Реферат за темою випускної роботи

Зміст

Вступ

Створення і впровадження більш раціональних і екологічно чистих виробництв є основним завданням сучасного людства, що зіткнулося з проблемою глобального екологічного забруднення і виснаження планети. Так, наприклад, чорна металургія є однією з найбільш матеріало-та енергоємних, а також екологічно шкідливих галузей промисловості. Загальна витрата матеріально-сировинних ресурсів по циклу від видобування руди та вугілля до прокатки складає до 7 т на 1 т готового прокату [1]. На металургійному комбінаті повного циклу потужністю 5 млн. т прокату в рік утворюється 2,3 млн. т шлаків, 0,8 млн. т пилу, шламів та окалини, 25 тис. т сполук сірки, 120 тис. т оксидів вуглецю, азоту та інших елементів [2]. Тому питання раціонального використання природних ресурсів, а також комплексної переробки відходів – найбільш актуальний на сьогодні для даної галузі промисловості.

Найбільш прийнятною не тільки з екологічної, але і з економічної точки зору є утилізація відходів всередині власного виробництва, так як це дозволяє використовувати їх у вигляді відносно дешевої сировини, що сприяє значному зниженню витрат на шихту, підвищенню якості та конкурентоспроможності продукції, а головне, зменшенню собівартості готової продукції.

1. Мета та задачі

Магістерська робота присвячена дослідженню процесу брикетування як одного з універсальних напрямків підготовки металургійних відходів.

Основна мета – розробка раціональної технології підготовки та брикетування залізовмісних відходів металургійного виробництва.

Новизна полягає в тому, що в роботі запропонована універсальна схема отримання залізовмісних брикетів з відходів Донецького металургійного заводу, з метою подальшої їх переробки на підприємстві.

У роботі, поставлені такі головні задачі:

  1. Розглянути основні види відходів, що утворюються на ПрАТ «Донецьксталь МЗ», вивчити їх особливості (фізико-хімічні властивості, гранулометричний склад тощо);
  2. Проаналізувати вимоги до металургійних брикетів і на підставі цього вибрати найбільш прийнятну схему підготовки відходів підприємства;
  3. Розробити технологічну лінію з виробництва залізовмісних брикетів;
  4. Визначити еколого-економічний ефект, що отримується за рахунок використання брикетів в доменному і сталеплавильному процесах.

2. Переваги процесу брикетування

На сьогодні виділяють три основні способи окускування в металургії – це агломерація, отримання окатишів і брикетування. Великого поширення набули перші два. Це пов'язано, перш за все, з високою продуктивністю агломераційних машин, а також з можливістю отримання продуктів високої якості.

Останнім часом через зменшення природних запасів, а також надмірного накопичення відходів, в металургії все частіше стали застосовуватися тонкофракційні матеріали – концентрати глибокого збагачення, а також шлами і пил. Однак, їх використання в агломераційному процесі і при виробництві окатишів, обмежена, оскільки призводить до погіршення якості готового продукту.

Так, наприклад, додавання шламів в аглошихту становить до 15% від загальної маси, оскільки перевищення цієї кількості веде до погіршення показників спікання, зростання шкідливих домішок в агломераті, порушення правил санітарної гігієни і техніки безпеки на робочих місцях, забруднення обладнання та повітряного басейну. А підготовка (зневоднення і термічна сушка шламів, огрудкування пилу, знемаслення шламів прокатного виробництва, обезцинкування шламів і пилу) металургійних відходів для додавання в аглошихту або окатиші вимагає порівняно високих капітальних і експлуатаційних витрат.

До того ж, для підприємств, які не мають власних аглофабрик, повернення відходів до власного виробництва у вигляді сировини робиться в принципі неможливим. Тому сьогодні набирає популярність такий метод окускування як брикетування.

Процес брикетування має ряд істотних переваг:

  • пред'являє менш жорсткі вимоги до якості сировини, дозволяє окусковувати матеріали широких класів крупності менше 10 мм, практично в будь-яких пропорціях і складах;
  • є технічно простим способом окускування;
  • брикетна установка мобільна і не займає велику площу;
  • при брикетуванні зберігаються властивості компонентів, що входять в брикети;
  • з екологічної точки зору є більш чистим способом окускування;
  • брикети розширюють сировинну і паливно-енергетичну базу металургії [3].

