расходе энергии, достигается устойчивое состояние структурных элементов материала, существенно увеличивающих плотность укладки.

Во время прессования материал находится в объемно напряженном состоянии. В момент снятия прессующего давления, возникающая система сил мгновенно оказывается неуравновешенной. Полученный брикет расширяется в направлении давления прессования. Упругое расширение происходит за счет обратного движения частичек — как клиньев. Пластическая и упругая деформации частиц порошков может вызвать перепрессовку (расслоение изделий) и резко уменьшить их прочность [6].

Вместе с тем на расширение брикетов из достаточно пористых материалов влияют капиллярные и поверхностные силы. При прессовании выдавливается содержащаяся в них часть воды.

Исследования структурных изменений порошков при уплотнении, показали наличие пор двух видов: крупных, образующихся вследствие неплотной упаковки агрегатов частиц, и мелких — между индивидуальными частицами [4].

Изменение числа и плотности контактов может быть следствием не только физических, но и химических процессов. При прессовании на контактах частиц при определенных условиях могут протекать обменные реакции с образованием новых химических связей [4].

Сравнение структуры прессованных брикетов и гранул, полученных окатыванием, показывает, что прессование дает возможность получения брикетов с однородной пористой структурой и широкой сетью сообщающихся пор и капилляров. В тоже время в структуре, особенно полученной при низких давлениях прессования, как и в гранулах, образовавшихся при окатывании, наглядно прослеживается микроконгломератная структура, обусловленная образованием первичных конгломератов при введении технологической связки, а также при измельчении, перемешивании, транспортировании и хранении порошков. Такие конгломераты, не разрушенные в процессе прессования, обуславливают структурную неоднородность, снижающую плотность и прочность прессовок.

Основная задача при прессовании сводится к тому, чтобы обеспечить, возможно, большую суммарную поверхность соприкосновения зерен материала, при максимальном удельном давлении в местах контакта и возможно меньшей деформацией зерен.

Динамика прессования и свойства прессованных брикетов, это и свойства частиц материала (сопротивление деформации, модуль упругости, пластичность) и свойства уплотняемого порошка (дисперсность, гранулометрия, форма частиц), определяют режим прессования (необходимое давление, скорость приложения, время выдержки).

По сравнению с грануляцией, прессование имеет ряд существенных преимуществ: обеспечение высокопрочных и термостойких брикетов с заданными размерами и формой, при незначительной влажности; получение брикетов с гомогенной структурой. Тем не менее, в случае необходимости обеспечения больших объемов при малых энергозатратах, грануляция значительно выгоднее.

Для проводимых исследований использовалась доломитовая пыль, собранная на электрофильтрах Магнитогорского цементно-огнеупорного завода, фракции (0-0,63 мм), а также известковая пыль с электрофильтров Агаповского известково-доломитового производства, фракции(0-0,4 мм) кроме того, были использованы отходы производства вторичного алюминия Сухоложского завода вторичных цветных металлов в виде пылевидной фракции (0-0,63 мм).Насыпные плотности используемых материалов:

• пылевидные ОПВА                700-800 кг/м³,
• доломитовая пыль               950-1100 кг/м³,
• известковая пыль               850-950 кг/м³.

Химический состав, материалов, используемых в исследовании приведен в табл.1

В качестве активизатора твердения использовались:

• известковая пыль с электрофильтров Агаповского известково-доломитового производства
• отходы производства вторичного алюминия Сухоложского завода вторичных цветных металлов

Для исследования свойств доломитовой пыли формовались образцы-цилиндры диаметром 5 см и высотой 5 см методом двустороннего прессования в скользящей пресс-форме из шихты, полученной в результате ручного перемешивания требуемых компонентов с водой, жидким стеклом или бишофитом.

При использовании негашеной извести также применялась выдержка перед формованием для частичного гашения извести, что моделировало производственные условия, где шихта поступает в пресс на формование через определенный промежуток времени после перемешивания.

После формования образцы твердели в воздушно-сухих условиях при температуре воздуха 20±2 ^оС в течение 3 суток, после чего они испытывались на сжатие на гидравлическом прессе.

Для оптимизации составов брикетов из доломитовой пыли и для изучения поведения образцов и готового продукта при различных технологических факторах производства был применен метод планирования эксперимента [1,2,3].

