Исследование и разработка способов безобжигового производства окускованного материала из высоковлажных железосодержащих шламов

ВВЕДЕНИЕ

Оценка современного состояния решаемой научной проблемы
В настоящее время многие металлургические предприятия испытывают трудности с качественным сырьем, что также влечет за собой экологические проблемы. Например, увеличение «хвостов» и шламов, следовательно, и шламоотвалов. Следует отметить, что добыча полезных ископаемых с течением времени смещается во все более трудно достигаемые географические зоны, вследствие чего стоимость первичного сырья постоянно растет.
Актуальность дипломной работы. Тенденция ухудшения качества сырья заставляет разрабатывать новые способы переработки и использования отходов металлургического производства. При этом по технологическим характеристикам многие отходы даже превосходят руды, добываемые из недр. Безобжиговое получение окускованного материала является наиболее экономически выгодным по сравнению с другими способами использования отходов металлургического производства.
Целью дипломной работы - поиск решений получения окускованного материала из техногенных тонкодисперсных, жидких железосодержащих и углерод-содержащих отходов металлургического производства, позволяющих достигать устойчивых результатов безобжигового упрочнения в широком диапазоне изменения химического состава и свойств шихты на основе железо- содержащих отходов АО «АрселорМиталл Темиртау» и подбор связующих для безобжигового окускования при решении проблемы утилизации всех отходов современного металлургического предприятия с полным циклом производства.
Задачи дипломной работы. Использование внутренних отходов производства вместо сырья, а также решение экологических проблем, связанных с техногенными отходами.
Объектом дипломного исследования является изучение и анализ способов безобжигового производства и применение технологии относительно основе железо-содержащих отходов АО «АрселорМиталл Темиртау».
Научная новизна. Заключается в том, что брикетирование осуществляется безобжигогим методом, что позволяет исключить целую стадию технологического процесса.
Практическая значимость. В данной работе приведены результаты исследования использования шламоизвестковых смесей различных по химическому составу для получения безобжигового окускованного материала. Разработана технологическая схема и подготовлено технико-экономическое обоснование.
Теоретической и методологической базой являлась новейшая доступная информация и опыт современных металлургических предприятий в утилизации и вторичном использовании отходов производства.
Практическая база написание дипломной работы. Практической базой дипломной работы были лаборатория кафедры «Теплоэнергетика и металлургия» и ЦЗЛ АО «АрселорМитталТемиртау».

СОДЕРЖАНИЕ
Введение 4
1 Анализ состояния проблемы по утилизации 5
железосодержащих отходов металлургического производства
1.1 Виды, образующихся железосодержащих пыли и шламов 5
1.2 Существующие направления утилизации 7
1.3 Анализ существующих способов окомкования шламов 21
1.4 Выбор типа вяжущих веществ для окомкования 34
2 Исследование процессов химического обезвоживания кальций 42
содержащими материалами
2.1 Выбор связующего для безобжигового окомкования 42
2.2 Исследование процессов обезвоживания 43
2.3 Исследование процессов безобжигового окускования 55
3 Разработка технологии безобжигового окускования и 62
практических рекомендаций по промышленному внедрению
4 Обзор фирм, предлагающих необходимое оборудование 74
4.1 Смесительное оборудование 74
4.2 Прессовальное оборудование 79
4.3 Гидроциклоны 80
4.4 Заключение и рекомендации 83
5 Технико-экономическое обоснование на проектирование 84
отделения по утилизации железосодержащего шлама газоочисток конвертерного цеха АО «АрселорМиттал Темиртау»
5.1 Общие сведения о проекте 84
5.2 Сооружения, оборудование, автотранспорт и списочный 85
состав
5.3 Исходные данные для расчета 85
5.4 Затраты на строительство отделения по утилизации 87
конвертерного шлама и ее эксплуатация
5.4.1 Капитальные затраты 87
5.4.2 Эксплуатационные затраты 87
5.5 Экономическая эффективность и окупаемость отделения по 88
утилизации конвертерного шлама
5.5.1 Прибыль от уменьшения платежей за складирование отходов 88
5.5.2 Прибыль от замены привозного сырья 89
5.5.3 Прибыль от уменьшения платежей за загрязнение 89
окружающей среды
5.5.4 Экономическая эффективность и окупаемость отделения 90
Заключение 91
Список использованной литературы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Общие выводы по работе

