Разработка энергоэффективной технологии использования техногенного металлургического сырья при производстве минераловатных изделий Матюхина, Анна Владимировна

Введение к работе

Актуальность работы. При существующих объемах образования металлургических шлаков на территории России в количестве до 90 млн. т твердых отходов в год в целом по отрасли их переработка ограничена получением ценных компонентов для самой металлургической отрасли, сельского хозяйства и дорожного строительства. Производство формованной волокнистой теплоизоляции для строительства из образующихся при производстве металлов шлаковых композиций является наиболее эффективным и экономически целесообразным способом сокращения шлаковых отвалов.

Многостадийный процесс производства волокнистых теплоизоляционных материалов, состоящий из стадий высокотемпературного плавления минеральных компонентов с получением подвижного расплава и распыления его с помощью центрифуг, завершается механическим формованием минеральной ваты в виде плоского ковра заданной толщины с введением в его состав жидкого связующего и последующей тепловой обработкой слоя в печах полимеризации. От степени совершенства этих этапов во многом зависят технико-экономические показатели всего процесса производства волокнистых теплоизоляционных материалов.

Поэтому проведенные научные исследования в области разработки новых эффективных технических решений модернизации существующего теплотехнического оборудования минераловатных заводов на основе изучения закономерностей процессов переплава техногенных отходов металлургического производства и природных материалов, тепловой обработки формованных теплоизоляционных материалов является актуальной задачей.

Цель и задачи работы. Целью работы является повышение энергоэффективности основных этапов получения минерального расплава в вагранках, производства волокнистых теплоизоляционных материалов в печах проходного типа на основе исследования особенностей плавления исходных компонентов, формования и тепловой обработки изделий из ваты.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1. На основе исследования закономерностей развития тепловой и газодинамической работы минераловатных вагранок разработать энергоэффективную технологию получения подвижного расплава.

2. С использованием особенностей деформации слоя минеральной ваты, слоевой сушки формованных минераловатных изделий, термического отверждения жидкого связующего определить рациональные параметры реализации энергоэффективной и ресурсосберегающей технологии получения формованных минераловатных изделий

3. На основании экспериментальных и расчетных данных разработать конструкцию тепловой камеры, обеспечивающей минимальные энергетические затраты на процесс при ограниченном объеме вредных выбросов в атмосферу.

Научная новизна.

1. Экспериментально показано, что отличительной особенностью тепловой работы минераловатной вагранки является наличие существенной неравномерности температурных полей с ярко выраженным периферийным движением газового потока при превышении теплоемкости потока газов над материалами. При организованном отборе газов из рабочего пространства вагранки закрытого типа в его центральной части выделяется зона повышенной интенсивности теплообмена (центральный ход). При удельном расходе

воздушного дутья 80 - 90 м /(м -мин) наблюдается повышенная эффективность получения минерального расплава при минимальном расходе кокса и максимальной производительностью.

3. 1. Разработана методология совершенствования конструкции и выбора оптимальных технологических параметров минераловатной вагранки.

   2. Впервые установлено, что формирование структуры минераловатного ковра при механическом уплотнении происходит в основном в первый период путем свободного перемещения волокон. Наиболее упругими свойствами обладает минераловатный слой при ограниченном количестве связки (до 2 - 3 %) или избытке связки (более 10,5 - 11,0 %), определяющей упругость сырых изделий.

   3. Определено, что при нагревании минерального ковра с распределенной в нем смеси органического и неорганического связующих упрочнение связки протекает в три периода: первоначального отверждения за счет процесса поликонденсации фенолформальдегидной смолы; умеренного снижения прочности при удалении конденсата и повторного упрочнения слоя органокремниевой связки.

   4. Показано, что процесс термического обезвоживания минераловатного ковра происходит в режиме фильтрации газов с образованием зон сушки и переувлажнения. При увеличении температуры теплоносителя до 205-280 ^оС независимо от плотности минераловатного ковра и скорости фильтрации до 0,62 - 0,65 м/с способствует сокращению необходимого времени тепловой обработки от 35 - 50 до 15 - 20 минут.

   Практическая значимость. 1. Показана возможность модернизации существующих минераловатных вагранок при достижении заданной производительности с удельным расходом кокса не выше 140 - 180кг/т, снижении объема вредных выбросов в атмосферу более чем в два раза и получением расплава требуемого состава и температуры.

   3. 4. 1. Определены рациональные параметры механического формования минераловатного ковра с введением до 10,5 - 11,0 % жидкого связующего.

         2. Установлены рациональные условия слоевой сушки для получения прочных минераловатных изделий при максимальной скорости фильтрации не более 0,62 - 0,65 м/с и температуре теплоносителя не более 205 - 280 ^оС.

         3. Показано, что при создании сужающего профиля рабочего пространства тепловых камер печи полимеризации при входе теплоносителя и расширяющегося при его выходе улучшается равномерность тепловой обработки изделий при увеличении производительности технологического агрегата до 15 - 25 %.