Проблемним питанням, що вимагає додаткового вивчення, є вибір зв’язуючого, яке б відповідало необхідній міцності брикету та мало прийнятну ціну.

Досвідом багатьох металургійних компаній встановлено, що процес брикетування найбільш повно реалізується спільно з іншими методами окускування – агломерацією і грануляцією з випалюванням. Вони не конкурують між собою, а економічно вигідно доповнюють один одного.

Брикетування відходів металургійного виробництва вже давно і досить міцно вкоренилося в розвинених країнах світу. Однак на Україну воно не набуло такого широкого розповсюдження і в даний час не перевищує 2%, хоча потреба в такому методі окускування може бути на порядок вище [4].

3. Вимоги до шихти і готових брикетів

В даний час існують різні схеми брикетування, які сильно відрізняються один від одного. Так, наприклад, розрізняють способи «холодного» і «гарячого» брикетування, що проходять відповідно при звичайних і високих температурах. Також брикетування зі зв'язуючим або без, при різному тиску пресування, з різними способами зміцнення сирих брикетів (термічний та хімічний) й ін.

При виборі оптимальної схеми виробництва брикетів для Донецького металургійного заводу необхідно врахувати ряд факторів: характер та обсяг відходів, що утворюються, область подальшого використання брикетів, а також вимоги до них, витрати підприємства на реалізацію даного проекту, його економічна та екологічна ефективність і пр.

3.1 Характеристика матеріалів, що брикетуються

Основні відходи, що утворюються на ПрАТ «Донецьксталь - МЗ» та потребують утилізації, належать до доменного, сталеплавильного і прокатного виробництва. Це колошниковий пил, пил центральної витяжної станції та аспіраційних установок, шлами мокрої газоочистки доменного газу, відсіви коксу, а також пил ЕСПЦ, окалина та чавунна стружка (Таблиця 1).

Таблиця 1 - Хімічний склад відходів


Матеріал FeO Fe2O3 SiO2 CaO MgO Al2O3 MnO C S
Колошниковий пил 42.1 53.76 12.0 11.56 0.9 1.13 0.26 10.69 0.4
Домений шлам 42.2 57.88 8.36 5.74 1.1 1.36 0.2 9.79 0.7
Пил ЦВС 50.2 68.54 3.7 1.2 0.4 0.9 0.95 4.95 0.9
Пил ЭСПЦ 49.6 65.17 7.28 6.5 1.0 0.8 1.52 1.21 0.6
Вапняний пил 1.1 1.5 5.2 66.7 0.6 0.5 - - 0.1
Окалина 70.0 36.2 2 1.7 0.3 0.5 0.8 - 0.04

Ці відходи повинні відповідати певним вимогам. Так, шлами, які використовуються при окускуванні, повинні мати:

  • вологість не більше 8-12%;
  • крупність після сушки не більше 6 мм;
  • мінімальний приведений вміст заліза не менше 45%;
  • вміст цинку: при використанні брикетів в доменному виробництві – не більше 1%, в сталеплавильному – не регламентується.

Колошниковий пил, що виноситься потоком газу через колошник доменної печі і осідає у пиловловлювачах, за складом приблизно відповідає складу шихти, що плавиться, але містить ще 9-11% С і до 12% СаО – це робить його цінною сировиною для брикетів [5].

За фракційним складом найбільш прийнятними є матеріали крупністю 0-5 мм. Так як наявність в сировині переважно великих зерен призводить до утворення структури брикетів з великими порожнечами, які необхідно заповняти зв’язуючим. Це не тільки збільшує вартість брикетів, але й зменшує їх міцність та термічну стійкість. Великий вміст у відходах пиловидних класів вимагає інтенсивного перемішування компонентів шихти, підвищення витрати зв’язуючого і тиску пресування.

Особливе значення для рудних концентратів та відходів виробництва має вологість. Наявність в матеріалі, що брикетується, більше 6-8% вологи негативно впливає на міцність брикетів.

