Утилизация отходов горно-промышленного комплекса в производстве огнеупорных материалов

Пронякин, Александр Юрьевич

Автореферат диссертации по теме "Утилизация отходов горно-промышленного комплекса в производстве огнеупорных материалов"

На правах рукописи

«Утилизация отходов горно-промышленного комплекса в производстве огнеупорных материалов»

Специальность: 25.00.36 -«Геоэкология»

I

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Кемерово - 2006г

Работа выполнена в ОАО «Западно-Сибирский металлургический комбинат» (ЗСМК)

Научный руководитель:

доктор технических наук Павлович Лариса Борисовна

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Рыжков Юрий Александрович

кандидат технических наук, профессор Кустов Борис Александрович

Ведущая организация: ОАО «Восточный научно-

исследовательский горнорудный институт»

Защита состоится « 7 » апреля 2006 г в 14-00 часов на заседании регионального диссертационного совета ДМ 212.102.04 при ГОУ ВПО «Кузбасский государственный технический университет» по адресу: 650026, Кемерово, ул. Весенняя, 28.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Кузбасский государственный технический университет.»

Автореферат разослан « 3» М&р! ¿1^2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

Актуальность проблемы. К середине XX века объём промышленных выбросов стал соизмерим с масштабами природных процессов, существенно возросло химическое и физическое загрязнение биосферы. В связи с этим была разработана и принята практически всеми странами мира «концепция устойчивого развития», которая предусматривает обеспечение достойного уровня жизни нынешнего поколения без ущерба для будущих поколений. Основой данной концепции является ресурсосберегающий подход к развитию экономики, в том числе, сбережение энергии и материалов. Перспективным источником промышленного сырья становятся техногенные отходы, образование которых, например, в России составляет около 7 млрд. тонн в год.

Существующие горно-добывающие, обогатительные и горнометаллургические производства в настоящее время имеют довольно низкий уровень использования минеральных отходов, что главным образом объясняется слабой изученностью свойств и отсутствием современных технологий их утилизации. В частности, одним из возможных направлений повторного вовлечения в промышленное производство указанных отходов является разработка технологий получения огнеупорных материалов. Наиболее актуальна эта проблема для крупных промышленных регионов, к которым относится Кузбасс, что обусловлено, во-первых, наличием предприятий металлургии, машиностроения и стекловаренной промышленности, использующих большие объемы огнеупорных изделий, во-вторых, необходимостью завоза этих материалов в большом количестве из других регионов, что отрицательно сказывается на экономических показателях предприятий, и, в-третьих, нестабильным качеством привозных огнеупоров. Известны ресурсосберегающие технологии утилизации отходов рудообогатительных фабрик, гидравлической добычи угля, отходов огнеупоров с получением строительных материалов, огнеупорных порошков, что не решает проблемы производства огнеупоров для высоко-температурных агрегатов.

Решение этой актуальной проблемы обусловило цель, задачи, структуру и содержание диссертационной работы.

Работа выполнялась по планам научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ Западно-Сибирского металлургического комбината и Сибирского государственного индустриального университета.

Объект исследования - технология промышленного производства новых безобжиговых огнеупоров из минеральных отходов.

Предмет исследования - физико-химические и минералогические свойства промышленных отходов, а также факторы и закономерности, определяющие условия, техническую, экологическую и экономическую целесообразность создания технологии производства новых безобжиговых огнеупорных материалов.

Цель работы - выявление факторов и закономерностей, определяющих возможность утилизации минеральных отходов горно-добывающей, обогатительной и горно-металлургической отраслей Кузбасса в тхиеяенш-производ-

Идея работы состоит в создании технологии производства новых огнеупорных материалов как технического способа совместной безопасной утилизации отходов горно-добывающей, обогатительной и горно-металлургической отраслей Кузбасса, существенно снижающей антропогенное воздействие на природную окружающую среду.

Основные задачи исследования:

- изучить физико-химические и минералогические свойства промышленных отходов горно-добывающих, обогатительных и горно-металлургических предприятий региона с целью возможного использования в производстве огнеупоров;

- исследовать влияние различных заполнителей (серпентиновых пород, корунда, шламового корунда, кварцитов Антоновского месторождения, асбестов, шамота), являющихся промышленными отходами, на качество огнеупоров; определить принципы создания композиций и оптимальную рецептуру для последующего получения огнеупоров;

- разработать рецептуру и способ получения связующего утилизацией кремнезёмистых пылевидных отходов;

- исследовать влияние условий эксплуатации безобжиговых кварцитовых огнеупоров на их структуру, технологические и эксплуатационные характеристики;

- разработать технологию промышленного производства безобжиговых кварцитовых огнеупорных изделий из минеральных отходов.

Методы исследований. Для решения поставленных задач использовался комплекс методов: физико-химических, геолого-минералогических анализов, оптической и электронной микроскопии. Количественный структурно-минералогический анализ проведен на компьютеризированном микроскопическом комплексе; все структурно-текстурные особенности материалов и минералы сфотографированы встроенными в микроскопы фотокамерами; анализ синтезированного силиката натрия проводился согласно разработанным автором техническим условиям; химические количественные спектральные анализы выполнены на рентгенофлуоресцентном, оптическом, длиннофокусном спектрометрах; при прессовании огнеупорных изделий впервые применена им-пульсно-волновая технология. Исследования проводились в лабораторных, опытно-промышленных, промышленных условиях в соответствии с Государственными стандартами.

Научные положения, выносимые на защиту:

- состав, физико-химические и минералогические свойства изученных минеральных отходов горно-добывающей, обогатительной и горнометаллургической промышленности Кузбасса позволяют использовать их для производства новых огнеупорных материалов;

- основным условием создания композиции для получения огнеупоров является малое трещинообразование при протекании полиморфных превращений в процессах нагрева, взаимодействия с металлом и последующего охлаждения;

- оптимальная рецептура для получения огнеупоров из минеральных от-

ходов Кузбасса включает следующие компоненты: отходы обогащения кварцита Антоновского месторождения, феррохромовый шлак и силикат натрия (связующее), полученный прямым растворением кремнеземсодержащей пыли сухих газоочисток раствором едкого натра;

- полученные кварцитовые огнеупоры можно рассматривать как открытую неравновесную систему, в которой одновременно присутствуют различные модификации Si02: кварц, метакристобалит, а- и ß - тридимит, новообразованные минералы и примеси;

Научная новизна:

- впервые изучены химический состав, механическая прочность, пористость, плотность, огнеупорность, минералогический состав отходов обогащения кварцитов Антоновского месторождения, серпентин-отходов обогащения маг-нетитовых руд, отходов асбестодобывающих горнообогатительных предприятий, отходов сухих газоочисток, передельных углеродистых феррохромовых шлаков, корундового шлама и боя шамотного кирпича, позволяющие обосновать возможность их использования для получения огнеупорных изделий;

- разработана оптимальная рецептура для последующего получения огнеупоров из промышленных отходов, защищенная патентом РФ;

- впервые исследован механизм полиморфных превращений в полученных огнеупорах при протекании процессов нагрева, взаимодействия с металлом и последующего охлаждения, а также фазовое взаимодействие в системе «кремнезем-металл-шлак» рабочей зоны огнеупорного изделия;

- впервые разработаны научно-обоснованные технологии производства безобжиговых кварцитовых огнеупорных изделий и силиката натрия из промышленных минеральных отходов.

Личный вклад автора. Формулирование цели и задач исследований, выбор экспериментальных методов их выполнения, проведение лабораторных, опытно-промышленных, промышленных исследований, обработка результатов, их обобщение и анализ.

Практическая значимость работы:

- разработана и внедрена в промышленное производство экономически эффективная, экологически безопасная и малооперационная технология производства широкого ассортимента крупноблочных и мелкоштучных безобжиговых кварцитовых огнеупоров на базе промышленных отходов горнообогатительных и горнометаллургических производств Кузбасса;

- разработана и внедрена в производство технология получения связующего компонента безобжиговых кварцитовых огнеупоров с использованием кремнеземистых пылевых отходов Кузнецкого ферросплавного завода.

Реализация результатов исследования. Разработана технология производства безобжиговых огнеупорных изделий из KAM с использованием в качестве связующего силиката натрия, синтезированного безавтоклавным способом при взаимодействии кремнезёмистых пылевых отходов производства ферросилиция и раствора едкого натра. Разработано технологическое задание на проектирование цеха, выполнен проект, на ЗСМК строится цех кварцитовых огнеупоров. Технология освоена на опытно-промышленном участке цеха кварцито-

вых огнеупоров ЗСМК. По этой технологии изготовлены партии огнеупорных изделий, которые использованы в производстве при ремонте футеровки на ЗСМК, НКМК, Кузнецком заводе ферросплавов (КЗФ), заводе «Анжеромаш».

