Введение к работе
Актуальность темы
Проблеме утилизации техногенных отходов металлургического производства во всем мире уделяется большое внимание. В настоящее время в России в шлаковых отвалах по разным независимым оценкам накоплено более 300 млн.т. шлаков сталеплавильного производства. Без учета колоссального экологического ущерба это эквивалентно выводу из хозяйственного обращения 2,5 тыс. га. занимаемых отвалами площадей, а по остаточному содержанию оксидов черных и цветных металлов безвозвратной утрате около 40-50 млн. т. металла и других полезных компонентов.
Удаление и утилизация сталеплавильных шлаков - сложная, многостадийная и дорогостоящая технологическая операция. Кратность сталеплавильного шлака составляет в среднем от 150 до 200 кг/т стали, таким образом, при существующих объемах производства стали в РФ образуется в среднем по 13,5 млн.т./год шлаков текущего сталеплавильного производства. Содержание в сталеплавильных шлаках металлического железа 8-12% и его оксидов от 20 до 40% делает его ценным сырьевым материалом для металлургии при переработке с максимальным извлечением ценных компонентов.
Технологические процессы переработки сталеплавильных шлаков подразделяют на традиционную переработку твердых отвальных и припечігую (мокрую, сухую, механическую) грануляцию жидких шлаков.
Качество товарного продукта, получаемого из переработанных сталеплавильных шлаков по традиционной технологии, находится на ішзком уровне и не позволяет расширять рынок сбыта, в связи с чем, коэффициент использования шлаков в РФ составляет не более 60%. Вместе с тем, многолетний опыт передовых зарубежных стран и известные отечествешпле разработки, свидетельствуют о технологической возможности полной переработки всех видов металлургических шлаков в кондиционную товарную продукцию.. При этом особое внимание необходимо уделять максимальному извлечению металла из шлака и целенаправленному использованию товарной продукции для решения вопросов экологии и энергоэффективности технологического процесса.
В формировании качественного продукта из сталеплавильных шлаков определяющими являются условия затвердевания (охлаждения и кристаллизации) жидкого шлака. Исследование процессов затвердевания сталеплавильных шлаков представляет собой многоуровневую и достаточно сложную задачу на стыке фундаментальных и прикладных наук.
Разработка технологии и оборудования для получения качественного товарного продукта из шлаков требует проведения экспериментальных и практических работ по определению оптимальных грашгчньгх условий процесса, обеспечению необходимых надежности и работоспособности оборудования, технологической энергоэффективности и экологической безопасности производства.
Ожидаемый синергетический эффект (экология, энергетика, экономика) от разработки и внедрения новых технологий и оборудования для переработки жидких сталеплавильных
шлаков, обеспечивающих получение из них кондиционной товарной продукции и поэтапное решение экологической проблемы путем исключеїшя накапливания шлаков в отвалах, определяет актуальность постановки такой задачи и практическую значимость выполнения таких исследований.
Цель работы и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка одностадийной технологии переработки жидких сталеплавильных шлаков на основе процессов ускоренного затвердевания в товарную продукцию с необходимыми свойствами для прямого использования в металлургической и строительной отраслях. Технико-экономическое обосновшше внедрения инновационной технологии на металлургических предприятиях.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи.
-
исследовать зависимости физико-химических характеристик шлакового расплава от состава и температуры в процессе его охлаждения и затвердевания;
-
разработать математические модели гидродинамики, теплообмена и затвердевания в системе «шлаковый расплав - шаровая насадка» для определения технологических параметров работы оборудования с учетом термической стабилизации шлаков;
-
экспериментальным путем в лабораторных условиях отработать технологические режимы затвердеваїшя шлакового расплава в межшаровом пространстве, провести макетные испытания конструкпшных элементов оборудоваїшя, разработать компьютерную 3D модель визуализации кинематики процесса для расчета технико-технологических характеристик оборудования;
-
разработать технологические рекомендации по проектированию оборудования и изготовить опытно-промышленную установку номинальной производительностью 3 т/мин. Разработать технологический регламент переработки жидких сталеплавильных шлаков в товарную продукцию с необходимым комплексом свойств в условиях филиала ОАО «ОМК-Сталь» г. Выкса.
-
провести опытно-промышленное опробование технологии и оборудования на электропечных и ковшовых шлаках, исследовать опытные образцы полученной продукции и определить направления ее использования;
-
выполнить экологическое и технико-экономическое обоснование промышленного внедрения инновационной технологии переработки жидких сталеплавильных шлаков на основе процессов ускоренного затвердевания.
Научная новизна. В работе получены теоретические, экспериментальные и практические результаты, характеризующиеся научной новизной:
1. показано, что температура в центре шлаковой гранулы радиусом от 6 до 15 мм при абсолютном контакте с металлическими шарами, устанавливается ниже температуры солидус 1200С и шлак затвердевает за промежуток времени 8 < tcr < 45с, при этом средняя скорость затвердевания в зависимости от радиуса изменяется в пределах 0,76 - 0,32 мм/с. Подтверждено, что полученные временные и скоростные границы затвердевания
обеспечивают термігческую стабилизацию структуры двухкальциевого силиката (C2S) с преимуществеїшой кристаллизацией в P-C2S фазе без перехода в 7-C2S фазу и предотвращается силикатный распад сталеплавильных шлаков.
