CC BY
91
УДК 662:502.03:.541.11 В.Е. Трушников
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕРМИЧЕСКОГО УПРОЧНЕНИЯ ОКАТЫШЕЙ ИЗ МЕЛКОДИСПЕРСНЫХ ФОСФАТНО-МАГНИЕВЫХ ОТХОДОВ
Представлены результаты экспериментальных исследований термического упрочнения окатышей из мелкодисперсных техногенных отходов, содержащих фосфор и магний, при получении плавленых магниевых фосфатов. В лабораторных условиях установлены показатели пористости, режимы сушки и термической обработки. Установлена закономерность изменения прочности окатышей от содержания оксида магния при термической обработке. Испытания в условиях опытного производства позволили получить данные, необходимые для проектирования технологического процесса термического упрочнения окатышей. Окатыши соответствуют предъявляемым требованиям, процент класса более 5 мм составил не менее 86,4%.
Ключевые слова: окатыши, сушка, термическая обработка, мелкодисперсные техногенные отходы, оксид магния, плавленые магниевые фосфаты, моделирование, оксид магния, плавленые магниевые фосфаты, плавление, модуль кислотности шихты.
Т^еализация стратегии социально-ЛГ экономического развития России до 2020 года, обеспечения экономической безопасности страны связана с необходимостью существенного повышения эффективности отечественного производства, конкурентноспособности продукции. На стадии добычи сырья некондиционное сырье отправляется в хвостохранилища, которые занимают значительные земельные площади, вызывая техногенные загрязнения. Основная проблема предприятий заключается в использовании морально и физически устаревшего технологического оборудования. Эффективная политика технического развития и перевооружения возможна путем реализации снижения затрат предприятий, включая переработку техногенных отходов, повышения конкурентноспособности продукции и увеличения производительности труда путем повышения результативности производства.
В работе [1] были рассмотрены вопросы окомкования мелкодисперс-ных техногенных фосфатно-магние-вых отходов (хвостов магнитной сепарации и отвальных хвостов гравитации Ковдор-ского ГОКа, мелочи фосфоритов, которая является отходом в производстве фосфора), которые можно перерабатывать термическим методом в плавленые магниевые фосфаты. Поскольку отходы относятся к плохо комкуемым материалам, в качестве связующего в результате проведенных исследований был выбран раствор жидкого натриевого сырья. Были получены сырые окатыши крупно-стью15-20 мм, оптимальной влажностью 9-9,3%, прочностью 16-19 н/ок. Поскольку в реальных условиях прочность определяется разрушающим усилием силы на окатыш (Р н/ок), этот параметр наиболее важен для практики.
Состав рассматриваемых шихт представлен в табл. 1
Таблица 1
Химический состав исследуемого сырья, % (без учета содержания бадделеита и прочих)
Сырье Р2О5 MgO CaO 8ІО2 СО2 Al2Oз Fe2Oз Na2O К2О 8 F
№ 1 8,93 22,51 23,43 22,82 8,66 3,31 4,34 0,61 1,60 0,07 0,73
№ 2 14,95 13,52 30,17 20,60 7,54 2,60 4,16 0,44 0,93 0,06 0,77
№ 3 11,90 17,61 27,83 19,94 8,56 2,80 4,85 0,34 1,03 0,07 0,23
№ 4 3,64 28,31 18,24 23,76 10,08 3,71 5,06 0,58 1.94 0,08 0,18
Исследование термической стойкости окатышей производили на установке, принципиальная схема которой изображена на рис. 1. Перед проведением опытов включают печь, открывают вентиль подачи воздуха, расход воздуха регулируется ротаметром и составляет 0,033 м3/мин., что соответствует скорости фильтрации
1,6-1,8 мм/мин и моделирует движение теплоносителя через слой окатышей. Опыты начинали производить при достижении в печи заданных значений температуры. Для определения термостойкости сырых гранул применяли метод теплового удара. По этому методу 5 сырых гранул, уложенных в корзинку из нихрома, быстро вводят в вертикальную печь сопротивления, предварительно на-
4
Рис. 1. Принципиальная схема установки для определения термической стойкости окатышей: 1- печь СУОЛ- 25; 2 -ротаметр РС- 10; 3 - регулятор давления СДВ- 25; 4- фильтр воздушный ФВ 25-02; 5 - каплеотбойник; 6 - термопары; 7 -блок управления печью; 8 - потенциометр КСП- 4
гретую до заданной температуры. Продолжительность пребывания гранул в печи составляет 20 мин. После выдержки гранулы из печи вынимаются, охлаждаются и рассматриваются под 14- ти кратным увеличением для установления наличия поверхностных трещин. Температура последовательно повышалась с интервалом 50 К до тех пор, пока не возникали явления трещинообразования и взрывообразного «шокового» разрушения. Для каждого испытания использовались свежие партии сырых окатышей.
