Способ изготовления брикетов для металлургического производства
Владельцы патента RU 2330073:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Уральский государственный университет" (RU)
Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для изготовления металлургических брикетов, являющихся эффективным заменителем кокса в процессах доменного и ваграночного производства чугуна. Готовят смесь, включающую 94-98 мас.% наполнителя - углеродсодержащего материала и остальное - связующее в виде активированного алюмоборфосфатного концентрата. Осуществляют формование смеси в оснастке под действием давления и вибрации. Активацию алюмоборфосфатного концентрата осуществляют перед непосредственным приготовлением смеси обработкой связующего наносекундными электромагнитными импульсами мощностью 0,5-0,8 МВт. Изобретение позволит улучшить качество металлургических брикетов за счет обеспечения их повышенных прочностных характеристик при минимальном количестве связующего и сокращения продолжительности подготовки брикета путем его самоотверждения и исключения термообработки. 2 табл.
Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для изготовления металлургических брикетов, являющихся эффективным заменителем кокса в процессах доменного и ваграночного производства чугуна.
В настоящее время в условиях сокращения месторождений коксующихся углей и высокой стоимости и трудоемкости получения кокса использование вторичного сырья и соответствующих прогрессивных технологий является реальным путем к повышению конкурентоспособности металлургического производства и продукции.
Современный этап научно-технического прогресса в этой области неразрывно связан с созданием эффективных энергосберегающих технологий, обеспечивающих комплексное использование сырья, материалов и снижение вредного воздействия на окружающую природную среду.
В этом отношении приготовление брикетов из мелкофракционных и тонкодисперсных компонентов - отходов металлургического производства - представляется одним из рациональных способов подготовки шихты. Брикетирование - процесс получения кусков (брикетов) с добавкой связующих веществ с последующим прессованием смеси в брикеты нужного размера и формы [Катинев В.И., Барсукова Е.Ю и др. Брикеты из мелкодисперсных отходов металлургического и коксохимического производств - экономически выгодная замена традиционной шихты металлургических переделов. - Металлург. - 2002. - №10].
Целью структурообразования мелких материалов является не только получение определенного размера кусков, но и создание в искусственных структурах комплекса заданных физико-химических свойств [Белкин А.С., Юсфин Ю.С., Курунов И.Ф. и др. Использование железококсовых брикетов на цементной связке. - Металлург. - 2003. - №4].
В связи с этим существует закономерная причинно-следственная связь технологических параметров процессов структурообразования с качественными характеристиками подготовленных материалов.
Брикетирование мелкозернистых и тонкодисперсных материалов со связующими веществами - наиболее универсальный способ вовлечения в переработку ценных топливных и минеральных сырьевых компонентов - отходов металлургического производства, которые по своему агрегатному физическому состоянию непригодны для непосредственного использования в технологических процессах и аппаратах. При этом отличительной особенностью процесса брикетирования является возможность изготовления брикетов из шихтовых смесей, эффективных для основных типов агрегатов металлургического передела.
Наиболее экономически выгодным и экологически безопасным является «холодное» брикетирование. Известны способы изготовления брикетов на штемпельных, револьверных, вальцевых прессах. Однако они характеризуются низкой производительностью, технологической сложностью, ограниченностью в размерах брикетов и т.д.
Наиболее близким по технической сущности является способ приготовления металлургических брикетов, который состоит в подготовке смеси перемешиванием углеродсодержащего материала и связующего - портландцемента, ее формовании в оснастке под действием давления и вибрации [патент РФ №2183679, МПК7 С21С 5/52, С21В 3/00, С22B 1/24, C22В 1/242. Брикет для металлургического производства, брикет для промывки горна доменной печи и способ изготовления брикетов].