         4. Разработана методика связанных теплотехнических расчетов тепловой камеры и топочного пространства, позволяющая создать основы для реализации элементов безотходной, малозатратной и гибкой технологии переработки минерального сырья на волокнистую теплоизоляцию.

         Достоверность результатов и выводов подтверждается использованием проверенных методов исследований, а также тестированием полученных данных на основе их сравнительного анализа с результатами промышленных испытаний новых технических решений по модернизации минераловатного производства.

         На защиту выносятся:

         3. 4. 4. 1. Результаты исследований тепловой и газодинамической работы минераловатных вагранок с открытым и закрытым колошником.

                  2. Результаты теоретических и экспериментальных исследований закономерности развития процесса слоевой сушки при фильтрации теплоносителя и термического упрочнения модифицированной связки.

                  3. Способы управления физико-химическими процессами, происходящими в структуре минераловатного слоя при его механическом формовании и тепловой обработке.

                  4. Изменения конструкции камер для тепловой обработки минераловатного ковра.

                  Реализация работы. Оптимальные значения основных технологических параметров и способы их реализации использованы при разработке и модернизации минераловатных вагранок открытого и закрытого типа ряда отечественных заводов. Рациональная схема газопотоков, измененный профиль рабочего пространства тепловых камер и методика их теплового расчета использованы при разработке проектов реконструкции печей полимеризации технологических линий уральских заводов по производству теплоизоляционных материалов. Состав механической смеси органического и неорганического связующего испытан в промышленных условиях.

                  Апробация работы. Материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на Всероссийской научно-практической конференции «Энерго- и ресурсосбережение и нетрадиционные источники энергии» (г. Екатеринбург, 2004 г.); научно-практической конференции ГОУ ВПО «УГТУ-УПИ» (г.Екатеринбург, 2005 г.); Международной научно-практической конференции «Металлургическая теплотехника: история современное состояние, будущее. К столетию со дня рождения М.А.Глинкова» (г. Москва, МИСиС, 2006 г.); Международной конференции огнеупорщиков и металлургов (Москва, 2007 г.), на VH Всероссийской научно-практической конференции «Техника и технология производства теплоизоляционных материалов из минерального сырья» (г. Белокуриха Алтайского края, 2007 г.), ХV и ХVІ Международных конференциях «Теплотехника и энергетика в металлургии» (г. Днепропетровск, 2008, 2011 г.), Международной научно-практической конференции «Повышение качества образования и научные исследования» в рамках Сатпаевских чтений (Экибастуз, 2008, 2010, 2011 г.), Международном конгрессе по трубо - и печестроению (г. Москва, 2008 г.), Всероссийской научно-практической конференции «Теория и практика нагревательных печей в ХХ1 веке». Екатеринбург, 2010; научно-технической конференции «Металлургическая теплотехника как основа энерго- и ресурсосбережения в металлургии». Екатеринбург, 2010, научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития металлургии и машиностроения с использованием завершенных фундаментальных исследований и НИОКР», Екатеринбург: УрО РАН, 2011, I-ой международной интерактивной научно - практической конференции «Инновации в материаловедении и металлургии», г.Екатеринбург: УрФУ, 2012, международной научно - практической конференции «Теория и практика тепловых процессов в металлургии», г.Екатеринбург: УрФУ, 2012.

                  Публикации. По материалам диссертации опубликовано 42 печатных работы, из них 12 в источниках перечня ВАК.

                  Объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и приложений, изложена на 129 стр. машинописного текста включая 31 таблицы, 41 рисунок. Список использованной литературы включает 145 наименований.

                  Похожие диссертации на Разработка энергоэффективной технологии использования техногенного металлургического сырья при производстве минераловатных изделий

                  

                  Исследование и разработка технологии рециклинга отходов огнеупорных материаловТерре Александр Анатольевич

                  

                  Исследование и разработка эффективной технологии рециклинга замасленной окалины Тихонов Дмитрий Николаевич

                  

                  Исследования и разработка основ технологии электрококсовой переработки цинк-железосодержащих шламов с целью создания комплекса пирометаллургического извлечения цинкаУшакова Мария Викторовна

                  

                  Исследование, разработка и внедрение технологий переработки никелевых и медных техногенных отходов с получением готовой металлопродукции Задиранов Александр Никитович

                  Разработка процесса восстановительного обжига медеплавильных шлаков для технологии нейтрализации кислотных растворовХарченко, Елена Михайловна

                  

                  Разработка технологии производства огнеупорных изделий из алюмотермитных композиционных материалов с использованием вторичного сырья Рязанов Сергей Алексеевич

                  

                  Разработка рецептуры и технологии производства косметических изделий с использованием экстракта виноградаБондакова Марина Валерьевна

                  

                  Разработка технологии использования хмелевого экстракта в производстве хлебобулочных изделийБелокурова Елена Владимировна

                  Разработка технологии использования цельной крови лошади в производстве комбинированных вареных колбасных изделийУразбаев, Жуматай Зейноллаевич

                  

                  Обоснование и разработка технологии каротинсодержащих продуктов с использованием бурых водорослей для производства мучных кондитерских изделий и их товароведная оценкаСтодольник Любовь Николаевна