С увеличением размера окатышей термостойкость их снижается, следовательно, и температурно-временной режим сушки окатышей разного размера будет различен. Исходя из того, что полученные при гранулировании окатыши имеют в основном размер 15- 20 мм, для опытов были взяты окатыши этого диаметра.
Установлено, что термостойкость окатышей зависит также от скорости теплоносителя, от пористости [2]. Значительное влияние на термостойкость окатышей оказывает введение связующих добавок.
Скорость сушки окатышей определяется скоростью самого медленного звена процесса. Малая скорость сушки при температурах менее 373 К объясняется отно-
5
2
3
сительно низким давлением паров воды внутри окатыша. При температурах выше 373 К давление пара внутри окатыша возрастает. Пропорционально увеличению давления ускоряется и движение воды в направлении, обратном диффузионному сопротивлению. Лимитирующим звеном процесса, в этом случае, является диффузия паров воды в атмосферу.
Проведенными опытами установлено, что разрушение окатышей с жидким стеклом при температуре до 523 К не наблюдается. Выше этой температуры указанные окатыши не нагревали, так как их максимальное упрочнение достигается при 453- 473 К, при этой же температуре удаляется вся влага и дальнейшее повышение температуры в технологическом процессе будут испытывать уже сухие окатыши.
Одним из важных параметров является также пористость, объемная доля пустот, которая влияет на все свойства окатышей.
Пористость окатышей в данной работе определяли по формуле (1):
Q = Рист- Рклж ,шо%. (1)
Рист
Истинную плотность (Рист ) определяли как отношение массы материала к его объему без пор. Массу материала без пор определяли пикнометрическим способом. Во взвешенный пикнометр высыпали взвешенную измельченную пробу окатыша и заливали спирт, заполняющий поры частиц. С учетом объема спирта и его плотности определяли объем пробы материала без пор.
Кажущаяся плотность (рКАЖ)- отношение массы тела ко всему объему. Для ее определения из общей пробы выбирали окатыши с определенной массой и диаметром. Образец на несколько секунд погружали в расплавленый пара-
фин, масса которого известна. Образец в парафиновой рубашке взвешивали, замеряли объем окатыша в парафиновой рубашке по объему воды, вытесненной образцом. Затем, зная массу парафина и его плотность, определяли массу окатыша и его объем без парафиновой рубашки. Проведенные исследования показали, что все окатыши, полученные из исследуемых шихт с применением в качестве связующих жидкого стекла или фосфорной кислоты имеют пористость в интервале 33- 39 %, причем с увеличением содержания в сырье фракции -0,074 мм от 70 до 80 % пористость возрастает с 33 до 39 %.
Полученные значения пористости соответствуют принятым нормам, так как объемная доля пустот не должна быть очень низкой (около 20 %), в противном случае при термической обработке окатыши разрушаются [2]. Между стойкостью при быстром наг-реве и пористостью, таким образом, существует тесная взаимосвязь. С увеличением пористости окатышей возрастает стойкость их к быстрому нагреву.
Механизм упрочнения окатышей в процессе сушки и термической обработки исследован довольно подробно для железорудных окатышей, наиболее полное обобщение этого процесса приведено в работе [2].
Для фосфатно-магниевого сырья из отходов мелочи фосфоритов и хвостов обогащения в данной работе предстояло выявить склонность окатышей к сушке.
На рис. 2 показана зависимость изменения влажности окатышей от времени сушки при постоянной температуре 423 К. На графиках отрезок АВ соответствует постоянной скорости сушки, кривая ВС соответствует этапу снижения скорости сушки. Эта зависимость позволяет сделать вывод, что сушка окатышей диаметром 18- 20 мм в изотер-
Рис. 2. Зависимость изменения влажности окатышей от времени сушки при температуре 423 К: 1 - окатыши диаметром 12-15 мм; 2 - окатыши диаметром 18-20 мм Связующее - жидкое стекло (4,9 % в пересчете на SiO2)
мических условиях при температуре 423 К (с остаточной влажностью 0,3 %) практически осуществляется за 6 мин.
Так как лимитирующим звеном процесса термической обработки является диффузия паров воды из окатыша в атмосферу, то существенным в процессе сушки слоя окатышей является определение зависимости изменения влажности окатышей от времени сушки при температурах около 370-470 К в начальный момент сушки в неизотермических условиях. Эти зависимости необходимо рассмотреть вследствие того, что нижние слои окатышей еще не прогрелись (при верхней подаче теплоносителя, так как сырые окатыши укладываются на металлические паллеты, подача теплоносителя снизу не эффективна) они переувлажняются, диффузия паров воды из них уменьшается. Все это может привести к «шоковому» разрушению при повышенных температурах термической
обработки в начальный период. Если окатыш содержит достаточное количество коллоидных частиц, которые после его высыхания затвердевают и образуют мостики между более крупными зернами шихты, то его прочность возрастает. Увеличение числа коллоидных частиц связано с увеличением числа контактов, что ведет к росту сил адгезии.
