CC BY
50
УДК 621.042
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ЖЕЛЕЗОСОДЕРЖАЩИХ ОТХОДОВ (ШЛАМОВ) КОНВЕРТОРНОГО ПРОИЗВОДСТВА ОАО "СЕВЕРСТАЛЬ" ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ПЛОТНОУПАКОВАННЫХ БРИКЕТОВ
© 2009 В.Н. Кокорин, О.Г. Крупенников, А.С. Марков, А.А. Митюшкин
Ульяновский государственный технический университет
Поступила в редакцию 20.07.2009
В промышленной практике используются различные методы брикетирования (окусковывания) неметаллических и железосодержащих тонкодисперсных материалов: агломерация (горячее окуско-вывание горных пород), грануляция (горячая и холодная без добавки и с добавкой связующего), окомковывание (производство металлургических окатышей), брикетирование (прессование), отмечают авторы настоящей статьи.
Ключевые слова: методы брикетирования, тонкодисперсные материалы, агломерация, грануляция.
В качестве исходного материала для исследований использовали сухой железосодержащий шлам, образуемый в конверторном производстве в процессе плавки стали.
А именно, конверторный шлам на 41...44 % состоит из оксидов железа (FeO, Fe2O3, Fe3O4), остальное - железо (Fe-б). Как показали рентге-ностуктурные исследования, оксидная пленка распространена с высокой степенью равномерности, достигая до 15...20 % толщины отдельного фрагментарного элемента (частицы).
Для приготовления шихты шлам просеивали через набор сит с различным числом ячеек на единицу длины ситового полотна из капрона (0,045... 5 мм), при чем сита устанавливали друг над другом.
Установлен среднестатистический диаметр фракций шлама: 100 < ДСР < 500 мкм.
Содержание фракций данного гранулометрического состава составило: 90...95 %.
Отмечено наличие в конвекторном шламе крупных фрагментов:
ДСР = 1.0 мм - 1...3 %; ДСР > 3 мм - 2...5 % массовой доли.
Эксперименты по определению характеристик прессования осуществляли путем обжатия брикетируемой массы в замкнутом пространстве под фиксированным давлением. Прессование производили на гидравлическом прессе номинальным усилием 1600 кН по схеме одностороннего прессования (h6 / d6 < 1) при давлениях от
Кокорин Валерий Николаевич, кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой "Материаловедение и обработка металлов давлением". E-mail: [email protected].
Крупенников Олег Геннадьевич, кандидат технических наук, доцент кафедры "Технология машиностроения". Марков Александр Сергеевич, аспирант. Митюшкин Антон Александрович, аспирант.
50 МПа до 700 МПа, что соответствует силовым режимам и схемам нагружения брикетировоч-ных валковых прессов.
Среднюю (интегральную) плотность брикетов определяли методом гидростатического взвешивания по ГОСТ 18898 - 83 с использованием аналитических весов модели ВЛР - 200, а также путем соотношения объемных и массовых характеристик.
С целью определения закономерностей формоизменения, уплотнения и энергосиловых параметров брикетирования проведены испытания по определению:
1. Насыпной плотности (ГОСТ 19440- 81)
анас = (т1 - т2)/ V, (1)
где т1 - масса стакана, г; т2 - масса стакана со шламом, г; V - объем стакана, смь
¿нас = 1,4 г/ смi
2. Удельного объема порошка при свободной засыпке:
^д = 1 / ¿нас; (2)
VУД = 0,714 см^г
3. Объема утряски:
Vytp = V / т; (3)
VУTP = 0,25 см^г
4. Плотности утряски:
а = 1 / V ; (4)
утр ' утр' \ /
¿утр = 4,0 г/ смi
5. Относительного объема:
ь = ак / ¿нас, (5)
где ¿к - плотность порошка, соответствующая остаточной пористости брикета 80 % (6,23 г/см^;
Ь = 4,5.
6. Относительной плотности фракции порошка:
с = 1/ Ь , (6)
с = 0,22.
