CC BY
0к.т.н. Семирягин С. В., Дорогой Е. В., к.т.н. Кузнецов Д. Ю.
(ДонГТУ, г. Алчевск, Украина, evgeniy. dorogoy@gmail. com)
ОЦЕНКА ПЕРСПЕКТИВ РАСШИРЕНИЯ СЫРЬЕВОЙ БАЗЫ ЧЕРНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ ЗА СЧЕТ ВОВЛЕЧЕНИЯ В ПРОИЗВОДСТВО ОТХОДОВ
УГЛЕДОБЫЧИ
В статье рассмотрена возможность расширения сырьевой базы предприятий черной металлургии за счет вовлечения в металлургический передел отходов угледобычи. На примере проведенного гранулометрического и химического анализа пустой породы ОФ «Володарская» предпринята попытка оценить возможные объемы вовлечения этого сырья в металлургический передел. Приведена методика расчета содержания полезных элементов в пустой породе в зависимости от ее гранулометрического состава.
Ключевые слова: пустая порода, отходы угледобычи, сырьевая база, металлургическое производство.
_ISSN 2077-1738. Збгрник наукових праць ДонДТУ. 2014. № 1 (42)
_МЕ ТАЛУРГ1Я_
УДК 669:622.788.3
Проблема и ее связь с научными и практическими задачами. В горной промышленности, энергетике, химическом производстве, металлургии, в процессе производства продукции образуются отходы, масса которых в мире постоянно возрастает. Эти отходы получили название техногенных. Основная проблема их утилизации заключается в том, что большая часть техногенных отходов не перерабатывается и не может быть переработана на тех предприятиях, где образуется. Это в полной мере относится и к отходам угледобычи. Так, из недр Украины ежегодно извлекается свыше 1,5 млрд. т горной массы [1], из которой, после извлечения полезных компонентов, 60-70 % переводится в породные отвалы. Для размещения отвалов ежегодно отводится до 1,5-2,0 тыс. га сельскохозяйственных земель. В Украине в отвалах находится более 20 млрд. т горнопромышленных отходов, занимающих более 500 тыс. га земли [2]. Особенно остро стоит проблема утилизации техногенного сырья в индустриально развитом Донбассе, в структуре хозяйственного комплекса которого угольная промышленность является одной из ведущих отраслей. Специфика подземной добычи угля в
Донбассе состоит в том, что на каждые 1000 т добытого угля приходится до 800 т пустой породы. На территории Донбасса расположено свыше 1200 отвалов шахт (терриконов), площадь которых составляет 5 тыс. га, а с учетом санитарно-защитной зоны около 30 тыс. га. При этом ежегодный объем горной массы, выдаваемой в отвалы, составляет около 30 млн. м , а их общий объем в регионе превышает 2 млрд. м3, что, безусловно, создает существенную экологическую напряженность [3]. В то же время, современная металлургия испытывает дефицит качественного и недорогого железорудного сырья и сырья для производства огнеупором, что подтверждается рядом опубликованных в последние годы работ. В этой связи актуальной задачей, имеющей межотраслевое значение, является вовлечение неиспользуемых отходов угледобычи, образовавшихся в процессе прохождения подготовительных выработок в шахтах и обогащения угля, как альтернативного источника железа, топлива и сырья для производства огнеупоров в металлургическом производстве.
В мировой и отечественной практике в больших масштабах утилизируют отходы как угледобычи, так и углеобогащения [4].
МЕ ТАЛУРГ1Я
В Украине в настоящее время использование этих отходов, как правило, не связано с разработкой специальных технологических процессов. Они используются для закладки выработанных пространств в шахтах, выравнивания рельефа местности, рекультивация и т.д. В то же время многочисленными исследованиями, проведенными зарубежными и отечественными учеными, установлено, что содержание углерода в отходах менее 15% определяет их, как исходный материал для производства различного вида огнеупорного и шамотного изделия, различного вида керамических труб, плит, огнеупорных бетонов и т.д. Однако при переработке горных масс с содержанием углерода более 15 % возникает проблема утилизации углеродистого материала. Кроме того, и в той и в другой группе отходов может содержаться до 15 % железа. В то же время, отходы угледобычи имеют довольно широкий гранулометрический состав, который оказывает существенной влияние на содержание в них полезных элементов, что, в свою очередь, вызывает необходимость оценки этого показателя. Не все фракции отходов угледобычи могут быть переработаны по одной и той же схеме, поэтому разработка технологии их утилизации в зависимости от фракционного (химического) состава является важной и актуальной задачей в условиях горно-металлургического комплекса Украины.