Известное техническое решение обеспечивает возможность получения металлургических брикетов различных габаритов и массы. Вместе с тем прототип имеет следующие существенные недостатки:
- длительный цикл приготовления брикета, связанный с увеличенной продолжительностью затвердевания портландцемента;
- нестабильность свойств брикетов, определяемая изменением их прочностных характеристик во времени;
- высокая влажность брикета, вызванная необходимостью затворения портландцемента водой;
- необходимость термообработки брикета, определяющая повышенные затраты на сушильные печи, соответствующие площади и др.;
- достаточно высокое содержание связующего (15...20%), обеспечивающее повышенную зольность брикета при использовании в металлургических агрегатах;
- неудовлетворительная смачиваемость раствором портландцемента углеродсодержащих материалов и, как следствие этого, недостаточный уровень его адгезии и прочности;
- необходимость проведения обработки брикетов паром (операция пропаривания).
Все это в своей совокупности существенно снижает качество указанных металлургических брикетов и эффективность их применения в металлургическом производстве.
В основу изобретения положена задача создать такой способ приготовления металлургических брикетов, который обеспечил бы улучшение их качества за счет обеспечения повышенных прочностных характеристик при минимальном количестве связующего и сокращения продолжительности подготовки брикета путем его самоотверждения и исключения операций пропаривания и термообработки.
Указанная задача решается таким образом, что в способе изготовления металлургических брикетов, включающем подготовку смеси из наполнителя и связующего, их перемешивание, формование смеси в оснастке под действием давления и вибрации, согласно изобретению, в качестве связующего используют активированный алюмоборфосфатный концентрат при следующем соотношении ингредиентов:
| углеродсодержащий материал (наполнитель) | 94...98 |
| активированный алюмоборфосфатный концентрат | остальное, |
при этом активацию алюмоборфосфатного концентрата осуществляют непосредственно перед приготовлением смеси путем воздействия на него наносекундными электромагнитными импульсами мощностью 0,5...0,8 МВт.
Алюмоборфосфатный концентрат (АБФК) является водным раствором и используется как эффективный высокотемпературный связующий материал.
АБФК обеспечивает ускоренное самотвердение брикета вследствие его взаимодействия с компонентами наполнителя и формирование повышенных прочностных характеристик за счет высокой адгезионной способности без термообработки.
Обработка перед приготовлением смеси для брикета связующего алюмоборфосфатного концентрата наносекундными электромагнитными импульсами (НЭМИ) позволяет снизить до минимума количество связующего (до 2 мас.%) при существенном повышении его когезионной прочности за счет эффекта «разжижения» (снижение вязкости) и увеличения смачиваемости АБФК углеродсодержащего материала.
Таким образом, указанные отличительные признаки повышают физико-механические характеристики металлургических брикетов и обеспечивают значительное улучшение их качества.
Изготовление металлургических брикетов осуществляют следующим образом.
Готовят связующий АБФК плотностью 1300...1350 кг/м3. Для активации связующего материала осуществляют обработку АБФК наносекундными электромагнитными импульсами мощностью 0,5...0,8 МВт в течение 15...20 минут.
Обработка связующего НЭМИ мощностью 0,5...0,8 МВт является необходимым условием, поскольку вызывает существенное положительное изменение его физико-химических свойств. При мощности НЭМИ меньше, чем 0,5 МВт, возникающие эффекты выражены слабо. Мощность НЭМИ больше, чем 0,8 МВт, является нецелесообразной по причине резкого возрастания энергетических затрат без существенного улучшения технологических свойств связующего и брикета.
Активированный АБФК вводят в углеродсодержащий материал при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:
| углеродсодержащий материал | 94...98 |
| активированный алюмоборфосфатный концентрат | остальное. |
В качестве углеродсодержащего материала могут быть использованы отходы металлургического производства - коксовая и угольная крошка, мелочь и пыль, графитовые порошки (электродный бой и др.). Ингредиенты перемешивают и подготовленную смесь формуют на вибропрессах в соответствующей оснастке (ячейках матрицы) под действием давления и вибрации. Продолжительность вибропрессования составляет 15...30 с, в зависимости от типа применяемого вибропресса. При этом могут быть получены металлургические брикеты практически любой конфигурации и размером от 20×20×20 мм до 500×1500×1500 мм. За один цикл (не более 30 с) может изготавливаться от 0,05 до 1,2 кубических метров металлургических брикетов.