Результаты работы реализованы в четырёх технологических инструкциях на производство, технических условиях.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на научно-техническом совещании «Чёрная металлургия Кузбасса: пути преодоления кризиса» (Новокузнецк, 1998); на международном симпозиуме «Работа бетонов в экстремальных условиях» (Норвегия, Тромсе, 1998); на международной научно-практической конференции «Современные проблемы и пути развития металлургии» (Новокузнецк, 1998); на Всероссийской научно-практической конференции «Металлургия на пороге XXI века: достижения и прогнозы» (Новокузнецк, 1998); на П научно-практическом семинаре «Опыт предприятий по утилизации промышленных и бытовых отходов» (Новокузнецк, 1999), на IV, V научно-практическом семинаре «Опыт работы муниципалитетов и предприятий по утилизации промышленных и бытовых отходов» (Новокузнецк, 2000Д001,2002).

Публикации. Основное содержание диссертационной работы изложено в 14 научных публикациях, в том числе -1 патенте.

Объём и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, списка цитируемой литературы (176 наименований), 4 приложений, содержит 219 печатных страниц, в том числе 47 рисунков, 68 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе описываются методы использования промышленных минеральных отходов в мире, Кузбассе; рассматривается возможность промышленного производства кварцитовых огнеупорных изделий, их использования в футеровках металлургических агрегатов. Показано, что Кузбасс обладает всеми видами высококачественного сырья в виде отходов горно-добывающей, обогатительной и горно-металлургической отраслей промышленности, пригодных для производства основных типов изделий огнеупорной продукции с целью развития собственной огнеупорной отрасли для обеспечения потребностей регионов Сибири и Дальнего Востока. В этой главе формируются цели и задачи исследований.

Представлены методы исследования сырья, материалов, готовой продукции в лабораторных, опытно-промышленных и промышленных условиях. Для разработки рецептуры и технологии огнеупорных изделий использованы современные методы физико-химических и геолого-минералогических анализов, существующих в мировой практике. Разработано, подобрано и обосновано экспериментальное оборудование, рекомендованное к промышленной эксплуатации.

Во второй главе приведены исследования химического состава, физико-химических, минералогических свойств отходов горно-добывающей, обогатительной отрасли промышленности: кварцитов Антоновского месторождения, серпентин-отходов обогащения магнетитовых руд, отходов асбестодобываю-

щих горнообогатительных предприятий; горно-металлургической отрасли: отходов сухих газоочисток, передельных углеродистых феррохромовых шлаков ферросплавного производства, электрокорундов, корундового шлама Юргин-ского абразивного завода, тонкомолотая шамотная добавка с содержанием А120з - 35-37% масс., бой шамотного кирпича.

Кварциты. Добываемые KAM в процессе переработки подразделяются на 5 групп по фракционному составу, мм: металлургические кварциты (I - 25-300; II - 15-125; III - 10-40); отходы производства (IV - 5-10; V - < 5). KAM имеют серую и светло-серую окраску, микроскопически характеризуются тонкокристаллической структурой и массивной текстурой. В шлифах структура в основном микрогранобластовая, реже, в участках перекристаллизации, структура гранобластовая. С помощью электронного микроскопа установлено, что основная масса зёрен кварца имеет изометрическую форму с острыми, угловатыми границами. Минералы-примеси распределены неравномерно. Они приурочены к микротрещинам, прожилкам и участкам перекристаллизации кварца. Химический состав, физико-химические свойства, минеральный состав кварцитов представлены в таблицах 1 и 2.

Таблица 1. Химический состав, физико-химические свойства кварцитов

Показатели Место рождение

Антоновское Первоуральское

Содержание, % масс."

вЮ2 98,39-98,9 97,44-99,10

АЬОз 0,33-0,67 0,17-0,75

Ре203 0,03-0,09 0,42-1,57

СаО 0,01-0,06 0,06-0,59

Мф 0,01-0,20 0,02-0,06

К20 + №20 0,20 0,15

ИПП 0,05-0,20 0,07-0.30

Водопоглащение 0,05 0,1

Объёмная масса 2,65 2,64

Плотность, г/см 2,66

Пористость, % 0,8-1,4 0,15-0,30

Огнеупорность, °С 1770

Излом раковистый полураковистый

Цвет светло-серый до тёмно-серого

Внешний вид плотный

Структура тонкая гранобластовая, зёрна зёрна кварцита неправильной формы,

кварцита размеромО,005-0,05 мм размером 0,05-0,30 мм с зазубрен-

Цемент халцедоновый ными краями, по которым

поровокрустификационный проходит бесцементное срастание

Особенность структуры KAM: размер зёрен (0,005-0,05) мм, содержание, % мае.: халцедона - 7-10, акцессорных минералов - 1-3, кварца - остальное обусловливает высокие показатели качества огнеупоров. Халцедоновый цемент кварцита активно вступает во взаимодействие с натрово-силикатной связкой огнеупора, при этом повышается силикатный модуль связки, следовательно, и температура её размягчения; а- кварц цемента и на его контакте интенсивнее, в более растянутом интервале превращается в низкотемпературный и метаста-

бильный кристобапит, минуя полиморфное превращение в /9- кварц, что предотвращает скачкообразное объёмное расширение кремнезёма за счёт полиморфного превращения; взаимодействие акцессорных минералов с натрово-силикатной связкой и минералами феррохромового шлака создаёт стабильную пироксен-оливин-шпинелевую долговременную связку, армированную графитом из органики кварца и силикатного стекла. Тонкая гранобластовая структура кварцита, которую образуют разноориентированные его зёрна размером (0,0050,05) мм, а также халцедоновый порово-крустификационный цемент положительно влияют на прочность огнеупоров из данной смеси при высокой температуре их эксплуатации.

Таблица 2. Минеральный состав кварцитов

Минеральный состав, % масс. Месторождение

Антоновское Первоуральское

Минералы:

главные ■ кварц (8Ю2) 87-92 92-94

второстепенные -

халцедон (5Ю2) 7-10 —

акцессорные в том числе. 1-3 4-6

магнетит РеРе204

гематит Ре,О,

гетит РеООН

гидрогетит Ре203*пН20

турмалин (Ыа,СаХМ&АЬ)«[8|6А1з В3(О,ОН,0)]

циркон &8Ю4

пирит Ре82 К(Мв,РеЫА181Ао]'[ОН]

биотит —

мусковит — КА12[А1$!30,„][0Н]2

дистен — АЬвЮ,

псиломелан ВаМп7(О,ОН)20 —

каолинит АЦБцОюЛОН], —

хлорит {М8,Ре,А1М(5|,А1)<О,0][ОН] —

серицит КАЫА^ОюИОЩ —

кальцит СаСОз —

флюорит СаР2 —

полевые шпаты, лейкоксен по анализу эпидот

ТЮ2, термолит, органика

Кремнезёмсодержащие пылевидные отходы ферросилиция В качестве сырья для производства связующего - силиката натрия - компонента огнеупорных кварцитовых изделий исследован микрокремнезём конденсированных отходов сухих газоочисток. Пыль газоочисток характеризуется низкой насыпной массой (100-200 кг/м3), которая при искусственном уплотнении (вибрацией в течение 30 сек) увеличивается до 250-300 кг/м3, плохо смачивается водой, имеет низкую абразивную способность, неоднородность состава - содержание 8102 изменяется от 86,1 до 93,3%; наличие частиц крупных классов - размер частиц колеблется от 50-10'6 м до 250-10^ м; повышенное содержание свободного углерода - 0,5-3,0% масс, при высоком индексе активности - 98,5%.

Шлаки передельного углеродистого феррохрома В качестве отвердителя жидкого стекла использовался саморассыпающийся шлак от выплавки углеро-

дистого феррохрома. Выбор этого материала обусловлен высоким содержанием в шлаке силиката кальция, присутствующего в основном в более активной форме, а также низким содержанием примесей и постоянством свойств. Соотношение в феррохромовом шлаке СаО/8Ю2 - 1,7 обеспечивает условия образования 2СаО*8Ю2. Характер кристаллизации шлаков довольно однородный. Среди основной массы форстерита выделяется значительное количество (1015%) стеклофазы. Кристаллы оливина образуют длиннопризматические или изометрические формы с размерами до 1 мм и более. Кристаллы шпинели образуют сростки, на аншлифе имеют скелетно-дендритную структуру. В аншлифе наблюдается в среднем до 1% корольков металла. Свойства шлака высокоуглеродистого феррохрома приведены в табл. 3. Анализ совокупности свойств шлака определил возможность использования его в качестве заполнителя огнеупорных материалов.

Таблица 3. Свойства шлака высокоуглеродистого феррохромового

Показатели Свойства

Прочность на сжатие в куске, МПа 169-180

Плотность, г/см3 3,20-3,30

Насыпная масса, г/см3 2,0-2,2

Термостойкость, водные теплосмены 22-23

Огнеупорность, °С 1520-1650

Температура деформации под нагрузкой, °С:

начало 1410-1560

4%-ная деформация 1480-1610

Коэффициент термического расширения (7,1-9,0)10"6

Серпентины - отходы обогащения серпентин-магнетитовых руд. Для производства огнеупоров исследован серпентин Тейского месторождения. Химический состав отходов горных пород характеризуется следующими значениями основных компонентов, % мае.: БЮг - 39-41; СаО - 0,4-0,6; Ре203 - 3,24,8; РеО - 0,2-0,8; N^0 - 40-42; ППП - 11,4-12,9. В них преобладают волокнистые материалы, имеющие наибольшую практическую ценность.