1. Одной из причин сдерживающих использования железо- и углерод- содержащих шламов в качестве вторичного сырья для металлургического передела это повышенная влажность и мелкодисперсность твердых составляющих, а также отсутствие комплексных технологий обезвоживания и окускования с максимальным использованием ресурсных, топливных и технологических свойств.
2. Одним из путей повышения эффективности подготовки шлама к утилизации является использование синергического эффекта, т.е. одновременного применения явлений химического обезвоживания и самоотвердения при обработки шламовой пульпы активными обезвоживающимися компонентами из числа отходов смежных производств. Наиболее простым является способ химического обезвоживания кальций- и магнийсодержащими материалами в качестве которых с наибольшей эффективностью можно использовать пылевидные отходы, образующиеся при производстве извести и обожженного доломита.
3. Установлено, что химическое обезвоживание шламовой пульпы происходит по двухстадийному механизму. Первая стадия процесса протекает в кинетической области, характеризующейся экзотермической реакцией взаимодействия обезвоживающего компонента с водой с образованием гидрооксида кальция с водой и заканчивается максимальным повышением температуры смеси и сопровождается ростом скорости обезвоживания. Интенсивность этой стадии процесса зависит от степени перемешивания и максимальной областью соприкосновения реагирующих веществ и активностью СаО. При этом происходит деформация поверхности адсорбированного слоя известковых частиц, формирование более прочной кристаллической структуры Са(ОН)2, которая цементирует образовавшуюся шламоизвестковую массу в комки.
4. Вторая стадия процесса протекает в диффузионной области и лимитируется переносом молекул воды через тонкий диффузионный пограничный слой, образовавшийся на поверхности частиц обезвоживающего материала к данному моменту времени. На второй стадии обезвоживания начинается твердение смеси, вызванное пересыщением влажной смеси гидрооксидом кальция. Центрами кристаллизации являются металлические частицы шлама (оксиды железа). Кристаллы гидрооксида и карбоната кальция срастаются с другими оксидами, присутствующими в шламе, в сравнительно прочную и твердую массу.
5. Для интенсификации процесса химического обезвоживания предлагается использование смеси из известковой и доломитовой пыли, что позволяет сократить продолжительность первой стадии химического обезвоживания и дает дополнительный эффект увеличения прочностных характеристик

твердеющей шламоизвестковой смеси, что можно использовать при создании технологии производства формованных материалов.
6. В результате проведения работы предложены способ подготовки жидких отходов производства для разработки технологий производства комплексных железо-углерод-содержащих композиционных вторичных материалов нового поколения для переделов металлургического производства. Таким образом, поставленная задача иcследований выполнена полностью.
Обоснованные теоретические положения и результаты лабораторных исследований открывают возможности для создания новых перспективных технологий получений комплексных и композиционных вторичных материалов и товарных продуктов из техногенных отходов производства, которые решают не только проблемы материальных ресурсов, но и экологические проблемы горно-металлургического комплекса.

Оценка полноты решения поставленных задач

В результате анализа литературных данных и проведения лабораторных исследований и опытно-промышленных испытаний предложен способ химического обезвоживания техногенных жидких отходов производства в железосодержащих шламов с использованием активных обезвоживающих компонентов в качестве которых были предложены кальций- и магнийсодержащие отходы собственного производства.
В результате проведения первого этапа работы предложены способ подготовки жидких отходов производства для разработки технологий производства комплексных железо-углерод-содержащих композиционных вторичных материалов нового поколения для переделов металлургического производства. Таким образом, поставленная задача первого этапа исследований выполнена полностью.

Разработка рекомендаций и исходных данных по конкретному использованию результатов исследований

На основании результатов работы разработана технологическая схема подготовки железосодержащих шламов для дальнейшего производства наноструктурных композиционных железо-углерод-содержащих материалов для переделов металлургического производства. Подготовлены рекомендации по закупке и компоновке необходимого оборудования.

Оценка технико-экономической эффективности.

Эколого-экономическая оценка использования углеродсодержащих отходов и окускованного материала, получаемые по предложенным способам показывает высокую эффективность при относительно небольших затратах на практическую их реализацию.