При воздействии НЭМИ плотность алюмоборфосфатного концентрата 1300...1350 кг/м3 и его количество 2...6 мас.% создают условия для равномерного распределения связующего на частицах углеродсодержащего материала. При плотности более 1350 кг/м3 вязкость алюмоборфосфатного концентрата повышается настолько, что затрудняет это распределение. Наблюдается нежелательное преждевременное окомкование материала. Плотность АБФК менее 1300 кг/м3 не обеспечивает требуемый уровень прочности и других физико-механических свойств металлургических брикетов.
Предлагаемый способ изготовления металлургических брикетов иллюстрируется следующими примерами.
Пример 1. При подготовке связующего получают АБФК плотностью 1350 кг/м3. Для этого исходный состав АБФК (ТУ 113-08-606-87) разбавляют водой. Затем перед непосредственным приготовлением смеси проводят обработку связующего НЭМИ в течение 15 минут. Для этого в него помещают излучатели, подсоединенные к генератору НЭМИ мощностью 0,5 МВт [Патент РФ №2030097, МКИ Н03К 3/33, К3/45. Формирователь наносекундных электромагнитных импульсов].
Активированное связующее вводят в углеродсодержащий материал, в качестве которого используют отходы металлургического производства - коксовую крошку и мелочь.
Варьируется в смеси количество активированного АБФК в смеси: 2; 4; 6 мас.%.
Ингредиенты перемешивают в шнековом смесителе и подготовленную смесь формуют в ячейках матрицы на вибропрессе с усилием прессования 160 кН и вибрацией с амплитудой 0,5...0,8 мм и частотой 50 Гц.
Продолжительность вибропрессования составляет 15 с. При этом получают металлургические брикеты размером 100×100×100 мм. За один цикл изготавливают 0,15 кубических метров металлургических брикетов.
Сравнительные характеристики металлургических брикетов представлены в табл.1.
В качестве базовых приведены свойства брикетов, полученных вибропрессованием с использованием портландцементной связки (прототип).
Представленные данные свидетельствуют о том, что использование в качестве связующего активированного наносекундными электромагнитными импульсами АБФК позволяет обеспечить значительное повышение физико-механических свойств и улучшение качества брикетов для металлургического производства.
При этом следует отметить, что без обработки НЭМИ связующего практически не удается вообще получить металлургические брикеты с таким низким содержанием АБФК (резко возрастает осыпаемость и истираемость брикетов для металлургического производства, связующее неравномерно распределяется на частицах углеродсодержащего материала и др.). Вместе с тем, очевидно, что минимизация количества связующего при обеспечении заданного уровня прочностных характеристик брикетов позволяет существенно улучшить их физико-химические свойства.
| Таблица 1 | ||||
| Сравнительные характеристики способов изготовления брикетов для металлургического производства | ||||
| Наименование характеристик | Прототип (изготовление брикетов на портландцементе) | Разработанный способ изготовления брикетов с НЭМИ при разных количествах АБФК, мас.% | ||
| 2 | 4 | 6 | ||
| 1. Продолжительность приготовления, ч | 30...36 | 0,7 | 1,0 | 1,2 |
| 2. Продолжительность изменения свойств, сут. | 3...5 | 0,6 | 0,8 | 1,0 |
| 3. Влажность, % | 9...13 | 0,5 | 1,1 | 1,5 |
| 4. Необходимость термообработки | Да | Нет | Нет | Нет |
| 5. Зольность, % | 1,8...2,0 | 0,1 | 0,2 | 0,3 |
| 6. Содержание серы, % | 0,24...0,48 | 0,06 | 0,08 | 0,1 |
| 7. Ударная прочность, % | 50...52,8 | 80 | 83 | 85 |
| 8. Пористость (открытая),% | 16...20 | 30 | 33 | 34 |
| 9. Плотность, г/см | 2,1...2,3 | 1,65 | 1,62 | 1,60 |
| 10. Прочность на сжатие, МПа | 9,5...11,0 | 21,1 | 22,3 | 22,9 |
| 11. Осыпаемость, % | 1,1...2,7 | 0,6 | 0,4 | 0,34 |
| 12. Температура размягчения, °С | 1150...1200 | 1490 | 1520 | 1550 |
Пример 2. Готовят смесь из коксовой мелочи (96 мас.%) и раствора АБФК (4 мас.%). Изготовление металлургических брикетов осуществляют аналогично примеру 1, но перед перемешиванием ингредиентов смеси проводят обработку связующего НЭМИ в течение 20 минут, варьируя мощность НЭМИ: 0,5; 0,7; 0,8 МВт.
