CC BY
61
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2005 р. Вип. № 15
УДК 669.1.054.83
Ожогин В.В.1, Томаш А.А.2. Ковалевский И.А.3, Жерлицина О.В.4
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКОГО ЛИГНИНА В БРИКЕТИРОВАНИИ ЖЕЛЕЗОСОДЕРЖАЩИХ ОТХОДОВ
Изучены брикетирующие свойства лигнина и возможности использования его в
качестве связующего при брикетировании железосодержащих отходов. Рассмотрены особенности восстановления лигнином металлургических шламов
Одной из проблем, связанных с брикетированием железосодержащих отходов металлургического производства, является отсутствие эффективных и недорогих связующих, способных удовлетворять довольно высоким требованиям, предъявляемым к окускованному металлургическому сырью. Так, наряду с приданием брикетам высокой механической прочности, связующие не должны вносить вредных или балластных примесей [1].
Стоимость такого связующего должна быть сопоставима со стоимостью окусковывае-мого сырья, иначе стоимость связки сделает брикетирование неконкурентоспособным методом окускования. В частности, глинозёмистые и периклазовые цементы, являющиеся хорошими связующими [2], из-за своей высокой стоимости (3-5 тыс. грн/т и более) не нашли применения в брикетировании отходов. По той же причине не используют и зарубежные связующие [3]. Широко известные органические связующие, такие как сульфитно-спиртовая барда и лигно-сульфонат, по своим упрочняющим характеристикам, распространённости и стоимости могли быть значительно шире использованы в брикетировании отходов. Однако высокое содержание серы в сульфитно-спиртовой барде до 5,4 % [3] и 12,3 % сульфатов в лигносульфонате [4] ограничивает их использование.
Органические вещества при прочих равных условиях более предпочтительны в качестве связующих, поскольку содержащиеся в них углеводороды экономят дорогостоящее топливо, а тесный контакт в брикете частиц обеспечивает их высокую восстановимость. Поэтому хорошее связующее помимо своего основного назначения - придания высокой прочности окускованному сырью должно обладать комплексом других сопутствующих положительных свойств, компенсирующих затраты на его приобретение. К таким свойствам следует отнести низкое содержание вредных примесей, их хорошую удаляемость, малую зольность, высокую теплотворную способность и возможность образовывать шлаки с оптимальной температурой плавления.
Многими из вышеуказанных свойств обладает технический лигнин, который является массовым отходом гидролизно-дрожжевого и целлюлозно-бумажного производства. Несмотря на ценные металлургические свойства, подавляющая часть этого продукта не используется, а сжигается или вывозится в отвал, чем наносится вред окружающей природной среде [3].
Лигнин обладает хорошей смешиваемостью, удовлетворительной прессуемостью и достаточно тонким фракционным составом (52-78 % фракций менее 0,5 мм), имеет высокие восстановительные свойства, большую теплоту сгорания (23,4 МДж/кг), а также низкое содержание серы в органическом виде (0,15-0,54 %). Всё это ставит лигнин в ряд ценных металлургических материалов [3, 5, 6]. Исследованиями [5] выявлено, что его можно успешно использовать при производстве агломерата и окатышей, а брикетированные шихты с его содержанием в количестве 65 % могут с успехом применяться в сталеплавильном производстве [3, 6].
Задачей исследования явилось определение возможностей использования лигнина как связующего при брикетировании с содержанием его в шихте в количествах, достаточных для восстановления железосодержащих металлургических шламов.
1 ПГТУ, канд. техн. наук
2 ПГТУ, д-р техн. наук, проф.
3 ПГТУ, канд. техн. наук, доц.
4 ПГТУ, студ.
Для определения условий использования лигнина в качестве связующего и восстановителя для шламовых брикетов использовали отвальный лигнин Запорожского гидролизного завода. По данным работы [5] технический анализ лигнина Запорожского гидролизного завода имеет следующие характеристики, %: Снел - 26,5; Ас - 15,9; 8орг - 0,69; Р - 0,20; Ус - 53,6. В качестве восстанавливаемых компонентов брикетов выбрали свежие аглодоменные и сталеплавильные шламы, лучше упрочняемые в сравнении со шламами, находящимися длительное время в шламонакопителях. В качестве контрольного материала принят концентрат. Используемые материалы имеют следующие физико-химические характеристики, см. табл. 1 и 2.
