Разработка энергоэффективной технологии использования техногенного металлургического сырья при производстве минераловатных изделий

• Автор: Матюхина, Анна Владимировна
• Шифр специальности: 05.16.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Екатеринбург
• Количество страниц: 170 с. : ил.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. При существующих объемах образования металлургических шлаков на территории России в количестве до 90 млн. т твердых отходов в год в целом по отрасли их переработка ограничена получением ценных компонентов для самой металлургической отрасли, сельского хозяйства и дорожного строительства. Производство формованной волокнистой теплоизоляции для строительства из образующихся при производстве металлов шлаковых композиций является наиболее эффективным и экономически целесообразным способом сокращения шлаковых отвалов.
Многостадийный процесс производства волокнистых теплоизоляционных материалов, состоящий из стадий высокотемпературного плавления минеральных компонентов с получением подвижного расплава и распыления его с помощью центрифуг, завершается механическим формованием минеральной ваты в виде плоского ковра заданной толщины с введением в его состав жидкого связующего и последующей тепловой обработкой слоя в печах полимеризации. От степени совершенства этих этапов во многом зависят технико-экономические показатели всего процесса производства волокнистых теплоизоляционных материалов.
Поэтому проведенные научные исследования в области разработки новых эффективных технических решений модернизации существующего теплотехнического оборудования минераловатных заводов на основе изучения закономерностей процессов переплава техногенных отходов металлургического производства и природных материалов, тепловой обработки формованных теплоизоляционных материалов является актуальной задачей.
Цель и задачи работы. Целью работы является повышение энергоэффективности основных этапов получения минерального расплава в вагранках, производства волокнистых теплоизоляционных материалов в печах проходного типа на основе исследования особенностей плавления исходных компонентов, формования и тепловой обработки изделий из ваты.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1. На основе исследования закономерностей развития тепловой и газодинамической работы минераловатных вагранок разработать энергоэффективную технологию получения подвижного расплава.
2. С использованием особенностей деформации слоя минеральной ваты, слоевой сушки формованных минераловатных изделий, термического отверждения жидкого связующего определить рациональные параметры реализации энергоэффективной и ресурсосберегающей технологии получения формованных минераловатных изделий
3. На основании экспериментальных и расчетных данных разработать конструкцию тепловой камеры, обеспечивающую минимальные энергетические затраты на процесс при ограниченном объеме вредных выбросов в атмосферу.

Научная новизна.
1. Экспериментально показано, что отличительной особенностью тепловой работы минераловатной вагранки является наличие существенной неравномерности температурных полей с ярко выраженным периферийным движением газового потока при превышении теплоемкости потока газов над материалами. При организованном отборе газов из рабочего пространства вагранки закрытого типа в его центральной части выделяется зона повышенной интенсивности теплообмена (центральный ход). При удельном расходе воздушного дутья 80 - 90 м7(м2-мин) наблюдается повышенная эффективность получения минерального расплава при минимальном расходе кокса и максимальной производительности.
2. Разработана методология совершенствования конструкции и выбора оптимальных технологических параметров минераловатной вагранки.
3. Впервые установлено, что формирование структуры минераловатного ковра при механическом уплотнении происходит в основном в первый период путем свободного перемещения волокон. Наиболее упругими свойствами обладает минераловатный слой при ограниченном количестве связки (до 2-3 %) или избытке связки (более 10,5 - 11,0 %), определяющей упругость сырых изделий.
4. Определено, что при нагревании минерального ковра с распределенной в нем смеси органического и неорганического связующих упрочнение связки протекает в три периода: первоначального отверждения за счет процесса поликонденсации фенолформальдегидной смолы; умеренного снижения прочности при удалении конденсата и повторного упрочнения слоя органокремниевой связки.
5. Показано, что процесс термического обезвоживания минераловатного ковра происходит в режиме фильтрации газов с образованием зон сушки и переувлажнения. При увеличении температуры теплоносителя до 205-280 °С независимо от плотности минераловатного ковра и скорости фильтрации до 0,62 - 0,65 м/с способствует сокращению необходимого времени тепловой обработки от 35 - 50 до 15 - 20 минут.
Практическая значимость. 1. Показана возможность модернизации существующих минераловатных вагранок при достижении заданной производительности с удельным расходом кокса не выше 140 - 180кг/т, снижении объема вредных выбросов в атмосферу более чем в два раза и получением расплава требуемого состава и температуры.
2. Определены рациональные параметры механического формования минераловатного ковра с введением до 10,5 - 11,0 % жидкого связующего.
3. Установлены рациональные условия слоевой сушки для получения прочных минераловатных изделий при максимальной скорости фильтрации не более 0,62 - 0,65 м/с и температуре теплоносителя не более 205 - 280 °С.
4. Показано, что при создании сужающего профиля рабочего пространства тепловых камер печи полимеризации при входе теплоносителя и расширяющегося при его выходе улучшается равномерность тепловой