Оценка научного уровня выполненной работы в сравнении с лучшими достижениями в данной области

Установленные новые кинетические закономерности химического обезвоживания шламов повышенной влажности пылевидными известьсодержащиими техногеннымии отходами производства извести и обоженного доломита позволили разработать способ подготовки жидких отходов с реализацией синергического эффекта, т.е. обезвоживания и твердения, что позволит значительно упростить технологию получения наноструктурных комплексных железо-углерод-флюсосодержащих материалов при максимальном использовании ресурсных, топливных и технологических свойств отходов производства.
Обоснованные теоретические положения и результаты лабораторных исследований открывают возможности для создания новых перспективных технологий получений комплексных и композиционных вторичных материалов и товарных продуктов из техногенных отходов производства, которые решают не только проблемы материальных ресурсов, но и экологические проблемы горно-металлургического комплекса.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Крижевский А.З., Падерин И.Д. Снижение потерь железа за счет сокращения образования шламов в аглодоменном производстве // Металлургическая и горнорудная промышленность. 1989.- № 1.- С. 1-3.
2. Варишников В.Г., Горелов А.М. Вторичные материальные ресурсы черной металлургии // Справочник. - М. - 1986.
3. Остапенко П.Е., Мясников Н.Ф. Безотходная технология переработки руд черных металлов.- М.: 1988.- 84с.
4. Иванов Н.И., Литвинов В.К. Высокотемпературные процессы переработки шламов металлургического производства // Черная металлургия: Бюл. ин-та "Черметинформация"- М.: 1989.- Вып.6.- С. 20-28.
5. Равич Б.М. и др. Комплексное использование сырья и отходов/ В.П.Окладников, В.Н.Лыгач и др.- М.: 1988.- 300 с.
6. А.И.Гиммельфарб, Е.Н.Ярхо, М.Я.Левин Утилизация шламов и пыли, содержащих цветные металлы // Проектирование предприятий черной металлургии: Сб.науч.тр. Гипромез. - М.: 1980. - № 16. - С. 30-34.
7. Корж А.Т., Голубов А.Ф. Подготовка и использование железосодержащих шламов // Черная металлургия: Бюл. ин-та "Черметинформация".- М.: 1988.- №.6.- С. 45-46.
8. Пак Ю.А., Югов П.И. Шлакообразующие материалы для конвертерной плавки // Черная металлургия: Бюл. ин-та "Черметинформация".- М.: 1988.- № 10.- С. 2-18.
9. Хайдуков В.П., Рябов В.В. Использование ожелезненной извести в конвертерной плавке // Черная металлургия: Бюл. ин-та "Черметинформация".- М.: 1986.- №.18.- С. 43-46.
10. Роговцев Н.М., Литвинов Л.Ф. Технологическая линия производства ожелезненной извести для кислородных конвертеров // Черная металлургия: Бюл. ин-та "Черметинформация".- М.: 1986.- № 13.- С. 39, 40.
11. Соколова Т.Г., Марко Б.Л. Металлургические свойства ожелезненной извести // Металлург – 1987 - № 7.- С.17-20.
12. Базильевич С.В. Окатыши // Металлург - 1973 – № 11 - С. 10-11.
13. Копырин И.А., Лукин П.Г., Мещерякова Н.И. Брикетирование // Бюл. Черметинформации. Черная металлургия. М.: 1975.- № 13.- С. 24-29.
14. Сычев М.М., Сазонов А.М. Состояние воды в цементных пастах. // Нестроительные вяжущие вещества. Л.: Ленинг. технолог. ин-т им. Ленсовета, 1975 - С. 84-87.
15. В.Е. Маркова Физико-химическое исследование гидрооксихлоридов магния // Редкол. ЖФХ АН СССР. М. - 1973.- 19 с. Рукопись деп. в ВИНИТИ 3.03.73, № 5346 – 73 деп.
16. А.с. 551247 СССР, Способ подготовки фосфорного сырья к возгонке фософра / А.В. Смородинников, В.Е. Лотош, А.Г. Жунев. Опубл. в БИ, 1977,
№11.