Таблица 1 - Физические характеристики исследуемых материалов
Материал Влажность, % Насыпная масса, кг/м3 Фракционный состав, %
+1,5 мм 1,5-0,1 мм -0,1 мм
Лигнин 1,2-14,5 740-770 0 27,5 72,5
Аглодоменный шлам 8,2 1278 2,2 71,7 26,1
Сталеплавильный шлам 7Д 969 0 40,9 59,1
Концентрат 8,5 3200 5,9 34,8 59,5
Таблица 2 - Химический состав исследуемых материалов, %
Материал Р^общ Ре203 8Ю2 А120З СаО мёо МпО 8 п.п.п.
Аглодоменный шлам 55,25 47,25 8,62 1,14 9,10 1,16 0,17 0,36 11,16
Сталеплавильный шлам 47,06 61,59 4,84 0,89 11,44 2,70 1,15 0,62 5,10
Концентрат 66,31 63,62 6,89 0,30 0,21 0,45 0,04 0,04 0,65
Пробное прессование монокомпонентов показало возрастающую их уплотняемость до давлений 20 МПа. В дальнейшем плотность слабо увеличивается по прямой линии, см. рис. 1.
3000
со 5
* 2500 ш" о н
5 О.
ю
л 1500 н о о
ь 1000
с с
500
____♦ 1——• аяияяяяа
ш
20 40 60 80
Давление прессования, МПа
100
—♦--из аглодоменного шлама влажностью = 8,2 %; —■— - из сталеплавильного шлама = 7,1 %; — А— - из лигнина = 14,5 %; —□— - то же, = 1,2 %
Рис. 1 - Зависимость плотности брикетов различного состава от давления прессования
При этом кривые плотности практически параллельны, что указывает на идентичное поведение материалов при прессовании. Последнее позволяет рассчитывать плотности смесей для различных составов. Сопоставление плотностей брикетов, произведенных с лигнинами различной влажности (14,5 % и 1,2 %) и под давлением 50 МПа, показывает, что в сухом виде они имеют близкую плотность (1992 кг/м3 и 1955 кг/м3). Это свидетельствует о незначительном влиянии влажности на прессуемость лигнина.
Для определения минимального давления прессования, обеспечивающего брикетам различных составов требуемую прочность, были получены экспериментальные зависимости их прочности на раздавливание в функции от давления прессования, см. рис. 2.
Давление прессования, МПа
—♦--из аглодоменного шлама влажностью = 8,2 %; —■— - из сталеплавильного шлама
W = 7,1 %; —А— - из лигнина = 14,5 %; —А— - из смеси, содержащей 80 % аглодоменного шлама и 20 % лигнина; —0— - то же, 80 % сталеплавильного шлама и 20 % лигнина
Рис. 2 - Зависимость прочности брикетов различного состава, выдержанных 0,5 ч при 250 °С, от давления прессования
Исследованию подвергали лабораторные брикеты с плоскопараллельными основаниями диаметром 30 мм, высотой - 14 мм. Такая форма позволяет получить брикет, близкий к равнопрочному. Брикеты изготовляли из шламов аглодоменного и сталеплавильного производств, а также состава 20 % сухого лигнина и 80 % сухого шлама. Соотношение компонентов выбрано таким, чтобы обеспечить полную восстановимость брикета, требуемую механическую прочность и воспроизводимость. Перед раздавливанием брикеты выдерживали 0,5 ч при 250 °С с целью их упрочнения и удаления влаги, количество которой для сталеплавильных брикетов по заводским условиям не должно превышать 0,5 %.
Из рис. 2 следует, что прочность брикетов с добавками 20 % лигнина в значительной мере определяется свойствами основного компонента - шлама. Добавка лигнина в тонкодисперсные сталеплавильные шламы приводит к снижению прочности брикета, т. е. лигнин в этом случае не является связующим. Для давления прессования 50 МПа падение прочности на раздавливание составило 12 % (с 23,7 МПа до 20,9 МПа). Наоборот, добавка 20 % лигнина в непрочные брикеты из аглодоменного шлама приводит к существенному повышению их прочности - в 2 раза, что делает возможным их использование в сталеплавильном переделе. Для сталеплавильных брикетов сопротивление раздавливанию должно составлять не менее 10 МПа [1].
