Получение гранулированного науглероживателя Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 544+669.162.16

ПОЛУЧЕНИЕ ГРАНУЛИРОВАННОГО НАУГЛЕРОЖИВАТЕЛЯ

Е.М. Малютина, Б.Ш. Дыскина

Предложена технология изготовления гранулированного науглерожи-вателя на основе графитированных или обожженных пылевидных отходов электродного производства с использованием в качестве связующего раствора поливинилового спирта (ПВС). Оптимальное соотношение пыли и связующего 70 : 30 мас. %. Получен малозольный, малосернистый карбюризатор с размерами гранул более 0,5 мм.

Ключевые слова: науглероживатель; графитированная и угольная пыли; гранулирование; меласса; поливиниловый спирт; карбюризатор.

Введение

В последние годы в черной металлургии широко внедряется технология выплавки синтетического чугуна с использованием в составе шихты стального лома. В отличие от чугуна, стальные отходы, содержат значительно меньшие количества вредных примесей и включений. Возможность получения качественного синтетического чугуна при вовлечении стального лома обусловливает необходимость науглероживания расплава [1].

В работах [2, 3] показано, что для корректировки содержания углерода в производстве высокопрочного чугунного и стального литья в индукционных и электосталеплавильных печах применяют различные углеродные материалы - науглероживатели (карбюризаторы).

В элекросталеплавлении карбюризатор подают инжекцией (вдуванием) порошкообразных материалов под струю металла при разливе в ковш, или в виде частиц размером до 10 мм - в электропечь [3]. При продувке металла порошками обеспечивается максимальный контакт вдуваемых твёрдых реагентов с жидким расплавом.

При выборе науглероживателя о его качестве судят по содержанию углерода и примесей, в технологическом процессе - по усвоению из него углерода расплавом. Степень насыщения жидкого металла углеродом определяется химической чистотой используемого углеродного материала без учета особенностей кристаллической структуры [6]. Однако авторы работы [4] полагают, что скорость науглероживания в большей степени зависит от совершенства его структуры и размеров кристаллитов.

Цель настоящей работы - получение гранулированных карбюризаторов с максимальным содержанием углерода и оптимальным гранулометрическим составом из углеродсодержащих пылевых отходов.

Экспериментальная часть

Для изготовления гранулированного карбюризатора в качестве наполнителя опробованы пылевые отходы, уловленные электрофильтрами при механической обработке графитированных электродов на основе нефтяных и пековых коксов (графитированная пыль с действительной плотностью Ди 2,18-2,22 г/см3) и обожженных угольных изделий на основе термоантрацита (угольная пыль - 1,70-1,95 г/см3). Исходя из значений действительной плотности пыли - это углеродные материалы, термообработанные при температурах 2200-2500 и 900-1000 °С, соответственно. По качеству пыли малозольные, малосернистые, с содержанием углерода 98,0-99,5 % (табл. 1) и могут быть применены в черной металлургии как карбюризаторы. Однако ситовой анализ показал, что графитированная пыль более чем на 70 % состоит из частиц размером менее

0,071 мм, угольная пыль более крупнодисперсная - на 87 % состоит из фракций +0,071 мм (табл. 2). В промышленной технологии процесс введения в жидкий расплав порошковых науглероживате-лей сопровождается интенсивным уносом с дымовыми газами мелких частиц, особенно с размерами менее 0,2 мм, доля которых в угольной пыли более 75 %, в графитированной - более 90 %. Кроме того, с увеличением тонины возрастает слеживаемость материалов при хранении.

Физическая химия

Таблица 1

Характеристика проб углеродсодержащей электрофильтровой пыли

Пробы пыли Зольность, % ДИ, г/см3 8, мас. %

Графитированная пыль 0,2-1,2 2,18-2,22 0,03-0,35

Угольная пыль 0,5-2,0 1,70-1,95 0,30-0,55

Таблица 2

Гранулометрический состав пылей, мас. %

Фракции, мм Угольная Графитированная

+0,50 4,3 1,7

-0,50+0,16 9,8 7,1

-0,16+0,09 62,3 7,2

-0,09+0,071 10,9 6,0

-0,071+0,05 2,8 63,6

-0,05 1,5 7,5

Примечание. Цифра в графе «фракции» соответствует диаметру ячеек сита, знак «+» означает, что во фракции содержатся частицы свыше указанного размера, знак «-» - менее указанного размера.