Третья глава посвящена исследованию и разработке технологии, рецептуры производства кварцитовых огнеупоров на базе отходов.

Связующее кварцитовых огнеупоров. В лабораторных условиях исследовали влияние концентрации раствора №ОН, соотношения твёрдого вещества и жидкости, температуры, длительности гидротермальной обработки на процесс синтеза силиката натрия — технического жидкого стекла (ТЖС) — связующего кварцитовых огнеупоров, на двух образцах кремнезёмсодержащей пыли сухих газоочисток при содержании в образцах аморфного БЮг - 86,1 и 93,3% мае., изменении: концентрации ИаОН 10-40% масс., температуры 65-95°С, соотношения твёрдого вещества: жидкости, равного 1:0,6+1:2Д времени обработки 60-180 минут. Результаты испытаний показали, что в раствор переходит от 70,1 до 93,7% масс, кремнезёма, содержащегося в пыли, и практически все примеси СаО, N^0, А1203, Ре20з. ТЖС представляло собой вязкую жидкость серого цвета, содержавшую взвешенные частицы, количество нерастворимых примесей — сухого остатка, колебалось в пределах 3-5%. Степень растворения 8Ю2 в большей мере зависела от времени и от температуры гидро-

термальной обработки силикатной пыли. Установлен оптимальный режим: температура растворения 90-95°С, продолжительность 60-90 минут, соотношение твердого вещества, жидкости равно 1: (1,1-1,63).

Рекомендуется для промышленной реализации технологии получения ТЖС следующий состав отходов, % масс.: кремнезёмистая пыль - 30,2; №ОН (твёрдый) - 12,4; вода - 57,4, обеспечивающий получение ТЖС с силикатным модулем 2,3-3,0 и плотностью в пределах 1,40-1,42 г/см3.

Рецептура и технология изготовления огнеупоров. Одной из причин, ограничивающих долговечность огнеупорных изделий на основе природных кварцитов, являются полиморфные превращения а- кварца при нагревании, сопровождающиеся изменением объёма. Разработанное автором композиционное связующее кварцитовых огнеупоров — ТЖС, в результате нагрева которого возникающие напряжения в огнеупоре релаксируются, повышает долговечность и степень надёжности футеровок. Это-одна из основных задач, решённых в данных исследованиях. Рецептура и свойства предлагаемых кварцитовых огнеупоров представлены в табл. 4.

Таблица 4. Рецептура и свойства кварцитовых огнеупоров

Показатели Образцы

1 2 3 4 5 6 7

Состав смеси, % мае.:

отход производства кристаллического

кварцита 96 94 96 98 97 92 96

феррохромовый шлак 4 6 4 2 8 4

ТЖС, плотн. 1,322 г/см3 (>100%) 9 8 9 7 10 8 14

Объёмный вес, г/см3; после:

сушки 2,05 2,06 2,05 2,09 2,10 2,0 2,0

термообработки 800°С 2,00 2,04 2,04 2,05 2,05 2,0 2,0

термообработки 1550°С 1,70 1,75 1,68 1,53 1,70 1,53 1,60

Механическая прочность, МПа; после'

сушки 10,6 14,5 19,3 9,7 14,7 10,0 19,6

термообработки 800°С 24,2 33,8 34,8 16,9 34,0 18,2 33,2

термообработки 1550°С 20,5 31,6 32,3 6,4 31,0 6,4 30,3

Линейное изменение после 1550°С, % 5,96 5,96 6,2 5,96 6,0 5,8 6.0

Шлакоразъедание после 1550°С, мм 2,0 1,5 2,0 2,5 2,0 2.5 2,0

Особенность данного метода утилизации отходов при изготовлении безобжиговых кварцитовых огнеупоров, включающих кварцитовый заполнитель, феррохромовый шлак и жидкое стекло в их химическом, гранулометрическом составе и рецептуре. Они содержат в качестве кварцитового заполнителя отход производства кристаллических кварцитов со структурой, представленной размером зерен 0,005-0,05 мм, состава, масс. %: халцедон 7-10, аксцессорные минералы 1-3, кварц остальное. В качестве связующего используется жидкое стекло плотностью 1,42 г/см3, полученное прямым растворением едким натром отходов сухих газоочисток производства высокопроцентного ферросилиция -кремнеземсодержащей пыли с размером частиц (50-250)-10"6м, содержанием общего углерода 0,3-2,9% , при температуре 90-95°С, весовом соотношении твердого вещества и жидкости 1:1:1:1,6 и гидротермальной обработке в течение

60-90 мин. Оптимальное соотношение компонентов в смеси, масс.% следующее:

отход производства кристаллических кварцитов 94-97 феррохромовый шлак 3-6

жидкое стекло (ТЖС) 8-14 сверх 100%

На процесс схватывания и твердения вяжущего влияет плотность, модуль жидкого стекла и вид отвердителя. Эффективным, легко доступным и технологичным отвердителем является феррохромовый шлак. Эффективность введения его в состав вяжущего обусловлена тем, что он является активизатором твердения ТЖС, что связано с наличием в его составе р и у - 2СаО*8Ю2- Выбор пределов содержания в смеси феррохромового шлака обусловлен требованиями к механической прочности огнеупоров. При содержании в смеси феррохромового шлака 3-6 % масс, качество огнеупоров удовлетворяет предъявленным техническим требованиям; при содержании в смеси данного шлака, % масс. < 3 и > 6 -качество огнеупоров ниже требуемого (табл. 4).

Влияние плотности ТЖС на прочность огнеупоров в высушенном состоянии и сроки схватывания огнеупорной массы показали, что при повышении плотности ТЖС в указанном пределе прочность образцов повышалась в среднем на 20-23%. Оптимальная плотность с учётом комплекса физико-механических и термических свойств огнеупоров принята на уровне 1,40-1,42 г/см3 Результаты исследований представлены на рис.1. Количество ТЖС в образцах 13% сверх 100%. Силикатный модуль ТЖС-2,6. Дальнейшее повышение плотности ТЖС приводило к резкому снижению огнеупорности. Уменьшение плотности ТЖС вызывало ускорение сроков схватывания за счет меньшей вязкости системы. Начало схватывания вяжущего при плотности ТЖС 1,41-1,42 г/см3 наступало через 20 минут (рис.2). Исследование влияния фракционного состава кварцита на механическую прочность огнеупора (рис.3) показало, что

Плотность, г/см3

1 - Зависимость прочности образцов от плотности ТЖС,

2 - Зависимость огнеупорности от плотности ТЖС;

3 - Зона оптимальной плотности

Рис 1 Влияние плотности ТЖС на прочность и огнеупорность образцов после сушки

Вуемя auiuuwf мим1'

Содержание таикоиолотого {фр <014 ни) кварцита %

Рис 2 Влияние плотности, вязкости ТЖС на время Рис 3 Влияние содержания фракционного

схватывания огнеупорной смеси состава кварцита на механическую

прочность огнеупора

до 20% фракции <0,14 мм, что позволяет получать вяжущее тесто необходимого качества в композиции с ТЖС. Предлагаемая смесь для изготовления безобжиговых кварцитовых огнеупоров с указанной совокупностью признаков обеспечивает получение качественных огнеупоров, утилизацию промышленных отходов горнометаллургического производства, расширение сырьевой базы производства огнеупоров с низкой себестоимостью.

Влияние свойств заполнителей на качество огнеупоров. Кроме KAM исследовано влияние на качество огнеупорных изделий различных заполнителей: корундовых, шламового корунда, серпентиновых пород, тонкомолотых отходов обобщения асбеста, шамотных заполнителей.

Корундовые заполнители С целью повышения термической стойкости кремнезёмистых огнеупоров после нагрева до эксплуатационной температуры нагревательных колодцев 1300-1350°С выполнены исследования термической стойкости связки при введении в состав дисперсного материала, содержащего А120з, в частности, корундовых заполнителей и отходов производства Юргин-ского абразивного завода. Условия и результаты исследований по влиянию

Таблица 5. Исследование влияния на свойства огнеупоров заполнителя шламового корунда____

Показатели Образцы огнеупоров

1*) 2**)

Состав смеси, % масс • кварцит фр 0-3 мм 24,5 82,9

шпамовый корунд 63,0 4,8

ТЖС 9,0 8,8

феррохромовый шлак 3,5 3,5

Свойства бетона : Предел прочности, МПа после'

сушки, при 110°С 10,9 24,4

обжига, при 1300°С 18,6 22,3

Линейная термическая усадка, % 2,1 0,96

Термостойкость, водных теплосмен 2 4

Усадка образцов, % 0,8-1,12 0,8-1,12

*) Оплавление образцов с поверхности. **) Спекание образцов без оплавления

корундовых заполнителей на свойства изделий представлены в табл. 5. Лучшие результаты по огнеупорности получены с заполнителем из шамота и высокоглинозёмистого продукта с использованием в качестве связки цемента марки М-400. Результаты представлены в табл. 6.