17. Витюгин В.М. Исследование процесса гранулирования окатыванием с учетом свойств комкуемых дисперсий. - Томск: Политехнический ин-т, 1975. – 280 с.
18. Воюцкий С.С., Зайончковский А.Д., Рубина С.И. К вопросу о причинах гранулирования порошковых тел // ДАН СССР.- 1951. - т. 78, № 2.- с. 307-310.
19. Жуховницкий А.А., Шварцман Л.А. Физическая химия.- М.: Металлургия, 1968.- 216с.
20. Ильин Б.В. Природа адсорбционных сил.- М.: Гостехтеоретиздат, 1952.
21. Зисман Г.А., Тодес О.М. Курс общей физики: Учебник для высших учебных заведений.- М.: Физматгиз, 1969.
22. Дерябин В.А., Попель С.И. Термодинамическое определение сил, стягивающих частицы жидкой прослойкой // Изв. вузов. Черная металлургия.- 1975.- № 4.- С. 22-26.
23. Исаев Е.А., Гречкин А.Ю. О расчете сил сцепления двух частиц под влиянием жидкостной прослойки между ними. // Изв. вузов. Черная металлургия.- 1977.- № 11.- С. 51-54.
24. Лотош В.Е., Ефимов А.Л. Окускованные материалы // Сталь.- 1973.- № 3.- С. 204-206.
25. Хинт И.А. Основы производства силикальцитных изделий.- Л.; М.: Госстройиздат, 1962.
26. Лотош В.Е. Современные технологии брикетирования // Сталь.- 1973.-
№ 6.- С. 485-487.
27. Лотош В.Е., Жунев А.Г. Методы упрочнения окатышей на цементных связках гидратационного твердения // – Обзорная информация Черметинформации.- 1974.- Сер. 3, № 6.- с. 1-20.
28. Лотош В.Е. Гранулометрический состав шихты с наименьшей порозностью. // Изв. вузов. Черная металлургия.- 1974.- № 10.- с. 26-29.
29. Бутт Ю.М., Рашкович Л.Н. Твердение вяжущих при повышенных температурах.- М.: Госстройиздат, 1961.
30. Есипова Л.Н., Михайлов Н.В. Исследование взаимодействия структурированных (контактных зон) оболочек, образующихся на поверхности зерен наполнителя при твердении цемента, методом профилограмм. // ДАН СССР.- 1970.- т. 192, № 4.- с. 853-855
31. Лотош В.Е., Ефимов А.Л. Автоклавное упрочнение // Сталь.- 1973.- № 3.- с. 204-206.
32. Лукьянова О.И., Варламов В.П., Ребиндер П.А. Об условиях образования контактных зон в дисперсных структурах некоторых гидросиликатов и гидроалюминатов кальция. // ДАН СССР.- 1970.- т. 192, № 6.- с. 1303-1306.
33. Окунев А.И., Лотош В.Е. Цементные связки // Цветные металлы.- 1966.-
№ 5.- с. 53-57
34. Хинт И.А. Основы производства силикальцитных изделий.- Л.; М.: Госстройиздат, 1962.

35. Есин О.А., Гельд П.В. Физическая химия пирометаллургических процессов. Ч. 1.- Свердловск: Госметаллургиздат, 1962.
36. Равич Б.М. Брикетирование руд и рудно-топливных шихт.- М., «Недра», 1968. 120 с. с иллюстрациями
37. Корж А.Т., Голубов А.Ф. Особенности технологии подсушки шламов известью // Черная металлургия: Бюл. ин-та «Черметинформация».- М.: 1991.-
№. 5.- с. 49-50.
38. Предварительный патент KZ. № 4005. Способ обезвоживания шлама / Ибраев И.К., Мирко В.А., Головкин В.К., и др. - Бюлл. промышленная собственность KZ. 16.12.96.
39. Патент на полезную модель KZ № 586 .Комплекс для брикетирования сыпучих материалов / Ибраев И.К. Вишнев И.С. Ахылбеков Ж.З. Торговец А.К.
- Бюл. № 10 от 15.10.2010 г.
40. Патент KZ № 23987. Способ безобжигового окускования / Ибраев И.К. Ибраева О.Т. Акбердин А.А. - Бюл. № 5 от 16.05.2011 г.
41. Коротич В.И. Теоретические основы окомкования железорудных материалов.- М.: Металлургия, 1966
42. О «Лѐдиге» //loedige.de/index.php?a=542
43. Растворосмеситель MN-250. Металлургическое оборудование
//strojstavsfo.ru/metallurgicheskoe-oborudovanie/rastvorosmesitel-mn250
44. О компании «Экоэнергия» //ecoenergy.com.ua/%D0%BE-
%D0%BA%D0%BE%D0%BC%D0%BF%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D0%B8
45. Гидроциклон напорный. Технические характеристики и их применение
// zko-ural.com/gidro.html
46. Гидроциклон ГЦК-1000 // toodfed.kazprom.net/p948326-gtsk-1000.html