CC BY
12
ВЕСТНИК
ПРИАЗОВСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
Вып.№9
2000 г.
ТЕХНОГЕННА БЕЗПЕКА
УДК 519.714
Волошин B.C.1, Данилова Т.Г.2
СПОСОБ МИНИМИЗАЦИИ РЕСУРСОПОТОКОВ ОТХОДООБРАЗОВАНИЯ ДОМЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА
Рассмотрен метод формализованного управления локальными потоками отходов с целью минимизации отдельных компонентов, применительно к доменному производству.
Металлургический шлак является сложным в химическом и минералогическом отношении веществом, свойства которого до сих пор в достаточной мере не изучены. В частности, это относится к доменным шлакам (табл.). Поэтому следует ожидать развития новых методов преобразования шлаковых материалов и расширения области применения новой продукции.
Существующие методы переработки доменных шлаков основаны на простейших технологиях механической обработки (дробление), использовании свойства дифференцированного теплового удара в полиморфных средах и др. Известная номенклатура технологий переработки: производство гранулированного шлака, шлаковой пемзы, щебня, в меньшей степени - минерало-ватных изделий и минеральных удобрений. Из десятков миллионов тонн перерабатываемого шлака большая часть приходится на гранулированный шлак, и только 2-5 % - на минеральные удобрения, минватные изделия.
Таблица - Химический состав доменных шлаков__
Вид чугуна Усредненный химический состав, %
Si02 А120з СаО MgO МпО FeO S
Передельный 37-40 5,1-8,3 45-49 5.1-6,3 0,1-0,5 0,3-0,7 1,6-2,0
Фосфористый 37,5 9,5 43,9 3,66 0,95 0,64 1,59
Литейный 38-40 7,2-8,2 46-48 4,2-6,4 0,1-0,7 0,3-0,4 1,8-2,2
Ферромарганец 30 - 38 7,1-7,4 43-47 5,5-6,0 8,7-9,4 0,4-0.6 2,2-3,0
Зеркальный 32-35 7,4-8,4 39-43 4,5-7,7 8,4 0,4-0,7 2,8
Кроме того, в промышленно развитых регионах существуют неиспользованные резервы утилизации шлаковых отходов в надсистемах более высокого уровня, в сравнении с металлургическим заводом, в частности, в строительной жилищной индустрии, гидростроительстве и др..
Рассмотрим с этих позиций ресурсопотоки, связанные с образованием доменных шлаков (рис.1).
Преимущественно основными компонентами доменного шлака являются химические соединения, минералы на основе кремния и кальция. К основным минералам доменного шлака относятся окерманит (Ca2MgSi207), геленит (Са2А181А107), хромиты (СаА1407, СаА1204), шпинели (MgAl204). При различных распадах образуются такие минералы, как портландит Са(ОН)2, кальцит СаСОз. Всего около 60 минералов образуются при кристаллизации шлакового расплава. Кроме того, в состав шлака входит до 2 % железа в виде крупногабаритного скрапа, небольших включений неправильной формы и сферических частиц размером до 10 мм. Для мартеновских и конвертерных шлаков металловключения достигают 4-12 и даже 20 % от массы шлака.
1 ПГТУ, профессор, д-р. техн. наук
2 ПГТУ, старший преподаватель
Компоненты, входящие в состав шлаков, входят в огромное количество экологических циклов. Назовем только те из них, которые могут иметь для нас практический интерес. Это циклы по кремнию, кальцию, железу, фосфору. Хотя в перспективе, могут представлять интерес экологические циклы по алюминию, сер^вш^крч,' титану. Например, фрагмент экологического цикла по кальцию, связанный с производством доменных шлаков представлен на рис. 1.
¡мартеновский!
Са3(РО,), ] |(;а1(Р05),г,.!Сй
втлокят | I !
'ШШ.
ПРОИЗВОДСТВО МИНЕРАЛЬНЫХ УДОьИ'НИИ
Рис. 1 - Функциональные связи в ресурсопотоках доменных шлаков различной модификации
Здесь кальций выступает в качестве одиннадцати минеральных модификаций, каждая из которых имеет собственные технологические условия формирования. В действительности, количество минеральных и химических модификаций кальция значительно больше. Однако во всех этих образованиях кальций, являясь элементом экологического цикла, должен подчиняться свойствам и правилам этого цикла. И, в частности, свойству естественной, либо искусственной утилизации. В существующих технологиях утилизации шлака (грануляция, производство щебня, минеральных удобрений и др.) роль кальция неравнозначна. Как неравнозначны и возможности выхода элемента из этих образований в другие составляющие траектории экологического цикла. Например, в гранулированном шлаке соединения кальция легко разлагаются с образованием портландитов и кальцитов, которые, в свою очередь, легко циркулируют по естественным каналам экологического цикла. В то же время, в составе шлакового щебня, минеральной ваты соединения кальция в виде окерманитов и галенитов надолго выпадают из естественного экологического цикла, так как период их разложения неизмеримо возрастает.
Таким образом, под оптимизацией процесса утилизации шлакопотоков доменного производства следует понимать создание эффективной функциональной технологической структуры, обеспечивающей максимальную обработку шлаков в ходе основного технологического процесса с учетом их физико-химических и механических свойств, придание им свойств товарной продукции на основе закономерностей их существования в конкретных производственных системах.
