Способ изготовления брикетов из порошкообразных материалов

Изобретение относится к металлургическому, литейному, строительному производствам, а именно к брикетированию материалов. Технический результат: обеспечение применения для брикетирования дешевых марок цемента, повышение содержания полезных компонентов в смеси за счет сокращения расхода цемента и воды, сокращение времени выдержки брикетов в оснастке за счет уменьшения количества воды и увеличения скорости упрочнения цемента, повышение прочности готовых брикетов за счет формирования более плотной их структуры при повышении пластичности и уплотняемости. В способе изготовления брикетов из порошкообразных материалов, преимущественно, из отходов металлургического производства, включающем смешивание материала с цементом, технологической добавкой и водой, загрузку смеси в оснастку, уплотнение ее в оснастке, выдержку уплотненных брикетов в оснастке, выгрузку брикетов из оснастки, воду перед смешиванием с компонентами предварительно подогревают до температуры 25-100°С и вводят в нее технологическую добавку в виде каустической натриевой NaOH или калиевой КОН соды, а в качестве цемента применяют двухкальциевый силикат в виде саморассыпающегося феррохромового шлака. 2 табл.

 

Способ относится к металлургическому, литейному, строительному производствам, к способам брикетирования порошкообразных материалов, преимущественно из отходов металлургического производства.

Широко известны способы изготовления брикетов из порошкообразных рудных материалов и из отходов металлургического прозводства с использованием в качестве связующих материалов различных видов строительных цементов (Равич Б.М. Брикетирование в цветной и черной металлургии. - М.: Металлургия, 1975. - С.44-45; Лурье Л.А. Брикетирование в металлургии. - М.: Металлургиздат, 1963. - С.141-142).

Указанные способы изготовления брикетов включают приготовление смеси путем смешивания порошкообразных наполнителей в виде рудных материалов или отходов металлургического производства, связующего в виде строительного цемента и воды, загрузку приготовленной смеси в формообразующую оснастку, уплотнение смеси в брикет прессованием, выдержку брикета в формообразующей оснастке для его упрочнения на воздухе или в пропарочной камере при высокой температуре, выгрузку брикетов из оснастки.

Недостатком указанных способов является необходимость длительной выдержки брикетов в формообразующей оснастке для их упрочнения (от 48 до 100 часов), необходимость применения большого количества формообразующей оснастки, применение для достижения высокой прочности операции пропарки брикетов в пропарочных камерах при высокой температуре и давлении пара, использование строительных цементов высоких марок, что увеличивает стоимость производства брикетов.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ изготовления брикетов из порошкообразных отходов ферросилиция (Канаев Ю.П., Бондарев А.А. Окусковывание мелких отходов ферросилиция. Совершенствование производства ферросилиция. Вып. №3. Материалы заводской научно-технической конференции. - Новокузнецк, 1997. - С.394-396).

Указанный способ включает смешивание пыли ферросилиция марки ФС75 со строительным цементом марки 200 при их соотношении 4:1, доведение смеси водой до консистенции бетона, загрузку (заливку) ее в формообразующую оснастку (кассетные формы с ячейкой 70×70), сушку смеси в оснастке (формах) на воздухе в течение 48 часов, после достижения брикетами достаточной механической прочности выгрузку брикетов из кассетных форм и проведение дополнительного упрочнения извлеченных брикетов на воздухе.

Недостатками известного способа являются:

- высокий расход марочного цемента (около 20%) и воды (для текучести бетона дают около 30% воды), которые повышают стоимость брикетов и ухудшают свойства смеси и брикетов для применения в металлургическом производстве из-за повышенного содержания балласта: цемента и воды;

- низкое содержание в брикетах доли полезных элементов, например кремния, из-за повышенного содержания в смеси цемента и воды;

- низкая активность полезного элемента в брикетах, например кремния, из-за повышенного содержания цемента, который блокирует прочной малоактивной пленкой частицы основного материала на гораздо большей площади;

- длительная выдержка брикетов в формообразующей оснастке (от 48 часов) из-за повышенной влажности бетонообразной смеси, что снижает производительность изготовления брикетов, приводит к высокому расходу воды на приготовление текучей бетонообразной смеси;

- недостаточно высокая прочность брикетов после извлечения из оснастки, что требует дополнительного упрочнения их на воздухе вне оснастки.

Задачей изобретения является повышение прочности и уменьшение стоимости брикетов, изготовляемых из порошкообразных материалов, преимущественно из отходов металлургического производства, снижение расхода цемента и воды, применение дешевого низкосортного цемента, повышение содержания в брикетах полезных элементов и их активности для металлургических процессов, сокращение времени выдержки брикетов в формообразующей оснастке.