Одним з важливих компонентів шихти є зв’язуюче – допоміжний матеріал, який поліпшує злипання частинок і підвищує міцність брикетів до заданого рівня. Воно повинно відповідати наступним вимогам:

  • забезпечувати високу холодну і гарячу міцність при мінімальній витраті;
  • забезпечувати швидку реакцію між частками;
  • вносити мінімальну кількість шкідливих, баластних та інших домішок, що є небезпечними для обслуговуючого персоналу і знижують якість кінцевого продукту;
  • бути поширеними і мати невисоку вартість;
  • не вимагати складних прийомів і операцій по їх використанню;
  • забезпечувати максимальну вологостійкість.

Зв’язуюче є визначальною умовою міцності і значною мірою – відновлення брикетів. Додавання його в шихту строго регламентовано. Так, при збільшенні витрати зв’язуючого, брикети стають більш міцними, але їх собівартість зростає, до того ж, знижується вміст заліза та інших корисних компонентів [6].

Для досягнення заданих вимог, все шихтові матеріали відправляють на попередню підготовку. Підготовка відходів до брикетування є досить витратним процесом, що складається з наступних технологічних операцій:

  • вирівнювання вологості, хімічного і фракційного складів шляхом спеціальної (пошарової) укладки сирих і сухих компонентів шихти;
  • для перезволоженої сировини слід передбачити її хімічну чи теплову сушку;
  • гасіння вапна, яке використовується в якості зв’язуючого;
  • видалення сторонніх фракцій і металевих включень розміром понад 10 мм, які можуть привести до поломки бандажів преса;
  • подрібнення сировини надлишкової крупності й ін..

3.2 Вимоги до металургійних властивостей брикетів

Як і до інших матеріалів, до брикетів висуваються жорсткі вимоги не тільки по хімічному і гранулометричному складам, а й за фізико-механічними властивостями.

Брикети можуть мати різний хімічний склад, з різним використанням легуючих добавок і флюсів. Включення того чи іншого компоненту залежить від вимог металургійного переділу, в якому планується подальше їх використання. Найчастіше роблять двох-або-трикомпонентні брикети. Чим менше компонентів і чим ближче вони за складом один до одного, тим більш гомогенна шихта, і, як наслідок, вище якість брикетів. До того ж збільшення кількості матеріалів призводить до ускладнення технології підготовки і усереднення шихти.

Основними параметрами металургійних брикетів є механічна і термічна міцність, пористість і щільність, атмосферостійкість. У той же час кожен металургійний процес пред'являє додаткові вимоги до брикетів.

Зокрема, брикети, що задовольняють вимогам доменної плавки, повинні бути стійкі при температурі 900-1300 °С, мати опір стисненню вище 58 Н/см2, володіти високою пористістю і газопроникністю і, разом з тим, бути водостійкими. Розм'якшення матеріалів, призначених для доменної плавки, повинно здійснюватися в інтервалі температур від 1050 до 1200 °С.

Брикети для сталеплавильного виробництва повинні витримувати нагрів до 1500 ° С протягом трьох хвилин і при цьому не розвалюватися на шматки, а також мати пористість не більше 5-10%, їх опір стисненню повинне бути не нижче 25 Н/см2 [7].

Багато в чому ці параметри залежать від розмірів і форми брикетів, які можуть бути різними – від блоку 600х300х200 мм и масою 70-100 кг, до гранул діаметром 5-10 мм і масою до 10 г. Розмір окускованої сировини для умов доменної плавки обмежують деякими граничними значеннями. З урахуванням можливостей виносу потоком газу, газопроникливості, відновності та інших умов її мінімальний розмір складає 10-12 мм, а максимальний – 60-100 мм.

Форма брикетів впливає істотним чином не тільки на їх міцність, а й на тривалість металургійної обробки. Брикети овальної, чечевідної та блізькосферичної форми (Рисунок 1) більш терпимі до тиску і при додатку навантаження приймають більш зручне положення, розподіляючи зусилля рівномірно на весь розташований нижче масив. Гострі виступи брикетів більш схильні до сколів, тому відсутність гострих ребер, крайок і виступів в брикетах підвищує їх міцність.