Обратимся к графовой модели фрагментов данных систем [1,2]. Она представлена функциональным графом (рис.2) ОфСОф^Сф'), где Сф° = {1,2,...,11} - некоторые промежуточные состояния элементов экологических циклов по кальцию, железу и кремнию, а Оф'-{п,и,с1,а,...} -суть функции технологических процессов.
я а 2. т -4
- -!р _ -V-___"
! <£¿-2 : Г
11
О
"х
^ ' <3 -'-¿Г -~><>~~—
V. 'V
. д^/?-ю б?'-;
в)
I \ «^г I
[ I
дг£г.л..гг.....^
2) ..
Рис. 2 - Исходные и синтезированные функциональные (а,в) и пространственные (б,г) графовые модели фрагмента экологических циклов на пересечении их в технологии доменного производства.
Присвоим вершинам функционального графа следующие весовые функции. Вершинам 2 и
8 - состояние элемента "кальций" в гидрате кальция и двухкальциевом силикате доменного шлака; 5 и 1 ] - тоже для мартеновского и конвертерного шлаков, 4, 7 и 10 - состояние элементов "кальций" и "кремний" в минералах: галените; окерманите и хромите доменного шлака, 4', 7' и 10' - состояния элемента "кальций" в минеральных образованиях, гильгенштоките; витлоките и нагелынмидтите доменного шлака, 3 - состояние железа, как включенного элемента в шлаке, 6 и
9 - состояние элемента "кальций" в щебне и пемзе, соответственно. Численные значения весовых функций ребер определяются количеством конкретного компонента, в состав которого входит кальций, кремний или железо из соответствующего экологического цикла. Кроме того, при по-
мощи реберной структуры функционального графа можно анализировать качественные характеристики превращения элементов технологического процесса.
Пространственный орграф данного процесса Gn(Gn0Gn') содержит следующие группы вершин: Xi,X2,Xj - исходные объекты утилизации: шлаковый расплав, кристаллизующийся шлак, шлак распада, соответственно; YbY2,Y2,Y4 - утилизированная продукция: гранулированный шлак; шлаковая пемза; щебень; минераловатные изделия, соответственно; Zb Z2, Z3 - технологическое оборудование для: измельчения шлака; изменения температурного режима шлака; полимеризации минеральных волокон.
Результирующий орграф функциональной структуры gct.íg.j^git,') полученный методом ф-преобразований. с исключением свойств гомеоморфности, представлен на рис.2,е.
В качестве критерия оптимальности функциональной структуры синтезированного фрагмента производственной системы воспользуемся условиями минимальности суммарной весовой функции ребер исходного и результирующего графа [3]. Для исходного графа суммарная весовая функция ребер по параметру "функции технологические" составляет
g«(G*) = g(7t) + g(d,) + g(a) + g(-d2) + g(d5) +g(R) + g(-d6) (1)
для синтезированного графа (см. рис.2,в):
gae(G«)e = g(7t) + g(a) + g(a) + g(-d2) (2)
Суммарная величина gaeíG.j.^gaeíG,!,), что свидетельствует о том, что синтезированная структура характеризуется наименьшим количеством используемого в ней элемента "кальций". Учитывая, что в синтезированную структуру технологического процесса должны входить функции утилизации, это означает повышение степени использования этого элемента внутри производственной системы и, наоборот, уменьшение его количества, выпадающего из системы в прямой технологии.
Результирующая весовая функция вершин функционального орграфа по параметру "железо" max[g(3); g(7); g(10)] = g(3) = C3, (3)
поскольку в процессе выполнения операций утилизации шлака в щебень, пемзу с предварительным металлоотделением максимальная эффективность приходится на функцию металлоотделе-ния.
Выводы
1. Математическая модель ресурсопотока отходообразования может быть представлена в виде совокупности иерархических связанных форм графопостроений. Это позволяет на основе сформулированных общих исходных принципов определять системные закономерности управления отдельными потоками отходов с целью их минимизации.
2. Переработка кальциевых соединений в шлаковых минералах по существующим технологиям
не изменяет их структуры и на длительный период выносит этот элемент из экологического цикла.
3. Отмечены варианты технологий, позволяющие реализовать новую функциональную модель
фрагмента экологического цикла, а именно: технология создания металлобетона на базе шлаков насыщенных включениями железа; технология создания пенобетона, что существенно расширяет номенклатуру производимой продукции за счет утилизации доменного шлака.
Перечень ссылок
1. Хоменко Н.П., Кузьменко В.А. Полудекартово кронекерово произведение графов. //Вычислительная математика в современном наушно-техническом прогрессе: Тематический сб. -Канев, 1974. С. 373-381
2. Хоменко Н.П. Метод (р-перетворення та деяш його застосування. Тематичний сб. ср— перетворення графт. - Кшв. Вид. ¡н-та математики АН УРСРД973. С. 35-93
3. Хоменко Н.П., Лысенко Н.В. Некоторые свойства tp-преобразований.-Киев: Препринт ин-та
математики АН УССР, 1977.-36с. Волошин Вячеслав Степанович Профессор, д-р техн. наук, заведующий кафедрой Охраны труда и окружающей среды, окончил Мариупольский металлургический институт в 1975 г. Основное научное направление - охрана окружающей природной среды, общая экология, безопасность экологических систем.
Данилова Татьяна Григорьевна Ст. преподаватель кафедры Охраны труда и окружающей среды, окончила Мариупольский металлургический институт в 1989 г. Основное научное направление - охрана окружающей природной среды, общая экология, безопасность экологических систем.
