автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Утилизация фторуглеродсодержащих отходов алюминиевого производства при агломерации

РГ& од

На правах рукописи

Дячок Николай Геннадьевич

УТИЛИЗАЦИЯ ФТОРУТЛЕРОДСОДЕРЖА1ЦИХ ОТХОДОВ АЛЮМИНИЕВОГО ПРОИЗВОДСТВА ПРИ АГЛОМЕРАЦИИ

Специальность 05.16.02 - Металлургия чёрных металлов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новокузнецк - 1998

Работа выполнена на кафедре металлургии чугуна Сибирского государственного индустриального университета

Научный руководители: доктор технических наук, профессор

Борискин И.К.

кандидат геолого-минералогических наук, профессор Пермяков А.А.

Официальные оипонепты: доктор технических наук, профессор

Хрущев М.С.

кандидат технических наук ДябинВ.В.

Ведущее предприятие - ОАО "Кузнецкий металлургический комбинат"

Защита состоится "29" июня 1998 г. в 12 часов на заседании специализированного совета Д 063.99.01 при Сибирском государственном индустриальном университете по адресу: 654007, г. Новокузнецк, ул. Кирова, 42

С диссертацией можно ознакомится в научно-технической библиотеке Сибирского государственного индустриального университета

Автореферат разослан «¿Г8 мая 1998 г.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат технических наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность проблемы. В настоящее время загрязнение окружающей среды в промышленных регионах достигло критической точки. Связано это не только с неудовлетворительной работой очистных средств, отставанием отечественных технологий и оборудования, но и с отсутствием должного внимания вопросам образования и утилизации (обезвреживания) промышленных отходов. Во многом данному вопросу мешает недостаточная изученность физико-химических свойств промышленных отходов. Однако, как показывает мировая практика, при комплексном подходе утилизация многих видов отходов технически возможна и зачастую экономически целесообразна вследствие снижения- материалоемкости продукции и экономии сырьевых и топливных ресурсов. Следует отмстить, что изучение возможности утилизации нетрадиционных материалов применительно к промышленным технологиям способствует расширению теоретических представлений о специфике процессов.

Работа проводилась по решению руководства ОАО "ЗСМК" (протокол технического совета от 11.06.96 г.) согласно просьбе администрации алюминиевых заводов в рамках «Территориальной комплексной программы охраны окружающей среды Кемеровской области до 2005 г.». - ' ■

Цель работы. Изучение технической возможности и-экономической целесообразности утилизации твёрдых фторуглеродсодержащих отходов при агломерации с учётом экологических требований.

Отходы исследовались на предмет замены дефицитной коксовой мелочи при агломерации и улучшения шлакового режима доменных печей за счёт фтористых соединений, а также с целью решения задачи в области безотходных технологий и охраны окружающей среды.

Научная новизна работы состоит в том, что на основании минералогического, рештенофазового и термического анализа установлен качественный и количественный минеральный состав отходов, изучены их теплофгоические и прочностные свойства. Показаны особенности поведения 'фтористых и щелочных соединений минеральной часта отходов в процессе подготовки шихты и её спекания, а также специфика их смесевого и индивидуального горения в составе топливной части агломерационной шихты. Изучена специфика минералообразования и минерального состава агломератов, а также динамика изменения их металлургических свойств в зависимости от массовой доли отходов в шихте. Практическая ценность и реализация результатов работы:

- разработана технология подготовки агломерационной шихты с участием твёрдых фторуглеродсодержащих отходов к агломерации;

- предложена схема и состав оборудования подготовки фторуглеродсо-держащих отходов к спеканию методом агломерации;

- выбрана оптимальная технология агломерации шихты с участием отходов на агломашинах;

- определён диапазон и критерий замены коксовой мелочи в зависимости от вида, массовой доли отходов в топливной части и технологических факторов;

- выбран критерий стоимостной оценки фторуглеродсодержащих отходов алюминиевого производства при утилизации в условиях агломерационного производства;

- материал используется при чтении спецкурса «Теория и технология подготовки руд», будет использован при чтении спецкурса "Безотходные технологии" и имеет просветительский характер.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на заседаниях научно-технического совета ОАО «ЗСМК» от 03.10.96 г. и 03.07.97 г.,- а также на пленарном заседании международной научно-практической конференции «Современные проблемы и пути развития металлургии» (г. Новокузнецк, 1997 г.).

Предмет защиты. Основные положения, выносимые на защиту:

- теоретические и экспериментальные исследования состава и свойств фторуглеродсодержащих отходов применительно к процессам окусковапия;

- особенности окомковапия и распределения элементов и соединений в окомкованной шихте с использованием фторуглеродсодержащих отходов;

- теоретические положения и технология утилизации отходов в составе тошшвиой части шихты при агломерации с учетом экологических требований;

- специфика минералообразования и минерального состава агломератов, полученных с использованием отходов;

- металлургические свойства полученного агломерата.

Личный вклад автора. Автору принадлежит теоретическое и практическое решение положений, выносимых на защиту.

Публикации. Основное содержание диссертации изложено 6 публикациях, т. ч. 5 статьях в журналах и тезисах доклада.

Объём работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав, общих выводов, заключения, списка использованных источников и 2 приложений. Работа изложена на 239 страницах, в т.ч. 113 страницах машинописного текста, 90 рисунках, 60 таблицах и библиографии из 240 наименований отечественных и зарубежных источников.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении представлено обоснование актуальности проблемы утилизации фторуглеродсодержащих отходов алюминиевого производства с позиций охраны окружающей среды, безотходных технологий, а также возможности покрытия дефицита коксовой мелочи при агломерации и улучшения шлакового ре-яшма доменных печей за счёт фтористых соединений.

В первой главе на основании обзора 124 источников рассматриваются основные токсичные элементы, вносимые отходами, с позиций геолого-географических, токсикологических, гигиенических, технологических и экологических аспектов. Показаны условия образования, складирования и основные ла-правления утилизации фторуглеродсодержащих отходов.

Рассмотрены особенности использования фтористых добавок и материалов с повышенным содержанием щелочных соединений при подготовке руд к плавке и в доменном процессе.

Во второй главе рассмотрены свойства фторуглеродсодержащих отходов применительно к использованию в процессах окускования.

В алюминиевой промышленности СНГ ежегодно образуется 260-300 тыс, т твёрдых фторуглеродсодержащих отходов, в т.ч. около 110-130 тыс. т отработанной углеродистой футеровки электролизеров (ОУФЭ) и на шламовые ноля сбрасывается около 150-170 тыс. т мелкодисперсных отходов производства смешанного криолита, а т.ч. 90-100 тыс. т тламов газоочистки (ШГЭ) и 60-70 тыс. т хвостов флотации угольной пены (ХФУП). Объём образования твёрдых фторуглеродсодержащих отходов по алюминиевым заводам за 1989 г. и их химический состав приведены в табл. 1 и 2.

Таблица 1

Объём образования твёрдых фторуглеродсодержащих отходов, тыс. т

Завод ОУФЭ ШГЭ ХФУП

Красноярский 31,4 23,0 23,8

Братский 30,0 28,0 24,9

Иркутский 12,2 8,0 6,0

Новокузнецкий 8,7 9,0 4,6

Волгоградский 8,47 5,4 5,54

Уральский 4,47 6,0 -

Богословский 4,06 9,0 -

Надвоицкий 1,82 4,0 -

Днепровский 2,80 6,2 0,5

Сумгаитский 1,58 "> 5 -

Саянский 6,55 - -

Таджикский 15,3 1,8 3,0

Всего по отрасли 127,35 102,9 68,34

Следует отметить крайне неблагоприятный химический состав ШГЭ (см. табл. 2) с точки зрения утилизации отходов как углеродсодержащей добавки при агломерации. Объединение их с ХФУП и совместное накопление в виде шлама в шламохранилище способствует разуболшваншо продукта по углероду и обогащению нежелательными соединениями на основе алюминия и натрия. Согласно балансовым расчетам, исключение из анализа ШГЭ сопровождается потерей лишь до 12,14 тыс. т (12,29 %) в пересчёте на углерод и 68 тыс. т в натуральном тоннаже и соответственно до 16,39 тыс. т (50,38%) фтора и до 11,4 тыс. т (49,05 %) натрия.