Данный вид вяжущего огнеупорностью 1700°С в композиции с корундовым заполнителем обеспечивает возможность изготовления высокоогнеупорных и термостойких огнеупоров, предназначенных для футеровки сталеразли-вочных ковшей, горелок нагревательных колодцев, элементов футеровки электросталеплавильных печей и т.д.

Таблица 6. Состав и свойства огнеупорного материала с шамотным заполнителем

Показатели Образцы огнеупоров

1 2

Содержание компонентов, %• шамот легковесный 75 75

продукт высокоглиноземистый 20 10

глинозёмистый цемент 5 15

Свойства: огнеупорность, °С 1670-1690 1670

Заполнители из серпентиновых пород. С целью удовлетворения потребности горно-металлургического производства в огнеупорных материалах наряду с кварцитовыми блоками для футеровки тепловых агрегатов с относительно стационарным тепловым режимом с температурой службы до 1200°С (нагревательные термические печи и т.д.) выполнены исследования по разработке огнеупорных изделий на основе заполнителя из серпентиносодержащих горных пород При нагреве до 800°С изделия характеризовались достаточно высокими физико-механическими свойствами, дальнейший нагрев до 1000°С приводил к появлению многочисленных трещин, разупрочнению материала и потере термостойкости, что вызвано объёмными изменениями в результате твёрдофазо-вых реакций заполнителя. Термогравиметрические исследования показали, что заполнитель может использоваться для двух видов огнеупорных изделий с предельной температурой службы до 800°С и 1200°С. В первом случае заполнитель может использоваться с предварительной термической обработкой до 700°С с целью удаления гидратной воды, а во втором заполнитель подлежит предварительному обжигу при температуре 1000°С. Изготовлены серии огнеупорных образцов и исследованы их физико-механические и огнеупорные свойства. В качестве отвердителя жидкого стекла использовались феррохромо-вый шлак и кремнефтористый натрий, а в качестве тонкомолотой составляющей - шамот, дегидрированные при 700°С серпентиносодержащие природные соединения и эти же материалы, обожжённые при 1000°С.

В качестве заполнителя применялись термообработанные при 1000°С серпентиносодержащие отходы обогащения комбината «Ураласбесг» фр. 0-5 и 5-20 мм. Разработано и исследовано пять составов огнеупорных материалов (табл. 7).Выполненные исследования показали возможность использования разработанных составов огнеупоров в несущих конструктивных элементах футеровки тепловых агрегатов.

Шамотные заполнители. Проведены лабораторные исследования образ-

цов, изготовленных из шамотного заполнителя Богдановичского завода (БОЗ), кремнезёмсодержащей пыли, ТЖС, феррохромового шлака. Условия и результаты испытаний огнеупорных изделий на базе шамотного заполнителя представлены в табл. 8. Выявлено, что при введении в шамотные заполнители кремнезёмсодержащей пыли 5-15%, феррохромовых шлаков 3%, ТЖС 8,4-9,6% термостойкость образцов достигала 12-14 теплосмен.

1

Таблица 8. Огнеупорные изделия на базе шамотного заполнителя

Показатели Образцы огнеупоров

1 2 3 4

Состав изделий, % масс ■ шамот БОЗ 77 82 87 92

кремнезёмсодержащая пыль 20 15 10 5

феррохромовый шлак 3 3 3 3

ТЖС плотностью 1,36 г/см3, (>100%) 20,4 17,0 13,6 12,2

Влажность готовой массы, % 10,4 9,6 8,6 8,4

Выдержка на воздухе при комнатной температуре, час 17.0 18,0 нет нет

Температура сушки, °С 120 120 120 120

Время сушки, час 3 3 3 3

Усушка, % 0,4 0,4 0,3 0,2

Внешний вид образцов удовл удовл удовл удовл

Свойства изделий огнеупорность, "С 1450 1450 1550 1590

открытая пористость после сушки, % 23,5 25,8 26,9 27,8

предел прочности при сжатии, после сушки, МПатер- 18,8 18,4 16,8 15,2

Термостойкость, водных теплосмен 12 14 И И

На базе вяжущего ТЖС, отхода обогащения KAM (фр. О-Змм) разработана рецептура и технология производства кварцитовых безобжиговых огнеупорных изделий средней плотностью 2230-2280 кг/см3, огнеупорностью 1600-1610°С с пределом прочности на сжатие, МПа: при сушке 27,8-32,0, нагреве до 1000°С 28,1-36,4, обжиге при 1300°С — 29,6-30,6. Получение высокого технического результата автором достигнуто за счет оптимально подобранной рецептуры смеси, технологии получения ТЖС, утилизацией промышленных отходов производства кристаллических кварцитов, сухих газоочисток производства высокопроцентного ферросилиция, особенности структуры, минералогического и гранулометрического состава KAM.

В четвертой главе представлены результаты испытаний огнеупорных изделий на базе кремнезёмистых отходов для футеровки промышленных агре-

Таблица 7. Составы огнеупорных материалов

Компоненты Содержание компонентов в смеси, % мае

1 2 3 4 5

Заполнитель фр., мм: 5-20 36,6 36,4 38,0 37,8 38,0

0-5 40,3 40,3 41,5 41,9 41,6

Тонкомолотая шамотная добавка 23,1 — 20,5 — —

Тонкомолотые отходы обогащения

асбеста, обожжённые при 1000°С — 23,3 — 20,2 20,4

Тонкомолотые дегидратированные при

700°С отходы обогащения асбеста (>100%) — — — — 5,4

ТЖС плотностью 1,36 г/см3 (>100%) 13,0 13,0 14,3 13,6 14,0

Кремнефтористый натрий (> 100%) 2,0 2,0 — — —

Феррохромовый шлак (>100%) — 5,5 5,4 —

гатов В качестве базы для сравнительного анализа использованы технические характеристики и данные о промышленной эксплуатации огнеупорных материалов и связующих, применяемых для футеровки металлургических агрегатов согласно производственно-техническим инструкциям.

В обжимных и конвертерных цехах проведены промышленные испытания опытных партий виброформованных безобжиговых огнеупоров, которые показали, что эти огнеупорные изделия по качественным характеристикам и сроку службы не уступают аналогичным промышленного производства и могут с успехом применяться для футеровки тепловых агрегатов с температурой службы до 1650°С. Исследования структуры, физико-химических свойств, минералогического состава отработанных кварцитовых огнеупоров подгвердили высокое качество предлагаемых огнеупорных материалов. О качестве огнеупо-ра можно судить по количеству и размеру сохранившихся зерен кварца. Хорошо тридимитизированный участок содержит большое количество тридимита в виде иголочек и копьевидных двойников, образующих между собой сростки, промежутки в которых заполнены стекловидным веществом (рис.4). По вариации распределения твердости кварца, кристобалита и тридимита четко видно (рис.5) относительное содержание этих минералов в огработанных огнеупорах.

Промышленные исследования возможности применения кварцитовых огнеупорных изделий и масс по предлагаемой технологии проводились на доменной печи: виброформованных мелкоштучных изделий и набивных масс в чугунных желобах; кварцитовой наливной массы в футеровке качающегося желоба для слива чугуна. Установлено, что удельный расход кварцитовой массы ниже, чем средний удельный расход применяемой промышленной желобной массьг составлял 0,105 кг/т и 0,167 кг/т, соответственно. Время работы футеровки возросло в 2,5 раза, средний износ футеровки, выполненной из мелкоштучных изделий, составил 1мм на 1тыс. тонн чугуна.

В ферросплавном производстве испытания огнеупоров проводили в рабочем слое футеровки разливочного ковша ферросилиция, ковш находился в эксплуатации 32 часа, выдержал 20 наливов, выведен из эксплуатации из-за уменьшения объема ковша, в результате образования настылей.

В литейном производстве отработана технология получение ТЖС, рекомендованного в быстросохнущих огнеупорных смесях, взамен жидкого стекла,

а б в г

Рис 4 Минералы в отработанном кварцитовом огнеупоре а - образование метастабипьного кристобалита по кварцу (х 25000 ), б - удлиненно-пластинчатые и стройникованные кристаллы тридимита (х 28000), в -двойники по октаэдрическому закону Р-кристобалита на фоне мелких пластинчатых кристаллов тридимита и стекла (х23000) г - комбинация октаздрических и ромбоэдрических граней на Р-кристаллах кристобалита (х 30000)

/ \

У |/ \ / ч \ \

Тридимит к X § \ \ Кварц -

700

100

1100

1200

900 1000

Твсодосгь, кгс/мм2 Рис 5 Количественное соотношение модификаций кремнезема в отработанном кварцотовом отнеупоре

полученного из силикат-глыбы. Физико- механические свойства песчано-жидкостекольных смесей соответствовали требованиям технологических инструкций, качество отливок аналогично отливкам, полученным с применением стекла по ГОСТ 13078-081. Таким образом, испытания показали, что огнеупоры на базе отходов не уступают по механическим и эксплуатационным свойствам огнеупорам промышленного производства, увеличивают сроки межремонтных периодов агрегатов и снижают удельный расход материала.