Основной характеристикой получаемых брикетов является прочность при сжатии, которая и была принята за отклик функции.

На основании результатов ранее проведенных экспериментов были выделены три взаимнонезависимых фактора, которые способны оказать влияние на исследуемые отклики: содержание вяжущего в шихте, отношение компонентов в вяжущем (вяжущее двух компонентное), В/Т отношение.

По результатам расчетов, исходя из построенной зависимости для прочности были построены сечения функций при минимальном, нулевом, и максимальном значении каждого фактора, что соответствует кодированным значениям.

Анализ построенных графиков показал, что увеличение влажности от первоначального значения (если состав вяжущего и соотношение компонентов в нем постоянны) приводит к увеличению прочности, но при достижении критического значения дальнейшее увеличение водосодержания шихты приводит к уменьшению прочности. Это, по-видимому, происходит из-за увеличения толщины водных оболочек, что в свою очередь влечет за собой образование менее прочных контактов между новообразованиями и увеличение пористости что и приводит к уменьшению прочности брикета.

Изменение влажности шихты в приделах описываемой области, мало сказывается на поведение отклика прочности, за исключением случая переувлажнения, когда наблюдается резкий спад прочности, и выдавливание массы из формы во время прессования, вследствие ее высокой пластичности.

При изменении содержания вяжущего в шихте, функция прочности носит экстремальный характер, как и в случае с изменением отношения компонентов вяжущего (ярко выраженная впадина на сечениях поверхности отклика). При этом максимумы отклика располагаются в областях, находящихся на краях поверхностей.

Прогнозируя поведение функции отклика вне границ описываемой области, учитывая необходимость снижения количества используемого сырья, оптимум функции будет приходиться на отношение компонентов в вяжущем 3:2 (известь:ОПВА), и содержание вяжущего от расхода наполнителя 7-8%, при влажности шихты 10-14 %.

Таким образом, полученные зависимости доказывают возможность получения брикетов с требуемыми технологическими свойствами. Основная характеристика – прочность значительно (в два и более раз) превышает минимально допустимую для применения в производстве (7,5-11 МПа против 3 МПа).

Заключение

По результатам проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

• Твердение и набор прочности брикетов доломитовой пыли обусловлен гидратацией вводимых в состав шихты вяжущих веществ. Прессование также способствует повышению прочности за счет более плотного сближения частиц, что обеспечивает соответствующий контакт между пленками воды и зернами материала, а также более плотную упаковку материала.
• Доказана возможность получения брикетов из доломитовой пыли для применения в технологических процессах металлургических производств. Прочность полученных образцов с добавками известковой пыли и ОПВА, значительно превышает минимально допустимую (в 2-6 раз в зависимости от вида и количества связки);
• Наиболее оптимальными сроки твердения брикетов из доломитовой пыли, на вяжущей композиции из ОПВА и известковой пыли, составляют 4 суток, но уже в суточном возрасте их прочность достаточна для отгрузки и транспортирования (около 8 МПа). Дальнейшее нарастание прочности имеет незначительные величины, особенно в относительном выражении;
• Функция прочности брикетов от содержания вяжущего и количества воды затворения имеет оптимум, положение которого зависит от количественного соотношения вяжущего и влажности на единицу объема формовочной шихты.

Библиографический список

1. Зедгинидзе И.Г. Планирование эксперимента для исследования многокомпонентных систем. М.: Наука, 1976.
2. Елфимов А.И. Учебное пособие по курсу Планирование и организация научно-исследовательских работ. Магнитогорск: МГМИ, 1974.
3. Воскобойников В.Г., Кудрин В.А., Якушев А.М. Общая металлургия. М.: Металлургия, 1998.
4. Мамыкин П.С., Стрелов К.К. Технология огнеупоров. Свердловск: Металлургиздат, 1959.
5. Маерчак Ш. Производство окатышей. М: Металлургия, 1982
6. Сулименко Е.И. Агломерационные процессы в производстве строительных материалов. М: Металлургия, 1988
7. Салыкин А.А., Балес А.А. Связующие добавки, используемые при окомковании. Черметинформация, 1975.- Вып. 3.