Таблица 2

Химический состав твёрдых отходов, %__■

Компонеп-" ты ОУФЭ ШГЭ* ХФУП Шламысо шламового поля

ВТ БТ

Р 12,30 32,70 15,50 8,79 21,03

А1 10,35 13,00 27,30 5,66 11,03

На 8,46 '21,94 10,51 6,66 13,85

Са 2,56 0,50 0,40 0,71 0,80

ме 0,65 0,30 0,20 0,53 0,14

Те203 3,00 .3,66 1,20 1,56 4,50

8Ю2 3,26 0,89 0,30 0,25 0,60

бо4 0,35 5,20 3,70 0,48 - 6,68

С02<< - 1,70 - - *■ 0,39 .

П.П.П. 49,4 16,8 18,90 72,10 40,08

Примечание. . ' . ■-'

ВТ и БТ - для электролизёров верхнего и бокового токоподвода. Потери при прокаливании представлены в основном углеродом.

Расчёты показывают, что в условиях АИП ОАО "ЗСМК" при максимальном дефиците твёрдого топлива 110,39 тыс. т (или 90,521 тыс. т углерода) даже при дифференцированном подходе отходы можно рассматривать в качестве одного из потенциальных источников покрытия-дефицита. •

ОУФЭ/ХФУП характеризуются самоплавкой минеральной Частью (золой) с основностью по Са0/8Ю2 и (Са0+М§0)/8Ю2 1,231/2,342 и 1,425/3,629, против 0,096 и 0,131 у коксовой мелочи и низким кремниевым модулем (8Ю2/А1203) 0,251/0,063 против 1,857 у кокса соответственно. Высокая основность отходов позволяет несколько снизить расход известняка.

Используемые в исследованиях пробы ОУФЭ/ХФУП имели следующий химический состав, %: С-55,7/74,72; Ре-1,10/0,79; Мп-0,16/0,25; Р-0,04/0,02; 0,03/0,45; Р-10,32/9,45; РЬ-0,031/0,031; 2x^0,02/0,02; 8ЮГ2,21/0,35; А1203-8,79/5,57; СаО-2,72/0,82; Мё0-0,43/0,45; №20-8,67/7,89; К20-0,28/0,2. Гранулометрический состав ХФУП представлен в основном классом 0-0,2 мм (до 88 %).

Угол откоса ¡зоздушно-сухой пробы ХФУП составил 33°, насыпная плотность -0,749 т/м3. Влагосодсржание ОУФЭ составляет 0,7 % для класса 20-80.мм и 7,3 % для класса 0-20 мм. Рентгенофазовым и минералогическим анализом проб отходов установлен их минеральный состав (табл. 3).

Таблица 3

Минеральный состав твёрдых фторуглеродсодержащих отходов

Минерал Химическая Формула Содержание минерала, % (объёмп.) в

усреднённой пробе ОУФЭ "горячем" слое ОУФЭ внутреннем слое ОУФЭ ХФУП

Графит С 83.37 70,95 87,21 87,41

Алюминий А1 0,14 1,33 - -

Флюеллит А12(РО4)р2(0П)-7Н2О - - - 0,59"

Геарксутит СаА1Р4(0Н)Н20 - - - 0,34

Криолит ЫазЛШб 1,44 2,17 1,02 5,62

Хиолит Ыа5АЬР]4 3,69 6,66 2,60 1,18

Виллиомит КаР 2,49 1,81 1,52 0,54

Флюорит СаР2 0,87 1,46 0,80 0,29

Майенит Са]2Л1140зз 0,46 0,48 0,42 0,15

Геленнт СагАЬБЮт 0,58 0,49 0,53 .

Кароббиит КР 0,03 0,06 0,02 0,03

Селлаит MgF2 0,30 1,14 0,28 0,39

Гиератит К28!Р6 0,03 0,06 0,02 . 0,02

Криптогалит (ЫН4) 81Рб 1,75 4,78 1,07 0,02

Эльпазолнт К2ЫаА1Р6 0,05 0,10 0,03 0,04

Всбернт Na2MgAIF7 0,85 3,23 0,78 1,24 .

Сульфогалит 2№2804Ка(С1,Р) 0,51 0,56 0,46 0,33

111айерит Ка^БС^С! - - 0,33

Буркеит На6(804)2С03 - - 0,33

Малладрит ^¡Рб 1,88 2,71 1,15 0,03

Криолит ка- КА1Р6 0,03 0,05 0,02 0,02

лиевый

[5-глипозем N320-11А1203 0,40 0,62 0,33 0,70

К20-11А1203 0,14 0,25 0,08 -

Кварц 8»2 - - - 0,17

Маггемит у-Ре;Оз 0,24 0,31 0,18 -

Гидрогема- Ре20з-пН20 - - - 0,16

ТИ'Г Рутил тю2 0,07 . 0,10 0,05 0,07

Апатит Са5(Р04)зР + 4 + +

Содалит №8А16816024С1 + + + +

Прочие - 0,67 0,69 1,44 0,01

Примечание.

Знак "+" означает присутствие в количестве менее 0,01 %.

Низшая теплота сгорания отходов составляет 12,068 МДж/кг у ОУФЭ, 23,754 МДж/кг ХФУП (27,569 МДж/т у используемой коксовой мелочи), что удовлетворительно коррелируется с содержанием в них углерода. Снижение теплоты сгорания объясняется также особенностью минеральной части, минералы которой имеют эндотермический эффект, обусловленный диссоциацией, полиморфными превращениями и плавлением в области температур 508-1273К. Ко-

эффициент для пересчета на тонны условного топлива в калькуляциях себестоимости должен составлять не более 0,41 ОУФЭ и 0,81 для ХФУП.

Результаты дериватографичееких исследований показывают идентичный характер горения ХФУП и коксовой мелочи. С точки зрения утилизации ОУФЭ является предпочтительной крупность 0-1 мм. Реакционную способность ОУФЭ и ХФУП определить не удалось вследствие интенсивного спекания проб в диапазоне 973-1073К.

Предел прочности ОУФЭ при одноосном сжатии составляет 90,37 МЙк и /=4,09 (кокс - 28,26 МПа,/= 1,5 и таштагольская руда - 201,33 МПа../8,35), что соответствует V категории горных пород, характеризующихся средней степенью крепости. Материал также имеет низкие величины коэффициентов внутреннего и внешнего трения, что вызывает подвисание материала между рабочими органами дробилок (валковой, щековой) при дроблении.

Лабораторные исследования по дробимости ОУФЭ и практика выбора оборудования для онытно-промышленной установки выявили ограниченность применения дробилок, работающих по принципу сжатия и раскалывания. Высокая степень дробления материала, с преимущественным выходом мелких классов, установлена при использовании молотковой дробилки, которая, наравне со стержневой и шаровой мельницами могут быть рекомендованы в качестве агрегатов для получения агломерационного топлива из ОУФЭ. Подготовку отходов целесообразно вести отдельным потоком. При наличии весового дозирования в тракте подготовки известняка возможна совместная переработка.

В процессе гидратации происходит естественное разрушение ОУФЭ, связанное с увеличением объёма и массы образовавшихся соединений, сопровождаемое повышением температуры штабеля (за счёт тепла экзотермических реакций) и выделением газов (ИНз, НСИ, I I! и др.) с появлением па поверхности характерного белого налета из гидратнрованных щелочных галоидов. Под действием атмосферных осадков, талых и паводковых вод происходит выщелачивание растворимых примесей. Динамика изменения рН среды от концентрации ОУФЭ разных классов крупности и щелочных соединений свидетельствует о наличии выраженных поверхностно-активных свойств водных растворов.

С целью избежания заражения окружающей среды (отходы относятся к 3 классу токсичности) отходы должны быть переработаны в минимальные сроки. При возможной утилизации ОУФЭ в агломерационном производстве для максимального использования поверхностно-активных свойств и теплотворной способности оптимальной крунностыо считать фракцию 0-1 мм.