В пятой главе рассматривается технология промышленного производства безобжиговых кварцитовых огнеупоров на базе отходов, ее технико-экономическая и экологическая оценка.

Процесс производства безобжиговых кварцитовых огнеупоров состоит из следующих стадий: складирование, хранение сырья, подготовка материалов, производство ТЖС, приготовление формовочной массы, формование блоков, сушка блоков, хранение и транспортировка блоков потребителю. Технологические схемы процесса производства ТЖС, кварцитовых огнеупоров представлены на рис. 6,7.

Рис 6 Технологическая схема производства технического жидкого стекла 1,3,5- насосы для перекачки едкого натра, 4- аппарат для разбавления едкого натра, 2- емкости для хранения едкого натра; 6- реактор, 7- ротаметр для дозировки едкого натра, 8- ротаметр для дозировки воды; 9- весы, 10- винтовые питатели для дозировки силикатной пыли, 11- насос для перекачки ТЖС, 12,13- емкости для ТЖС; 14- теплообменник, 15- кран магни-тогрейферный г/п-5т

Разработанная технология является ресурсосберегающей, она, как и продукция - кварцитовые огнеупоры, является экологически чистой, так как не расходуется топливо, нет продуктов горения, нет выбросов в атмосферу СО, N0« 802, ПАУ, канцерогенных веществ, не используется высокоядовитое связующее вещество (кремнефтористый натрий).

Рис 7 Технологическая схема производства кварцитовых огнеупорных блоков 1,2- кран мостовой магнитно-грейферный, 3- кран мостовой электрический подвесной двух пролетный; 4- кран консольный стационарный поворотный; 5- лебедка маневровая, 6- портал; 7- дозатор весовой автоматический; 8,9- кинвеер ленточный; 10- железоотделитель П 100 МУ 3; 11- элеватор ковшевой ленточный, 12- бетоносмеситель, 13- сборник вертикальный, 14- виброусгановка; 15- перекладчик блоков; 16- электролафет для сушильных вагонеток, 17- электролафет с толкателем для сушильных вагонеток, 18,19, 20- подаватель тросовый; 21- поддон-поаложха, 22- хюбель передвижной для некондиционной массы; 23- сушильная вагонетка; 24- туннельное сушило, 25- устройство переключающее, 26- фильтр рукавный

Технико-экономическая оценка разработанной технологии выполнена в объёме проекта строительства цеха по производству кварцитовых огнеупоров на ЗСМК, проектная мощность цеха (т/год) по производству: ТЖС - 5060, огнеупорных изделий 23000. Ожидаемый экономический эффект от производства и использования огнеупоров получен и ТЖС для футеровки металлургических агрегатов за счет использования отходов составил 57,2 млн. рублей/год. Экологический эффект за счет уменьшения количества размещенных на полигонах отходов (кремнеземистой пыли сухих газоочисток ферросплавного производства, отходов обогащения KAM, феррохромового шлака) и вовлечения их в хозяйственный оборот составит в соответсвиии с методикой определения предотвращения экологического ущерба (г. Москва, 1999г.) -10,1 млн. руб/год.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является законченной научно-квалификационной работой, в которой представлено решение проблемы утилизации отходов горнопромышленного комплекса в производстве огнеупоров, имеющей существенное значение для рационального использования материальных ресурсов региона.

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. Изучены физико-химические и минералогические свойства отходов обогащения кварцитов Антоновского месторождения, серпентин-отходов обогащения магнетитовых руд, отходов асбестодобывающих горнообогатительных предприятий, отходов сухих газоочисток, передельных углеродистых ферро-

хромовых шлаков, корундового шлама и боя шамотного кирпича. Показано, что эти отходы являются высококачественным минеральным сырьем для производства основных типов огнеупорной продукции.

2. Установлено, что высокие показатели качества огнеупоров обусловлены минеральным составом Антоновских кварцитов, содержащим, масс. %: халцедон - 7-10, акцессорные минералы - 1-3, кварц - остальное, а также тонкой гранобластовой структурой кварцита размером зёрен (0,005-0,05 мм).

3. Впервые исследован механизм полиморфных превращений в полученных огнеупорах при протекании процессов нагрева, взаимодействия с металлом и последующего охлаждения, а также фазовое взаимодействие в системе «кремнезем-металл-шлак» рабочей зоны огнеупорного изделия. Установлены основные условия создания композиции для получения огнеупоров с малым трещинообразованием при протекании полиморфных превращений.

4. Обоснована и разработана рецептура производства кварцитовых огнеупоров на базе отходов кварцитов Антоновского месторождения.

5. Обоснована и разработана технология синтеза связующего кварцитовых огнеупоров (технического жидкого стекла) на основе кремнезёмсодержа-щей пыли, являющейся отходом сухих газоочисток ферросплавного производства. Показано, что кремнеземсодержащая пыль с содержанием Si02 86-93%, размером зёрен 50 - 250 мкм, содержанием общего углерода 0,5-3,0% масс, при разработанных параметрах технологического режима процесса синтеза позволяет получить техническое жидкое стекло, являющееся основным связующим компонентом, определяющим термостойкость и долговечность огнеупоров.

6. Определены условия эксплуатации безобжиговых кварцитовых огнеупорных изделий на базе минеральных отходов в футеровке металлургических агрегатов.

7. Ожидаемый экономический эффект от производства и использования технического жидкого стекла и безобжиговых огнеупорных изделий с учетом повышения их стойкости и использования отходов в качестве сырья составит 57,2 млн. руб./год, предотвращенный экологический ущерб - 10,1 млн. руб./год.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ ИЗЛОЖЕНО В СЛЕДУЮЩИХ ПУБЛИКАЦИЯХ:

1. Пронякин Ю.Н. Перспективы производства огнеупорных бетонов на минеральном сырье Кузбасса/ Ю.Н. Пронякин, A.A. Пермяков, А.Ю. Пронякин и др. //Материалы научно-технического совещания "Чёрная металлургия Кузбасса: пути преодоления кризиса".- Новокузнецк, 1998.- С. 43-46.

2. Pavlenko S.I. Fire Proof Concrete for Lining of Soaking Pits.Proceedings of the Sixth CANMET/ACI/JCI / S.I. Pavlenko, A.A. Permyakov, A.Y. Pronyakin // International Conference on Recent Advances in Concrete Technology.- Tokushima, Japan, 1998.-P.85-87.

3. Павленко С.И. Мелкозернистый огнеупорный бетон из отходов промышленности / С.И. Павленко, A.A. Пермяков, А.Ю. Пронякин и др. // Материалы международной научно-практической конференции "Современные про-блемыипути развития металлургии".-Новокузнецк, 1998.-С. 110-111.

4. Pavlenko S.V Fireproof concrete for lining of soaking pits / S.V. Pavlenko, A A. Permyakov, A.Y. Pronyakin // Concrete under severe conditions. Environment and loading "E&FN SPON An imprint of Routledge".- London, New York, Canada, 1998. -V-3.- P. 2038-2046.

5. Пермяков A.A. Перспективы производства огнеупорных материалов и изделий на минеральном сырье Кузбасса / A.A. Пермяков, А.Ю Пронякин // Материалы всероссийской научно-практической конференции "Металлургия на пороге XXI века: достижения и прогнозы" - Новокузнецк, 1999,- С 220-223

6. Пермяков A.A. Минеральные отходы Южного Кузбасса и их утилизация / A.A. Пермяков, А.Ю. Пронякин, А.С Лапухов // Магериалы всероссийской научно-практической конференции "Металлургия на пороге XXI века: достижения и прогнозы",- Новокузнецк, 1999,- С. 318-320.

7. Пермяков A.A. Состояние и перспективы использования промышленных минеральных отходов в производстве огнеупоров / A.A. Пермяков, А.Ю. Пронякин // Материалы II научно-практического семинара "Опыт предприятий по утилизации промышленных и бытовых отходов",- Новокузнецк, 1999,- С. 5358.

8. Пермяков А.А Перспективы комплексного использования минеральных отходов Кузбасса /A.A. Пермяков, А.Ю. Пронякин, О.В. Арыкова // Материалы П научно-практического семинара "Опыт предприятий по утилизации промышленных и бытовых отходов".- Новокузнецк, 1999,- С. 58-63.

9. Пермяков A.A. Перспективы использования промышленных минеральных отходов Кузбасса в производстве огнеупоров / A.A. Пермяков, А.Ю. Пронякин // Материалы IV научно-практического семинара "Опыт работы муниципалитетов и предприятий по утилизации промышленных и бытовых отходов".-Новокузнецк, 2001,- С. 42-43.

10. Пронякин А.Ю. Использование промышленных отходов предприятий горнометаллургического комплекса Кузбасса для изготовления безобжиговых кварцитовых огнеупоров / А.Ю. Пронякин, A.A. Пермяков //Материалы V научно-практического семинара "Опыт работы предприятий по утилизации промышленных и бытовых отходов",- Новокузнецк, 2002.- С. 40-42.

11. Пронякин А.Ю. Производство и использование силиката натрия на базе отходов металлургического производства / А.Ю. Пронякин, Л.Б. Павлович, Н.М. Алексеева и др.//Строительные материалы, оборудование, технологии ХХТ века. -2002.-№11.- С. 36-38.