Задача решается тем, что в способе изготовления брикетов из порошкообразных материалов, преимущественно из отходов металлургического производства, включающем смешивание порошкообразного материала с цементом, технологической добавкой и водой, загрузку смеси в формообразующую оснастку, уплотнение ее в оснастке, выдержку уплотненных брикетов в формообразующей оснастке, выгрузку брикетов из формообразующей оснастки, согласно изобретению воду перед смешиванием с компонентами предварительно нагревают до температуры 25-100°С и вводят в нее технологическую добавку в виде каустической натриевой NaOH или калиевой КОН соды, а в качестве цемента применяют двухкальциевый силикат в виде саморассыпающегося феррохромового шлака.

Особенность изобретения состоит в том, что в качестве связующего материала для брикетирования порошкообразных материалов применяют двухкальциевый силикат в виде саморассыпающегося феррохромового шлака в сочетании с технологической добавкой в виде каустической натриевой или калиевой соды и нагретой воды.

Предлагаемый в качестве связующего материала двухкальциевый силикат в саморассыпающемся феррохромовом шлаке имеет кристаллическую структуру в виде Y-модификации и содержит в своем составе до 40% кремнезема, который химически слабо связан с оксидом кальция. Поэтому при взаимодействии с каустической содой и нагретой водой кремнезем активно переходит в коллоидное ультрадисперсное состояние.

Этот процесс протекает по нижеследующей реакции:

Нагрев воды

В результате этой реакции в составе связующей композиции брикетируемой смеси выделяются коллоидный силикат натрия и его отвердитель в виде гидроксида кальция, который способствует коагулированию коллоидного силиката натрия и тем самым пластифицирует и упрочняет смесь.

При этом скорость упрочнения смеси протекает с большой скоростью, что позволяет исключить длительную выдержку брикетов в формообразующей оснастке. Этот процесс ускоряется при использовании нагретой воды. Воздействие на скорость упрочнения брикетов калиевой каустической соды больше, чем натриевой. Поэтому с их помощью и изменением температуры нагрева воды можно регулировать скорость упрочнения брикетов в зависимости от технологических требований.

Таким образом, низкосортный цемент в виде феррохромового шлака становится сильным упрочнителем смесей на основе отходов металлургического производства и обеспечивает кратковременное пребывание смеси и уплотненных брикетов из нее в формообразующей оснастке. При использовании же в способе обычных цементов на основе 3-х кальциевого силиката этот процесс происходит иначе из-за избытка СаО: образуется мало коллоидной фазы и много отвердителя в виде гидроксида кальция и отверждение смеси замедляется, так как основным упрочнителем является коллоидный силикат. Поэтому только двухкальциевый силикат обеспечивает интенсивный процесс упрочнения брикетов из порошкообразных материалов с применением нагретой воды и технологической добавкой в виде гидроксида натрия или калия.

Поскольку предлагаемый способ обеспечивает высокие прочностные свойства брикетам, количество связующего материала можно сократить и тем самым повысить долю полезных элементов в брикетах от увеличения количества брикетируемого материала в составе смеси. В сравнении с известным способом расход связующего материала сокращается на 50%.

Пример 1. Изготовление брикетов размером 25×45×65 мм проводили на валковом брикетере модели ЗАО «Урал ВИМ» с удельным давлением прессования 50 МПа. Предварительно на образцах провели испытание смесей в зависимости от изменения температуры предварительного подогрева воды.

Испытания провели в сравнении с прототипом. По прототипу смесь готовили из порошообразного ферросилиция марки ФС65 с добавкой портландцемента марки 200 в соотношении 4:1 (т.е. содержание цемента около 20%) и добавкой воды в соотношении твердых и жидких веществ, как 70:30, рекомендуемого обычно для бетона.

По изобретению смесь готовили из порошкообразного ферросилиция марки ФС65 с добавкой 10% низкосортного цемента в виде саморассыпающегося шлака феррохромового производства и 7% нагретой до разных температур воды с добавкой 5% NaOH.

В качестве контрольного параметра приняли прочность, достигаемую в брикетах через 5 секунд, которая характеризует достигаемую прочность при выдержке смеси в формообразующей оснастке. Для механизированного брикетирования в валковых брикетерах это время обычно не превышает 3-5 секунд. Поэтому прочность брикетов через 5 секунд выдержки дает представление о характере упрочнения смеси в формообразующей оснастке. Другим показателем приняли прочность брикетов после выгрузки их из формообразующей оснастки и последующей выдержки на воздухе в течение 1 часа. Этот параметр характеризует дальнейшее формирование прочности брикетов вне формообразующей оснастки и является важным в оценке качества брикетов.