Оптимальна форма металургійних брикетів

Рисунок 1 – Оптимальна форма металургійних брикетів

4. Схема технологічного процесу

На підставі проведеного аналізу, з урахуванням поставлених вимог, найбільш прийнятною є схема «холодного» брикетування з використанням як зв'язки – вапна. Гашене вапно є порівняно дешевим і достатньо міцним зв’язуючим матеріалом та, одночасно, флюсом. Для досягнення необхідної міцності брикетів його додають у кількості до 10% від маси шихти. Зміцнення брикетів відбувається в спеціальних камерах за рахунок реакції карбонізації [8].

Запропонований спосіб брикетування складається з наступних операцій (Рисунок 2):

  1. Зберігання компонентів шихти
  2. Дозування і змішування сировинних матеріалів;
  3. Пресування отриманої шихти в брикети заданої форми;
  4. Обробка «сирих» брикетів (сушка, карбонізація);
  5. Доставка споживачам.
Схема технологічного процесу виробництва брикетів

1 – бункер з шихтою, 2 – бункер зі зв’язуючим, 3 – ємність з водою, 4 – змішувач сухої і зволоженої шихти, 5 – подрібнювач, 6 – прес, 7 – гуркіт, 8 – відсів, 9 – ділянка набору міцності, 10 – готові брикети .

Рисунок 2 – Схема технологічного процесу виробництва брикетів

Зберігання матеріалів, які пройшли попередню підготовку, здійснюється на відкритих чи закритих майданчиках. Тонкодисперсні матеріали, для запобігання їх пилиння, зберігаються в закритих бункерах. Тривале зберігання гашеного вапна навіть в закритих бункерах для запобігання його карбонізації не рекомендується.

Підпитка і дозування є важливими операціями по підготовці шихти до брикетування. Постійна, стійка підпитка сприяє рівномірній роботі обладнання, а правильне дозування забезпечує не тільки заданий хіміко-мінералогічний склад брикетів, але й високу міцність [9].

ППеремішування шихти відбувається в спеціальному двохвальному змішувачі: спочатку в сухому вигляді, а потім з додаванням вологи або пари, якщо це необхідно. Підготовлена суміш прямує на прес.

Пресування брикетів є найважливішою, головною ланкою процесу брикетування, що визначає сутність даного методу окускування. Воно надає брикетам потрібну форму, об'єм і щільність, що багато в чому визначає їх кінцеву міцність. Пресування включає такі операції, як подача шихти, підпресовка (попереднє ущільнення) шихти, заповнення пресуючих осередків, ущільнення шихти і витяг брикетів.

Вальцьові преси є найбільш поширеними. Вони мають високу продуктивність до 100 т брикетів на годину і більше, розвивають великі тиски пресування (до 150 МПа), що дозволяє отримати досить міцні брикети [10].

Вальцовий прес

Рисунок 3 – Вальцовий прес

Процес пресування полягає в тому, що шихта направляється в щилину між двома ваками, що обертаються назустріч один одному. При обертанні валків відбувається зближення осередків, захоплення шихти та її ущільнення. При подальшому обертанні валки розходяться, і брикети під власною вагою і невеликим розширенням після зняття тиску випадають з осередків.

Поряд з простотою формоутворення вальцьові преси мають і недоліки: відсутність повного закриття формуючих елементів, а також необхідність підпресовки.

Відсів та повернення дріб’язку. При пресуванні на брикетах утворюються кромки, задирки, які при добуванні і падінні продукту обламуються. Деякі брикети при випаданні з осередків руйнуються. Це призводить до утворення деякої кількості дріб'язку, що є некондиційним продуктом. Його доцільно відсіяти і повернути в процес, що підвищує його економічність, а також запобігає запилювання при подальшому русі брикетів по технологічній лінії.

Зміцнення брикетів є заключною ланкою процесу брикетування, що визначає кінцеву міцність брикетів. Свіжі брикети мають невисоку міцність, що призводить до необхідності їх зміцнення. Під час зміцнення відбуваються складні фізичні і хімічні процеси.