В третьей главе приведены методика отбора проб шихтовых материалов, их химический (табл. 4) и зерновой состав (табл. 5), углы естественного откоса,

Таблица 4

Химический состав и химико-анадиткческие критерии компонентой агломерационной шихты

Элемент/ Соединение Содержание элементов и соединений в материалах, %

КК ЛР КР ИР ГР О лм И ип км ОФ ХФ

Fe 62,53 47,19 49,62- 53,10 52,92 72,31 17,34 0,38 - 0,88 1.11 0,55

Мл 0.09 0,08 0,55 0,40 0,40 0,64 18,70 0,01 - 0,01 0,16 0,02

Р 0,099 0,100 0,101 0,060 0,091 0,038 0,039 0,017 0,013 0,07 0,035 0,02

S 0,024 1,459 0.168 1,690 0,097 0,020 0,428 0,051 0,073 0,40 0,029 0,45

F 0,060 0,052 0,054 0,064 0,068 0,059 0,060 0028 0,030 - 10,32 8,69

С" 0,16 0,69 0,56 0,33 1,05 1,03 11,73 0,58 81,(1 55,70 74,72'

I'b 0,0004 0,0068 0,0059 0,0066 0,0031 - 0,0670 - - 0,0050 0,0310 0,0150

Zn 0,018 0,016 0,043 0,075 0,034 0,014 0,212 0,028 0,023 0,010 0,020 0,0100

FcO 24,26 24,90 21,30 25,79 23,33 75,37 1,73 - - . - -

Fe203 62,37 42,57 45,90 47,19 49,69 19,55 22,85 0,53 - U6 1,58 0,79

Si02 3,96 16,04 17,20 11,70- 10,50 1,82 29,22 1,62 1,08 8,19 2,21 ' 0,35

A1203 2,43 4,20 1,80 2,58 2,67 0,45 2,73 0,34 0,50 4,41 8,79 5,57

CaO 2,25 3,39 7,63 5,50 6,79 0,82 5,05 53,79 59,16 0,79 2,72 0,82

MgO 2,97 2,93 2,40 1,84 1,03 1,07 1,38 1,04 0,59 0,28 0,43 0,45

ТЮ2 0,25 0,25 0,25 0,15 0.10 - 0,27 - - 0,24 0,35 0,19

K;0 0,024 0,144 0,078 0,078 0,184 0,035 1,120 0,064 0,044 0,205 0,284 0,200

Na20 0,087 0,253 0,169 0,202 0,169 0,085 0,6-10 0,230 0,030 0,139 8,666 7,890

ППП 1,40 4,19 3,40 3.05 5,18 - 8,57 •13,5 38,47 2,73 4,88 5,60

Величина критериев***

Bj 0,568 0,211 0,444 0,470 0,647 0,451 0,173 - - 0,096 1,23 Г 2,343

В,***' 1,318 0,394 0,583 0,627 0,745 1,038 0,220 52,87 58,17 0,131 1,425 3,629

lh 0,817 0,312 0,528 0,514 0,594 0,833 0,201 - - 0,085 0,286 0,215

M, 1,630 3,819 9,556 4,535 3,933 4,044 10,70 4,765 2,154 1,857 0,251 0,063

o, 72,00 63,10 68,30 64,66 68,05 20,60 92,96 - - - - -

o, 38,90 58,49 46,41 54,65 46,95 386,52 7,57 - - - - -

¡c, 6,333 33,99 36,66 22,03 19,84 2,52 168,51 - - 931,68 199,10 63,64

K2 0,139 0,536 0,341 0,380 0,319 0,118 3,69 - - .. 15,91 780,72 1434

K, 0,178 0,841 0,498 0,527 0,667 0,166 10,15 - - 38,64 806,31 1470

K4 0,038 3,092 0,339 3,183 0,183 0,028 2,468 - - 45,46 2,613 81,818

K5 0,158 0,212 0,204 0,113 0,172 0,053 0,225 - - 7,955 3,153 3,636

Kt 0,256 1,462 1,129 0,621 1,984 - 5,94 3087 - 9217 5018 13585

K7 3,598 7,18 15,38 10,36 12,83 1,13 29,12 - - 89,77 245,05 149

Ks 2,239 8,879 6,852 5,744 9,788 - 49,42 - - 310 439 1018

K, 0,096 0,110 0,109 0,121 0,128 0,082 0,346 - - - 1146 1580

Km 37,50 7,54 9,64 19,39 6,48 - 5,83 0,24 5,17 - 100,19 11,63

Kn 68,97 20,55 31,95 31,68 40,24 69,41 9,38 - - - 119,09 110,14

Kn 54,05 13,10 21,86 22,86 19,26 49,17 3,41 - - 115,31 107,42

K„ 54,38 36,67 30,18 61,21 .16.10 - 62,14 0,20 5,17 0,17 15,56 10,56

Гримечлиие.

Симичесхий анализ сырья я шихты выполнен химико-аналитическими методами и на рентгеновском флуорсс-(енггаом квантометре \biQ-150A фирмы «Shimadm» в химической и рентгепоспектральной лабораториях ЦЗЛ )АО"ЗСМК".

КК - коршуновский концентрат; аглоруды: АР - абаканская, КР - краснокамепсхая, ИР - ирбинская, TP - таш-агольская, AM - атасуйская железомарганцевая. О - окалина; флюсы: И - известняк; Jin - известь-пушонка; опливо: КМ - коксовая мелочь, ОФ - ОУФЭ, ХФ - ХФУП.

* для рудной части и флюсов приведено расчетное содержание карбонатного углерода ** критерии В,=СаО/5Ю2; B2=(ca0+Mg0)/Si02; Br (СаС»Mg0y(si02+Al203); Mi=Ab03/Si02 представлен в ;олях единицы; критерии 0,=Fe203/(Fe0+Fe203), 02=Fe0/Fe203; Ki-Si02/Te; K2=Na20/Fe; K34Na20+K20)/Fe; U=S/Fe; K5'P/Fe; K^C/Fe; K7=CaO/Fe; К,=ППГ№е; K,=F/Fe; K,„=F/C; Ku-F/Na20; K12=F/(Na20+K20) и Cj3=Na20/C приведены в процентах.

*** Для флюсов приведено значение флюсующей способности но разности (CaO+MgO)-(SiC)2+Al2Oj)

Таблица 5

Зерновой состав железорудных и марганцевых материалов, флюсов и топлива_

Наименование Содержание класса крупности (мм), % '

материалов 0-0,05 0,05-0.063 0,063-0,) 0,1-0,16 0,16-0,2 0,2-0,315 0,315-0,4 0,4-0,63 0,63-1 1-1,6 1,6-2,5 2,5-3 3-5 5-8 8-13 0-0,4 0,4-1,6 >1,6

l.K-тММС.ГМ, ОМ:

коршуновсхий 6,31 68,92 11,26 4,95 4,07 2,33 1,28 0,60 0,28 - - - - - 99,12 0,88 -

2. Атлоруды и к-т CMC: краснокаменская 0,54 3,48 1,12 8,60 1,82 3,91 2,02 1,93 2,02 9,36 7,33 3,23 20,01 24,32 10,31 21,49 13,31 65,20

абаканская 0,92 3,38 1,33 1,13 1,95 1,23 2.76 3,17 2,76 8,79 11,01 5,31 23,29 32,97 - 12,70 14,72 72,58

ирбииская 2,48 1,90 8,94 4,47 3,56 5,63 2,98 2,23 2,98 9,49 10,74 4,74 17,32 22,54 - 29,96 14,70 55,34

таштагольская 0,46 3,20 0.49 5,75 1,35 2,80 . 2,25 2,04 2,25 7,35 9,21 3,81 39,33 19,71 - 16,30 11,64 72,06

3. Марганцевые добавки: атасуйская аглоруда 0,16 1,31 0,99 1,98 1,36 4,'38 7,57 7,58 7,57 13,57 16,44 9,45 18,81 8.83 17,75 28,72 53,53

4. Отходы производства: окалина 0,23 1,44 1,49 3,67 2,97 8,50 6,04 6,29 6,05 ¡2,35 16,34 9,93 16,75 7,95 _ 24,34 24,69 50,97

5. Флюсы:

известняк 0,18 7,38 0.88 10,77 3,54 7,60 5,04 11,14 11,29 14,79 16,33 4,67 6,32 0,07 - 35,39 37,22 27,39

известь-пушонка - 0,81 9,96 29,23 31,43 14,43 3,30 3,88 2,42 1,76 1,17 0,81 0,44 0,36 - 89,16 8,06 2,78

6. Твёрдое топливо:

коксовая мелочь, в т.ч.:

фракция С-0,5 мм - 4,76 5,81 24,85 11,61 24,97 10,34 16.38 1,28 - - - . - - 82,34 17,66 -