Влияние параметров обработки НЭМИ на свойства связующего и металлургических брикетов показано в табл.2. Эти параметры сравниваются с базовыми значениями для случая использования АБФК без обработки НЭМИ. Краевой угол смачивания фиксируют проецированием капли на экран, поверхностное натяжение - методом отрыва кольца [Теоретические основы литейной технологии / А.Ветишка. Пер. с чешек. - Киев: Вища школа, 1981. - 320 с]. Вязкость определяют по капиллярному вискозиметру ВПЖ-2. Для оценки пропитывающей способности используют известную методику капиллярной пропитки АБФК наполнителя в трубке диаметром 5 мм.
| Таблица 2 | ||||
| Влияние параметров обработки НЭМИ на свойства связующего и металлургических брикетов | ||||
| Наименование показателей | Без НЭМИ | Обработка НЭМИ мощностью, МВт | ||
| 0,5 | 0,7 | 0,8 | ||
| 1. Краевой угол смачивания, град | 83 | 64 | 48 | 46 |
| 2. Поверхностное натяжение, Дж/м2 | 82 | 91 | 96 | 93 |
| 3. Кинематическая вязкость, ×10-6, м2/с | 1,55 | 1,1 | 0,7 | 0,8 |
| 4. Равновесная высота пропитки пористой среды, м | 0,06 | 0,11 | 0,14 | 0,16 |
| 5. Ударная прочность, % | 76 | 83 | 88 | 86 |
| 6. Прочность на сжатие, МПа | 11 | 22,3 | 23,7 | 23,4 |
| 7. Осыпаемость, % | 0,6 | 0,4 | 0,1 | 0,2 |
Представленные данные свидетельствуют о том, что обработка НЭМИ мощностью 0,5...0,8 МВт связующего АБФК позволяет за счет снижения его краевого угла смачивания, повышения поверхностного натяжения, уменьшения более чем в 2 раза вязкости обеспечить значительное улучшение пропитывающей способности. Это, в свою очередь, создает условия для увеличения адгезионной способности АБФК и повышения качества брикетов для металлургического производства при возможности существенного снижения количества связующего в составе брикета.
Заявленный способ изготовления брикетов для металлургического производства опробован при получении чугуна в доменном процессе, а также при его ваграночной плавке.
Учитывая повышенный комплекс физико-механических свойств металлургических брикетов, они могут быть использованы как эффективные заменители дорогостоящего и дефицитного кокса.
Способ изготовления брикетов для металлургического производства, включающий подготовку смеси из наполнителя - углеродсодержащего материала и связующего, их перемешивание, формование смеси в оснастке под действием давления и вибрации, отличающийся тем, что в качестве связующего используют активированный алюмоборфосфатный концентрат при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:
| наполнитель | 94-98 |
| активированный алюмоборфосфатный концентрат | остальное |
при этом активацию алюмоборфосфатного концентрата осуществляют непосредственно перед приготовлением смеси путем воздействия на него наносекундными электромагнитными импульсами мощностью 0,5-0,8 МВт.