12. Пронякин А.Ю. Производство и исследование силиката натрия на базе отходов металлургического производства. / А.Ю. Пронякин, A.A. Пермяков, Л Б. Павлович, и др.// Вестник Российской академии естественных наук; Западно-Сибирское отделение,- Кемерово, 2002 г.- Выпуск 5.- С. 157-163

13. Пронякин А.Ю. Применение кварцита Антоновского месторождения в качестве заполнителя при производстве огнеупорных бетонных изделий.// Огнеупоры и техническая керамика.- 2003 г.- № 2.- С.35-38.

14.Смесь для изготовления безобжиговых кварцитовых огнеупоров ' АЮ. Пронякин, Л.Б. Павлович, A.A. Пермяков и др.- Пат. 2230716 Бюллетень № 17 - 20.06.2004, С2 7 С 04 В 35/14.

Подписано в печать 02.03.2006 г.

Формат бумаги 30x42 1/16 Бумага офисная. Печать офсетная Усл. печ. л. 2,88 Тираж 100 экз. Заказ 1165

Открытое акционерное общество «Западно-Сибирский металлургический комбинат» Цех полиграфии и делопроизводства

гоосд

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Пронякин, Александр Юрьевич

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ МИНЕРАЛЬНЫХ ОТХОДОВ И СОВРЕМЕННЫЙ УРОВЕНЬ РАЗВИТИЯ ПРОИЗВОДСТВА ОГНЕУПОРОВ.

1.1. Состояние использования промышленных минеральных отходов, минерально-сырьевая база огнеупорного сырья Кузбасса.

1.2. Современный уровень развития производства огнеупоров.

1.3. Состояние вопроса производства кварцитовых огнеупоров.

1.4. Состояние вопроса использования огнеупоров в футеровке металлургических агрегатов.

1.4.1. Коксохимическое производство.

1.4.2. Доменное производство.

1.4.3. Сталеплавильное производство.

1.4.4. Прокатное производство.

1.5. Состояние вопроса производства жидкого стекла.

ВЫВОДЫ.

2. ИССЛЕДОВАНИЕ СОСТАВА, ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ, МИНЕРАЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ, РЕСУРСОВ СЫРЬЯ И МАТЕРИАЛОВ.

2.1. Методика постановки исследований.

2.1.1.Методика исследования сырья, материалов, готовой продукции.

2.1.2. Методика постановки эксперимента, экспериментальное оборудование.

2.2. Исследование свойств сырья и материалов.

ВЫВОДЫ.

3. ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА БЕЗОБЖИГОВЫХ КВАРЦИТОВЫХ ОГНЕУПОРОВ.

3.1. Технология производства силиката натрия - связующего кварцитовых огнеупоров.

3.2. Рецептура и технология изготовления огнеупоров.

3.3. Влияние свойств заполнителей на качество огнеупоров.

ВЫВОДЫ.

4. ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ ФУТЕРОВОК МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ АГРЕГАТОВ.

4.1. В футеровке нагревательных колодцев.

4.2. В сталеразливочном ковше конвертерного производства.

4.3. В футеровке желобов доменной печи.

4.4. В печах ферросплавного производства.

4.5. Исследование и испытание технического жидкого стекла из отходов ферросилиция в литейном производстве.

4.6. Исследование твердофазных процессов взаимодействия кремнезема-металла-шлака.

4.6.1. Изменения минералов кремнезема в процессе эксплуатации огнеупоров в металлургических агрегатах.

4.6.2. Минералообразование в огнеупорах при их эксплуатации.

4.6.3. Огнеупоры после службы.

ВЫВОДЫ.;.

5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА ПРОИЗВОДСТВА И ЕГО ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ, ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА.

5.1. Технологическая схема производства кварцитовых огнеупорных изделий.

5.2. Технико-экономическая оценка производства.

5.3. Экологическая оценка производства.

ВЫВОДЫ.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Утилизация отходов горно-промышленного комплекса в производстве огнеупорных материалов"

Актуальность проблемы. К середине XX века объём промышленных выбросов стал соизмерим с масштабами природных процессов, существенно возросло химическое и физическое загрязнение биосферы. В связи с этим была разработана и принята практически всеми странами мира «концепция устойчивого развития», которая предусматривает обеспечение достойного уровня жизни нынешнего поколения без ущерба для будущих поколений. Основой данной концепции является ресурсосберегающий подход к развитию экономики, в том числе, сбережение энергии и материалов. Перспективным источником промышленного сырья становятся техногенные отходы, образование которых, например, в России составляет около 7 млрд. тонн в год.

Существующие горно-добывающие, обогатительные и горнометаллургические производства в настоящее время имеют довольно низкий уровень использования минеральных отходов, что главным образом объясняется слабой изученностью свойств и отсутствием современных технологий их утилизации. В частности, одним из возможных направлений повторного вовлечения в промышленное производство указанных отходов является разработка технологий получения огнеупорных материалов. Наиболее актуальна эта проблема для крупных промышленных регионов, к которым относится Кузбасс, что обусловлено, во-первых, наличием предприятий металлургии, машиностроения и стекловаренной промышленности, использующих большие объемы огнеупорных изделий, во-вторых, необходимостью завоза этих материалов в большом количестве из других регионов, что отрицательно сказывается на экономических показателях предприятий, и, в-третьих, нестабильным качеством привозных огнеупоров. Известны ресурсосберегающие технологии утилизации отходов рудообогатительных фабрик, гидравлической добычи угля, отходов огнеупоров с получением строительных материалов, огнеупорных порошков, что не решает проблемы производства огнеупоров для высоко-температурных агрегатов.

Решение этой актуальной проблемы обусловило цель, задачи, структуру и содержание диссертационной работы.

Работа выполнялась по планам научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ Западно-Сибирского металлургического комбината и Сибирского государственного индустриального университета.

Объект исследования — технология промышленного производства новых безобжиговых огнеупоров из минеральных отходов.

Предмет исследования - физико-химические и минералогические свойства промышленных отходов, а также факторы и закономерности, определяющие условия, техническую, экологическую и экономическую целесообразность создания технологии производства новых безобжиговых огнеупорных материалов.

Цель работы - выявление факторов и закономерностей, определяющих возможность утилизации минеральных отходов горно-добывающей, обогатительной и горно-металлургической отраслей Кузбасса в технологии производства огнеупоров.

Идея работы состоит в создании технологии производства новых огнеупорных материалов как технического способа совместной безопасной утилизации отходов горно-добывающей, обогатительной и горнометаллургической отраслей Кузбасса, существенно снижающей антропогенное воздействие на природную окружающую среду.

Основные задачи исследования:

- изучить физико-химические и минералогические свойства промышленных отходов горно-добывающих, обогатительных и горнометаллургических предприятий региона с целью возможного использования в производстве огнеупоров;

- исследовать влияние различных заполнителей (серпентиновых пород, корунда, шламового корунда, кварцитов Антоновского месторождения, асбестов, шамота), являющихся промышленными отходами, на качество огнеупоров; определить принципы создания композиций и оптимальную рецептуру

- б для последующего получения огнеупоров;

- разработать рецептуру и способ получения связующего утилизацией кремнезёмистых пылевидных отходов;

- исследовать влияние условий эксплуатации безобжиговых кварцито-вых огнеупоров на их структуру, технологические и эксплуатационные характеристики;

- разработать технологию промышленного производства безобжиговых кварцитовых огнеупорных изделий из минеральных отходов.

Научные положения, выносимые на защиту:

- состав, физико-химические и минералогические свойства изученных минеральных отходов горно-добывающей, обогатительной и горнометаллургической промышленности Кузбасса позволяют использовать их для производства новых огнеупорных материалов;

- основным условием создания композиции для получения огнеупоров является малое трещинообразование при протекании полиморфных превращений в процессах нагрева, взаимодействия с металлом и последующего охлаждения;

- оптимальная рецептура для получения огнеупоров из минеральных отходов Кузбасса включает следующие компоненты: отходы обогащения кварцита Антоновского месторождения, феррохромовый шлак и силикат натрия (связующее), полученный прямым растворением кремнеземсодержащей пыли сухих газоочисток раствором едкого натра;

- полученные кварцитовые огнеупоры можно рассматривать как открытую неравновесную систему, в которой одновременно присутствуют различные модификации SiC>2: кварц, метакристобалит, а- и (3 - тридимит, новообразованные минералы и примеси;

Научная новизна:

- впервые изучены химический состав, механическая прочность, пористость, плотность, огнеупорность, минералогический состав отходов обогащения кварцитов Антоновского месторождения (КАМ), серпентин-отходов обогащения магнетитовых руд, отходов асбестодобывающих горнообогатительных предприятий, отходов сухих газоочисток, передельных углеродистых феррохромовых шлаков, корундового шлама и боя шамотного кирпича, позволяющие обосновать возможность их использования для получения огнеупорных изделий;

- разработана оптимальная рецептура для последующего получения огнеупоров из промышленных отходов, защищенная патентом РФ;

- впервые исследован механизм полиморфных превращений в полученных огнеупорах при протекании процессов нагрева, взаимодействия с металлом и последующего охлаждения, а также фазовое взаимодействие в системе «кремнезем-металл-шлак» рабочей зоны огнеупорного изделия;

- впервые разработаны научно-обоснованные технологии производства безобжиговых кварцитовых огнеупорных изделий и силиката натрия из промышленных минеральных отходов.