фракция 0,5-1 мм - - - - - - - 3,52 90,27 6,21 - - - - . - 100,00 -

фракция 1-2 мм - - - - - - - 5,26 60.21 34,32 0,21 - - - - 65,47 34,53

фраквдм 2-3 мм - - - - - - - - - 1,31 55,87 42,04 0,78. - - - 1,31 98,69

фракция 3-5 мм - - - - - - - - - - - 1,54 98,11 0,35 - - - 100,00

ОУФЭ, в т.ч.:

фракция 0-0.5 мм 0,31 4,29 5,51 42,11 10,11 22,97 10,87 3,83 - - - - - 96,17 3,83 -

фракция 0,5-1 мм - - - - - - 9,96 74,69 15,35 - - - - - 9,96 90,04

фракция 1-2 мм - - - - - - - - 8,80 61,06 30,14 - - - - - 69,86 30,14

фракция 2-3 мм - - - - - - - - - - 17,33 77,99 4,68 - - - - 100,00

фракция 3-5 мм - - - - - - - - - ■ - 2,75 96,57 0,68 - - - 100,00

фракция 5-8 мм - - - - - - - - - - 1,22 98,33 0,45 - - 100,00

ХФУП, в т.ч.:

фракция 0-3 мм 1,06 19,19 38,87 17,85 11,23 7,97 1.44 0,86 0,58 0,48 0,19 0,28 - - - 97,61 1,92 0,47

плотность и др. Приведен пофракциопный технический анализ топлива, его тепловые и реакционные характеристики. Детально исследован минеральный состав (табл. 6) и текстурно-структурные особенности железорудной части шихты, включая фтористые и щелочные минералы.

Железорудные материалы рудной части агломерационной шихты представлены магнетитовым типом с довольно высоким отношением Ре0/Ре203, главным образом, за счёт сульфидов и частично силикатов и карбонатов. Магнетит Коршуновского месторождения, в отличие от других, характеризуется более сложным составом вследствие образования непрерывного ряда твёрдых растворов гомогенного состава с магнезиоферритом и эмульсионных вкраплений шпинели, мельчайших включений хлоритов и кальцита, т.е. концентрат с "грязной" рудной фазой. Содержание гематита, как правило, не превышает 3,5 % (масс.), во всех рудах встречается магтемит и реже ильменит.

Сера входит в основном в состав сульфидов - пирита, пирротина, реже галенита, сфалерита. Следует отметать довольно высокое отношение пиритной и пирротиновой серы в рудах Абаканского, Краснокаменского и Ирбинского месторождений. Сульфатная сера в виде барита в значительных количествах присутствует в атасуйской железомарганцевой руде и встречается в рудах Ирбинского месторождения.

Марганец присутствует как изоморфная примесь, а также в виде распылённого марганцевого оруднения (пиролюзит, якобсит, браунит). Кальций представлен кальцитом, пироксеном, реже анкеритом, флюоритом и апатитом, а также входит в сосгав силикатов (фанаты, амфиболы, эпидот и сфен). Магний представлен анкеритом, пироксеном и амфиболами. В составе коршуновского концентрата магний входит в состав магнезиоферрита и шпинели. Кремний входит в состав кварца и широко представлен силикатами, в состав которых входит и алюминий. Фосфор вносится апатитом, являющимся также носителем фтора и хлора, которые, кроме того, присутствуют в скаполите и сфене (фтор). Щелочные металлы широко распространены в силикатах' (ортоклаз, альбит и др.).

В четвертой главе приведены прогнозные характеристики аглошихт (табл. 7) и агломерата, рассмотрены особенности грануляции, аэродинамика (рис. 1, 2), распределение элементов и соединений в окомкованпой шихте с различной долей отходов (рис. 3) и результаты их агломерации (рис. 4, 5). Методом прерванных спеканий изучена динамика распределения основных элементов, вносимых отходами, по высоте спека/шихты (рис. 6).

Экспериментальными исследованиями окомкования агломерационной шихты с участием ОУФЭ установлено улучшение грануляции шихты и упрочнение гранул, связанное с увеличением рН водных растворов и химико-

Таблица 6

Ллямеиоааиме минерала Хммлческэч формула Ксршуновскии концентрат Абэхв аттго иска* руда Краснокаменская аглор-.'ла Ирби/гская аглоруда ■ Тапгсалэлька* аглоруда АгвсуЯск»" Ре-Мп аглоруда Окалина

объймн. масс. обьемн масс. объймн Масс. объем« масс. объдмн масс. обьймн масс объем н масс.

Железо Ге 8,31 11,20

Вюсптг РеО ч 67,16 68,44

Магнетит РеГегО, 68.54 75,08 45,37 56,17 43,79 57,72 49,09 58.67 54,9« 67,20 3,47 4,61 19,39 17,61

Мапюферрит Мере20, 5,03 4,86 - 4 4

Шпинель 2,14 1.82

Ильменит РеТЮ, 0.64 0,64 0,53 0,60 0,50 0,60 0,23 0,25 4 +

Маггемит 4 4 4 + 4 + 4 + 4 4- •4 4

Гематит Ге20, 3.08 3,35 0,28 С,34 0.32 0,42 0.82 0,98 0,28 0,34 9.61 12,6«

Цинкит гоо . 0.02 0,02

Пирит Ре5г 0,п 0,12 2,90 ' 3,54 0.36 0,47 4,82 5,66 0,34 0,40 0,53 0,69

Пирротин рев 4 ■ 4 3,86 4,28 0,18 0,21 2,65 2,82 4 4

Галенит РЬ8 + 4 0,01 0,01 4 0£1 0.01 0,01 0,01 + 0,05 0,10

Сфалерит гпэ 4 4 0,04 0,04 0,10 0,11 0,20 0,19 0,09 0,09 0,51

Ольдгаыт Са8 0,10 0,05

Барит ВаЮ, . - + 4 0,43 0,48

Апатит 0.99 0,18 0,65 0,58 0,29 0,28 0.64 0,56 0,62 0,55 0,23 0,23 0,23 0,15

Кальцит СаТОа 2,07 1,21 0,29 0.19 14,37 10,10 6.60 4,21 7,25 4,71 + 4

Анкерит Са(М§,Ре, Мл)(СО,Ъ ' + 4 ♦ 4 4 + 4 4 9,12 6.58 4 4 -

Хлорит мьлудан), 4,65 2,65 9,42 6,13 9,73 6,70 4.87 3,04 3,12 2,00 7,71 5,34

Пироксен 10,65, 8,04 8,54 7.3.3 9,00 ЯЛ9 6,37 6,52 5,52 2,57 2,35 1.87 1,1?

Скапол|гг Ка1Са4Л1„.5ц(0-.,0Н(С1,Р,С0,) 0,49 0,28 + 4 - * 4

Томсснит 0,39 0.19 4 4 - -

Флюорит 4 4 0,43 0,33 0,56 0,46 4 4 0,69 0,53 0,52 0,43

Гранат алА^яол 1.21 0,98 4 4 7.36 6,60 4,80 4,40 4 4

Амфибол СаМ£ре51,ОпОН + 16,59 13,46 6,34 5,45 10,36 8,08 0,77 0,61 3,78 3.27

Эпидот Са3А13813ОпСЖ + 4 1,71 1,42 0,69 0.60 4 4 1,17 0,95 . 4,82 4.26

Кварц ею, - 6,40 3,76 13,54 8,53 4,29 2,46 9,14 5,33 17.34 11,01

Ортюклаэ КА!513Ов - 2,98 1.82 0,23 0,15 0,58 (1,35 0,61 0,37 + 4

Альбит КаАВьО, 4 ♦ + + + + 4 + 0.28 0.17 1,43 0,95

Сфгн Са"ПЗЮ<(0,0Н,р) +/■ +/- 4/. +1- +/- +/- 47- 4/- 1.34 1,23

Браунит ЗМл,0,(Мп.М8.Са)510; * 4 27,14 33,36

Родовит 11,02 10,44

Спессяртин - - - 7,50 8,05

Блитит Мп.Мп^ЗЮ^ 4 4

Каладсрит - 4 4

Тефроит Мл,810, 4 4

фриделит Мл,(51вО„ХОН.С1),л - 4 4

Сил. стекло ■ 2,92 1.36

Примечание.

