Введение к работе
Актуальность работы. Общепризнанна актуальность использования заскладированных в больших количествах твердых металлургических отходов, включающих красные шламы -тонкодисперсный твердый остаток боксита после извлечения из него глинозема гидрохимическим способом Байера. На 1 тонну глинозема приходится от 1 до 2,5 т красных шламов. Только в России их накоплено около 500 млн.т. Шламонакопители красного шлама достигают в высоту до 30 м, занимают большие площади, наносят вред окружающей среде своим пылением и проникновением содержащих щелочи подшламовых вод в природные водоемы, несут в себе риски экологической катастрофы в случае прорыва ограждающей дамбы.
По переработке красных шламов имеется множество публикаций и патентов. Наиболее перспективной признана полная комплексная переработка. Значительный вклад в теорию и практику переработки красных шламов внесли В.Я. Миллер, А.И.Иванов, Л.И. Леонтьев, В.М. Сизяков, В.А. Утков, В.И. Корнеев, А.Г. Сусс, СП. Яценко, В.И. Овсянников, Ю.А. Лайнер, И.В. Николаев, В.К. Устинов, Ю.Г. Овчинников, Н.А. Иванушкин, В.И. Левченко, В.Н. Быткин, Д.В. Ильинков и др. Наиболее проработаны варианты, включающие получение железа, глинозема и РЗМ с восстановительной плавкой для концентрирования полезных компонентов в шлаке. Их недостатком является отсутствие отработанной технологии окускования красного шлама.
По химическому составу и физико-химическим свойствам красные шламы значительно отличаются от обычно агломерируемых железных руд, концентратов и шламов. Неясными являются кинетика и технология спекания, позволяющая получать агломерат высокого качества. Условия минимизации содержания в красном шламе вредных примесей. Использование для снижения высокой влажности красного шлама вторичного тепла агломерационного процесса и др. Разработанная технология позволяет решить эти вопросы.
Диссертационное исследование соответствует направлению развития Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг.
Цель работы - разработка технологии получения агломерата из отвальных красных шламов, пригодного для разделительной восстановительной плавки с получением высокопрочного чугуна и шлака, содержащего полезные компоненты.
Основные задачи исследования:
- Изучение кинетики твердофазных взаимодействий при
высокотемпературном спекании тонкодисперсного материала с
глубоким взаимным прорастанием многокомпонентных
минеральных составляющих;
Определение основных технологических параметров спекания сложного по химическому составу красного шлама на колосниковой решетке, отличающегося от обычных железных руд и концентратов значительно более высокой натуральной влажностью, с получением качественного агломерата;
- Определение достижимых значений удаления из красных
шламов вредных технологических примесей серы, фосфора и
щелочей в процессах его термического окускования;
- Разработка способа снижения естественной влажности
красного шлама на основе определения его теплоемкости и
получаемого из него агломерата за счет передачи тепла от твердого
вторичного высокотемпературного теплоносителя в промышленных
условиях;
Оценка экономической эффективности применения агломерата из красного шлама по разработанной технологии при выплавке чугуна, производстве стали в качестве шлакообразующего, в схемах комплексной переработки с извлечением РЗМ.
Методы исследований. В работе были использованы экспериментальные и теоретические методы исследований. Исследования кинетики спекания и удаления вредных примесей выполнялись с использованием химического и фазового анализа. Продукты спекания исследовались с использованием современного электронного сканирующего микроскопа Tescan. Исследование
процесса спекания проводилось с использованием лабораторной агломерационной установки. Научная новизна:
Выявлены особенности механизма формирования связующей среды спека в системе минералов красного шлама. Обнаружено, что в отличие от агломерации железных руд, при спекании красного шлама происходит дополнительный термический разлом кусков и последующее срастание образовавшихся трещин, что требует по кинетике дополнительного времени, а по термодинамике -дополнительного тепла;
Установлены количественные зависимости степени удаления из красного шлама вредных примесей серы, фосфора и щелочей от температуры и времени термообработки в окислительных и восстановительных условиях;
- Определены значения теплоемкости красного шлама и
полученного из него агломерата. Разработан способ снижения
высокой влажности натурального красного шлама за счет
вторичного твердого теплоносителя.
Защищаемые положения.
1. С целью получения прочного многофазного спека
агломерата из красного шлама, не уступающего по своим
прочностным характеристикам обычному железорудному
агломерату, необходимо обеспечить содержание твердого топлива в
исходной шихте 10 - 12% и ее влажность 21 - 23%.
2. Для снижения содержания в агломерате из красного шлама
вредных примесей следует производить окислительно-
восстановительное спекание при температуре 1100 - 1200 С, что
обеспечивает получение продукта с уменьшенным содержанием
щелочей на 58-60%, серы на 31-38% и фосфора на 10-15%.
Практическая значимость работы:
1. Полученные научные результаты дополняют существующую теорию спекания тонкодисперсных руд и материалов в области кинетики и механизма формирования связующей среды многофазного спека в системе минералов боксита с их тонким прорастанием.
-
Обобщение лабораторных опытов и имеющихся данных промышленных испытаний может служить основой для обоснования организации и проведения укрупненных промышленных испытаний и проектирования промышленной агломерации красного шлама в схемах его комплексной переработки, а также использования вместо минеральных материалов при выплавке стали, получения высококачественного чугуна и концентрирование в шлаке полезных компонентов, содержащихся в красном шламе.
-
Научные и практические результаты работы вошли в учебные курсы для подготовки студентов специальности 110200 «Металлургия цветных металлов» и 150103 «Теплофизика, автоматизация и экология промышленных печей», магистров по направлению 550500 «Металлургия».
Степень обоснованности и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, содержащихся в диссертации, подтверждается всесторонним информационным анализом объекта исследования, использованием современных методов исследований и обработки данных, а так же соответствием полученных экспериментальных результатов теории и практики получения прочного агломерата из красного шлама для дальнейшей металлургической переработки.
Апробация работы.
Основные результаты диссертации докладывались на международной конференции молодых ученых в Фрайбергской горной академии (Фрайберг, 2011), на всероссийской конференции молодых ученых (Санкт-Петербург, 2012), на всероссийской конференции «Электротермия - 2012» (Санкт-Петербург, 2012).
Личный вклад автора состоит в анализе существующих технологий переработки красных шламов, постановке цели и задач исследований, проведении лабораторных исследований, обработке полученных данных, подготовке статей и материалов для участия в конференциях.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 научных работ, в том числе 3 статьи в журналах, входящих в перечень ВАК Минобрнауки России.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка. Работа изложена на 107 страницах машинописного текста, содержит 19 таблиц и 23 рисунка. Библиография включает 134 наименования.