2. установлено оптимальное соотношение масс шлакового расплава с
М металлической шаровой насадкой равное —— = 0,12-=-0,17 при расходе охлаждающей воды
0-0,65 м3/т шлака для обеспечения энергоэффективности и высокой производительности от 3 до 30 т/мин, на основе исследования процессов гидродинамического течения, теплообмена и кинетики затвердевания жидких сталеплавильных шлаков.
3. на основе теплофизического моделирования определен оптимальный режим
теплообмена в диапазоне температур 700 - 1700С в шаровой насадке в процессе переработки
жидких шлаков, заключающийся в чередовании коротких циклов нагрева и охлаждения
шаров и предложен алгоритм для универсального расчета базовых элементов конструкции
оборудования и параметров технологии.
Практическая значимость и реализация работы. На основании выполненного комплекса теоретических и экспериментальных исследований:
-
Разработаны технология и оборудование переработки жидких сталеплавильных шлаков в товарную продукцию с необходимым комплексом свойств, позволяющие решить важную экологическую задачу, а также повысить энергоэффективность металлургических предприятий и получать качественную продукцию для строительной отрасли.
-
Разработано технологическое задание на проектирование оборудования для условий работы под ДСП-160 и, изготовлена опытно-промышленная установка «Барабанный кристаллизатор» максимальной производительностью 5 т/мин для реализации технологического процесса переработки металлургических расплавов независимо от химического состава с возможностью мониторинга и управления процессами ускоренного затвердевания, формирования структуры и фракционного состава готовой продукции.
-
Проведено опытно-промышленное опробование технологии переработки жидких сталеплавильных шлаков и установки «Барабанный кристаллизатор» секционного типа в условиях ЭСПЦ филиала ОАО «ОМК-Сталь» г. Выкса на электропечных и вторичных шлаках. Преимуществом технологии и оборудования перед известными аналогами является высокая производительность до 5 т/мин, низкие затраты энергии 1,2 кВт-чУт шлака и воды 0,65 м3/т шлака с получением товарной продукции непосредственно из жидких шлаков без накапливания шлаков в отвалах и использования дробильно-сортировочных комплексов.
4. Впервые в условиях ОАО «ОМК-Сталь» одностадийным методом ускоренного
затвердевания получена товарная продукция из жидких сталеплавильных шлаков по физико-
механическим характеристикам соответствующая ГОСТу 3344-83, при этом выход крупной
фракции щебня более 5мм составил 90% с влажностью менее 3% и устойчивой структурой
УС-1, что является конкурентным преимуществом получаемой продукции.
-
По разработаїшому технологическому заданию выполнен рабочий проект промьішлеішого участка для переработки жидких ковшовых шлаков ЭСПЦ филиала ОАО «ОМК-Сталъ» производительностью 25 тыс. т/год и принят инвестиционным комитетом ЗАО «ОМК» к промышленной реализации в 2014 г. Ожидаемый экономический эффект от внедрения мероприятий на ОАО «ОМК-Сталь» составляет более 42,7 млн. руб./год.
-
Предложено технологическое решение по возврату в производство вторичных шлаков, прошедших термическую стабилизацию, что позволит сократить затраты на утилизацию шлаков, обеспечить экономию материальных ресурсов в виде скрапа и флюсующих добавок, существенно повысить экологическую безопасность производства за счет исключения пылеобразования и накапливания шлаков в отвалах.
Основные научные положения, выносимые на защиту
-
Разработанная на основе исследования процессов ускоренного затвердевания инновационная технология переработки жидких сталеплавильных шлаков и созданное оборудование для реализации процесса в опытно-промышленных условиях.
-
Установленные технологические режимы ускоренного затвердевания жидких сталеплавильных шлаков и термической стабилизации структуры шлакового щебня, предотвращающие силикатный, известковый и кристаллохимический распад шлаков в порошок.
-
Результаты опытно-промышленного опробования технологии, оборудования и опытных образцов полученной товарной продукции, а также технико-экономическое обоснование.
Личный вклад автора заключается в организации и проведении экспериментальных и практических работ; постановке, решении и анализе математических задач, описывающих физические процессы, протекающие при работе установки; разработке технологии, элементов конструкщш оборудования, алгоритма управления технологическим процессом и нормативно-технической документации; анализе и внедрении полученных результатов.
Апробация работы. Основные положения работы были представлены на обсуждение и слушание: Международная конференция «Фундаментальные исследования и прикладные разработки процессов утилизации техногенных образований» «Техноген-2012». г.Екатеринбург, 13-15 июня 2012 г; XIIМеждународный конгресс сталеплавильщиков г. Выкса. 23-25 октября 2012 г; X Международная конференция «Новые тенденции рационального использования вторичных ресурсов и проблемы экологии». Москва, 14-16 ноября 2012 г; Научно-практическая конференция «Перспективы развития металлургии и машшюстроения с использованием завершенных фундаментальных исследований и НИОКР» «Техноген-2013», г. Екатеринбург, 1-4 октября 2013 г; XIX Международная промышленная выставка «Металл-Экспо» конкурс «Молодые учешіьіе» 2013 г.
Публикации
По материалам работы опубликовано 13 печатных работ, в том числе 4 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получено 3 патента на изобретения.
Структура п объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав с выводами, библиографического списка из 128 наименований, основных выводов и 4 приложений. Включает 181 страницу текста, 73 рисунка и 48 таблиц.