Признак присутствия минерала а пробе: - отсутствует;"+" - присутствет в количестве менее 0,01%;"+/-" - вероятно присутствие/отсутствие в зависимости <п гробы

Т£

"йбяица 7

Состаа агломерационных изиуу по ссрням опытов на сухую массу, кг

Наименование материала Т-0(Х-0) Т-5У Т-15У Т-ЗОУ Т-50У Т-100У т-юоо. Т-100О,К Т-100К Т-ШОО, Х-5К Х-25К Х-50К Х-100М Х-1СОУ Х-ШОО, Х-100К Х-Ю0О11

1. Железорудное сырьй: концентрат коршуновский 12,068 12,068 12,068 12,068 12,068 12,068 12,068 12,068 12.068 12,068 12,068 12,068 12,068 12,068 12,068 12,068 12,068 12.068

смесь вглоруд, в т.ч.: 5,606 5,605 5,606 5,607 5,606 5,607 5,607 5.605 5,606 5,606 5,606 .5,604 5,604 5,606 5,605 5,604 5,607 5,606

абаканская 2,306 2,305 2,306 2,306 2,306 2,306 2,306 2,305 2.306 2,306 2,306 2,305 2,305 2,306 2,305 2,305 2,306 2,306

краснокаменская 1,955 1,955 1,955 1,956 1,955 1,956 1,956 1.955 1,955 1,955 1,955 1,955 1,955 1,955 1,955 1,955 1,956 1,955

ирбрнская 0,769 0,768 0,769 0,769 0,769 0,769 0,769 0,768 0,769 0,769 0,769 0,768 0,768 0,769 0,768 0,768 0.769 0.769

тапгтагольская 0,576 0,576 0,576 0,576 0,576 0,576 0,576 0,576 0,576 0,576 0,576 0,576 0.576 0,576 0,576 0,576 0,576 0,576

окалина 0,283 0,288 0.288 0.289 0,288 0,288 0,288 0,288 0,288 0,288 0,288 0,288 0,288 0,289 0,289 0,289 0.288 0.289

Итого гг> пункту 1 17,962 17,961 17,962 17,964 17,962 17,963 17,963 17,961 17,962 17,962 17,962 17.960 17,960 17.963 17,962 17,961 17,963 17,963

2. Марганцевое сырье: атасуйская Ке-Мп аглоруда 0,300 0,300 0,299 0.299 0.297 0,293 0.29Э 0,294 0,293 0,293 0,300 0,300 0,299 0,29В 0,298 0,299 0,299 0,300

Итого но пункту 1 м 2: 18,262 18,261 18.261 18,263 18,259 18.256 18,256 18.255 18,255 18,255 18,262 18,260 18,259 18,261 18,260 18,260 18,262 18,263

3. Флюсующие добавки: известняк 1,092 1,084 1,064 1,040 1,005 0,875 0,873 0,874 0,863 0,860 1,08! 1,040 0,988 0,888 0,886 0,885 0.885 0,880

известь-пушонка 0,611 0,611 0,611 0,611 0,611 0,611 0,611 0.611 0,61', 0,611 0,6 VI 0,613 0,610 0,60а 0,608 0,609 0,609 0,611

Итоге по пункту 3 : 1,703 1,695 1,675 1,651 1,616 1,486 1,484 1,485 1,474 1,471 1,693 1,651 1,598 1,496 1,494 1,494 1,494 1 491

Итого по пунктам 1.3: 19,065 19,956 19,936 19,914 19,875 19,742 19,740 19.740 19,729 19.726 19,955 19,911 19,857 19,757 19,754 19,754 19,756 19,754

4 Твердое топливо по фр.:

4.1. Коксовал мелочь, в т.ч.: 1,390 1,343 1,211 1,055 0,831 1,321 1,042 0,695 -

0-0,5 мм 0,500 0,483 0,436 0,380 0,299 0,476 0,375 0,250 -

0.5-1 мм 0,209 0,201 0,182 0,158 0,125 0,198 0,156 0,104 -

1-2 мм 0,417 0,403 0,363 0,317 0,249 0,396 0,313 0,209 -

2-3 мм 0,264 0,255 0230 0.200 0,158 0,251 0,198 0,132

4.2. ОУФЭ, в т.ч.: 0,070 0,266 0,499 0,831 2,066 2,284 2,293 3,314 3,554 - -

0-0,5 мм 0,031 0,117 0.220 0,366 0,909 1,005 0,229 1.458 1.564 - -

0,5-1 им 0,011 0,043 0,080 0,133 0,331 0,365 0,275 0.5)0 0,569 - -

1-2 мм 0,014 0,053 0,100 0,166 0,413 0,457 0,413 0,663 0.711 - -

2-3 ми 0Л14 0.053 а.шо 0,166 0,413 0.457 0,436 0,663 0,711 - - - -

3-5 мм 0,757 - -

5.8 мм 0,183 - -

4.5. ХФУП, в т.ч.: - 0,081 0,403 0,806 1,390 1,500 1,580 1,611 2.027

0-0,5 ш 0,079 0,395 0,790 1,363 1,471 1,549 1,579 1.987

0,5-1 мм 0,001 0,004 0,008 0,014 0,015 0,016 0,016 0,020

[-2 мм - 0,000 0,002 0,005 0,008 0,009 0,009 0,009 0,012

2-3 мм 0,000 0,001 0,003 0,005 0,006 0,006 0,006 0,007

Итого по пункту 4. 1,390 1,413 1,477 1,554 1,662 2,066 2,284 2,293 3,314 3,554 1,402 1,445 1.501 1,390 1.500 1,580 1,611 2,027

Итого задано на агломерацию 21,355 21,369 21,413 21,468 21,537 21,808 22.024 22,033 23,043 23,280 21,357 21,35« 21,358 21,147 21,254 21,334 21,367 ?1,781

5. Возврат, в т.ч. фр.: 9,022 9,024 9,020 9,022 9,021 9,024 , 9,022 9,021 9,023 9,022 9,023 9,022 9,023 9,020 9,022 9,021 9,023 9,022

0-1 мм 2,616 2,617 2,616 2,616 2,616 2.617 2,616 2,616 2,617 2,616 2.617 2,616 2.617 2,616 2,616 2,616 2,617 2,616

1-3 мм 3,338 3,339 3,337 3,338 3.338 3,339 3,338 3,338 3.339 3,338 3,339 3,338 3,339 3,337 3,338 3,338 3,339 3,338

3-5 мч 3,067 3,068 3,06? 3.067 3,067 3,068 ' 3,067 3,067 3,068 3.067 3,068 3,067 3,068 3,067 3,067 3,067 3,068 '3,067

Итого задано оо пунктам 1-5 30,377 30.3» 30,433 30,490 30,558 30,832 31,046 31,054 32,066 32,302 30,380 30,378 30,381 30.167 30,276 30,355 30 390 30,803

6. Влага, в т.ч.: 2,286 2,288 2,291 2,295 2,300 2,321 2.337 2,337 2,414 2,431 2,287 2,286 2.287 2,271 2,279 2,285 2,287 2,319

вносится материалами 0,066 . 0,068 0,068 0,069 0,069 0,072 0,074 0,081 ода 0,083 0,065 0,065 0,064 0,064 0,063 0,064 0.066

перед смесителем 0,913 0,913 0,914 0,915 0,917 0,923 0,928 0,920 0,953 0,959 0,913 0,914 0,915 0,910 0,913 0,916 0,916 '0,928

в окомконитель 1,307 1,307 1,309 1,311 1,314 1,326 1,335 1,336 1,379 !,389 1,307 1,307 1^07 1.297 1,302 1,306 1,307 11,325

Итога задано в шихту: 32.663 32,681 32,724 32,785 32,858 33,153 33.383 33,391 34,480 34,733 32,667 32,664 32,668 32,438 32,555 32,640 32,677 33,122

7. Постель 1,500 1,500 1,500 1,500 1,500 1,500 1,500 1,500 1,500 1,500 1,500 " 1,500 1,500 1,500 1,500 1,500 1 500 1,500

Итого задано нв агломерацию 34,163 34,181 34,224 34.285 34,358| 34,653 34,883 34,891 35,980 36 233 34,167 34,164 34.168 33,938 34.055 34,140 34,177 34,622

минералогическими превращениями в шихте, сопровождаемыми образованием элементов жидкого стекла и увеличением объёмной проводимости шихты. Динамика изменения оценочных показателей согласуется с характером изменения среднемассового и среднелогарифмического диаметров гранул шихты. Использование ХФУП несколько ухудшает- условия грануляции вследствие гидрофобных свойств, приобретенных в процессе регенерации криолита методом флотации.