В рамках экспериментальных работ были
проведены комплексные исследования с целью выяснения функциональных связей между контролируемыми входными технологическими параметрами и выходными откликами, определяющими характеристики процессов утилизации. Определено (рис. 1-4) количественное и качественное влияние массовой доли жидкого стекла (%), давления прессования (ц, МПа) и времени перемешивая] ™
кую прочность на сжатие брикетов (стсжв, МПа); относительную плотность (ротн, %); на ударную прочность (хрупкость) - процент (%) отсева и относительную высоту брикета (Ь/ё).
Анализ результатов эксперимента позволяет сделать вывод о детерминированной связи рассматриваемых характеристик. В частности, с увеличением времени хранения отпрессованных
2
Ов, МПа
% ЖСС
д, МПа
а)
ов, МПа
q, МПа
б)
% ЖСС 2
ов, МПа
% ЖСС
д, МПа
в)
Рис. 1. Влияние массовой доли жидкого стекла (ЖСС), усилия прессования (ц)
и времени выдержки (Т) на механическую прочность брикета: 1 - при времени перемешивании 1 мин; 2 - при времени перемешивания 5 мин; а, б, в - соответственно сырые брикеты через 1ч, через 3 ч, через 24 ч
1
2
1
% отсева
% ЖСС
Рис. 2. Влияние массовой доли жидкого стекла, усилия прессования и времени выдержки на процент отсева: 1 - при времени перемешивании 1 мин; 2 - при времени перемешивания 5 мин
ИМ, %
МПа
" % ЖСС
Рис. 3. Влияние массовой доли жидкого стекла, усилия прессования и времени выдержки на отношение высоты брикета к его диаметру: 1 - при времени перемешивании 1 мин; 2 - при времени перемешивания 5 мин
1
2
1
■ 20 Ротн, %
д, МПа
% ЖСС
Рис. 4. Влияние массовой доли жидкого стекла, усилия прессования и времени выдержки на плотность брикета: 1 - при времени перемешивании 1 мин; 2 - при времени перемешивания 5 мин
брикетов, продолжительности перемешивания и массовой доли жидкого стекла увеличивается механическая прочность брикетов.
Причем, с увеличением давления прессования, массовая доля отсева фракций с Дср<5 мм уменьшается.
Механические испытание брикетов на сжатие проводили при их статическом нагружении
на испытательной машине УМД - 20. Процесс останавливали при образовании развитой макротрещины. Испытания образцов проводили в течение 1, 3 и 24 часов после изготовления смеси и брикетирования.
Определение процента отсева проводили по нормалям отрасли. Отпрессованные брикеты суммарной массой 10 кг сбрасывали с высоты два
2
1
метра на бетонное основание. Затем производили повторное сбрасывание данной партии. По итогам двухкратного сбрасывания производили рассев фрагментов с целью установления их гранулометрического состава.
Устанавливали массовую долю (в %) тонких фрагментов, имеющих усредненный диаметр ёуср < 5мм, считающихся отсевом, идущим на повторную переработку (утилизацию).
На рис. 1 представлена графическая интерпретация функциональных зависимостей ств = ( (% массовой доли жидкого стекла; ц; Т).
Как видно из рис. 1, существует прямая детерминированная связь между уровнем механических свойств брикетов и массовой долей жидких связующих сред (ЖСС). Причем, наибольшая прочность брикета наблюдается после относительно длительного периода твердения (24 часа).
Установлено (рис. 2), что увеличение давления ц приводит к уменьшению % отсева, что объясняется уменьшением свободного порового пространства. Следует отметить, что увеличение в два раза % жидкого стекла способствует существенному уменьшению (до двух раз) % отсева, что можно объяснить улучшением условий механического перемещения объемов дискретного материала, внедрением тонких фрагментов в поры. Установлена обратная функциональная связь % отсева от времени перемешивания и удельных усилий прессования.
Выявлено, что доминирующим фактором в процессе изменения геометрии брикета (относительной высоты Ь/ё) является давление прессования (рис. 3).
Наиболее информативными являются результаты экспериментов по выявлению соотношений между относительной плотностью брикета и параметрами процесса прессования, представленные на рис. 4.
Таким образом, в результате проведенных исследований установлен эффективный диапазон технологических параметров процесса подготовки и переработки металлургических отходов, а так же выявлены основные закономерности изменения формы брикетов. Это позволило усовершенствовать существующую технологию брикетирования и повысить прочность получаемых брикетов.