Постановка задачи. Задачей данной работы является, на примере проведенного анализа гранулометрического и химического состава отвальной пустой породы ОФ «Володарская» провести оценку содержания в ней полезных вторичных элементов, пригодных для вовлечения в металлургический передел, а также дать рекомендации по разработке технологии их утилизации в металлургическом переделе.
Изложение материала и его результаты. Согласно данным, полученным в результате проведения работ [5; 6], основным направлением переработки отходов угледобычи в интересах металлургического комплекса является их высокотемпера-
турное спекание (агломерация) с получением на выходе железорудного концентрата и сырья для производства огнеупоров. Агломерация является основным, и, по сути, единственным перспективным способом крупнотоннажной переработки отходов угледобычи. Для наиболее полного использования потенциала процесса высокотемпературного спекания, ввиду различного гранулометрического (химического) состава, коим представлена отвальная пустая порода, является целесообразной разработка технологии ее утилизации, учитывающей этот фактор.
Общий вид исследуемой пустой породы приведен на рисунке 1.
Рисунок 1 — Общий вид исследуемой пустой породы
Как видно из приведенного рисунка, исследуемая пустая порода представлена смесью кусков различной крупности. Ситовый состав данной пустой породы приведен в таблице 1. Как видно из таблицы 1, пустая порода представлена, в основном, фракцией + 10 мм, содержание которой составляет 62,3 %. Меньше всего содержится фракции 3-1 мм — 3,02 %. Из теории агломерации известно, что куски крупностью больше 10 мм плохо спекаются. Это связано с недостаточным временем пребывания в высокотемпературной зоне, и решается либо уменьшением размеров куска, либо повышением времени пребывания в высокотемпературной зоне, либо увеличением максимальной температуры.
МЕ ТАЛУРГ1Я
Таблица 1 — Гранулометрический состав исследуемой пустой породы
Фракция, мм +10 10-7 7-5 5-3 3-1 -1
Содержание, % 62,30 9,46 8,20 8,05 3,02 8,96
Таблица 2 — Химический состава пустой породы в зависимости от ее фракционного состава, %
Элементы
№ Фракция, мм4^ SiO2 АЪОэ СаО Fe2Oз FeO -Реобщ С MgO Р п.п.п. Основность, В
1 -1 38,3 12,5 1,32 11,6 6,29 13 19,4 0,97 0,084 24 0,05
2 3-1 46,6 16,8 0,55 5,02 4,16 6,74 15,3 1,1 0,091 21,6 0,03
3 5-3 52,1 18,8 0,38 3,42 3,42 5,05 11,1 1,17 0,091 16,7 0,02
4 7-5 54,3 19,1 0,38 4,61 3,33 5,81 7,22 1,27 0,098 12,9 0,02
5 10-7 55,2 18,4 0,38 6,03 4,07 7,38 4,71 1,94 0,12 9,8 0,03
6 +10 42,9 15,7 3,21 13,1 6,48 14,2 4,10 1,59 0,26 9,7 0,08
Из теории подготовки сырья к обогащению известно, что фракции различной крупности могут обладать различным химическим составом. С целью описания зависимости химического состава пустой породы от ее гранулометрического состава был выполнен пофракционный химический анализ, результаты которого приведены в таблице 2
Анализ химического состава пустой породы свидетельствует о наличии большой неоднородности содержания в различных фракциях таких важных для металлургического производства веществ, как железо, углерод, а также о некотором колебании основности.
Для удобства восприятия данных, приведенных в таблице 2, ниже они представлены в графическом виде. На рисунке 2 показана зависимость изменения содержания углерода в пустой породе от ее гранулометрического состава. Обозначения по оси у (фракция) соответствуют столбцу «№» таблицы 2.
Содержание углерода в пустой породе увеличивается по мере уменьшения размера фракции с 4,10 % для фракции +10 мм до 19,4 % для фракции - 1 мм. Это явление объясняется тем, что углерод, входящий в состав угля, в образующих породу минералах содержится в незначительных количествах.
1 2 3 4 5 6
Фракция
Рисунок 2 — Зависимость изменения содержания углерода в пустой породе от ее гранулометрического состава
Мелкие фракции, таким образом, становятся наиболее выгодными поставщиками тепла и восстановителя в процессе спекания. На рисунке 3 показана зависимость изменения содержания Feoбщ в пустой породе от ее гранулометрического состава.