Из данных табл. 1 и 2 видно, что графитированная пыль более химически чистая (содержит меньше золы и серы) и тонкодисперсная. Одним из способов укрупнения частиц является гранулирование пылей с получением гранул размером более 0,5 мм. Для этого требуется связующее вещество, которое должно быть малосернистым, малозольным, обеспечивать формирование по-лигранулята, соответствующего заданным требованиям к науглероживателям. В качестве связующих опробовали мелассу и поливиниловый спирт.

Меласса (франц. ше1а88е) (ГОСТ Р 52304-2005) - патока кормовая, отход сахарносвекловичного производства, сиропообразная жидкость темно-бурого цвета с содержанием воды 20-25 %, углеводов 58-60 %, главным образом, сахара, легко растворима в любых соотношениях в холодной и горячей воде, имеет низкую стоимость. Меласса может быть использована как связующий материал, нетоксична, то есть является экологически чистым сырьем.

Поливиниловый спирт (ПВС) (ГОСТ 10779-78) - синтетическое ВМС. Порошок ПВС - сыпучий, легко дозируется, растворим в воде, содержит минимальное количество вредных примесей (серы, азота, летучих, водорода), большое количество ацетатных групп, дает мало золы, нетоксичен, имеет невысокую стоимость, после отверждения устойчив в воде. Известно применение ПВС в качестве связующего в литьевых формах, что свидетельствует о возможности его использования в условиях промышленного производства. Из табл. 3 видно, что ПВС, в отличие от мелассы, характеризуется низкими значениями зольности и выхода летучих веществ.

Таблица 3

Основные технические характеристики ПВС и мелассы

Наименование показателей Значения показателей

ПВС Меласса

Плотность, г/см3 1,27-1,30 1,45

Зольность, % 0,2-0,5 6-7

Выход летучих веществ, % Не более 5 15-24

Содержание основного вещества, % Не менее 94 56-62

Массовая доля серы, % 0,003 0,1

рН 5-7 6-8

Опытные образцы карбюризатора на основе графитированной пыли с использованием мелассы изготовили при следующих соотношениях компонентов - 80 : 20; 76 : 24; 70 : 30 (мас. %). Затем в сухую навеску пыли вводили при перемешивании при комнатной температуре заданное количество мелассы, массу тщательно перемешивали и гранулировали методом окатывания. Полученные гранулы сушили при комнатной температуре не менее суток. При нагреве до 120 °С продолжительность сушки может быть сокращена до 2 часов. Повышение температуры и увеличение продолжительности сушки приводит к повышению прочности гранул. Увеличение количе-

ства мелассы способствует образованию более крупных гранул: доля зерновых фракций (+1,0 мм) возрастает практически линейно. При соотношение пыли и мелассы 76 : 24 мас. % - полиграну-лят на 99 % состоит из частиц +0,5 мм; при соотношении 70 : 30 - на 100 % (табл. 4).

Таблица 4

Гранулометрический состав опытных образцов карбюризатора на основе графитированной пыли с мелассой

Содержание мелассы, % Размеры (мм) и количество гранул, %

+2 -2+1 -1+0,5 X +0,5 мм -05+0,071 -0,071

20 39 35,0 18,0 92 7 1

24 44 50,0 5,0 99 1 -

30 94 5,5 0,5 100 - -

Примечание см. к табл. 2.

Экспериментально выявлено, что меласса не требует предварительной дополнительной подготовки, при загустении может быть разбавлена водой, оптимальное соотношение графитированной пыли и мелассы 75 : 25 мас. % Недостатки мелассы, как связующего: высокая зольность полученных гранул - 1,36 %, против 0,18 % с ПВС; полученные гранулы гигроскопичны, при повторной сушке теряют целостность.

Поливиниловый спирт в качестве связующего использовали в виде 10, 15 и 20 %-ных растворов, приготовленных в кипящей воде. Каждый раствор при температуре 100 °С медленно при перемешивании вводили в графитированную пыль до полного ее вовлечения. Затем массу окатывали, полученные гранулы охлаждали до комнатной температуры. ПВС имеет хорошую адгезию к графиту, образует прочные гранулы с графитированной пылью, сохраняет адгезионные свойства при многократном нагреве - охлаждении.