На процесс формирования требуемого уровня механических, технологических и эксплуатационных свойств, как было выявленно вышеприведенными исследованиями, влияет много факторов, между которыми существуют сложные зависимости с различной степенью индетерме-низма, и дать комплексную оценку на основании описанных результатов сложно. Поэтому экспе-
Рис. 5. Технологическая схема прессования
риментальные исследования были дополнены и расширены путем проведения аналитико-экспе-риментальных работ. На основе методов математической статистики и теории планирования эксперимента был поставлен и реализован полный факторный эксперимент с использованием технологической схемы (рис. 5).
Исходя из анализа установленных основных параметров процесса на основании теории подобия и размерностей выделены и представлены в безразмерном виде три основные технологические факторы:
1. Массовая доля (отн.) жидкого стекла: Х1 =[массовая доля жидкого стекла]
Х1Е [0,025...0,05]
2. Давление прессования:Х2=ц[ц / у ]
Х2£ [0,42...1,7]
3. Продолжительность (время) перемешивания смеси: ХЗ=Т[Т /Т 1
п' см-1
хзе [0,002...о,01]
Параметры оптимизации представлены в виде: У4=стсжв (1 час); У2=стсжв (2 часа); У3=стсжв (24 часа); У4=ротн; У6=Ь/а; У7=% отсев пыли.
В соответствии с планом эксперимента проведено N=23 (8) опытов с трехкратной воспроизводимостью каждой точки (табл. 1). Статистическая обработка полученных результатов проводилась при использовании стандартной программы регрессионного и дисперсионного анализа по методу наименьших квадратов.
у± = -0,33 + 8*! + 0,46ж2 + ЗЗД 25х3;
Уз = —0,07 + 9,9х1 + 0,4-Бх2 + 33,44г3;
;
Таблица 1. Матрица планирования эксперимента типа N=23
№ ЖСС, Т, P J OTH h/d, Отсев,
Xi X2 X3 У5 У6
1 час У1 3 часа У2 24часа У3 У4
1 0,025 0,42 0,002 0,21 0,33 0,42 0,21 0,59 0,082
2 0,025 1,7 0,002 0,63 1 1,04 0,35 0,54 0,06
3 0,05 0,42 0,002 0,42 0,5 0,67 0,34 0,58 0,055
4 0,05 1,7 0,002 0,86 1,25 1,25 0,58 0,52 0,02
5 0,025 0,42 0,01 0,33 0,63 0,63 0,30 0,62 0,04
6 0,025 1,7 0,01 1,08 1,23 1,23 0,42 0,57 0,028
7 0,05 0,42 0,01 0,5 0,79 0,79 0,28 0,56 0,02
8 0,05 1,7 0,01 1,27 1,42 1,42 0,58 0,48 0,008
Представленная математическая модель позволяет управлять технологическими режимами утилизации отходов, оптимизировать условия гарантированного получения качественного продукта (брикета).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Кокорин В.Н. и др. Технология переработки в брикеты дисперсных металлосодержащих смесей. Всероссийское НТК "Процессы абразивной обработки, абразивные инструменты и материалы". Волжский, 1997.
2. Кокорин В.Н. и др. Ресурсосберегающая технология утилизации мелкодисперсных маслосодержащих шламов в прессованные брикеты. Там же.
RESEARCH OF PROCESS SHAPE FORMATION OF FERRIFEROUS WASTE (SLIME) CONVERTER MANUFACTURES OF OPEN SOCIETY "SEVERSTAL " BY MANUFACTURE CLOSE-PACKED BRIQUETTES
© 2009 V.N.Kokorin, O.G.Krupennikov, A.S.Markov, A.A.Mitjushkin
Ulyanovsk State Technical University
In an industrial practice various methods of bracketing nonmetallic and ferriferous fine materials are used: agglomeration, granulation, pelletizing, bricketing (pressing), authors of present clause mark. Key words: methods of bracketing, fine materials, granulation.
Valery Kokorin, Candidate of Technics, Associate Professor, Head at the Materials and Processing of Metals under Pressure Department. E-mail: [email protected]. Oleg Krupennikov, Candidate of Technics, Associate Professor at the Manufacturing Engineering Department. Alexander Markov, Graduate Student. Anton Mityushkin, Graduate Student.