Высушенные окатыши, полученные методом безоб-жигового упрочнения, прочностью более 500 н/ок., подаются в бункер плавильного агрегата, из которого по течкам в виде столба шихты поступают в зону расплава. Исследование зависимости прочности окатышей от температуры при поступлении в зону расплава позволит рассчитать технологические параметры подачи шихты. Поэтому в данной работе были также рассмотрены и выявлены закономерности прочностных характеристик окатышей от температур термической обработки.
В данной работе для определения зависимости прочности окатышей от температуры нагрева окатыши, высушенные при температуре около 470 К, диа-метром17-18 мм укладывали в кварцевую трубку с внутренним диаметром 19 мм, помещенную в печь (рис. 1). К столбу окатышей прикладывали нагрузку, увеличивая ее до тех пор, пока нижний окатыш при измеряемой температуре не начинал разрушаться.
На рис. 3 приведены результаты исследования влияния температуры термической обработки на прочность окаты-
р
373 573 773 973 1173 1 373 1473 Т. К
Рис. 3. Закономерность изменения прочности окатышей от температуры термической обработки: 1 - шихта № 1, 4,9 % жидкого стекла в пересчете на SiO2; 2 - шихта № 2, 4,9 % жидкого стекла в пересчете на SiO2
шей, шихта № 1 и № 2, связующие даны в пересчете на сухой остаток.
Максимальные значения прочности достигаются при температурах 450- 490 К, за счёт интенсивной полиме-ризации геля кремниевой кислоты и его коагуляции.
При более высокой температуре протекает процесс разрушения геля кремне-кислоты, сопровождающийся выделением паров воды, что приводит к уменьшению прочности окатышей. Но с дальнейшим ростом температуры начинается образование силикатов натрия в результате взаимодействия диоксида кремния SiO2 с №ОН, а затем и с №2С03, а также натриево-каль-циевых метасиликатов в присутствии СаС03 . Образование последних, несомненно, будет протекать значительно интенсивнее, поэтому в ин-
тервале температур 870- 1120 К кривая становится менее крутой, темп падения прочности значительно замедляется.
Анализ исследований по определению температурных зон фосфорных печей [3] показывает, что окатыши будут поступать в зону расплава, нагреваясь до температуры 730 К и имея прочность 520590 н/ок., учитывая опыт металлургической промышленности, это удовлетворяет условиям для окатышей, находящихся в печи и поступающих в зону расплава [4].
Установленная закономерность изменения прочности окатышей от температуры термической обработки описывается математическим уравне-нием (2): k 2
у = (650 + —) -10( х - 473)
, (2)
где: у- прочность окатышей, н/ок; к- содержание MgO в шихте; х - температура, К, при этом 473 < х < 773.
Определение п рочн ости сухих и упрочненных окатышей производили на прессе ПСУ, при одноосном сжатии их между двумя параллельными пластинами, при постоянной скорости движения пластин 3 мм/мин., по ГОСТ 24765- 81. Окатыши, полученные с применением связующих и безобжигового упрочнения, которые имели прочность более 500 н/ок.,
Таблица 2
Прочностные характеристики окатышей
Показатели Шихта
1 2 3 4
^-процент класса более 5 мм после испы- 87,20 87,82 86,41 87,91
таний
*2 -процент класса менее 0,5 мм после испытаний 8,22 8,14 8,39 8,16
подвергали испытаниям на механическую прочность и истирание по ГОСТ 15137- 78. Пробу окатышей массой 15 кг загружали в стан-дартный барабан и вращали со скоростью 24- 26 об/мин. в течение 8 мин., диаметр загружаемых окатышей составлял 18-22 мм. Показатели прочности XI (%) и истираемости %2 (%), рассчитываются по уравнениям (3-4):
да, -100
*1 =—----------, (3)
т
т2 -100
*2 =—---------- , (4)
т
где: т, т1, т2 - соответственно: масса пробы (15 кг), масса класса более 5 мм в пробе после испытания, масса класса менее 0,5 мм в пробе после испытания.
Результаты испытаний на механическую прочность и истирание по барабанной пробе ГОСТ 15137- 78 сведены в табл. 2. Содержание Р205 и MgO в шихтах приведены в табл. 1. Результаты испытаний удовлетворяют предъявляемым требованиям.
Таким образом, при использова-нии в качестве связующего жидкого стекла необходима сушка и терми-ческая обработка при 470 К, что позволяет получить окатыши проч-ностью 750- 780 н/ок.