2,00

"г

Ч 1,98

3

Й

1 1,96

0 Я

1 1,94

с

О! Л

1 '>92 1,90

—насыпная плотность —О—усадка --

2,5

5 7,5

Разрежение, кШ Рис. 1. Зависимость средней скорости фильтрации воздуха от разрежения под колосниковой решеткой

0 2 4 6 8

Содержание ОУФЭ в шихте, %

Рис. 2. Динамика изменения насыпной плотности и линейной усадки шихты с вводом ОУФЭ

С увеличением доли ОУФЭ увеличивается закатывание топлива в гранулы (см. рис. 3). Поэтому при её утилизации в процессах окускования целесообразно учитывать отмеченные особенности грануляции, распределения элементов и соединений в шихте и особенности смесевого/индивидуального горения ОУФЭ и в зависимости от поставленной цели (улучшите условий грануляции и упрочнения гранул или частичной/полной замены коксовой мелочи, а также возможной их комбинации) применять соответствующую технологию подготовки шихты к спеканию. • '

В лабораторных условиях при замене коксовой мелочи на отходы были опробованы пять критериев (ОУФЭ/ХФУП): М - массовый эквивалент (коэффициент замены 1,00/1,00), У - замена по углероду (1,456/1,084), О] - замена объёму в насыпке (1,603/1,137), 0]К - замена по объёму, в иасыпкс повышенной крупности (1,613/-) и К - низшей теплоте сгорания (2,284/1,16). Замена по объёму, занимаемому топливной частью в окомкованной шихте (02 - 2,439/1,458) не была реализована вследствие получения удовлетворительных результатов в предыдущих сериях.

Средний диаметр класса крупности, мм 1

Рис. 3. Распределение элементов и оксидов по классам крупности окомкованпой шихты: О - Т-0; О - Т-ЗОУ; ЕЗ - Т-ЮОО1.

г

5

а ?

/

/

/

1 1

ь? 6

■ 1 . ■ -чз

та и о«

я ее

« <а

о

>

| 68

е

Е

V

«8 «в

д /

/

/

/

и

а

яО-3-

* /

/ .. /

/

/

V/ /

щ

в»

46

<М

г

12)

о

г

Ю>

ж

1

/

3

/

V У

Ш

И)

Доля углерода отходов, в % от расхода углерода в серии Т-0

Рис. 4. Влияние замены коксовой мелочи ОУФЭ на показатели процесса спекания

и качество агломерата при замене по углероду по технологии: О - без подогрева шихты; • - с подогревом шихты; ♦ - снижение крупности ОУФЭ; О - подача топлива на окомковадпую шихту; А - раздельная подготовка шихты; без подогрева шихты при замене по объёму в насыпке обычной А и повышенной крупности Л

и теплоте сгорания □

в

Е

9

К

ъ

67---

(6---

0 (В х

1

а

<3

62 Л

£ 30

О

31119 |1 в

и X

4 17 %

■я

в

66 Й"> У'г-

и*

ив _

¿я а

т 13

& V

О

х

15 в

«ч 1Л Я Ц>

О

а. с

5 Ч.9"

Т

V.

_•

— 1_

------ ----- -- /

б

г-

/

(

3

78

М, 723 «

я

ш та &

| (Ю с

а

н ЙЗ

60 то

я

а мя>

о

5

В 1900 «

а.

6 1750 &

к

2 1700 с"

1®) X,

$

0 зо

я

¡г

1 34

3

| к-

л а

V

г п

г

/

/ —

/

/ д

6 ®

^ 87

1Л

а ®

3

£ я

/ го

С

/ г е

>

Ж

X

3

о

МО

т

ю

Доля углерода отходов, в % от расхода углерода в серии Т-0

'не. 5. Влияние замены коксовой мелочи ХФУП иа показатели процесса спекания и :ачество агломерата при замене коксовой мелочи на ХФУП по теплоте сгорания О, мссс О, углероду Д и объёму в насыпке □

а

в

Ш

1,7 К, %

Рис. 6. Динамика изменения содержания элементов и соединений по высоте спека и шихты прерванного • и завершенного О спекания серии Т-ЮОО1

Для ОУФЭ опытные спекания по традиционной технологии с подогревом шихты реализованы для диапазона 0-24,5 % (ввиду резкого повышения объёмной проводимости шихты при больших расходах) от расхода углерода в серии Т-0 при эквиваленте замены коксовой мелочи па по углероду и по полной программе - без подогрева шихты в диапазоне 0-100 % при крупности отходов 0-3 мм.

С увеличением расхода отходов от 0 (серия Т-0) до 105,30 кг/т агломерата (серия Т-100У) при замене коксовой мелочи на отходы по углероду без подогрева шихты наблюдается снижение удельной производительности агломерационной установки с 1,104 до 0,647 т/(м2 -ч) или на 41,39 % (отн.) (рис. 4 г). Причём, заметное снижение наблюдается при замене отходами более 35-40 % коксовой мелочи. При полной замене коксовой мелочи на ОУФЭ при данном эквиваленте наблюдается резкое ухудшение прочностных показателей (рис. 4 а, в): снижается выход годного до 54,57 % и ухудшается механическая прочность агломерата на удар (Х-59,36 %) и истирание (XI-6,73 %), что связано, главным образом, с выраженным дефицитом тепла. Приход тепла при условии полного сгорания топлива в серии Т-100У на 34,90% ниже, чем в серии Т-0. Некоторое улучшение прочностных показателей при полной замене коксовой мелочи отмечается в серии Т-ЮОО). Так, при снижении удельной производительности относительно серии Т-100У на 5,1 % (с 0,647 до 0,614 т/(м2 -ч)) отмечается повышение выхода

годного (59,73 %) и механической прочности (Х-64,00 % и Х1-5,23 %) (см. рис. 4 а,в), однако теоретический расход тепла при сгорании топлива в данном случае ниже на 27,94 %. Следует отметить то обстоятельство, что определяющим при агломерации шихт с участием ОУФЭ являются не только особенности её горения (выраженный поверхностный характер горения частиц отходов) и характер распределения отходов при окомковании, но и высокая активность минеральной составляющей, которая приводит к спеканию гранул и, соответственно, затруднению диффузии кислорода вовнутрь гранулы, снижению реакционной поверхности и незавершенности процессов тепло- и массообмеиа. Характерное увеличение остаточного углерода в агломерате с 0,08-0,1 % в серии Т-0 до 0,10-0,13 % в Т-30У, 0,15-0,18 % Т-ЮОО! и до 0,32-0,40 % в серии Т-100К подтверждает отмеченные особенности горения. Следует отметить, что подогрев шихты (см. рис.

4) более заметно сказывается на показателях процесса у шихты без участия отходов. Так, падение производительности установки (см. рис. 4 г) на шихте серии Т-0 без подогрева составило 9,5 % (с 1,219 до 1,104 т/(м2-ч)) и лишь на 3,21 % (с 1,090 до 1,055 т/(м2-ч)) на шихте Т-ЗОУ, что подтверждает роль ОУФЭ р. повышении прочности гранул окомкованной шихты в зоне переувлажнения.

Снижение крупности ОУФЭ до 0-1 мм несколько улучшает показатели процесса, однако отмеченная выше тенденция проявляется и в данном случае. При использовании отходов с повышенным верхним пределом крупности (серия Т-ЮОО [К) наблюдается резкое ухудшение всех показателей агломерационного процесса (рис. 4) вследствие резкого рассогласования фронгаг"теплопередачи и скорости сгорания частиц различной крупности.

Опыты по интенсификации процесса агломерации шихты с участием ОУФЭ показали, что реализация новых схем подготовки шихты (накатывание топлива на гранулы предварительно окомкованной шихты и раздельная подготовка шихты) позволяет использовать ОУФЭ без снижения производительности и прочностных показателей в диапазоне расходов, предусматривающих полную утилизацию отходов в регионе.

Опытные спекания по определению коэффициента замены коксовой мелочи на ХФУП проводились на шихтах, не содержащих коксовую мелочь (см. рис.