Карбонізація, тобто взаємодія СаО з вуглекислим газом, є діючим способом зміцнення брикетів. ЇЇ доцільно вести в спеціальних стрічкових сушилах, з використанням, наприклад, димових газів, що містять 20-25% CO2. При атмосферному тиску і температурі 60-65 °С тривалість карбонізації становить приблизно 2-2,5 години. Добавка в брикети матеріалів, що виділяють СO2, також скорочує тривалість карбонізації [11].

Для підвищення ефективності зміцнення поряд з інтенсивною сушкою слід застосовувати природну сушку карбонізацією вуглекислим газом, що містяться в атмосферному повітрі, це забезпечить додаткову міцність.

Правильна організація відвантаження готового продукту сприяє зменшенню кількості зруйнованих брикетів.

Якщо брикетна установка розташована поблизу споживача, для доставки брикетів можна використовувати конвеєрний транспорт, розташований в галереї, що запобігає потраплянню вологи. Останнє дозволяє відмовитися від бункерів готової продукції та від транспорту, що значно здешевлює вартість брикетів.

Для зменшення бою брикетів при падінні з висоти всі завантажувальні вузли повинні бути забезпечені жолобами, які пом'якшують удар. Місця падіння брикетів повинні бути обгумованими [12].

5. Ефективність використання брикетів

Використання брикетованої сировини в доменній плавці має суттєві відмінності від використання традиційних матеріалів. Залежно від сировини, компонентного складу і способу пресування брикетований матеріал може мати надзвичайно різноманітні властивості – відновлюваність, разм’якчення, усадку.

При додаванні брикетів в доменну піч збільшується її продуктивність. Відбувається це, за рахунок поліпшення газопроникності стовпа доменної шихти, внаслідок чого збільшується витрата дуття, зменшується винос колошникового пилу і знижується витрата коксу.

На сьогоднішній день запатентовано значну кількість складів брикетів, призначених для використання в доменному переділі, і способів їх виробництва. Найбільш характерними є залізорудні офлюсовані брикети, офлюсовані рудно-вугільні брикети, залізофлюсні брикети різних складів, брикети з колошникового пилу та інші [13].

Сталеплавне виробництво пред'являє менш суворі вимоги до механічної міцності брикетів, тому їх використання там дає кращі результати, а тому більш поширене, ніж в доменному виробництві.

Використання брикетованих залізовмісних відходів як оборотного продукту в сталеплавному виробництві в даний час є не тільки поширеним способом утилізації пилу, але і одним зі способів вилучення цинку. Раціональна схема переробки цинквмістного пилу електросталеплавильного цеху Донецького металургійного заводу представлена нижче (Рисунок 4).

Комплексна схема утилізації електросталеплавильної пилу

1 – рукавний фільтр, 2 – бункер, 3 – шлюзові дозатори, 4 – скребковий конвеєр, 5 – накопичувальний бункер, 6 – вібро-зволожувач, 7 – стрічковий конвеєр, 8 – бункер суміші; 9 – вальцьовий прес.

Рисунок 4 – Комплексна схема утилізації електросталеплавильної пилу

Вловлений в рукавному фільтрі пил з бункерів через шлюзові дозатори подається на скребковий конвеєр, яким транспортується в накопичувальний бункер. З бункера сухий пил через дозатор подається в вібраційний змішувач-зволожувач, в якому пил зволожується водою і змішується з іншими відходами. Зволожена суміш подається стрічковим конвеєром в проміжний бункер, з якого вона надходить в вальцьовий прес. Готові брикети транспортують в шихтове відділення електросталеплавильного цеху і подаються в піч разом з шихтою.

Після декількох циклів вміст цинку в пилу зросте і при досягненні певної концентрації, придатної для вилучення цинку, його виводять з циклу і відправляють на підприємства кольорової металургії як цінну вторинну сировину.

Досвід використання брикетів в сталеплавильному виробництві показує, що добавки брикетованих матеріалів істотно поліпшують техніко-економічні показники (скорочують тривалість плавки, сприяють швидкому наведенню шлаку, знижують угар металу, зменшують витрати металобрухту) [14].