Личный вклад автора. Формулирование цели и задач исследований, выбор экспериментальных методов их выполнения, проведение лабораторных, опытно-промышленных, промышленных исследований, обработка результатов, их обобщение и анализ. t

Практическая значимость работы:

- разработана и внедрена в промышленное производство экономически эффективная, экологически безопасная и малооперационная технология производства широкого ассортимента крупноблочных и мелкоштучных безобжиговых кварцитовых огнеупоров на базе промышленных отходов горнообогатительных и горнометаллургических производств Кузбасса;

- разработана и внедрена в производство технология получения связующего компонента безобжиговых кварцитовых огнеупоров с использованием кремнеземистых пылевых отходов Кузнецкого ферросплавного завода.

Реализация результатов исследования. Разработана технология производства безобжиговых огнеупорных изделий из КАМ с использованием в качестве связующего силиката натрия, синтезированного безавтоклавным способом при взаимодействии кремнезёмистых пылевых отходов производства ферросилиция и раствора едкого натра. Разработано технологическое задание на проектирование цеха, выполнен проект, на ЗСМК строится цех кварцитовых огнеупоров. Технология освоена на опытно-промышленном участке цеха кварцитовых огнеупоров ЗСМК. По этой технологии изготовлены партии огнеупорных изделий, которые использованы в производстве при ремонте футеровки на ЗСМК, НКМК, Кузнецком заводе ферросплавов (КЗФ), заводе «Анжеромаш».

Результаты работы реализованы в четырёх технологических инструкциях на производство, технических условиях.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на научно-техническом совещании «Чёрная металлургия Кузбасса: пути преодоления кризиса» (Новокузнецк, 1998); на международном симпозиуме «Работа бетонов в экстремальных условиях» (Норвегия, Тромсе, 1998); на международной научно-практической конференции «Современные проблемы и пути развития металлургии» (Новокузнецк, 1998); на Всероссийской научно-практической конференции «Металлургия на пороге XXI века: достижения и прогнозы» (Новокузнецк, 1999); на II научно-практическом семинаре «Опыт предприятий по утилизации промышленных и бытовых отходов» (Новокузнецк, 1999), на IV, V научно-практическом семинаре «Опыт работы муниципалитетов и предприятий по утилизации промышленных и бытовых отходов» (Новокузнецк, 2000,2001,2002)!

Публикации. Основное содержание диссертационной работы изложено в 14 научных публикациях, в том числе - 1 патенте.

Объём и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, списка цитируемой литературы (176 наименований), 4 приложения, содержит 220 печатных страниц в том числе 47 рисунков, 68 таблиц.

Заключение Диссертация по теме "Геоэкология", Пронякин, Александр Юрьевич

ВЫВОДЫ

Ожидаемый экономический эффект от производства и использования безобжиговых огнеупоров и технического жидкого стекла для футеровки металлургических агрегатов составит 57,2 млн. руб./год. Предотвращенный экологический ущерб составит 10,1 млн. руб./год.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является законченной научно-квалификационной работой, в которой представлено решение проблемы утилизации отходов горнопромышленного комплекса в производстве огнеупоров, имеющей существенное значение для рационального использования материальных ресурсов региона.

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. Изучены физико-химические и минералогические свойства отходов обогащения кварцитов Антоновского месторождения, серпентин-отходов обогащения магнетитовых руд, отходов асбестодобывающих горнообогатительных предприятий, отходов сухих газоочисток, передельных углеродистых феррохромовых шлаков, корундового шлама и боя шамотного кирпича. Показано, что эти отходы являются высококачественным минеральным сырьем для производства основных типов огнеупорной продукции.

2. Установлено, что высокие показатели качества огнеупоров обусловлены минеральным составом Антоновских кварцитов, содержащим, масс. %: халцедон - 7-10, акцессорные минералы - 1-3, кварц - остальное, а также тонкой гранобластовой структурой кварцита размером зёрен (0,005-0,05 мм).

3. Впервые исследован механизм полиморфных превращений в полученных огнеупорах при протекании процессов нагрева, взаимодействия с металлом и последующего охлаждения, а также фазовое взаимодействие в системе «кремнезем-металл-шлак» рабочей зоны огнеупорного изделия. Установлены основные условия создания композиции для получения огнеупоров с малым трещинообразованием при протекании полиморфных превращений.

4. Обоснована и разработана рецептура производства кварцитовых огнеупоров на базе отходов кварцитов Антоновского месторождения.

5. Обоснована и разработана технология синтеза связующего кварцитовых огнеупоров (технического жидкого стекла) на основе кремнезёмсо-держащей пыли, являющейся отходом сухих газоочисток ферросплавного производства. Показано, что кремнеземсодержащая пыль с содержанием Si02 86-93%, размером зёрен 50 - 250 мкм, содержанием общего углерода 0,53,0% масс, при разработанных параметрах технологического режима процесса синтеза позволяет получить техническое жидкое стекло, являющееся основным связующим компонентом, определяющим термостойкость и долговечность огнеупоров.

6. Определены условия эксплуатации безобжиговых кварцитовых огнеупорных изделий на базе минеральных отходов в футеровке металлургических агрегатов.

7. Кроме кварцита Антоновского месторождения исследовано влияние на качество огнеупорных материалов различных заполнителей: корундовых, шламового корунда, серпентиносодержащих отходов, тонкомолотых отходов обогащения асбеста, шамотных заполнителей, боя шамотного кирпича.

8. Промышленные испытания мелкоштучных кварцитовых огнеупоров в сталеплавильном, ферросплавном и доменном производствах показали, что огнеупоры на базе отходов не уступают по механическим и эксплуатационным свойствам огнеупорам промышленного производства, увеличивают сроки межремонтных периодов агрегатов и снижают удельный расход материала. Исследование и испытание набивной огнеупорной кварцитовой массы в доменном цехе показали, что время работы футеровки до ремонтов возрастало в 2,25 раза, удельный расход огнеупора на тонну чугуна снизился в 3,1 раза.

9. Сухие огнеупорные смеси, огнеупорные массы, крупноблочные и мелкоштучные изделия, обладают значительными преимуществами: позволяют повысить качество и эффективность ремонтных служб металлургических заводов, а по сравнению с обжиговыми штучными изделиями они позволяют:

- сократить расход условного топлива более чем в 1,5-2 раза вследствие исключения передела обжига и улучшения теплоизоляционных свойств футеровок тепловых агрегатов;

- повысить производительность труда благодаря полной механизации производства огнеупоров;

- сократить трудовые затраты более чем в 3 раза при ремонтах футеровок тепловых агрегатов и продолжительность кладки футеровки более чем в 5 раз;

- повысить стойкость футеровок тепловых агрегатов в ряде случаев более чем на 30% вследствие уменьшения термических напряжений в кладке;

- сократить удельный расход огнеупоров на единицу выпускаемой продукции и транспортных расходов более чем на 30% в результате повышения стойкости футеровок.

Применение огнеупорных изделий позволяет получить существенный технико-экономический эффект.

10. Разработка техногенных месторождений Кемеровской области, создание производств по выпуску огнеупорных видов продукции позволит в значительной степени отказаться от привозного сырья и изделий, что существенно повлияет на снижение себестоимости продукции, выпускаемой предприятиями области и увеличение налогооблагаемой базы региона в целом.

11. Ожидаемый экономический эффект от производства и использования технического жидкого стекла и безобжиговых огнеупорных изделий с учетом повышения их стойкости и использования отходов в качестве сырья составит 57,2 млн. руб./год, предотвращенный экологический ущерб - 10,1 млн. руб./год.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Пронякин, Александр Юрьевич, Кемерово

1. Борзунов В.М. Геолого-промышленная оценка месторождений нерудного минерального сырья.-М.:Недра,1975. -375с.

2. Синяков В.И. Особенности формирования магнезиально-скариновых магнетитовых месторождений Горной Шории.- Новокузнецк: Наука, 1967.-280с.

3. Сербезов С. Неформованные огнеупоры в черной металлургии // Обзор по системе "Информсталь" / Ин-т "Черметинформация". 1987. Вып. 18(294).-30с.

4. Routschka С. (Hrsg.-) Feuerfeste Werkstoffe. // Essen: Vulkan verlag. 1996.-378s.

5. Schulle W. Feuerfeste Werkstoffe. // Leipzig: Verlag fur Grundstoffin-dustrie. 1990.- 94s.

6. Strasser H. Ungeformte Feuerfeste Werkstoffe // Vortrag an 32 metal-lurglsches Seminar der GDMB. Hohz-Grenzhausen. 1997.- 28s.

7. Хорошавин Л.Б. Огнеупоры нового поколения.- Екатеринбург: УрОРАН, 1996.- 58с.