Ситовой анализ показал, что использование ПВС в виде 15 %-ного раствора позволило получить более 95 % гранул размером более 0,5 мм. Дальнейшее увеличение концентрации нецелесообразно, так как приводит к незначительному укрупнению гранул (табл. 5).

Таблица 5

Гранулометрический состав образцов карбюризатора на основе графитированной пыли растворов ПВС разной концентрации

Концентрация водного раствора ПВС, % Разме ры (мм) и количество гранул, %

+2 -2+1 -1+0,5 +0,5 мм -0,5+0,071 -0,071

10 21,6 19,3 27,3 68,2 31,8 -

15 70,7 16,6 6,4 95,4 4,6 -

20 78,9 10,1 7,1 96,1 3,9 -

Примечание см. к табл. 2.

После этого опробовали гранулирование с разным количеством 15 %-ного раствора ПВС (15, 20 и 30 %). Увеличение количества связующего, как и в случае мелассы, приводит к укрупнению гранулометрического состава. При количестве 30 % - получен полигранулят, полностью состоящий из частиц +0,5 мм (табл. 6). Если учесть, что используется 15 %-ный водный раствор, то содержание собственно ПВС в гранулах составляет всего 4,5 %, то есть состав гранул: 70 % графитированной пыли; 4,5 % ПВС и 25,5 % воды.

Таблица 6

Гранулометрический состав образцов с использованием ПВС в качестве связующего

ПВС, % Разме ры (мм) и количество гранул, %

+2 -2+1 -1+0,5 X +0,5 мм -0,5+0,071 -0,071

15 36,6 23,3 10,6 70,5 11,8 -

20 70,7 16,6 6,4 93,7 4,6 -

30 98,9 1,0 0,1 100,0 - -

Примечание см. к табл. 2.

Физическая химия

Исходя из того, что промышленные углеродсодержащие пыли могут значительно отличаться по гранулометрическому составу (см. табл. 2), приготовили образцы графитированной пыли с заданным содержанием фракций -0,071 мм: 10, 20, 40, 60, 80, 100 %, остальное в каждой пробе фракции +0,071 мм. Каждую пробу пыли сначала перемешивали «всухую»; затем вводили свежеприготовленный 15 %-ный раствор связующего и смешивали до полного вовлечения пыли, охлаждали и рассеивали на сите 1 мм. Затем к подситной фракции (-1 мм) вводили еще несколько капель горячего связующего, и снова гранулировали, охлаждали, рассевали и так до получения 100 % гранул +1,0 мм. Расчеты показали, что количество потребляемого связующего (Y, %) линейно возрастает с увеличением доли фракций -0,071 мм (Х, %) в соответствии с уравнением:

Y = 15 + 0,21Х.

Полученный гранулированный науглероживатель - малозольный, малосернистый с размерами гранул более 1 мм (на 99,9 %). По показателям качества соответствует заданным требованиям (табл. 7). После сушки массовая доля влаги составила 0,43 %. Осушенные гранулы включают: 93,4 % графитированной пыли, 6,0 % ПВС и 0,6 % влаги. При использовании угольной пыли и ПВС получен гранулированный карбюризатор с более высоким содержанием зольных примесей и серы, но в пределах заданных норм.

Таблица 7

Оценка качества полученных карбюризаторов

Наименование показателя Заданные требования ГП* + 30 % мелассы ГП + 30 %ПВС**

Массовая доля влаги, % Не более 0,5 0,39 0,43

Выход летучих веществ, % Не более 0,5 0,44 0,20

Массовая доля серы, % 0,01-0,4 0,047 0,04

Зольность, % 0,05-0,3 1,3б 0,18

Содержание частиц размером более 1 мм, % Не менее 95 99,5 99,9

Примечания: *ГП - графитированная пыль; ** раствор ПВС 15 %-ный.