Дальнейшие исследования характеристик окатышей в процессе сушки проводили на опытной установке, имитирующей обжиговую конвейерную машину (в агломерационной чаше диаметром 250 мм и высотой 750 мм) и в опытном цехе фосфорного завода в г. Тольятти на обжиговой конвейерной уста-
новке. Концы термопар устанавливались в центре окатышей, которые формировались вручную вокруг термопары, их диаметр составлял 17- 20 мм.
По показаниям этих термопар судили о температуре окатышей по высоте слоя. Необходимость проведе-ния этих исследований заключается в том, что в реальных условиях сушки капиллярный влагообмен происходит в неизотермических условиях при наличии непостоянного градиента температуры. Поэтому для фосфатно-магниевых окатышей необходимо выявить технологические параметры режима термической обработки при температуре окатышей около 470 К.
В процессе сушки происходит перераспределение влаги по высоте слоя окатышей и наблюдается переувлажнение нижележащих слоев окатышей. Переувлажнение окатышей приводит к увеличению выхода мелочи после сушки. Результаты исследований процесса сушки окатышей показали, что высота слоя загружаемых окатышей ограничивается образованием зоны чрезмерного переувлажнения, вследствие чего переувлажненные окатыши теряют прочность и выход мелочи может превышать допустимые значения. После проведенных испытаний была выбрана высота слоя окатышей на обжиговой установке 340 мм. Вследствие того, что температура в слоях окатышей не постоянна, установлено, что оптимальная средняя прочность 730- 770 н/ок. достигается при подаче теплоносителя в слой окатышей при температуре 530 К в течение 920 с, при скорости теплоносителя 0,5 м/с, выход мелочи (менее 5 мм) после сушки не превышал 5,26%. Средняя влажность окатышей после сушки составляет 0,9- 1,0 %. Эти величины удовлетворяют предъявляемым требованиям к окатышам.
1. Трутников В.Е. Исследование комкуемости мелкодисперсного сырья из отходов мелочи фосфоритов и хвостов обогащения, содержащих фосфор и магний, для электротермического получения удобре-ний // Горный информационноаналитический бюллетень, № 12, 2009.- с.83- 90.
2. Маерчак Ш. Производство окатышей.-М.: Металлургия, 1982.- 232 с.
3. Разработка модели тепловых расчетов электротермических агрегатов, работающих на агломератах, бедных кусковых рудах и окатышах: Отчет о НИР (заключительный) / АЭИ.-№ ГР 81054395.- Алма-Ата, 1982.- 56 с.
4. Kojima Kiyosi J. Iron and Steel Inst. Jap.-1987, 73,№ 4.- p. 103-107 (ян). П
— Коротко об авторе -----------------------------------------------------------
Трутников В.Е. - кандидат технических наук, доцент, Ульяновский государственный технический университет, tvye@yndex.ru
------------------------------------------------------------- РУКОПИСИ,
ДЕПОНИРОВАННЫЕ В ИЗДАТЕЛЬСТВЕ
МОСКОВСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ГОРНОГО УНИВЕРСИТЕТА
Мельник В.В. д.т.н., профессор кафедры ПРПМ,
Кайдо И.И., к.т.н., доцент кафедры ПРПМ,
Кириченко И.С., аспирант кафедры ПРПМ,
Московский государственный горный университет,
СКВАЖИНАЯ РАЗГРУЗКА ДЛЯ ДЕЗИНТЕГРАЦИИ ПОДКРОВЕЛЬНОЙ ТОЛЩИ МОЩНЫХ УГОЛЬНЫХ ПЛАСТОВ (743/03-10 от 23.12.09 г.) 6 с.
Дано научное обоснование параметров способа скважинной разгрузки для дезинтеграции угольного массива подкровельного слоя при отработке мощных пологих угольных пластов с выпуском подкровельной толщи с учетом закономерностей геомеханики.
Ключевые слова: угольный массив, дезинтеграция, напряженное состояние, очистной забой, подсечной слой, подкровельная толща, разгрузочные скважины..
Melnik V. VT.D., the professor of UDBD subdepartment,
Kajdo I.I., candidate of technics, the associate professor of UDBD subdepartment,
Kirichenko I.S., the post-graduate student of UDBD subdepartment,
Moscow State Mining University, Russia, ud@msmu.ru
BOREHOLE UNLOADING FOR DISINTEGRATION OF SUB-ROOFING STRATA OF THICK COAL SEAMS
It is given the scientific substantiation of a borehole way unloading parameters for disintegration of a coal massif of a sub-roofing layer at working off of thick flat coal layers with release of sub-roofing thickness taking into account the laws of geomechanics.
Key words: coal massif, disintegration, tension, clearing face, undercutting layer, sub-roofing thickness, unloading boreholes.