обработки изделий при увеличении производительности технологического агрегата до 15 - 25 %.
5. Разработана методика связанных теплотехнических расчетов тепловой камеры и топочного пространства, позволяющая создать основы для реализации элементов безотходной, малозатратной и гибкой технологии переработки минерального сырья на волокнистую теплоизоляцию.
Достоверность результатов и выводов подтверждается использованием проверенных методов исследований, а также тестированием полученных данных на основе их сравнительного анализа с результатами промышленных испытаний новых технических решений по модернизации минераловатного производства.
На защиту выносятся:
1. Результаты исследований тепловой и газодинамической работы минераловатных вагранок с открытым и закрытым колошником.
2. Результаты теоретических и экспериментальных исследований закономерности развития процесса слоевой сушки при фильтрации теплоносителя и термического упрочнения модифицированной связки.
3. Способы управления физико-химическими процессами, происходящими в структуре минераловатного слоя при его механическом формовании и тепловой обработке.
4. Изменения конструкции камер для тепловой обработки минераловатного ковра.
Реализация работы. Оптимальные значения основных технологических параметров и способы их реализации использованы при разработке и модернизации минераловатных вагранок открытого и закрытого типа ряда отечественных заводов. Рациональная схема газопотоков, измененный профиль рабочего пространства тепловых камер и методика их теплового расчета использованы при разработке проектов реконструкции печей полимеризации технологических линий уральских заводов по производству теплоизоляционных материалов. Состав механической смеси органического и неорганического связующего испытан в промышленных условиях.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на Всероссийской научно-практической конференции «Энерго- и ресурсосбережение и нетрадиционные источники энергии» (г. Екатеринбург, 2004 г.); научно-практической конференции ГОУ ВПО «УГТУ-УПИ» (г.Екатеринбург, 2005 г.); Международной научно-практической конференции «Металлургическая теплотехника: история современное состояние, будущее. К столетию со дня рождения М.А.Глинкова» (г. Москва, МИСиС, 2006 г.); Международной конференции огнеупорщиков и металлургов (Москва, 2007 г.), на VII Всероссийской научно-практической конференции «Техника и технология производства теплоизоляционных материалов из минерального сырья» (г. Белокуриха Алтайского края, 2007 г.), XV и XVI Международных конференциях «Теплотехника и энергетика в металлургии» (г. Днепропетровск, 2008, 2011 г.), Международной научно-практической
конференции «Повышение качества образования и научные исследования» в

материалов в рабочее пространство производится при помощи металлической бадьи с открывающимся дном объемом 0,3 м3 либо транспортером.
Таблица 2.1 - Основные характеристики минераловатных вагранок для
плавки минерального сырья
Параметр Вагранки с открытым колошником Вагранки с закрытым колошником
БЗТИМ, г.Первоуральск кзтим, г.Красноярск СЧЗ, г.Сатка «Эковер», г.Асбест «Изба», г.Богданович
Внутренний диаметр, м 1,2 1,2 1,2 1,8 1,
Общая высота слоя, м 4,5 4,5 4,5 5,0 3,
Высота горновой части,м 0,65 0,65 0,65 0,65 0,
Количество рядов фурм, шт. 2 1 1 1
Количество фурм в ряду/диаметр, шт./мм 13/180 14/150 14/150 11/90 13/
Угол наклона фурм, град. 4 4 4 8
Общий средний расход воздуха, м3/ч 6300 7100 6500 5950 5
Среднее давление дутья, Па 400 400 400 800
Максимальная температура дутья, °С 20 (430) 20 20 630
Вид сырья Доменный шлак, сланец Доменный шлак, базальт Доменный шлак, базальт Г аббро, доломит Базальт, известняк
Средняя температура на уровне засыпи,оС 90 123 137 122
Средняя производительность по исходной шихте, т/ч 3,0 з,з 3,5 8,5 5,
Максимальная температура перегрева расплава, °С 1370 1410 1375 1580 1
Вязкость в процессе охлаждения расплава растёт с усложнением структуры кристаллизующихся из этого расплава фаз. Кислые ("длинные") шлаковые расплавы, богатые кремнезёмом и глинозёмом и относительно бедные оксидами щелочноземельных и других двухвалентных металлов, изменяют свою вязкость постепенно до некоторого значения температуры.