CC BY
47
УДК 669.1.004.82
ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЙ МЕТОД ОКУСКОВАНИЯ МЕЛОЧИ СПЕЦКОКСА ДЛЯ ФЕРРОСПЛАВНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
В.А. Родимин, Е.С. Торохова, Е.А. Яковлев
Карагандинский государственный индустриальный университет, г. Темиртау E-mail: carridi@mail.ru
Показана возможность термомеханического окускования мелочи полукокса (спецкокса) путем электронагрева его в смеси с длиннопламенным и коксовым углями под давлением.
Ключевые слова:
Ферросплавы, производство, спецкокс, мелочь, термомеханическое окускование, удельное
электрическое сопротивление, электронагрев под давлением, механическая прочность, влагостойкость, энергозатраты.
Keywords:
Ferroalloys, production, coke, fines, thermomechanical agglomeration, electric resistivity, electric heating under pressure, mechanical strength, moisture resistance, energy costs.
В настоящее время Казахстан в силу ряда причин стал одним из центров мировой ферросплавной промышленности. Наряду с заводами, построенными в СССР - Аксуским (Ермаковским) и Актюбинским - в настоящее время функционируют Темиртауский электрометаллургический комбинат, Таразский металлургический завод, Экибастузский ферросплавный завод, Карагандинский завод металлургического кремния, Павлодарский ферросплавный завод. Проектируется еще ряд заводов. Ученые-металлурги из Химико-металлургического института (г. Караганда) занимают лидирующие позиции по разработке новых технологий в области производства ферросплавов. Рост производства ферросплавов вызвал потребность в производстве спецкокса. В настоящее время в республике кроме металлургического кокса производится 200 тыс. т спецкокса из углей Шубаркольского месторождения (УШМ). При этом образуется около 50 тыс. т мелочи [1]. Поэтому цель данной работы состояла в поиске дешевого способа брикетирования мелочи спецкокса. В основу нового способа была проложена технология Института горючих ископаемых (Россия) по термомеханическому окускованию мелочи каменных углей. Она состояла в высокоскоростном нагреве мелочи (0.. .3 мм) слабоспекающихся каменных углей до температуры пластического состояния, выдержки при этой температуре в течение нескольких минут, прессовании под давлением около 40 МПа и охлаждении
Родимин Вадим
Александрович, магистрант
кафедры химической
технологии и экологии
Карагандинского государственного индустриального университета,
г. Темиртау.
E-mail: carridi@mail.ru Область научных интересов:
теплоэнергетика, брикетирование угольной
мелочи.
Торохова Елена Сергеевна,
магистр кафедры химической
технологии и экологии
Карагандинского государственного индустриального университета, г. Темиртау.
E-mail: torohova_elena@mail.ru Область научных интересов:
взрывы угольной пыли, брикетирование угольной
мелочи, промышленная
безопасность.
Яковлев Евгений
Анатольевич, канд. техн. наук, ведущий научный сотрудник
кафедры химической
технологии и экологии Карагандинского государственного индустриального университета, г. Темиртау.
E-mail: jenia2001@mail.ru Область научных интересов:
физика и химия
низкотемпературной плазмы, металлургия, энергетика,
горение и взрывы угольной пыли.
термобрикетов [2, 3]. При брикетировании спецкокса необходимо добавить некоторое количество УШМ, а также коксового концентрата (КК) с обогатительной фабрики № 38. В табл. 1 представлены характеристики шихтовых материалов для брикетирования.
Таблица 1. Характеристики УШМ, КК и спецкоксов АО «Казахстан Инвест Комир» («КИК») и АО «Сары Арка Спецкокс» («САС»)______________________________________
Материал УЭС*, Омхм Элементный состав, % Технический анализ
С“ Н“ о“ 8“ Л“ V“
УШМ 109 76,9 4,0 0,6 9,6 0,5 12,0 14,5 43,5
КК 109 68,6 3,1 0,8 3,1 0,5 12,8 9,4 25,6
Спецкокс «КИК» 1,86 91,5 1,35 1,59 1,5 0,31 8,0 0,8 3,0
Спецкокс «САС» 0,47 86,0 2,35 1,9 1,5 0,5 10,0 12,0 6,0
*Удельное электрическое сопротивление для сплошного куска
Так как спецкокс, в отличие от угля, хорошо проводит электрический ток, то высокоскоростной нагрев шихты для брикетирования происходил в пресс-форме при пропускании электрического тока. Это напоминает технологию нагрева в электротермическом кипящем слое [4]. Для гидравлического пресса были изготовлены специальные пресс-формы, предназначенные для формирования брикетов. Они состояли из поршня, цилиндра и днища, изготовленных из стали. Изнутри цилиндр покрывался электроизоляционным материалом. В цилиндр засыпалась порция шихты, состоящей из смеси спецкоксов и углей. Диаметр поршня 20 мм, высота слоя шихты в цилиндре 50 мм. Затем сверху в цилиндр вдвигался поршень и пресс-форма помещалась под пресс. Давление прессования составляло 45 МПа. Электронагрев происходил при подаче напряжения в 60 В между поршнем и днищем пресс-формы. Для ограничения тока в цепь вводилось балластное сопротивление величиной 2,5 Ом. Время протекания тока через шихту выбиралось исходя из необходимости достижения углем температуры пластического состояния (~ 450 °С).