5). При традиционной технологии (дозирование-смешивание-окомкование) в шихтовых условиях ОАО «ЗСМК», при полной замене коксовой мелочи ХФУП, является предпочтительной замена по низшей теплоте сгорания. При полной замене коксовой мелочи установлено незначительное на 1,89 % (1,196 против 1,219 т/(м2-ч) на коксовой мелочи) снижение удельной производительности установки и повышение механической прочности на удар (69,35 % против 67,16 %, т.е. на

2,19 % абс.). При частичной замене коксовой мелочи был использован полученный эквивалент. Результаты спеканий показали хорошую сопоставимость показателей процесса с базовыми опытами для ХФУП (см. рис. 5). Содержание остаточного углерода в агломерате (в условиях полной замены) несколько повышается от 0,08-0,1 % при использовании коксовой мелочи до 0,1-0,13 % при использовании ХФУП.

С увеличением массовой доли отходов в топливной части шихты наблюдается повышение содержания щелочей и фтора в агломерате (в среднем Ыа20 с 0Д4 до 0,25 % и Р с 0,06-0,08 до 0,5-0,6 % при полной замене коксовой мелочи на ХФУП и до 0,79 и 0,9-1,0 % соответственно на ОУФЭ), несмотря на возрастание степени удаления оксида натрия с 7-8 до 30-40 %. Согласно балансовым расчётам потери фтора с газовой фазой достигают 30 % на максимальных концентрациях, что предопределяет наличие соответствующей газоочистки (мокрая стадия, серогазоочистка и др.). На реально осуществимых расходах при полной утилизация ОУФЭ и ХФУП в регионе максимальные их расходы в условиях АИП ОАО "ЗСМК" не превысят 13 и 10 кг/т агломерата. В этих условиях следует ожидать снижения содержания железа в агломерате на 0,14 % для ОУФЭ и повышения на 0,04 % для ХФУП, увеличения содержания оксида натрия в агломерате с 0,120,13 до 0,17-0,19 % для ОУФЭ и 0,15-0,16 % для ХФУП и фтора с 0,04-0,05 до 0,14-0,15 и 0,12-0,13 % соответственно. При этом содержание фтора в отходящих газах составит до 130 и 100 мг/м3, что при 95 % эффективности известных газоочистных систем позволит снизить его содержание до 6,5 и 5 мг/м3, при европейских (Нидерланды, Германия) нормативах 10 мг/м3.

В пятой главе рассмотрены минеральный состав и текстурно-структурные Особенности полученных агломератов (табл. 8, рис. 7-9).

Таблица 8

Минеральный состав агломерата, % (объёмн.)__

Наименование минерала Химическая формула Т-0 Т-30У Т-10001

Вюстит РеО 0,8 0,4 0,1

Магнетит, РеБе204 71,3 70,7 68,1

в т.ч. маггемит у-Ре2Оз 4,2 - -

Гематит первичный а-Ре203 од 0,3 1,0

Гематит мартитовый а-РегОз 1,2 1,1 1,9

Феррит кальция СаРе204 0,2 0,8 1,9

Оливин (М&Ре,Са)28Ю4 2,8 2,2 0,2

Мелилит Са,(Мо,8м\Ша)28Ю7 5,5 1,3 -

Стекло 18,0 23,3 26,4

Магнетит является главным рудным минералом (см. рис. 7), его содержание колеблется в пределах от 65 до 72 % (объёмн.). Содержание магнетита несколько снижается в верхней части спека за счёт образования вюстита (см. рис. 9

а), что связано с особенностью газового периода. С увеличением доли ОУФЭ в шихте содержание магнетита в агломерате снижается за счёт увеличения содержания гематита (см. рис. 8 а, б) и кальциоферрита (см. рис. 8 в), что хорошо согласуется с теорией Д.С. Коржинского о кислотно-основном взаимодействии компонентов в расплавах. Повышение содержания гематита объясняется добавлением щелочных соединений натрия и калия, которые при постоянном отношении СаО/5Ю2=1Д повышая основность расплава, приводят к увеличению коэффициента активности закнепого железа и оксида кальция.

а." А Аш.,1, -

7 С. >>л АгГЛ,>

. ¿M

- sF-

Рис. 7. Типична» структура агломератов. Белое - магнетит. Светло-серое - стскло. Чёрное - поры. Отражённый свет, увел. 300. а - Агл. серил Т-0, б - Агл. серии 'Г-30У, в - Агл. серии Т-1000,.

- - z г,

4 Г 4 t . ,

" 'J- * í, > -i

«I

Ы»

Рис. 8. в - Скелетно-дендритный гематит в шлировых скоплениях силикатов. Агл. серии Т-ЮОО1. Отр. свет, иммерсия, увел. 800; б - Мартитовая структура прорастания магнетита с гематитом. Агл. серии Т-ЮОО|.Огр. Свет. увел. 300: в - Лойкгоштовые прорастания с магнетитом и идиоморфные кристаллы кальциоферрнгга. Агл. серии Т-ЗОУ. Огр. свет, упел. 500.

с»

- * , « Г- 4*4 з -.?

гШ

РШ

Рис. 9.0- Вкрапленность металлического железа и вюстита в удлинённых кристаллах оливина. Агл. серии Т-0. Огр. свет, увел. 360; б - Скелетно-дендритный мелинит (светло-серое) в скоплениях стекла (серое). Агл. серии Т-0. Отр. свет, увел. 300; в - Тонкие скелетные кристаллы майенита в стекле (серое). Белое-магнетит. Агл. серии Т-ЮОО]. Отр. свет, иммерсия, увел. 800.

В агломерате различаются две морфолого-генетические разновидности гематита. Гематит первичный образует скелетно-дендритные формы в шлировых скоплениях силикатов, образуя упрочняющий армирующий каркас в хрупком стекле (см. рис. 8 а). Первичный гематит распространен в агломератах серий Т-ЗОУ и Т-ЮОО], его содержание изменяется от 0 до 1,5 %, возрастая в направлении увеличения массовой доли фтора и щелочей (см. табл. 8). Гематит вторичный (мартитовый) образуется при окислении магнетита (см. рис. 8 б). Доля мар-титового гематита колеблется в пределах от 0 до 5 %, возрастая пропорционально расходу отходов.

Кальциоферрит присутствует в составе агломератов, полученных с применением ОУФЭ (серии Т-ЗОУ, Т-ЮОО,). Его содержание колеблется от 0,5 до 4 %. Кальциоферрит обычно находится в высокоофлюсовашшх участках агломерата (см. рис. 8 в). Оливин и мелилит (см. рис. 8 а,б) присутствуют в агломерате серий Т-0 и Т-ЗОУ. Их содержание снижается при увеличении содержания фтора и щелочей. Майсшгг (см. рис. 9 в) встречается в агломератах, полученных при спекании шихт при полной замене коксовой мелочи на ОУФЭ.

Фторсодержащие и щелочные минералы микроскопически не были обнаружены, несмотря на относительно высокое содержание фтора и щелочей в агломерате серии Т-ЮОО(. Очевидно, фтор и щелочные металлы изоморфно входят в кристаллические структуры минералов й растворены в стекле.

В Шестой главе рассмотрено поведение агломерата с повышенным содержанием фтора и щелочей при размягчении (рис. 10).

Усреднённая температура начала и конца размягчения агломератов с повышением содержания фтора и щелочей закономерно снижается с 1282 и 1492К (серия Т-0) до 1242 и 1477К (серии Т-ЗОУ) и до 1177 и 14501С (серии Т-ЮОО,) соответственно, причём падение температуры конца размягчения имеет более резкий характер; Температурный интервал размягчения агломератов расширяется с 210 (серия Т-0) до 235 и 273К (серия Т-ЗОУ и Т-ЮОО|). Указанная динамика изменения показателей размягчения объясняется, по нашему мнению, особенностями минерального состава агломератов (см. табл. 8). Так, снижение содержания кристаллических силикатов (оливина и мелилита) и соответствующее увеличение доли гематита, кальциоферрита и силикатного стекла в агломерате с повышением содержания фтора и щелочей приводит к снижению температуры плавления связки и незначительному увеличению подвижности магаетитового каркаса агломерата.