Вместе с тем эквивалентные по массе и фракции добавки в брикет из сталеплавильного шлама антрацитового штыба, обладающего низкими аутогезионными свойствами, привели бы к более значительному падению прочности, которая в данном случае составила 28 %. При этом получить брикет требуемой прочности из аглодоменного шлама с добавками 20 % антрацитового штыба без использования специальных видов связующих и существенного повышения давления прессования не возможно. К тому же это приведёт к существенному усложнению технологии прессования и значительному повышению стоимости брикетов. Однако для сталеплавильных брикетов, изготовленных из двухкомпонентных шламолигниновых смесей без использования какого-либо связующего, с учётом прочности на сбрасывание, достаточным является давление прессования 50 МПа, см. рис. 2. Таким образом, лигнин в сравнении с антрацитовым штыбом является лучшей добавкой при брикетировании.
Для определения восстановительных свойств лигнина из сталеплавильного и аглодоменного шламов были изготовлены брикеты, содержащие 20 % лигнина. В качестве альтернативных приняты брикеты, содержащие 80 % концентрата, 18 % восстановителя - антрацитового штыба фракции менее 1,0 мм и органического связующего - мелассы в количестве 2 % (сух.). Брикеты восстанавливали в закрытых стаканах, помещённых в муфельную электропечь. Нагрев осуществляли до 1200 °С, после чего стаканы извлекали из печи и охлаждали.
Аншлифы восстановленных брикетов представлены на рис. 3.
1
2
3
1 - в исходном брикете 80 % концентрата, 18 % коксика фракции -1 мм, 2 % мелассы;
2 - то же, 80 % сталеплавильного шлама и 20 % лигнина;
3 - то же, 80 % аглодоменного шлама и 20 % лигнина
Рис. 3 - Аншлифы брикетов различных составов, восстановленных при 1200 °С
Для первого брикета степень металлизации Ремет = 92,9 %, объёмная усадка 38,3 %, плотность перед восстановлением 2510 кг/м , после восстановления - 2800 кг/м . Для второго Бемет = 98,4 %, объёмная усадка 49,4 %, плотность перед восстановлением 2510 кг/м'1. после восстановления - 2800 кг/м". В верхней части брикета хорошо видно большое серое пятно металла, науглероженного избытком восстановителя. Третий брикет имеет Бемет = 97,8 %, объёмную усадку 52,2 %, плотность перед восстановлением 2510 кг/м3, после восстановления - 2800 кг/м3. По сравнению с контрольным брикетом лучшую восстановимость имели шламовые брикеты, что объясняется, в частности, более тонким фракционным составом компонентов брикета. Высокая степень восстановления крупных аглодоменных шламов объясняется также наличием в них до 6 % коксовой пыли.
Выводы
1. Высокая дисперсность, хорошая слипаемость лигнина и пониженное содержание вредных примесей, делают его удовлетворительным связующим для материалов с низкими ау-тогезионными свойствами, например, аглодоменных шламов.
2. Добавка 20 % лигнина в тонкоизмельчённые сталеплавильные шламы приводит к снижению прочности брикетов, которое может быть компенсировано повышением давления прессования.
3. Совокупность аутогезионных и восстановительных свойств лигнина позволяют считать его ценным материалом при брикетировании отходов, лучшим, чем антрацитовый штыб.
4. Дальнейшие исследования следует вести в направлении изучения условий брикети-руемости концентратов с лигнином и их восстановления.
Перечень ссылок
1. Раеич Б. М. Брикетирование в цветной и чёрной металлургии / Б. М. Решим. - М.: Металлургия, 1975. - 232 с.
2. Герасимов Е. П. Жаростойкие бетоны для электропечей / К. П. Герасимов, В. М. Мартынов, В. С. Сасса. - М.: Энергия, 1969. - 144 с.
3. Комплексное использование сырья и отходов / Б. М. Равич, В. П. Окладников, В. Н. Лы-гач, М. Менковский. - М.: Химия, 1988.-288с.
4. Использование сульфолигнина как органического связующего в производстве окатышей (Н. з. т.) // Чёрная металлургия: Бюл. ин-та «Черметинформация». - 1980. - № 22. - С. 57-59.
5. Исследование возможности применения лигнина при окусковании сырья и в доменном производстве / П. К Бондаренко, К). А. Ступак., Н. В. Терещенко и др.II Металлургич. и горноруд. пром-сть. - 1993. - № 2. - С. 6-8.
6. Использование брикетированной с гидролизным лигнином шихты для выплавки ферросплавов I В. Д. Гончаренко, В. А. Кравцов, М. И. Друинский и др. // Чёрная металлургия: Бюл. ин-та «Черметинформация». - 1980. - № 15. - С. 48.
Статья поступила 03.02.2005