В табл. 2 показана зависимость электросопротивления шихты фракции 0...1 мм от давления и содержания УШМ в шихте с двумя видами спецкоксов - Казахстан Инвест Комир спецкокс (КИК) и Сары-Арка спецкокс (СА). С увеличением давления в пресс-форме электросопротивление шихты падает. Аналогично ведет себя электросопротивление при уменьшении концентрации УШМ в шихте. Здесь явно прослеживается аналогия с числом псевдоожижения в электротермическом кипящем слое [4]: с ростом последнего растет удельное сопротивление.
Таблица 2. Электрическое сопротивление, Ом, и удельное сопротивление, Омсм, шихты (в скобках) для брикетирования
Состав шихты Давление, кг/см2
0 45 90 135 180
100 % УШМ 109 109 109 109 109
100 % СА 8(4) 2(1) 1(0,5) 0,06(0,03) 0,06(0,03)
100 % КИК 1,0(0,5) 0,8(0,4) 0,4(0,2) 0,6(0,3) 0,5(0,25)
95 % УШМ + 5 % СА 109 109 109 109 109
90 % УШМ + 10 % СА 109 109 109 109 109
80 % УШМ + 20 % СА 109 109 109 109 109
70 % УШМ + 30 % СА 109 109 109 109 109
60 % УШМ + 40 % СА 109 109 109 69(36) 68(35)
50 % УШМ + 50 % СА 84(44) 30(16) 21(11) 14(7) 10(5)
95 % УШМ + 5 % КИК 109 109 109 109 109
90 % УШМ +10 % КИК 109 109 109 109 109
85 % УШМ + 15 % КИК 109 109 109 109 109
80 % УШМ + 20 % КИК 109 109 109 52(27) 36(19)
70 % УШМ + 30 % КИК 79(41) 34(18) 22(11) 16(8) 11(6)
60 % УШМ + 40 % КИК 25(13) 9(5) 7(4) 5(3) 4(2)
50 % УШМ + 50 % КИК 9(5) 4(2) 2(1) 2(1) 2(1)
Уменьшение сопротивления при увеличении давления объясняется увеличением площади контакта между коксовыми частицами, то есть уменьшением контактного сопротивления (Лконт). При уменьшении концентрации УШМ площадь контактов между частицами спецкокса в составе шихты увеличивается, что приводит к уменьшению сопротивления. Также видно, что сопротивление спецкокса СА в 3.. .7 раз выше чем спецкокса КИК при низких давлениях и в 8.10 раз ниже при высоких. По-видимому, это связано с различными технологиями производства: спецкокс на АО «Сары-Арка спецкокс» производится в «^-образных печах производства КНР по технологии пиролиза, а спецкокс на АО «Казахстан Инвест Комир» - в реакторах окислительного пиролиза [2].
При пропускании тока через шихту ее сопротивление резко падает. Объясняется это, скорее всего, тем, что значительную долю (98 %) сопротивления шихты составляет контактное сопротивление. При пропускании тока через шихту почти вся энергия выделяется в точках контакта частиц спецкокса. Под действием высокой температуры происходит спекание частиц спецкокса в местах контакта. Контактное сопротивление исчезает, и остается только сопротивление самих частиц спецкокса (2 % от общего). Ток резко возрастает, поэтому необходимо установить балластное сопротивление для его стабилизации.
Опыты по электробрикетированию проводились следующим образом: шихта
помещалась в пресс-форму, в которой проводилось повышение давления до величины, при которой сопротивление шихты Лшихты составляло величину близкую к 5 Ом. После этого на поршень и днище подавалось напряжение; через шихту протекал электрический ток 1бр, нагревавший ее и переводившей в пластичное состояние за время ¿бр. Под действием давления Рбр формировался прочный брикет. Объем брикета составлял около 10 см3. Удельный расход энергии на брикетирование Жбр составил от 1620 до 18720 Дж/см3. Результаты электрофизического брикетирования спецкоксов представлены в табл. 3.