8. Скрябин Н. Огнеупоры: спад перед подъемом /Скрябин Н., Кононов В.// Металлы Евразии.- 2000. N2.- С. 56-60.

9. Кононов В.А. Производство огнеупорных материалов в России и перспективы его развития // Бюллетень "Черная металлургия" 2001. N6,- С.33.43.

10. Протасов В.В. Новые достижения в производстве огнеупоров / Протасов В.В., Куперман, Баламыгин Д.И. // Сталь.- 2000. N5.- С. 29-30.

11. Боровичские огнеупоры: высокие стандарты качества // Сталь. -2001. N9.- С.56-58.36 . Абрамов Е.П. ОАО ."Огнеупоры": вчера, сегодня, завтра // Сталь.-2001. N9.- С.54-55.

12. Ефименко Г.Г. Металлургия чугуна./ Ефименко Г.Г., Гиммель-фарб А.А., Левченко В.Е.//-Киев: Вища школа. 1974.-486с.38 . Басьяс И.П. Новое в изготовлении и службе подин / И.П. Басьяс, А.С. Фрейденберг, М.М. Привалов и др.//- М.: Металлургия, 1974.- 264с.

13. Хорошавин Л.Б. Пути достижения наибольшей износоустойчивости огнеупоров / Хорошавин Л.Б., Перепелицин В.А. // Огнеупоры и техническая керамика.- 2000. N4.- С.43-47.

14. А.С. 411738 (СССР) Огнеупорная масса // Е.Д.Ларионов, 0. В.Танцырев, Н.Н.Аксючиц и др. / Опубл. 15. 03. 76.

15. А.С. 609733 (СССР) Сырьевая смесь для изготовления огнеупорного бетона // Ю.А.Афанасьев, И.Г.Аносов, М.В.Иванов и др. / Опубл. 05.06.78.

16. А.С. 1128528 (СССР) Огнеупорная бетонная смесь // Т.В.Рябинина, В.Г.Флягин, Л. И. Солодова и др. / Опубл. 30.05.91.

17. А.С. 1028642 (СССР) Огнеупорная масса // Е.Н.Ивашина, С.П.Кошелев, А.Г.Ситнов и др. // Опубл. 15.07.83.

18. А.С. 1351907 (СССР) Смесь для жаростойкого бетона // Ю.П.Горлов, В. П. Рыбалкин, Б. Д. Тотурбиев и др. //Опубл. 15.11.87.

19. Пат 2062770 (Россия) Керамобетонная смесь и способ получения строительных изделий из нее // М.А.Трубицин, И.Ю.Немец, Ю.И.Алешин и др. / 0публ.27.06.96.

20. Грязнов Н.С. Основы теории коксования.- М. : Металлургия. 1976.-312с.

21. Титов А.Г. Опыт эксплуатации и меры по продлению срока службы коксовых печей из огнеупорных бетонов / Титов А.Г., Дорофеев А.Х., Борт П.И. и др. // Огнеупоры.- 1987. N3.- С.47-50.

22. Сибилев А.И. Важное направление повышения эффективности коксового и огнеупорного производства / Сибилев А.И., Котенко Н.С., Збор-щик М.П. и др. // Огнеупоры.- 1989. N6.- С.41-43.

23. Парфенюк А.С. Физические факторы надежности эксплуатации кладки коксовых печей крупноразмерных огнеупорных блоков / Парфенюк А.С., Веретельник С.П., Кутняшенко И.В. и др. // Кокс и химия.- 1992. N11.-С 18-20.

24. Парфенюк А.С. Снижение трещинообразования в огнеупорных конструкциях тепловых агрегатов / Парфенюк А.С., Костина Е.Д., Алексеева О.Е. и др. // Огнеупоры и техническая керамика.- 1997. N3.- С.35-37.

25. А.С 1723095 (СССР) Батарея горизонтальных коксовых печей// А.С. Парфенюк, СП. Веретельник, М.П. Зборщик и др. /Опубл. 1989.

26. Пат 1806163 РФ. Отопительный простенок камеры коксования //

27. A.С. Парфенюк, С.П. Веретельник, М.П. Зборщик и др. /Опубл. 1989.

28. Парфенюк А.С. Обобщение опыта сооружения и результатов эксплуатации крупноблочной кладки коксовых батарей из огнеупорного бетона / Парфенюк А.С., Веретельник С.П., Костина Е.Д. и др. // Огнеупоры и техническая керамика. -2000. N2.- С 46-50.

29. B.А., Петрова А.П., Рашкован И.Д. //- М.: Химия. 1976.- 200с.

30. Гречка Ю.Л. Жаростойкий бетон на местных заполнителях Кузбасса //Новокузнецк. Лабораторный практикум в 3-х частях. Сибирская государственная горнометаллургическая академия. 1997. ч-2.- 38с.

31. Питак Н.В. Огнеупоры для футеровки доменных печей большого объема / Питак Н.В., Старшинов Б.П. // Огнеупоры.- 1982. N5.- С. 1-8.

32. Питак Н.В. Бетон для футеровки шахт доменных печей / Питак Н.В., Федорук P.M., Дегтярева JI.M. и др. // Огнеупоры.- 1989. N6.- С. 47-50.

33. Аксельрод JI.M. Низкоцементныеогнеупорные бетоны корундового и алюмосиликатного состава / Аксельрод Л.М., Егоров И.В., Чупрына Н.А. // Огнеупоры и техническая керамика.- 1998. N9.- С.40-42.

34. Терентьев В. Л. Применение высокостойких желобных'и леточ-ных масс в доменном цехе / Терентьев В. Л., Никифоров А.Н., Овсянников В. Г. и др. //Сталь. -1999. N11.- С. 11-12.

35. Д.Ван Гарсел Низкоцементные огнеупорные бетоны: материалприменения / Д.Ван Гарсел, Аксельрод JI.M. // Металлургическая и горнорудная промышленность.- 2001. N1.- С.67-72.

36. Semler С.Е. Refractories industry status and trends // Industrial minerals. 1997. N356.-P.29-37.

37. Гришунин E.M. Освоение новых современных видов огнеупорных материалов на ОАО "Динур" / Гришунин Е.М., Рожков Е.В., Нагинский М.З. // Огнеупоры и техническая керамика.- 1997. N5,- С.33-38.

38. Соколдов Г.А. Производство стали.- М.: "Металлургия".- 1982.496с.

39. Нагорный А.П. Применение безобжиговых периклазоуглероди-стых огнеупоров в элементах футеровки 350т сталеразливочных ковшей. / Нагорный А.П., Кравченко В.В., Ильин В. В. и др. // Огнеупоры и техническая керамика,- 1998. N2.- С.37-39.

40. Кнюппель Г.К. Раскисление и вакуумная обработка стали.-М: "Металлургия". 1984.- 411с.

41. Орловский Я.А. Повышение стойкости ковшевого кирпича // Черная металлургия. Бюл. НТИ. 1969. N19.- С.57-59.14 0 . Аристов Г.Г. Огнеупорные изделия для разливки стали.- М.: "Металлургия". 1969.- 264с.

42. B.JL, Хвостикова JI.M. // Огнеупоры и техническая керамика.- 1996. N5.1. C.24-26.

43. Качурин Д.С. Черная металлургия. / Качурин Д.С., Кузнецов А.Ф., Елагин С.Е. и др. // Бюл. НТИ. 1974. N 6.- 52с.15 6. Пургин Д.С. Кремнеземистые бетоны и блоки./ Пургин Д.С., Ци-бин И.П.; Жуков А.В. и др. //- М.:" Металлургия". 1975.- 215 с. с ил.

44. Тимофеев В.П. Черная металлургия / Тимофеев В.П., Минаев А.Н., ВыдраЯ.И. //Бюл. НТИ. 1976. N7.- 17с.

45. Замятин С.Р. Изготовление и применение алюмосиликатной пластичной массы / Замятин С.Р., Гараева Н.Ж., Ищенко Р.Н. и др. // Огнеупоры.- 1990. N8. -С.43-46.

46. Григорьев П.Н. Растворимое стекло./ Григорьев П.Н., Матвеев М.А. //- М.: Государственное издательство литературы по строительным материалам. 1956.-443с.

47. Пат 2047559 (Россия) Способ получения жидкого стекла // В.И.Кочкин, Н.И.Пузачев, Н. И. Столярова / Опубл. 10.11.1992.

48. Пат 2070540 (Россия) Способ получения жидкого стекла // И.П.Добровольский, А.П.Кулинг, Г.Х.Маркин и др. / Опубл. 20.12.1996.

49. Пат 2056353 (Россия) Способ получения жидкого стекла // Ю.П.Карнаухов, В. В. Шарова / Опубл, 20.03.96.

50. Пат 2129986 (Россия) Способ получения жидкого стекла // В.В.Шарова, Е.Н. Подвольская / Опубл. 10.07.99.

51. Пат 2132817 (Россия) Способ получения жидкого стекла гидротермальным методом // В.И. Верещагин, В.И.Косянцев и др./ Опубл. 10.07.99.