На основании проведенных экспериментов предлагается технологическая схема получения карбюризатора из графитированной пыли. Технология включает операции: приготовление раствора ПВС; дозирование пыли и раствора ПВС, смешение, гранулирование и сушку. Темпера-

турный режим технологической схемы, °С:

- приготовление раствора ПВС 90-100;

- дозирование (сухое) 80 ± 10;

- дозирование связующего и смешение 100 ± 10;

- гранулирование 90-25;

- охлаждение 25 ± 5;

- сушка 150 ± 10.

Гранулы после отверждения устойчивы в воде даже при кипячении, негигроскопичны при хранении. Гранулированный карбюризатор из углеродсодежащих пылей при контакте с расплавленным металлом мгновенно распадается на тонкодисперсные частицы и полностью усваивается, в отличие от карбюризатора - дробленного графитированного или обожженного материала. Основные продукты высокотемпературного распада ПВС: вода, оксиды углерода, метан и водород [5], что обусловливает его экологическую безопасность.

Изготовление карбюризаторов на основе углеродсодержащих пылевых отходов, которые в значительных количествах вывозились на техногенные полигоны, решает как экологическую проблему утилизации пыли, так и рационального расхода сырьевых материалов.

Выводы

С целью утилизации углеродсодержащих пылей электродного производства опробован способ гранулирования с использованием в качестве связующего растворов ПВС и мелассы. Показана предпочтительность применения 15 %-ного водного раствора поливинилового спирта.

Предложена технологическая схема получения карбюризатора из графитированной пыли: разработаны рецептура и пооперационный температурный режим. Показана экологическая безопасность предложенной технологии.

Полученный продукт - малозольный, малосернистый гранулированный карбюризатор соответствует заданным требованиям по показателям качества и усвояемости расплавом металла.

Литература

1. Калистов, С.В. Повышение эффективности процесса науглероживания расплава при изготовлении массивных отливок ответственного назначения из синтетического чугуна: автореф. дис. ... канд. техн. наук / С.В. Калистов. - Н. Новгород, 2008. - 17 с.

2. http://www.lityo.com.ua/elkem_3.html

3. Болховитинов, Н.Ф. Металловедение и термическая обработка / Н.Ф. Болховитинов. - М.: Машиностроение, 1965. - 505 с.

4. Панов, А.Г. К вопросу о выборе науглероживателя при производстве синтетических чугу-нов / А.Г. Панов, Т.В. Рогожина // Теория и практика металлургических процессов при производстве отливок из чёрных сплавов: сб. докл. Литейного консилиума № 2. - Челябинск: Челябинский Дом печати, 2007. - 56 с.

5. Сенкевич, С.И. Термопревращения поливинилового спирта / С.И. Сенкевич // ХТТ. - 2007. -№ 1. - С. 12-16.

6. Шумихин, В.С. Синтетический чугун / В.С. Шумихин, П.П. Лузан, М.В. Желнис. - Киев: Наукова думка, 1971. - 157 с.

Поступила в редакцию 25 мая 2011 г.

GRANULATED CARBURIZER PRODUCTION

A technique of granulated carburizer production has been suggested, based upon graphitized or baked pulverized wastes of electrode manufacture, using polyvinyl alcohol as a binder. The optimal ratio of the dust to the binder is 70 : 30 % (m/m). The low-ash, low-sulfur carburizer with granule size of more than 0.5 mm has been obtained.

Keywords: carburizer; graphite and coal dust; granulation; molasses; polyvinyl alcohol.

Malyutina Elena Mikhailovna - senior teacher, Inorganic Chemistry Subdepartment, Chemistry Department, South Ural State University. 76, Lenin avenue, Chelyabinsk, 454080.

Малютина Елена Михайловна - старший преподаватель, кафедра неорганической химии, химический факультет, Южно-Уральский государственный университет. 454080, г. Челябинск, пр. им. В.И. Ленина, 76.

E-mail: xelenka2003@mail.ru

Dyskina Bariy Shakirovna - Dr. Sc. (Techikal), Chemical technology Subdepartment, Chemistry Departament, South Ural State University. 76, Lenin avenue, Chelyabinsk, 454080.

Дыскина Бария Шакировна - доктор технических наук, заведующий кафедрой химической технологии, химический факультет, Южно-Уральский государственный университет. 454080, г. Челябинск, пр. им. В. И. Ленина, 76.