Таблица 3. Показатели электрического брикетирования спецкоксов
Состав шихты, % №бр, Дж/ см3 tбр, с -^шихты, Ом -^брикета, Ом Iбр, А Рразруш МПа Влагоустой- чивость**
30УШМ, 30КИК, 40КК 4500 60 5,2 5,2. 12,00 6,30 +
60УШМ, 20КИК, 20КК 120 115,0 115,0 13,00 2,70 -
80СА, 20КК 1620 120 0,6 0,6 15,00 непрочный* -
20КИК, 80КК 120 28,0 28,0 17,00 непрочный -
30УШМ, 30КИК, 40КК 18800 240 4,00 4,00 14,00 14,40 +
30УШМ, 30КИК, 40КК 14515 240 4,20 28,0 12,00 3,60 +
30УШМ, 30КИК, 40КК 16243 240 4,70 15,0 12,00 8,10 +
30УШМ, 30КИК, 40КК 16590 240 4,80 30,0 12,00 11,70 +
*непрочный - разрушился при извлечении из цилиндра; **«+» - влагоустойчив;
«-» - невлагоустойчив.
Из табл. 3 видно, что наиболее прочные брикеты получились при составе шихты 30 % УШМ, 30 % КИК, 40 % КК. При изменении удельного расхода электроэнергии на брикетирование от 4500 до 18800 Дж/ см3, т. е. в 4,2 раза, механическая прочность брикета повышалась от 6,3 МПа до 14,4 МПа, т. е. в 2,3 раза. Если же рассмотреть процесс электробрикетирования с точки зрения энергозатрат, то последние должны складываться из затраты на нагревание шихты до температуры пластического состояния (450 °С), затраты на удаление летучих веществ при этой температуре и тепловых потерь. Очевидно, что в данном случае львиную долю энергозатрат составляют тепловые потери, которые в дальнейшем должны быть минимизированы. В этом случае относительно высокая стоимость электроэнергии будет компенсирована высокой стоимостью конечного продукта спецкокса, в цене которого доля электроэнергии составит величину 7.10 %. Следует также иметь в виду
более простое оборудование для электронагрева по сравнению с системой вихревых камер по технологии, описанной в работе [3]. Для испытания на влагоустойчивость брикеты погружались в воду на 7 дней. Для сравнения прочностных характеристик в табл. 4 приведены значения показателей при брикетировании мелочи спецкокса с жидким стеклом.
Таблица 4. Технологические показатели брикетирования мелочи спецкокса с жидким стеклом при температуре сушки 120.150 °С________________________________________________
Жидкое стекло,% Рбр, МПа Фракция, мм ^разруш МПа Влаго-поглощение, % Примечание
10 20 1Л О 0,8 -
10 27 1Л о 2,8 48 *Смачиватель 0,05 %
10 27 о 4,1 50 Смачиватель 0,13 %
10 27 о 2,3 48
10 27 о 1,9 50
10 27 о 2,6 52 Смачиватель 0,05 %
20 27 о 5,0 -
*Применение смачивателя
При сравнении табл. 3 и 4 видно, что прочность термобрикетов выше прочности брикетов со связующим из жидкого стекла в 2 раза. В то же время цена коксового концентрата, который фактически используется в качестве связующего из-за своих высоких пластических свойств, в 10 раз ниже цены жидкого стекла. Кроме того зольность брикетов на жидком стекле составляет 30 %, в то время как зольность при электробрикетировании не превысила 15 %. После образования и остывания брикета необходим его прокалка с окислительным пиролизом [3], так как в его состав входит уголь, используемый в качестве связующего. При этом выход конечного продукта возрастет по сравнению с исходной мелочью спецкокса приблизительно в 2,5 раза.
Выводы
1. Проведены эксперименты по изучению удельного сопротивления шихты для термомеханического окускования мелочи спецкокса в зависимости от состава и давления.
2. Проведены эксперименты по электробрикетированию шихты, состоящей из мелочи спецкокса, угля Шубаркольского месторождения и коксового концентрата обогатительной фабрики № 38.
3. Определен оптимальный состав шихты.
4. Получены брикеты с удовлетворительной механической прочностью и влагостойкостью.
5. Рассмотрены вопросы практической целесообразности реализации данной разновидности термомеханического окускования мелочи спецкокса.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Акшанашев С.К., Яковлев Е.А., Торохова Е.С. Производство кокса и спецкокса для металлургии на предприятиях Республики Казахстан // Сталь. - 2008. - № 11. - С. 68-70.
2. Цикарев Д.А., Филиппов Д.С., Кулик А.И. Термомеханическое окускование мелочи каменных углей // Химия твердого топлива. - 1970. - № 6. - С. 75-79.
3. Крохин В.Н. Брикетирование углей. - М.: Недра, 1974. - 216 с.
4. Бородуля В.А. Высокотемпературные процессы в электротермическом кипящем слое. -Минск: Наука и техника, 1973. - 176 с.
Поступила 15.11.2011 г.