Некоторое увеличение значений усадки для агломерата серии Т-ЗОУ относительно Т-0 в области температур 673-873К можно объяснить "полиморфным

превращением маггемит гематит (473-953К), сопровождающимся уменьшением объёма на 8,7 %.

5 О -5

■х

3 -20

* -2S -30 -3S -40

273 473 673 873 1073 1273 1473 1673 Температура, К

Рис. 10. Кривые размягчения агломератов

В седьмой главе на основании калькулирования базовых шихт и полученных технологических показателей процесса, а также платы алюминиевыми заводами за загрязнение окружающей среды и землепользование определены ценовые ориентиры приемлемой для обеих сторон утилизации.

Экономические расчёты, базируемые на динамике изменения калькуляции себестоимости агломерационной шихты с использованием ОУФЭ, объективно показывают, что пулевая цена становится приемлемой для .металлургических заводов лишь после реализации новых схем подготовки шихты. Причём, с экономической точки зрения, более выигрышной становится подача отходов в составе топливной части на предварительно окомковшшую шихту вследствие несколько большей производительности. «Хвосты флотации» угольной пены в экономическом плане, как и в технологическом, являются более предпочтительным вариантом в условиях пулевой цены.

Согласно расчётам внедрение опытных технологий позволит облегчить экологическую ситуацию в регионе, причём предотвращенный -экологический ущерб по статьям платы за землепользования, размещения отходов III токсичности и выбросам загрязняющих веществ в окружающую природную среду составит в ценах 1996 г. не менее 11 537 490 тыс. руб. в год или более 78 742 руб./т переработанных отходов.

1 а "i

-•-г-о -О-Т-30У ~*-Т-1000, -1-1—

Заключение

Согласно проведённым исследованиям установлено, что образуемая в регионе отработанная фторуглеродсодержащая футеровка электролизёров может быть эффективно переработана в агломерационном производстве по схеме подачи её в составе топливной части на предварительно окомкованную шихту или методом раздельной подготовки шихты при крупности помола отходов 0-1 мм с заменой коксовой мелочи но эквиваленту углерода. Хвосты флотации «угольной пены» в отмеченном диапазоне могут быть переработаны по традиционной схеме подготовке шихты при замене коксовой мелочи по эквиваленту низшей теплоты сгорания. Экологачность данной технологии по выбросам фтора обеспечивается наличием системы серогазоочистки, позволяющей снизить содержание фтора в отходящих газах до европейских нормативов (Нидерланды, Германия -10 мг/м3), а также сернистого ангидрида.

Выводы

1. Фторуглеродсодержащие отходы, наряду с аэропромвыбросами и промстоками являются значительным фактором вредного воздействия алюминиевых заводов на окружающую среду.

2. Огходы во избежание заражения окружающей среды должны быть переработаны в минимальные сроки после их образования.

3. В условиях ЛИП ОАО "ЗСМК" при максимальном дефиците твёрдого топлива 110,39 тыс. т (или 90,521 тыс. т углерода) даже при дифференцированном подходе отходы можно рассматривать в качестве одного из потенциальных источников покрытия дефицита.

4. При утилизации ОУФЭ в агломерационном производстве для максимального использования поверхностно-активных свойств и теплотворной способности оптимальной крупностью считать Orí мм. Подготовку ОУФЭ целесообразно вести отдельным потоком на молотковых дробилках, шаровых или стержневых мельницах. При наличии весового дозирования в тракте подготовки известняка возможна совместная перерабогка. При утилизации ХФУП в качестве альтернативной технологии обезвоживания и последующей сушки отходов до кондиционной влажности можно рекомендовать совместное обезвоживание с концентратом на ГОКе.

•5. При использовании ОУФЭ значительно улучшаются показатели грануляции шихты и прочность гранул, вызванные изменением рН растворов и химико-минералогическими превращениями, сопровождаемыми образованием

элементов жидкого стекла. Однако при этом увеличивается степень закатывания топлива в гранулы.

6. Высокая газопроницаемость насыпной массы окомкованной шихты и прочность гранул в зоне переувлажнения являются недостаточным условием для достижения высоких технико-экономических показателей агломерационного процесса для шихты с участием ОУФЭ по традиционной технологии. Это обусловлено ухудшением условий горения топлива, закатанного в гранулы вследствие диффузионного торможения, вызванного поверхностным характером горения отходов, а также химико-минералогическими превращениями в шихте.

7. Утилизация ОУФЭ без снижения производительности в диапазоне расходов 0-15 кг/т при замене коксовой мелочи по эквиваленту углерода возможна при реализации схемы их подачи в составе топливной части на предварительно окомкованную шихту или предварительной грануляции тонкоизмельчен-ной составляющей с возвратом и отходами с последующим вводом зернистых компонентов, топлива и др.

8. С точки зрения более полного удаления щелочных соединений предпочтительнее выглядит первый способ, а повышения холодной прочности агломерата - второй. В последнем случае наиболее полно используются свойства ОУФЭ как поверхностно-активного вещества, топлива и добавки, стимулирующей процессы минералообразования.

9. Хвосты флотации «угольной пены» в настоящее врем* могут быть рекомендованы к использованию в производство но традиционной схеме подготовки шихты при замене коксовой мелочи по эквиваленту низшей теплоты сгорания.

10. Ограничением применения отходов в производстве является отсутствие соответствующей газоочистки и ограничения по щелочной нагрузке в доменном цехе.

11. Эколошчность рассматриваемых технологий по выбросам фтора в пределах переработки региональных отходов обеспечивается наличием в системе газоочистных сооружений мокрой стадии или системы серогазоочистки.

12. С увеличением содержания фтористых и щелочных соединений, вносимых отходами, в агломерате повышается содержание ферритов кальция, гематита и стекла и снижается содержание кристаллических силикатов и магнетита. В агломерате, полученном при полной замене коксовой мелочи на отходы, обнаружен майенит.

13. Повышение содержания фтора и щелочных металлов, вносимых отходами, закономерно снижает температуру начала и конца размягчения и раеншря-

ег его интервал. При этом также снижается абсолютная величина усадки в области положительных значений.

14. Экономические расчеты показывают, что подготовленные отходы должны поставляться к переработчику за счет алюминиевых заводов.

15. При средних затратах алюминиевых заводов по статьям землепользования, платы за хранение отходов 3 степени токсичности и выбросы загрязняющих веществ в окружающую природную среду не менее 78 742 руб./т данная утилизация является экономически целесообразной для алюминиевых заводов.

1. Дячок Н.Г., Волынкина Е.П., Пермяков A.A., Борискин И.К., Кудашкина С .А. К вопросу утилизации отходов алюминиевого производства при агломерации II Известия вузов. Черная металлургия. -1996. - №8. - С. 2-8.

2. Дячок Н.Г., Пермяков A.A., Степанов А.И., Борискин И.К. Минеральный состав и текстурно-структурные особенности агломерата с повышенным содержанием фтора и щелочей // Сб. научн. трудов. Вестник горнометаллургической секции АЕИ РФ. Отделение металлургии. Вып. 4. - Новокузнецк, 1996. - С. 8-15. .

3. Дячок Н.Г., Пермяков A.A., Дояинский В. А., Борискин И.К., Глущаков Ю.М. Поведение агломерата с повышенным содержанием фтора и щелочей при размягчении // Сб. научн. трудов. Вестник горно-металлургической секции АЕН РФ. Отделение металлургии. Вып. 4. - Новокузнецк, 1996. - С. 15-21.

4. Дячок Н.Г., Борискин И.К., Пермяков A.A., Минаков Н.С., Куликов Б.П. Некоторые аспекты утилизации отходов алюминиевого производства при агломерации // Тез. докл. международной научно-практической конф. «Современные проблемы и пути развития металлургии». - Новокузнецк, 1997. - С. 7-9.

5. Дячок Н.Г., Борискин И.К., Пермяков A.A., Степанов А.И.; Шарига А.Д. Особенности окомкования агломерационной шихты с участием отработанной фугеровки электролизёров // Известия вузов. Чёрная металлургия. - 1997. - №10. -

6. Дячок Н.Г., Борискин И.К., Пермяков A.A., Степанов А.И., Кретинин В.Й. Распределение элементов и соединений в окомкованной шихте с участием отработанной футеровки эл< ..... "" №. Чёрная металлургах. -

Материалы диссертации опубликованы в следующих работах:

С. 6-16.

1997.-№12.-С. 15-26.