4 —
1 2 3 4 5 6
Фракция
Рисунок 3 — Зависимость изменения содержания Feoбщ в пустой породе от ее гранулометрического состава
МЕТАЛУРГ1Я
Анализ представленной зависимости говорит о том, что железо находится либо в виде частично свободных от минералов пустой породы оксидов, что справедливо для фракций меньше 3 мм, либо заключено в минеральную оболочку, что справедливо для фракций больше 7 мм.
Наименьшее содержание железа наблюдается в фракции 5-3 мм.
На рисунке 4 показана зависимость изменения содержания FeO, а на рисунке 5 — Fe2Oз в пустой породе от ее гранулометрического состава.
об к
I4
и
Фракция
Рисунок 4 — Зависимость изменения содержания FeO в пустой породе от ее гранулометрического состава
Совместный анализ зависимостей, представленных на рисунках 3-5 может говорить о том, что железо в пустой породе представлено в основном в виде оксидов FeO и Fe2O3.
На рисунке 6 показана зависимость изменения основности пустой породы от ее гранулометрического состава.
Рисунок 5 — Зависимость изменения содержания Fe2Oз в пустой породе от ее гранулометрического состава
Данная зависимость по своему характеру полностью соответствует зависимости, справедливой для Feoбщ. То же можно сказать и для кривой, представленной на рисунке 5, которая описывает зависимость изменения содержания Fe2O3 в пустой породе от ее гранулометрического состава.
Рисунок 6 — Зависимость изменения основности пустой породы от ее гранулометрического состава
Основность пустой породы находится на уровне 0,02-0,08 в связи с присутствием в ее составе большого количества оксида кремния. Гранулометрический состав практически не влияет на основность, изменяя ее в незначительных пределах и не оказывая влияния на металлургическую ценность пустой породы. Также результаты анализа говорят о необходимости дополнительного введения в шихту при спекании пустой породы некоторого количества флюсующих материалов. Это вызвано необходимость доведения основности до значений, требуемых для получения высококачественных огнеупоров.
Расчет содержания полезных элементов пустой породы в каждой из исследованных фракций проводился по формуле (1)
СодПп = % Пп-10,
(1)
где х — полезный элемент пустой породы. Расчет производится в килограммах полезного элемента на тонну пустой породы. Результаты проведенных расчетов приведены в таблице 3.
МЕ ТАЛУРГ1Я
Таблица 3 — Содержание полезного элемента в пустой породе в зависимости от ее гранулометрического состава, кг/т
Содержание, кг/т
№ Фракция, мм SiO2 АЬОэ СаО Fe2Oз FeO Р^общ С MgO
1 -1 383 125 13,2 116 62,9 130 194 9,7
2 3-1 466 168 5,5 50,2 41,6 67,4 153 11
3 5-3 521 188 3,8 34,2 34,2 50,5 111 11,7
4 7-5 543 191 3,8 46,1 33,3 58,1 72,2 12,7
5 10-7 552 184 3,8 60,3 40,7 73,8 47,1 19,4
6 +10 429 157 32,1 131 64,8 142 41 15,9
Таким образом, наибольшую металлургическую ценность представляют фракции - 1 мм и + 10 мм, обладающие максимальным содержанием углерода и железа. Стоит отметить, что из практики агломерационного производства известно, что успешное спекание шихты возможно при содержании углерода в ней на уровне 5-9 %. Таким образом, с топливной точки зрения фракции от - 1 до 7-5 мм могут быть поставщиками углерода для агломерации. И если фракция - 1 мм, содержащая углерод в количестве около 15 %, может обеспечить совместную с ней переработку других фракций, в которых углерод содержится в меньшем количестве, то более крупные фракции такой возможностью обладают в ограниченном объеме, вплоть до ее отсутствия у фракции 7-5 мм, где содержание углерода находится на нижнем пределе требуемого для стабильного спекания.
С точки зрения получения железа наименее привлекательными являются «средние» фракции (5-3 и 7-5 мм), в которых его содержание минимально.
Оценить объем вовлечения различных по содержанию полезных элементов фракций пустой породы в процесс совместного спекания для двухкомпонентной смеси можно по следующей методике. Из курса общей химии известно, что массовая доля
вещества в смеси — это отношение массы вещества к массе смеси (2)
сШ^в-во), (2)
ш(с - си)
где с — массовая доля вещества в смеси; м(в - ва) — масса вещества в смеси; м(с - си) — масса смеси.
При выполнении расчетов с помощью графического метода отрезок прямой (основание графика) представляет собой массу смеси, а на осях ординат откладывают точки, соответствующие массовым долям вещества в исходных смесях.