Результаты испытания представлены в табл.1

Таблица 1
Параметры	Температура нагрева воды, °С
20	25	35	50	70	100
Прочность через 5 с,	Прототип	0	0	0,08	0,26	0,34	0,82
кПа	Изобрет.	0,8	5,2	12,6	15,4	18,8	22,7
Прочность через 1 ч,	Прототип	0,08	0,12	0,29	0,61	1,7	1,9
кПа	Изобрет.	1,1	8,2	16,7	21,4	24,5	28,9

Как видно в табл.1, достичь необходимой прочности брикетов по прототипу не удалось ни через 5 секунд, ни через 1 час выдержки. Прочность брикетов из смеси, приготовленной с водой при температуре 20°С, также не удовлетворяет предъявляемым требованиям, так как при прочности 0,8 кПа брикеты при выходе из формоообразующей оснастки не сохраняли целостность. Минимальная прочность брикетов, обеспечивающая их целостность при выходе из оснастки, должна быть не менее 2,5 кПа. Поэтому за минимальную температуру нагрева воды приняли 25°С. При этом максимальная температура нагрева воды, достигаемая в открытых емкостях, в 100°С обеспечивает получение брикетов с высокой прочностью. Это позволяет уменьшить в смеси содержание низкосортного цемента в виде саморассыпающегося феррохромового шлака, в сравнении с содержанием высокосортного цемента в смеси по прототипу, в два раза, т.е. до 10 мас.%.

Пример 2. Брикеты по той же технологии изготавливали из смеси на основе порошкообразного ферросилиция ФС 65 с добавкой низкосортного цемента в виде феррохромового шлака 10 мас.% и в качестве технологической добавки 3 мас.% КОН. Содержание воды при разных температурах вводили в смесь в количестве 7 мас.%.

Смесь по прототипу готовили в тех же соотношениях, как и в примере 1, с использованием портландцемента марки 200.

Результаты испытания представлены в табл.2.

Таблица 2
Параметры	Температура нагрева воды, °С
20	25	35	50	70	100
Прочность через 5 с,	Прототип	0	0	0,18	0,36	0,44	0,98
кПа	Изобрет.	1,5	6,3	15,3	18,7	23,5	28,4
Прочность через 1 ч,	Прототип	0	0,18	0,32	0,53	0,98	1,43
кПа	Изобрет.	2,3	10,6	22,3	28,2	31,8	37,5

Как видно в табл.2, смесь и способ приготовления брикетов по прототипу не обеспечивают требуемой прочности при механизированном формообразовании с коротким временем пребывания брикетов в формообразующей оснастке. Способ по предлагаемому изобретению обеспечивает необходимую прочность при условии предварительного нагрева воды до температуры не менее 25°С.

Результаты испытания показали, что предлагаемый способ позволяет сократить расход отвердителя цемента в два раза. Причем в качестве цемента можно использовать низкосортный цемент в виде саморассыпающегося феррохромового шлака, который является отвальным отходом ферросплавного производства. При реализации предлагаемого способа становится возможным механизированное высокопроизводительное изготовление брикетов, применение дешевых марок цементного отвердителя и при уменьшении его расхода и воды.

Промышленная применимость

Способ может быть широко использован в процессах окомковывания, гранулирования и брикетирования порошкообразных материалов в металлургическом и ферросплавном производствах при подготовке исходных материалов в процессах агломерации, обогащения руд, реализации отходов собственного и других производств.

Для брикетирования порошкообразных отходов ферросплавного производства по предлагаемому способу наиболее целесообразно использовать лопаточные смесители непрерывного действия Павлоградского или Тюменского заводов литейного и строительного оборудования, а в качестве оборудования для брикетирования - брикетеры фирмы «ЗАО Урал ВИМ» или фирмы «Спайдермаш».

Способ изготовления брикетов из порошкообразных материалов, преимущественно из отходов металлургического производства, включающий смешивание порошкообразного материала с цементом, технологической добавкой и водой, загрузку смеси в формообразующую оснастку, уплотнение ее в оснастке, выдержку уплотненных брикетов в формообразующей оснастке, выгрузку брикетов из формообразующей оснастки, отличающийся тем, что воду перед смешиванием с компонентами смеси предварительно нагревают до температуры 25-100°С и вводят в нее технологическую добавку в виде каустической натриевой NaOH или калиевой КОН соды, а в качестве цемента применяют двухкальциевый силикат в виде саморассыпающегося феррохромового шлака.