Висновки

Літературний аналіз вітчизняного та зарубіжного досвіду в області брикетування показує що:

  1. Процес брикетування дозволяє знизити антропогенне навантаження на навколишнє середовище за рахунок утилізації металургійних відходів.
  2. Впровадження брикетного виробництва сприяє зменшенню пилогазових викидів, що утворюються при традиційних способах окускування залізорудної сировини.
  3. При вживанні металургійних брикетів в доменному виробництві спостерігається: істотне збільшення продуктивності, економія первинної сировини, зниження витрат енергоресурсів, підвищення виходу придатного, поліпшення якості металу.
  4. Використання процесу брикетування для переробки електросталеплавильного пилу дозволяє організувати рециклінг цинку, його накопичення і подальше використання на підприємствах кольорової металургії.
  5. Організація брикетних фабрик дозволяє знизити вартість кінцевого продукту за рахунок повернення корисних матеріалів в технологічний процес, а також завдяки зниженню виплат на розміщення відходів.

На сьогодні, у чорній металургії України, незважаючи на зростання потреби в нових матеріалах, брикетування не знаходить належної уваги, яке воно по праву заслуговує. Хоча для його розвитку є широка як сировинна, так і технологічна база. Тому залучення в цю сферу виробництва сучасних металургійних підприємств є актуальним завданням не тільки екології, а й економіки.

Перелік посилань

  1. Банный Н.П. Экономика чёрной металлургии СССР / Н.П. Банный, А.А. Федотов, П.А. Ширяев и др. – М.: Металлургия, 1978. – 344 с.
  2. Буторина И.В. Основы устойчивого развития металлургического производства / И.В. Буторина. – Донецк: Каштан, 2005. – 332 с.
  3. Вегман Е.Ф. Окускование руд и концентратов / Е.Ф. Вегман. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Металлургия, 1984. – 256 с.
  4. Равич Б.М. Брикетирование в цветной и чёрной металлургии / Б.М. Равич. – М.: Металлургия, 1975. – 232 с.
  5. Фоменко А.И. Утилизация шламов металлургических производств / А.И. Фоменко // Изв. вузов: Чёрная металлургия. – 2001. – № 11. – С. 70-71.
  6. Тюренков Н.Г. Брикетирование руд / Н.Г. Тюренков. – М.: Металлургиздат, 1948. – 128 с.
  7. Ожогин В.В. Взаимосвязь показателей механической прочности брикетированных материалов / В.В. Ожогин // Вісник Приазов. держ. техн. ун-ту: Зб. наук. пр. – Маріуполь, 2006. – Вип. 16. – С. 17-21 [электронный ресурс] – Режим доступа: eIRPSTU
  8. Корж А.Т. Особенности технологии подсушки шламов известью / А.Т. Корж, А.Ф. Голубов // Чёрная металлургия: Бюл. ЦНИИЧермет. – 1971 – № 5. – С. 49-50.
  9. Носков В.А. Валковый пресс для брикетирования мелкофракционных отходов производства и сырья / В.А. Носков // Металлург. и горноруд. пром-сть. – 1999. – № 2 – С. 100-102 [электронный ресурс] – Режим доступа: MetalJournal
  10. Ожогин В.В. Совершенствование ресурсосберегающей технологии получения и использования высокопрочных шламовых брикетов в аглодоменном производстве: дис. канд. техн. наук: 05.16.02. – Мариуполь, ПГТУ, 2004. – 207 с.
  11. Пат. 2083681 РФ, МПК6 С21С5/06, С22В1/24, 1/242. Брикет для производства чугуна и стали / Агеев Е.Е., Бондарев Ю.А., Булгаков В.Г. и др.; опубл. 10.07.1997.
  12. Носков В.А. Экспериментальные исследования основных параметров и режимов брикетирования мелкофракционных техногенных отходов в валковых прессах / В.А. Носков, Б.Н. Маймур, В.И. Петренко и др. // Металлург. и горноруд. пром-сть. – 1999. – № 6. – С. 104-107 [электронный ресурс] – Режим доступа: MetalJournal
  13. Информационно-рекламный проспект фирмы "Sahut-conreur" [электронный ресурс]. – Режим доступа: Sahut-conreur
  14. Ожогин В.В. Рециклинг пылевидных отходов сталеплавильного производства / В.В. Ожогин // Бюл. науч.-техн. и эконом. информ.: Чёрная металлургия. – 2006. – № 8. – С. 72-74.