Соединив прямой точки на осях ординат, получают прямую, которая отображает функциональную зависимость массовой доли вещества в конечной смеси от массы исходных смесей в обратной пропорциональной зависимости (3)
СОлШл + со2ш2 k
-у=_, (3)
Ш1 + Ш2 X
где с — массовая доля вещества в первой смеси; с — массовая доля вещества во второй смеси; с — массовая доля вещества в новой смеси, полученной при смешивании первой и второй смеси; Ш1 (в - ва), Ш2 (в - ва), ш(в - ва) — массы веществ в соответствующих смесях;
МЕ ТАЛУРГ1Я
т^с - си), m2(с - си), т(с - си) — массы соответствующих смесей.
График зависимости массовой доли вещества от массы исходных смесей приведен на рисунке 7.
Рисунок 7 — Зависимости массовой доли вещества от массы исходных смесей
Для оценки общих запасов материалов, которые могут быть вовлечены в металлургический передел на основании данных по формуле (4) может быть выполнен расчет суммарных запасов полезных элементов
Го0х - %ПП
Соопп -
100
Е
ПП'
(4)
где х — полезный элемент пустой породы; Е пп — суммарные запасы пустой породы.
Если принять допущение, что вся пустая порода, находящаяся сейчас в породных отвалах на территории Украины имеет фракционный и химический состав, близки к рассматриваемой в данной статье, то суммарные запасы полезных элементов, содержащихся в ней, будут соответствовать данным, приведенным в таблице 4. Исходя из этих данных, несложно по известным зависимостям посчитать количество наиболее интересных для металлургического производства элементов (железа и углерода), которое находится в пустой породе. Даже такой упрощенных подсчет
говорит о больших запасах металлургического сырья, скрытого в отвальных пустых породах.
Различия в фракционном и химическом составе пустой породы ведет к необходимости разработки дифференцированной технологии ее переработки. Так, спекание мелких фракций (-1 мм) пустой породы невозможно реализовать без предварительного их окомкования, а переработка фракций крупнее 10 мм, являющихся хорошим поставщиком железа, невозможна без их предварительного измельчения. Фракции, занимающие промежуточное место (3-1, 5-3, 7-5, 5-10 мм), и зачастую не обладающие необходимым количеством топлива в своем составе должны подвергаться агломерации только в смеси с богатыми углеродом фракциями в пропорциях, обеспечивающих хорошие условия спекания. Соблюдение этих условий должно обеспечивать необходимый для протекания восстановительных реакций температурный уровень процесса и наличие достаточного для максимально полного восстановления железа уровня восстановителя. И если из теории и практики агломерационного производства известно, что необходимое для спекания шихты количество топлива (коксик) должно находится на уровне 5-9 %, то при спекании отвальной пустой породы нужно рассчитывать количество топлива исходя не только из тепловых затрат на процесс агломерации, но, прежде всего, исходя из количества углерода, необходимого для перевода (восстановления) оксидов железа из немагнитных в магнитные, что обеспечит, при дальнейшей переработке спека, легкое их отделение известными методами магнитной сепарации. Использование данного метода отделения железосодержащих материалов от остального спека способно обеспечить низкие производственные затраты на процесс, мобильность и компактность обогатительной установки.
Таблица 4 — Суммарные запасы полезных элементов, содержащихся в пустой породе, заскладированной на территории Украины
ISSN 2077-1738. Збгрник наукових праць ДонДТУ. 2014. № 1 (42) МЕТАЛУРГ1Я
^.Содержание, т Фракция, мм 8Ю2 А12О3 СаО Ре2О3 РеО Реобщ С МяО
- 1 7,66 • 109 2,50 • 109 2,64 • 108 2,32 • 108 1,26 • 109 2,60 • 109 3,88 • 109 1,68 • 107
3-1 7,32 • 109 3,36 • 109 1,10 • 108 1,00 • 109 8,32 • 108 1,35 • 109 3,06 • 109 1,82 • 107
5-3 1,04 • 1010 3,76 • 109 7,60 • 107 6,84 • 108 6,84 • 108 1,01 • 109 2,22 • 109 1,82 • 107
7-5 1,09 • 1010 3,82 • 109 7,60 • 107 9,22 • 108 6,66 • 108 1,16 • 109 1,44 • 109 1,96 • 107
10-7 1,10 • 1010 3,68 • 109 7,60 • 107 1,21 • 109 8,14 • 108 1,48 • 109 9,42 • 108 2,40 • 107
+ 10 8,58 • 109 3,14 • 109 6,42 • 108 2,62 • 109 1,30 • 109 2,84 • 109 8,20 • 108 5,20 • 107
Выводы. На основании исследований, проведенных в данной работе можно сделать следующие выводы:
отходы, образующиеся в результате угледобычи не могут быть рационально переработаны в условиях угледобывающих предприятий;
- пустая отвальная порода, засклади-рованная во множестве терриконов, расположенных на территории Украины, является ценным источником сырья для металлургической промышленности;
- гранулометрическая и химическая неоднородность пустой отвальной породы
Библиографический список
не позволяет вести ее рациональную переработку для извлечения ценных металлургических элементов по одной технологической схеме;
- наиболее привлекательными, на основе анализа пустой породы ОФ «Володарская», в металлургическом плане являются фракции - 1 и + 10 мм, содержащие максимальное количество железа и углерода;
- дальнейшие исследования должны быть направлены на исследования закономерностей спекания пустой породы и отработку технологии ее утилизации.
1. Полулях А. Д. Развитие углеобогащения в Украине: анализ и перспективы / А. Д. Полулях // Обогащение полезных ископаемых. — 2013. — № 54. — С. 19-24.
2. Зубов А. А. Терриконы — объекты техногенной опасности / А. А. Зубов // Экологическая безопасность. — 2009. — № 4. — С. 89-92.
3. Смирнов В. О. Проектування збагачувальних фабрик / В. О. Смирнов, В. С. Быецький. — [2-ге вид.] — Донецьк : Сх1дний видавничий д1м, 2008. — 269 с.
4. Филиппенко Ю. Н. Промышленные отходы угольных предприятий, пути их использования и улучшение экологической обстановки / Ю. Н. Филиппенко, П. Т. Скляр, Е. В. Харлова // Обогащение полезных ископаемых. — 2012. — № 50. — С. 57-62.
5. Семирягин С. В. Использование отходов угледобычи в качестве сырья для получения желе-
зорудного концентрата / С. В. Семирягин, Е. В. Дорогой, О. В. Майорова // Науков1 прац Дон-
НТУ. — 2013. — № 16-17. — С. 13-21.
МЕ ТАЛУРГ1Я
6. Семирягин С. В. Использование отходов угледобычи при производстве огнеупоров / С. В. Семирягин, Е. В. Дорогой, Б. Н. Пилипенко // Современные огнеупоры: ресурсосбережение и применение в металлургических технологиях. — 2013. — № 1. — С. 60-67.
Рекомендована к печати д.т.н., проф. ДонГТУНовохатским А. М.,
д.т.н., проф. ПГТУМасловым В. А.
Статья поступила в редакцию 06.03.14.
к.т.н. Семiрягiн С. В., Дорогий G. В., к.т.н. Кузнецов Д. Ю. (ДонДТУ, м. Алчевськ, Украгна) ОЦ1НКА ПЕРСПЕКТИВ РОЗШИРЕННЯ СИРОВИННО1 БАЗИ ЧОРНО1 МЕТАЛУРГ11 ЗА РАХУНОК ЗАЛУЧЕННЯ У ВИРОБНИЦТВО В1ДХОД1В ВУГЛЕВИДОБУТКУ
У статт1 розглянута можлив1сть розширення сировинног бази тдприемств чорног металур-гИ за рахунок залучення в металургтний передт в1дход1в вуглевидобутку. На прикладi проведе-ного гранулометричного та хiмiчного аналiзу порожньог породи ЗФ «Володарська» зроблена спроба оцтити можливi обсяги залучення цег сировини до металургтного передту. Наведено методику розрахунку вмiсту корисних елементiв в порожтй породi в залежностi вiд гг грануло-метричного складу.
Ключовi слова: порожня порода, вiдходи вуглевидобутку, сировинна база, металургтне ви-робництво.
Semiriagin S. V. Candidate of engineering sciences, Dorogyi Ye. V., Kuznetsov D. Y. Candidate of engineering sciences (DonSTU, Alchevsk, Ukraine)
THE ESTIMATION OF THE PROSPECTS EXTENSION OF RAW MATERIAL SOURCE FOR THE FERROUS METALLURGY BY INVOLVEMENT COAL MINING WASTE IN THE PRODUCTION
The possibility of raw materials sources extending for the ferrous metallurgy by involvement coal mining waste in the production is considered in the article. On the basis of carried out granulometric and chemical analysis of barren rock CP "Volodarskaya" the attempt to estimate possible volume of engagement this raw material in metallurgical redistribution was taken. The calculation method of the content of useful elements in barren rock according to its granulometric structure is presented. Key words: barren rock, coal mining waste, raw material source, iron industry.
